阿斯塔纳的世界博览会2017阿斯塔纳博览城未来能源的会后遗产规划

阿斯塔纳的世界博览会2017阿斯塔纳博览城未来能源的会后遗产规划

1世博会举办的背景国际展览，又称世界展览，由世界博览会和世界博览会开幕，每两年举行一次，每年为3.6个月。世博会的构想于19世纪起源于法国,法国工业博览会作为第一次正式的博览会于1844年举办。从那时起,博览会便被认作是文化、科技交流的契机和展示各国创新实力的大事件。自创办之初,每届世博会都会设立并围绕专门的主题开展,涉及建筑、活动及展览几大部分。从其发展历史来看,世博会经历了3个主要阶段:工业化时期阶段(1851-1938)、文化交流阶段(1939-1987),以及国家品牌阶段(1988至今)。在第一阶段,世博会的内容以国家展示其科技发明和技术发展为主。其中最为有名的便是亚历山大·格雷厄姆·贝尔(AlexanderGrahamBell)在1876年的费城世博会上第一次展示了电话。到了第二阶段,世博会变得更加注重文化主题。例如,1970年在日本大阪举办的世博会,主题为“人类进步与和谐”。而到了第三阶段,世博会已逐渐演变为积极提升国家形象的活动。2总体规划2.1阿斯塔纳世博会2013年12月,AdrianSmith+GordonGill建筑事务所(以下简称AS+GG)参与了将在哈萨克斯坦的阿斯塔纳举办的主题为“未来能源”(FutureEnergy)的世界博览会场馆国际设计竞赛,并从包括蓝天组(CoopHimmelblau)、扎哈·哈迪德(ZahaHadid)事务所、GMP事务所(GMPInternational)、马西米利亚诺·福克萨斯(Massimiliano)事务所、朱锫工作室(StudioPei-Zhu)、UN工作室(UNStudio)、斯诺赫塔(Snohetta)事务所等知名建筑设计事务所在内的来自世界各地105家参赛单位中脱颖而出,成功赢得该项目。项目设计服务范围包括面积为25hm设计过程于2013年12月启动,2016年春完成,涵盖总体规划和其中28栋建筑物的单体建筑设计,以及住宅、商业、学校等数个片区设计。项目基于“后世博遗产”的总体设计理念,即城市政府部门的投资应从区域长远发展的角度考虑,设计应保证园区从世博功能到世博后功能的平稳过渡和转变最小化。此外,整个项目被规划和设计为城市的有机组成部分,通过公共交通和景观绿道进行连接。设计以满足后世博功能为主要目的,打造可适用于世博功能的独特设计,并从物流和成本的角度减小了功能转换需求,同时为世博业主和阿斯塔纳创收,弥补世博投资费用。最终,项目在满足世博功能用途同时也满足了阿斯塔纳的城市需求,体现了世博关注未来能源的主题,并将打造一个后工业革命城市。世博社区消耗的大部分能源将由可再生能源提供,建筑本身也设计成为发电系统,通过智能电网系统进行配电和储备电力(图1)。阿斯塔纳世博会于2017年6月10日-9月10日举办,围绕“未来能源”这一主题展开,致力于找到实现能源质变的方法,其着重点为开发替代性能源和交通方式。对于哈萨克斯坦这样正在经历从以石油经济为基础向多种自然和可持续资源经济转型的国家来说,“未来能源”这一主题显得尤其重要。找到可持续能源供给是非常重要的,也是全球日益关注的焦点,能源问题的解决将确保经济的增长以及提高社会标准,同时缓解环境问题。因此,“可持续设计”对于这一主题而言尤其重要。AS+GG的设计理念—“形式追随性能”,是基于这样一种认识:建筑和自然环境中的一切都是相互关联的,建筑设计应深刻理解建筑在环境中的作用。世博城总体规划和城市设计全面考虑项目基地具体情况,如气候条件、文化环境和可达性等。通过主动和被动策略降低总体能源需求。设计团队进行了一系列研究,以尽量降低基地能源消耗,同时最大化能源收集潜能和提高用户舒适度。最终根据研究结果确定基地内每栋建筑的最佳朝向,以优化设计策略,降低世博社区的总体能源使用量。