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2021-04-23 09:41:00康凱張一楠
建筑技藝 2021年3期
關鍵詞:建筑設計

康凱 張一楠

中國建筑設計研究院有限公司本土設計研究中心

2018年8月,國家第三批“城市雙修”試點城市名單出爐,??诎裆嫌忻?。海口市民游客中心作為海口“城市雙修”的試點項目,聚集了12345??谥腔勐搫悠脚_、旅游警察、數字城管、綜治中心等14個單位和部門,集城市形象展示、便民利民服務、城市綜合管理三大功能為一體,讓市民游客能夠快速直觀地了解??凇⑷谌牒??,感受智慧城市的建設成果和便利的公共服務。為了使游客中心未來在城市可宜居性和可持續性方面發揮應有的作用,設計中我們不僅需要著眼于地域文化特色,更要對海口特殊的城市環境和氣候條件做出獨特而可持續發展的回應。

1 布局

建筑所在的??谑袨I海公園是三園合一的核心區域,也是1996年海口市填海造園、化堿為綠的示范項目。公園中央有一處人工內湖,旁邊有一座小山相伴,水面碧波蕩漾,山間椰林蔥郁,是海口市民一處絕佳的消暑休閑場所。為了削弱建筑體量對公園的壓迫感,我們特意避開了湖邊開闊的場地,而將建筑設置在公園西北角一處隱蔽的狹長用地上,并將建筑偏轉角度環繞現狀山體布置,保留了用地北側小學和公園之間的視線通廊,也有效回避了公園西側電站雜亂立面對公園景觀的干擾。整個建筑的功能布局也隨即圍繞開放空間的設計而展開,我們保留了現狀小山并把步行街放在建筑主體與小山之間,一側報告廳、多媒體展廳、咖啡書屋等多功能空間嵌入山體,一側風雨無阻的騎樓空間與山野林趣相結合,形成了開放式立體街道。辦公組團是這個建筑中使用最頻繁的部分,我們將其沿城市道路一字排列,北側是“12345”熱線,南側是城市管理平臺,兩個功能組團通過中間的公共大廳連接,并各自擁有獨立的入口。城市展廳布置在首層和地下一層,并朝向街道盡量開放,形成半室外的活動空間。

2 生態

??诘靥幍途暥葻釒П本墸瑲夂驖駸岫嘤?、全年日照時間長,年平均日照時數2 000h以上,太陽輻射量可達11~12萬卡。在這樣特殊的自然氣候條件下,為了創造更多舒適的半室外空間,我們用纖細的V形鋼撐起巨大的曲線形木屋面,優美靈動的曲線起伏跌錯,既形成了富有特點的城市天際線,又是市民游客遮陽避雨的室外庇護所。為了抵抗西向烈日的輻射,朝西的外窗狹長且凹入厚重的火山巖墻體,方體之間的窄縫既強化了立面形體關系,又形成了天然的拔風廊道,起到了很好的通風降溫作用。東向立面朝向公園,大部分建筑位于棚架之下,處理手法則大不相同,立面使用更多通透的大窗和落地玻璃幕墻將公園景觀引入室內,建筑形體的組合也更加豐富多變,形成了高低錯落的觀景平臺。但也正因為日照的優勢,我們在平屋頂上鋪設了大量太陽能集熱板,利用太陽能作為室外夜景照明和值班宿舍生活熱水的主要能源。因為公共空間高大,上部用于排煙的開啟窗扇平日很難開啟,因此我們在公共大廳、水邊多功能廳、地下開放展廳等公共空間面向棚架一側設計了連續的玻璃門扇,使得室內能夠實現自然通風換氣。從后期運營效果來看,這些生態措施有效降低了建筑能耗,全年大多時間室內都可以不使用空調,只要將玻璃門全部打開,就能享受到湖面吹來的徐徐涼風,愜意非常。

1 從公園看建筑

2 設計理念

3 總平面圖

業主:海南華僑城市民游客中心建設管理有限公司

建設地點:海南省海口市龍華區濱海公園

建筑設計:中國建筑設計研究院有限公司本土設計研究中心

項目負責人:崔愷、康凱

設計團隊:朱巍、馬欣、李俐、張一楠

總建筑面積:28 976m2

設計時間:2017.08

建成時間:2018.05

攝影:張廣源、李季

4 木棚架與火山巖

5 建筑通風、節能示意

3 地材

穿行在??诘拿窬泳勐?,隨處可見火山石木混搭結構的院落。自古以來,海口人就喜好用傳統的石塊壘砌技術構筑耐久實用的房屋,這種最原始的方法更體現著熱帶氣候的特殊性,并賦予了海南民居建筑的本土活力。我們將不同顏色、不同特點的火山石在建筑中分類運用:紅色浮巖孔隙率大且容重輕,砂漿抓結力大不易脫落,用于外墻最為合適;深灰色火山巖又稱玄武巖,孔隙小且堅硬,可作為鋪地使用。傳統工匠手持電鋸隨切隨拼隨粘,墻面既富有手工質感又顯得十分精致,不同深淺和飽和度的紅色極具視覺沖擊力,讓參觀者頓時就能感受到地質變化的自然魅力。同時,對于火山石的表面處理方式,我們也突出了不同空間之間的轉變,如入口平臺處體現了自然劈開的效果,大廳內部采用疏密相間的機刨道面與粗曠的隨拼玄武巖地面穿插使用,整個室內地面呈現出琴鍵一般的細膩質感。

