人文環境融入視角下戶內變電站建筑設計研究

馮麗麗，程韻達

(中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550008)

0 引言

工業建筑是社會生產力迭代進步的衍生品,而變電站建筑是工業建筑的重要分支。隨著經濟社會的不斷發展,大家對工業建筑的要求不再局限于原始的單一功能性建筑,而越來越多地涉及人文、綠色、美學等多方面的綜合考量。現代化的工業建筑,在創造功能性空間的同時,也肩負提供充滿活力的生產環境與建立友好型城市的重任,試圖將人性化、可持續發展、文化傳承基因賦予原本冰冷的工業盒子。

關于變電站設計,現階段較多研究聚焦于建造技術、工藝設備、節能環保[1]與電磁輻射[2]等研究,較少涉及建筑設計層面。然而隨著社會不斷發展,城鎮化率不斷提升導致的用地緊張、雙碳目標下建筑業綠色化轉型與可持續發展、變電站對電力企業文化傳遞等問題相繼成為變電站尤其是戶內變電站建設首要納入考量的關鍵因素,這亦是處于電力工業與建筑美學交叉路口的戶內變電站建筑設計亟待解決的難題。

1 戶內變電站概念與發展趨勢

變電站的功能是將電壓從高電壓換流為低電壓或反向換流,是發電、輸電和配電系統的一部分,也可執行其他重要輸電及配電功能。變電站可基于電壓、用途、運行、材料、建造方式等特性進行分類,按建筑空間可分為戶內變電站、半戶內變電站、戶外變電站、合建變電站。

戶內變電站將用于實現變電功能的各類電氣設備布置于建筑物單體之中,以減少電力設備與外界環境之間的相互影響。建筑在變電站與外界的互動中發揮著窗口作用,建筑本體的存在使得變電站更加有利于與周圍環境融合,但反過來站在功能性角度之上,變電站對室內面積、層高、跨度、消防、通風等方面的特殊要求也制約著變電站建筑設計。因此,戶內變電站的建筑設計往往因其需平衡因素更多而較其他類型變電站更為復雜。

近年來,國內外戶內變電站建筑設計均順應不同建設需求而呈現靈動多變的設計語言,不再拘泥于原有呆板的盒子式設計,從國內外選取兩個典型的戶內變電站設計案例可窺一二。

芬蘭伊馬特拉變電站是該國電網的重要組成部分,基于服務于水電站的既有變電工程在2020年改擴建而來,如圖1所示。新變電站有著雙層建筑墻體,內層為傳統混凝土墻,外層由依靠手工制作的磚石條形隔柵覆蓋其上形成利落而折疊的立面效果,在光線之下極具建筑美感,其裝飾元素與既有構架及歷史建筑遙相呼應,又與自然融為一體。建筑師基于對既有建筑的元素解構以及傳統材料的巧妙重構,為百年電力建筑群帶來了新的生機[3]。

北京國家電網電力科技館綜合體(菜市口220 kV輸變電工程及附屬設施工程)建于2014年,其巧妙地將變電站與公共建筑相結合,如圖2所示。地下3層—5層為變電站,地下2層以上為電力科技館與辦公用房。項目緊鄰北京歷史保護街區和文物保護建筑,在外立面處理中采用具有歷史感的石材與現代節能玻璃幕墻相結合的處理手法,不同材料交融砌筑,融入城市環境肌理,在有限用地中呼應延續城市文脈[4]。

結合國內外成功案例與現階段經濟社會發展對變電站工程的要求,可廓清現階段戶內變電站發展趨勢。在可持續發展理念下,戶內變電站建筑設計日益追求綠色環保,“綠色變電站”概念已寫入各相關方“十四五”規劃;強調環境融合,與環境和諧共生;建筑功能多樣化符合集約建筑理念。此外,能源數字化背景下,變電站“數智”融合亦是必然趨勢[5]。

