未来建筑的样板

由美国行政当局推动的关于国内政治生态的重大改革直接影响到了美国宇航局(NASA);这是一个纯技术科学机构,已在近几年里执行了若干旨在改善地球生活质量和环境质量的计划。
在美国宇航局半个多世纪宇航使命的历程中研发成功了许多项技术,其中有一些就是将这些研究成果和应用方法创新地运用于日常生活之中。所实施的这类项目中最著名的例子之一,便是最近在加利福尼亚硅谷的山景城的艾姆斯研究中心莫菲特场建成的可持续发展基地。

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一幢本土化的大楼
当时这项创举的意图就是采用可持续建材,只用可再生能源供电,减少用水量,提高工作场所的效率,降低管理成本,从而造出一幢环境性能和能源性能均高的样板建筑。实际上,所有这一切都超越任何一幢建在美国境内的政府大楼。
在计划工程项目时,规定将建造的3个经济原则,精益、手段和绿色综合起来,通过尽可能地减少资源消耗,求得当前可能实现的结果,采纳既经济又合乎人体健康的方案,从而符合规划思想。
从该项目启动以来,有关结构设计、建造和设备的理念就一直力求与周围环境相协调,力图在所选地点建造一幢堪称“本土型”的建筑,因而最大限度地利用现有资源,又能进入自然循环之中,并可预测和应对气候条件的变动,更可适应内部空间和技术设施的不同使用方式。
初步研究
这幢大楼是按照实现正净能量平衡(净零能源)设计的,采用低成本的可再生能源优化能源需求。为降低能源消耗计,实施了初步研究,通过以下各项模拟,重点确定了建筑形状:
-模拟建筑外壳所受到的太阳辐射和遮阳情况,确定太阳直接受益、太阳辐射强度和有效利用自然照明的时段,以求对不同的形态、结构、气温和设备情况实施优化;
-利用流体动力分析计算软件(CFD)模拟外部和内部空气流动,藉此还可研究空气如何围绕航空器循环以及血液如何在人体内流动。其目的就是完善空调系统的设计,以求保证使用舒适及更好地利用所提供的能源。
所实施的 CFD 模拟包括了对整个建筑内部空气循环形态的各种模拟,同时还验证了不同季节的气候条件,用以选择和评估产生空气流动的设施和相应的流动控制措施(自动窗、空调通风装置和终端等)。
在设计规划时,譬如,曾有一个目标就是建造一栋完全依靠自然通风的建筑。但是,这个目标被证明实现不了:实际上,在理想条件下,模拟作业已经证明总体来说每年有16天最高温度约为36°C。因此,选择一个兼有自然通风和机械通风的混合通风系统。
AECOM 设计事务所的技术人员遵照这种综合方法,对客户的项目进行了协调并在所有工程技术方面开展研发工作,相对于一幢配备传统设备系统的同样的建筑,估计该新型建筑每年综合能耗将减少75%以上(850MWh~200MWh)。在项目启动时,AECOM 还与学术机构(卡内基·梅隆大学的劳伦斯·伯克利国家实验室)及一些专业公司(Autodesk, Enmetric Systems, Verdigris Technologies)开展了积极的合作。
参照以下标准,该建筑的总建设费用为0.26亿美元:
– 参照评价环境可持续性的 LEED 协议 NC v2.2(美国绿色建筑委员会),获得了白金认证证书;
– 参照提出高能效建筑项目的最低要求的 ASHRAE 标准90.1(不包括低能效用途的住宅),获得了超过100%的结果,若不考虑屋顶集热面积,则为87%。
建筑结构与材料
该建筑(占地面积4,645m2)由 William McDonough + Partners 建筑事务所设计,由两座两层高的环形楼体构成,楼体之间通过一个透明空中走廊相连。
在两个楼层上,工作空间经分隔分别形成了一个25~30人的活动区,并与公用服务区相通,沿内部走道分布着一些敞开式和封闭式办公室,并交替配置了辅助间和会议室。太平梯位于侧立面的中央。