4 構造

要讓屋面呈現出宛如葉片般輕盈的漂浮感,材料就要盡可能輕巧,相比鋼或混凝土構架,靈動的木材是最合適的選擇?,F代膠合木工藝結合先進的木材防腐處理技術,即便長期在潮濕高鹽的海洋空氣中也不易腐爛變質,同時也可以避免膠合木構件不受白蟻的侵害。膠合木表面燃燒后會形成一定厚度的碳化保護層,經過簡單的防火處理,就能滿足規范規定的結構構件耐火時間的要求。這些都使得底部的木構架徹底暴露成為可能,形成富有結構韻律感的空間效果。木材本身具有吸濕、環保、保溫隔熱等特性,其可再生性更是降低能源消耗和資源轉換的最有效措施。

樹枝狀組合鋼柱將膠合弧形木梁撐起,并通過鋼板、螺釘與木弧梁連接,長度450~600mm、直徑8~11mm不等的全螺紋碳鋼合金螺釘呈45°穿過鋼板鉆入木梁。相比傳統的對穿螺栓和鋼板的全剛性組合方式,用螺釘固定的節點形成了一種介于鉸接和剛性連接之間的半剛性連接狀態,在獲得最大承載力的同時還具備更好的延性表現,能更有效率地平衡極端臺風天氣作用下產生的結構位移與變形。膠合木弧梁受拉應力比較大的位置,還植入了半螺紋螺釘,防止木材變形、拉裂。

6 木棚架與騎樓空間

7 木結構屋面細部

8 木結構屋面如飛翼般輕盈

9 木屋面下方半室外空間

10 木屋面下方半室外空間

11 木棚架下眺望城市

木次梁沿主梁曲線方向間距2m固定,其上固定雙層花旗松膠合板。兩層膠合板錯縫安裝,受力牢固且不易變形。上層的膠合板做防腐處理,下層則涂刷透明的防腐、耐候漆,以保留溫潤的木材色彩與自然紋理。屋面面層由雙層SBS防水膜和架空木瓦系統組成,整個屋面由35萬片紅雪松瓦拼成,加厚的紅雪松木瓦通過順紋劈切的技術制作,有效避免了瓦片受潮可能產生的彎曲變形,楔形截面也讓瓦片在強風下的受力更加合理,同時減輕了自重。我們在兩層瓦片之間的搭接部位嘗試增加了新型防水材料——防水透氣膜,可以有效隔絕雨水的層層滲入,反向透氣性又能在晴天將滯留在瓦片中的水分蒸發透出,大大延長了瓦片在熱帶氣候中的使用壽命。

此外,為了讓木構棚架顯得更加輕巧,我們將原本笨重的大截面木梁一分為二形成雙拼梁,100mm寬的窄縫同時也巧妙隱藏了機電設備管線,并在棚架跨度大、支撐弱的木梁位置兩端張拉鋼索以平衡木梁的水平推力。為了防止雨水從木梁端進入內部,除了涂刷端頭封閉劑,我們還用精致的金色鋁鎂錳裝飾扣件將其逐一遮蔽。

5 數字化技術應用

5.1 形體生成與優化

隨著數字化設計工具的逐漸發展與成熟,設計由單純的二維向三維轉化。數字化設計工具在提高設計工作效率的同時,也極大地拓展了設計的可能性,逐漸承擔起設計“顧問”的角色。在確定整體生成邏輯后,通過參數調整可以輕松實現多方案的比選,使得建筑師在設計推敲階段能夠做出更加精確的判斷。在三片自由曲面木結構屋面設計中,我們充分利用數字化設計與建模工具(Rhino+Grasshopper)建立了形體生成邏輯。屋面的整體結構由66根弧形雙拼云杉膠合木梁和825根膠合木次梁組成,為了降低弧形木梁的加工難度、提高木梁形態的標準化程度和加工效率,設計采用三根弧線作為高、中、低三片木梁形態的“母線”,通過對“母線”形態、平面位置及高度的調整,使其形成不同的曲面形態,再通過每根“母線”截取范圍的變化確定木結構屋面的邊界,從而生成屋面的整體形態。這種方式大大減少了木梁的形態類型,為后期的深化、加工、建造打下了良好的基礎。