2 戶內變電站建筑設計關鍵問題與策略

2.1 設計集約化

集約化設計是城市利用率概念的產物,變電站建筑集約化設計是城市效率日益提高的必然要求。戶內變電站一般將功能集中在戶內配電裝置樓內,樓內布置有變壓器室、配電裝置室、電抗器室、電容器室、二次設備室、蓄電池室、設備用房、生產輔助用房等,已具備一定集約化概念。然而,因為功能性優先、電力規劃與城市規劃缺乏有機協同等因素,除電力功能外,現階段戶內變電站往往缺乏與其他建筑功能的集約化考慮。

提高戶內變電站建筑設計集約度,可從三個策略入手。首先,城市規劃與電力規劃并行,在城市規劃中提前考慮戶內變電站建筑對城市空間的影響,重視與環境相融及對未來城市升級的適應性,在功能、綠化等方面提出約束性指標;其次,考慮采用與其他建筑合建或利用其他建筑地下空間等方式提高建筑空間利用率,例如可將電力設備設施放置于地下空間而將主控室等功能性房間放置于地上,極限情況下亦可采用全地下建造方式實現“隱身”;三是依托變電站本身打造“電力規劃館”“電力科技館”等示范展廳功能,既作為運營方宣傳窗口,亦作為其履行社會責任的體現,例如作為南方電網科普中心的廣州110 kV獵橋變電站,夜晚如月光寶盒與廣州塔遙相呼應、熠熠生輝,顯然已成為城市名片的一部分。

2.2 建筑設計創新

現階段變電站建筑設計中亦如其他工業建筑一樣普遍存在的共性問題即是,過于側重功能性滿足而忽視建筑層面的內容表達,缺乏設計創新。當局限性思考功能性建筑時,建筑外立面、建筑易用性、美學表現等內容的缺位往往導致建筑與城市發展背離。隨著科學技術的不斷進步,材料技術的發展影響著建筑作品的呈現,建筑創新可通過新材料運用來體現。

建筑表皮是建筑最直觀的表達,因此可通過在變電站建筑表皮設計中引入新的建筑材料實現設計創新。例如:在位于城市綠化帶或居民密集區的變電站可運用竹木材料傳遞親切溫和感,位于工業區的變電站可采用金屬面板等材料呼應工業建筑群節奏,玻璃磚等透明建筑材料可用于通透感與呼吸感的營造,磚瓦等傳統建材的編織、疊砌等方式則可以實現獨特的光影效果,燈帶或LED亮化面板可用于需要與城市夜景融入的場景之中。圖3,圖4為兩個在變電站建筑表皮中運用新材料的成功案例。

創新并不意味著摒棄傳統,相反,對于磚、瓦等特色傳統建筑材料的再利用也可能使建筑更加出彩,保留傳統建筑的痕跡的同時賦予新義,是戶內變電站建筑設計實現環境融入且較為取巧的一種方式,在時間與空間上實現歷史與現代的呼應。當外立面有更復雜表達需求時,可尋求基于參數化三維建模軟件等工具實現。

2.3 綠色生態與可持續發展

作為城市組成的重要一部分,戶內變電站與環境的關系在生態環保被空前關注的今天顯得十分緊迫,各地也相繼出現變電站建設與居民理念沖突的案例,并引發各方討論[6]。現階段,戶內變電站單一化的輸變電功能使其服務于城市的每一個角落卻又似乎與城市生態割裂而無法融入,戶內變電站或隱于世、或成為一塊痕跡明顯的拼圖而強制居民接納。新時期的變電站可從公共功能上增強更多綠色生態方面的考慮。

變電站建筑的一大特點是輸配電過程中的熱量損耗巨大,變壓器產生的大量熱量通過循環導溫油傳遞至散熱室與空氣完成熱量交換,其他無散熱設備的房間則靠自然通風散熱,數據統計僅220 kV變壓器全年損耗即可達350萬kW·h,理論上可通過主被動建筑技術實現變電站節能率60%[7]。在設計策略上,可再生能源的利用已成為社會共識,在戶內變電站中引入光伏建筑等可再生能源,有利于綠色電力系統構建。