为确保符合“未来能源”这一主题,设计团队调查研究了多个发电方案,并结合建筑设计导则,包括采用高性能玻璃以最大化冬季得热,同时在夏季提供遮阳;通过设置能源桩降低冬季能源需求并提供温度调节;能源存储量可满足两天应急能源需求;可有效管理百年一遇暴风雨;场地内产生垃圾的填埋转移率达到90%。场地基础设施整合了用户、建筑,以及智能能源网、智能循环水网、一体化垃圾管理系统、四季地下热能存储系统等设施,旨在实现世博社区可持续发展目标,降低高峰能耗、总能耗、用水量及废弃物掩埋量(图2)。主场馆设计与总体规划一同开展,力图在全年尽量吸收太阳能以抵御寒冷的严冬天气。这给予每栋建筑独特的特征,又与其朝向和用途直接关联。我们内部将这一设计手法称为“形式追随性能”。2.2后世博会优化改造措施该项目要求在一年内设计出供世博期间使用的33座建筑物和约52.1万m其中一项主要挑战是在世博会召开3个月后,原有展馆转变为博物馆、表演艺术厅,或改造成新的办公楼、总部设施及教育设施。对于团队来说,与承包商一起理解这场国际盛会的尺度及与城市之间的关系非常重要,力求对阿斯塔纳的建筑、社会、文化和可持续性做出贡献,而不仅是设计一个建筑孤岛。在共同协作下,团队设计建造了一个综合性的社区,可以在世博结束后很长一段时间提供创新型的生活、工作和学习场所(图3、4)。实现这一高效改造的关键因素包含:1)规划世博停车场(地面层世博活动停车场)时,考虑地块最终用途将改造成住宅区;2)在世博期间设计和建造街道、人行道和园林绿化时,与后世博阶段的功能相整合,确保后期无需进行拆除或重建工程;3)围绕世博住宅区规划缓冲区,与世博园区主要道路分离,打造更小尺度的、舒适的居住体验;4)公共缓冲区设计可涵盖再生能源发电策略和基础设施,使其效益倍增;5)将学校列入后世博会总体规划,以满足未来社区的多样需求;6)将所有展馆建筑(哈萨克斯坦馆和零售店除外)改造并整合为甲级综合办公楼;7)在后世博阶段增设景观,确保无需在已建成的世博园区内进行重大的建设或拆除。在后世博阶段,整个场区将被改造成文化、办公和研究园区。在对历届世博会场地进行研究时,设计团队发现,对于业主来说,受到前期筹款影响,获得后世博开发所需审批往往是困难而漫长的。AS+GG与阿斯塔纳博览会2017NC公司以及哈萨克斯坦和阿斯塔纳政府密切合作进行的建筑开发,在诸多情况下对既有标准、法规和规定发起挑战。通过创新和妥协,团队成功地实现了能以全新的方式催化新的城市发展的可持续建筑。每座世博建筑的外形均考虑和场地的关系。由于冬季极其寒冷且太阳辐射有限,建筑朝向需获得最大程度日光辐射,太阳辐射不仅可改善不同类型建筑的内部空间,还可收集后利用光伏电池阵列发电。在后世博阶段,先进的智能电网系统会启动,并会有效地分配全天和全年的能源。对于住宅开发项目从路网旋转、街区尺寸到建筑体量分配等问题,我们进行了一系列研究来降低能耗、改善室内外舒适度并增加各个单元的能源收集。3建筑面积3.1建筑模拟与材料可持续设计三因素本届世博会最具代表性标志为2.4万m建筑底座有一个遮蔽式入口广场,有效组织了前往各层的流线次序,同时还提供额外的展厅空间。游客可游走于球体之下,从不同视角欣赏内部空间。第2~7层为展厅层,最高的第8层内设计的观景平台是饱览阿斯塔纳全景的最佳观赏处。这个直径达80m的建筑物的外墙系统可有效降低热损失及室内太阳眩光。太阳能光伏综合系统可节约能源,同时提高建筑的能量输出。建筑形体经过全面的测试和建模,在纯球形结构基础上不断进行几何形态的调整,来确定如何达到能耗最小化、采光最大化、眩光控制,并利用综合太阳能光伏和风涡轮的可再生资源为整个建筑提供能源。为了保持真正的球面特征,外围护结构采用双曲面玻璃立面。在设计阶段初期,AS+GG运用了建筑信息建模(BIM)技术进行建筑模拟,以探索设计多重可能,对每个方案设计表现、能耗影响及结构完整性进行分析。