建材选择委托给专业技术工作室 McDonough Braungart Design Chemistry 严格按照“从摇篮到摇篮认证”协议实施,就像一种真正的竞争,有利于总体设计原则,在众多技术变数和环境变数以及当地的供应能力和经济承受能力之间,作出恰当的选择。
因此,特别选定的材料适合于卫生需要,适应人类、环境和生物圈,也适应所涉及的技术过程和工业过程(原产地认证,本地供应能力,循环利用的可能性,应用可再生能源和生产过程中无污染的系统,降低用水量并遵照社会公平准则)。在建设过程中,工地上产生的95%以上的废弃物都得到了回收。
外构架
支撑结构为一个金属外骨架;它除了确保工作环境有极大的柔性之外(建筑进深:16.76m),在发生较大范围的地震时实施稳定的搜寻,而这正是加利福尼亚境内地震预报的特点。采用外部结构可实现外壳分段保护策略的扩展:
–  安装附加光伏模块,除了安装在屋顶上之外,还装在水平平顶上,兼起立面遮阳作用;
–  使用百叶窗式的水平金属片遮阳板;
–  采用折叠式内部窗帘,用于工作空间的局部遮光;
–  种植攀缘植物,保护未受太阳辐照的立面。
此外,建筑物外壳还突出了以下技术特征:
–  垂直立面采用预制构件构成(内含隔热层的夹层板;高性能的大玻璃门窗);
–  采用自动窗,有利于横向与外界环境的自然通风;
–  使用光架,以利自然光线透射到天花板上;
–  采用玻璃天窗(二楼)。
之所以选择建筑外壳的主色调为白色和光铝色,是为了最大限度地减少蓄热,降低太阳辐射影响,抑制“热岛”效应和眩光作用。
可持续的能源结构
能源生产依靠:
– 固体氧化物燃料电池的模块化系统(布卢姆盒)。该系统目前将天然气作为燃料(转换效率55%),而最终将以甲烷气或沼气为燃料(后者百分之百利用可再生能源生产);
– 432块光伏模块(效率19%),均布在两个楼体屋顶之上,分成48组,每组9块,供给总需求电力的30%左右(131,400kWh/年)。
该大楼为楼内空间配备了主动式空调通风系统,其构成如下:
– 4台地热泵,配106个探头(平均埋深43米,避免与含水层冲突),供给14~15°C的换热流体;
– 辐射采暖模块化面板,配置墙壁上或天花板上,避开上方的设备管网;
– 变风量空调通风系统,共分为3个屋顶机组,管道穿过办公楼层地板,并将出风口整合在地板之中;
– 供自然通风用的窗户自动开闭操作系统。
– 卫浴热水由4块太阳能集热板生产,可以满足大约60%的用水需求。
初步研究强调了一年之中只有42天有必要采用人工照明。人工照明采用 LED 灯具,由大楼的监控系统根据当地环境情况调节。可持续发展基地的发电量远超大楼的总用电需求,多余电力馈入艾姆斯研究中心的当地电网。
先进的管理系统
利用为火星探测漫游者计划勇气号和机遇号探测车所研发的软件,验证整个可持续发展基地的运行性能。
在整幢大楼中布置了一个无线传感器网络,提供实时信息,其目的是持续不断地改善建筑物的运行性能。此感应监控系统(IMS)处理着与天气预报、预计太阳辐射形成的热负荷、室内外温湿度、风速、二氧化碳和粉尘浓度、光照度和噪声级、能源产量和能源消费乃至与每个子系统的运行情况相关的信息,估计使用者体温(同时考虑会议频度和参会人数)和所用设备所带来的影响。
所有这些信息,包括使用者对其工作环境的评价,都列入了最可能运行条件的预测输出中。通过与实际数据对比,使监控系统以足够的精度,提前为大楼对预定舒适度条件的反应编程,如此操作所安装的全部技术系统。因此,这种系统属于自适应型,即可通过自学而自动调节控制建筑物的性能。
在为按各自特点评价机器及其部件寿命而编制任务书时,可应用預測性維修(CBM)和监测运行的混合机器诊断(HyDE),这两种方法适用于这种场合,从而基于技术系统的实际条件,为热泵制订专门的维护协议。

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