另一方面,變電站建筑電磁輻射、無線電干擾、噪聲等因素是城市居民“聞電色變”的主要因素,諸多研究表明,合理設計的戶內變電站建筑均可將上述影響控制在安全范圍內,影響可忽略不計[8]。具體而言,控制電磁輻射可從降低輻射與屏蔽輻射兩個策略著手,例如通過改變輸變電設備離地距離與設備構架排序減弱電磁輻射強度,或通過設置屏蔽網罩或設置屏障隔離帶等方式改善電磁環境。

2.4 人文關懷與文化傳承

正如前序所述,戶內變電站在城市土地日趨緊張的今天,僅承擔單一的功能而使其很難與環境產生共鳴,并與城市運行存在潛在矛盾。變電站與城市既疏離又緊密的畸形關系往往為變電站樹立一種冰冷形象,當其建筑外觀缺乏人文關懷時,這種觀感勢必進一步放大而更加令居民生畏。

不少戶內變電站占據城市核心位置,成為城市景觀的一部分。在設計策略上,重視城市文化元素的提煉與引用有利于變電站建筑表達對城市文脈的傳承,不僅有效將原本冰冷的工業建筑與城市環境無縫融合,更利于與城市居民產生情感共鳴,是人文關懷的重要體現。另一方面,更具人文關懷的戶內變電站消解了工業建筑的疏離感,可考慮在建筑用地中增加與城市居民的互動場所,提供公共設施拉近彼此距離。更進一步,可在變電站建筑中為城市居民提供電力科普空間,讓具備自我敘述功能的變電站建筑更加開放。

3 與環境相融的戶內變電站建筑設計實踐

某220 kV變電站位于?？谑薪瓥|新區,總用地面積約8 100 m2,總建筑面積約8 015 m2,其中戶內配電裝置樓共三層約7 869 m2。為了變電站建筑更好與城市建筑群友好共存,在滿足基本電力功能的基礎上,通過建筑設計傳遞人文關懷與綠色理念,通過在設計中充分考慮與城市人文風貌的呼應而實現與環境和諧融入。

談及?？诔鞘形幕?離不開獨特的騎樓建筑,多方文化的碰撞與交織形成了獨有的騎樓風貌,底部柱廊、中部墻體、頂部屋頂的“三段式”立面布局極具辨識度。從?？隍T樓提取“三段式”建筑元素并運用于立面設計,體現靈動錯落的建筑外觀,試圖呼應特有城市名片的地域文化內涵。在滿足功能的基礎上,通過切割、凹凸等建筑手法一改傳統戶內變電站“方盒子”刻板印象,局部運用玻璃幕墻增強通透感并為建筑內外互動對話提供窗口,營造建筑輕盈感,消解海南氣候帶來的炎熱與乏悶感。建筑方案推演過程示意見圖5。

契合綠色生態理念,在冰冷的功能性單體中引入室內景觀,將原本屬于室外的綠化延伸至室內,打造單體內生態空間實現與外界的多維互動,實現戶內變電站與城市環境的生態融入與互動,如圖6所示。最終呈現的建筑效果如圖7所示。

4 結語

建筑大師沙利文提出“形式追隨功能”,誠然對于工業建筑而言滿足其功能性永遠應位于第一優先級。但城市多元融合且日益強調人與城市和諧共生的今天,戶內變電站等位于城市核心區的工業建筑理應在建筑設計層面獲得更多關注,以實現與人文環境相融,戶內變電站在滿足功能的條件下,其建筑設計策略上應更多從集約化設計、建筑創新、綠色生態、人文傳承出發,有機地融入城市生態并與之和諧共存。