5.2 從結構設計到加工建造

海口市民游客中心采用整體木結構屋面、V形鋼結構支撐的基本結構框架,膠合木梁及鋼結構支撐整體外露成為建筑形體的主要組成元素。從鋼結構V形支撐的布置、開合角度到膠合木梁的整體形態,都與結構受力體系息息相關。在形體生成演進的同時,建筑師通過與結構工程師的合作探討,也利用數字化工具勾勒出結構體系的整體邏輯。鑒于木結構體系的特殊性,我們特別邀請了加拿大Structure Craft 木結構設計公司作為木結構設計顧問全程參與到設計過程中。在與結構工程師和木結構顧問公司的配合過程中,我們建立了一套基于數字化模型的工作流程,對整體形態及結構布置進行控制。得益于Rhino、Grasshopper與SAP2000、Midas等數字工具之間的無縫銜接,建筑師與結構工程師及木結構顧問可以快速進行整體結構分析、探討空間效果,形成一種基于技術與數字化模型的高效互動工作體系。

12 工廠預拼裝木結構梁

13 大跨度木梁起吊

14 木梁與下部鋼結構支撐吊裝連接

15 次梁安裝

16 整體裝配流水作業

17 數字化建模

18 典型跨模型

游客中心的木結構屋面是大跨度木結構在國內的首次應用,原材料供應、加工、輔材在國內工程中均無案例和標準可循。為了保證結構安全和工程品質,我們最終與業主達成一致,木結構屋面采用原材料國外采購、加工與國內組合、拼裝的施工組織模式。在短短兩個月內,奧地利的云杉膠合木梁、木檁條,加拿大的防腐紅雪松木瓦和花旗松膠合板,意大利的高強膠合木專用螺釘,美國的膠合木防火漆和德國的水性耐候面漆均嚴格按照計劃時間,陸續、有序抵達海口,全球木結構材料資源的有效調配無疑是工程推進的最強保障。屋面木結構體系的弧形雙拼膠合木梁及膠合木次梁均由數控加工方式(CNC)進行下料加工。在深化設計階段,后期現場安裝所需的一切條件均在數字化模型中設計好,并以此導出用于數控加工的文件。其中涉及兩個重要方面:其一,由于木梁采用進口膠合木,海運40尺集裝箱內側長度不能超過12m,深化設計階段的數字化模型對木梁進行合理拆解,滿足國際運輸需要的同時模擬最經濟的裝箱方式;其二,按照不同位置的受力要求和狀態對分段木梁選擇不同形式的連接方式,如企口連接、鋼板插芯連接等,并且將連接木梁所需的釘孔、鋼構件卡槽在數字化模型中進行建模定位并導入加工文件,以保證現場組裝的精確度和結構受力的可靠性。

分段木弧梁及木次梁到達現場后需要進行保護劑處理及預拼裝,再運輸到施工現場吊裝,在空中完成整體拼接。這其中,屋面最長木梁為58m,整體一次吊裝最長的木梁為37m,重量將近8t。如此巨大的構件要達到高效準確的裝配化建造,完全得益于整體數字化加工模型的控制及與數控加工方式(CNC)的緊密結合。由此,從木梁整體形態到每一個連接節點的精確加工,再加上車間預拼裝和現場吊裝定位的高效配合,施工現場的每個環節都嚴絲合縫,一氣呵成。短短3個月時間,整體木結構和木瓦屋面安裝完成,并且保證了極高的建筑完成度。

6 結語

項目完工拍攝時,游客中心已經開始運行,最初預想的場景在短短不到一年之后一一呈現。在優美舒緩的濱海公園內,這棟建筑靜靜地掩映在椰林樹影之間。隨著時間的推移,木瓦漸漸呈現出與周圍環境更加協調的質感和顏色,紅色的火山巖墻面也正悄悄地披上綠色的外衣。小山上繁花簇錦,形態各異的鳳凰木、三角梅、雞蛋花和各類棕櫚樹點綴其間,營造出綠洲般的熱帶氛圍。山頂泉水聲潺潺,山下瀑布轟鳴,陣陣蕩起的水霧隨風穿過大廳,每一位頂著炎炎烈日而來的市民游客頓時神清氣爽....曲折、變化、層次豐富的空間隨著人們在步行街來往的行走不斷展現在眼前,細膩的騎樓線腳、精巧的百葉窗扇、一盆盆吊掛的綠蘿藤曼與粗曠的暖色木構屋架相得益彰....日落之后,淡淡的暖光將整個建筑籠罩,屋面仿佛徐徐拉開的金色大幕,騎樓街道上燈影闌珊,水邊的木構屋頂波光閃爍、樹影婆娑,呈現出詩一般的靜謐.....

回首往昔,工程歷經艱辛又屢遭挫折,其中也不乏設計的紕漏與施工的粗制,但是對本土理念的堅持和對自然、氣候環境的精準詮釋,讓這座建筑最終得以與環境協調共生,并激發出這座海濱城市應有的活力。我們相信,在不久的將來,更開放、更生態、更精彩的高品質生活一定會在這里出現。

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