复杂的球体结构设计,要求可持续设计专家、风洞分析以及结构、机电顾问紧密合作,以便探究所有降低碳排放和发电可能性。在选定初步造型后,采用Rhino/Grasshopper软件进行更加详尽地分析以进一步优化造型,并最大化太阳能电池板日光照射面面积(图5内景)。设计师提供并测试了多个概念方案,以在整合光伏面板的同时平衡其他重要建筑部分(譬如机电系统)要求、表面面积要求、以及与其他建筑元素的冲突,并最大化涡轮机受风面积,合理布置最小双弧形几何结构。最终,光伏面板组件被安装在球体顶部为大楼提供可再生能源。在测试阶段,能源模型预测发电量为每年81056kWh,满足总能源需求的2.21%。可再生能源发电不仅满足业态需求,也是整个世博会的象征。游客可通过置于球体顶部的外露光伏面板组件及风涡轮获得第一手可再生能源发电体验(图6)。建筑顶部被留有一个凹形区域来放置风涡轮,以充分利用潜在风能发电。设计师对无数个设计方案进行建模和测试,以寻求能够响应功能要求并提高发电量的适当造型,重点在于从球体结构表面收集风能(图7、8)。设计团队与风能工程师紧密合作,设计并测试了建筑造型及其表面风口的多种造型。针对阿斯塔纳严冬条件特别设计了带动西南主导风向风涡轮机,预计每年发电量将达5.27万kWh,等同于建筑总用电量的1.6%或总能源需求的0.9%。其他降低能耗成本的可持续设计策略包括高性能超白低铁玻璃(含低辐射涂层、不规则陶瓷彩釉图案)以减少眩光及最大辐射区域的得热;由水平竖框支撑的穿孔围护结构设有辐射加热管系统,以及在室外幕墙竖框系统中设置节能LED灯(图9、10)。球体是通用设计的理想例证。AS+GG设计团队在设计早期就认识到,他们作为建筑师及规划师所承担的责任不只是交付设计成果。项目的重要目标是设计一个令社区里的每一个居民都倍感自豪的标志性建筑。对于设计师来说,以高标准进行城市开发及建筑设计,创建一个满足21世纪多样化社区所有需求的建筑是至关重要的。譬如,残疾人可实现无障碍到访,轮椅能够到达建筑的所有楼层及空间,展览设计考虑多感官感受,聋哑或失明人士也可欣赏到展品。此外,建筑设计也考虑了所有年龄段需求,互动展示装置设置在了不同的高度,满足不同教育程度和不同兴趣的访客。3.2年大赛设计特点极具未来感的会议中心配备了拥有最先进设备的3000座礼堂、展览空间、赞助商展示区、保安严密的VIP区及VVIP区、配套新闻发布室、配套办公室及专用停车场。该中心为2017年世博会期间重要活动场所,并将成为规划后世博会开发项目—世博城的未来活动中心(图11、12)。会议中心设计灵感源于哈萨克斯坦的象征—展翅翱翔的金鹰(bürkit)。结构锥形边缘及光滑造型将建筑体量及表面积最小化,降低施工成本。作为重要的国家级建筑,会议中心是整个世博规划区文化轴线上的一个主要设施,建筑与公园融为一体,主入口朝向世博基地,哈萨克斯坦馆球体一览无遗。带顶广场与相邻住宅街区直接相连,有助于后世博阶段在此举行小型社区活动,高效利用及管理会议中心。从东南广场可通往会议中心主入口。访客经过设有安检处的两层高中庭进入。考虑到全球的领导人到访阿斯塔纳参加2017年博览会,设计中采用了严格的安保措施。人们可乘坐两部停车场穿梭电梯到达入口中庭。一个带天窗的3层通高大中庭将成为通往礼堂及展厅的主要通道。自然光透过天窗间接进入到这个大空间内。人们从一层、二层及三层分别进入礼堂。礼堂中央一条主要的横向过道位于一层,座位区以此为分界分别向舞台方向下降、向后方抬高;礼堂后部与二层标高相同;包厢层可直接连通三层。在礼堂上方设有各种猫道及索具支撑照明和音视频系统。舞台后面的一道双层玻璃幕墙系统提供自然光并实现与礼堂外公共空间的隔音(图13、14)。礼堂内墙及天花采用来自可持续采伐原料的定制弧形木板,染中浅色调,并根据声学控制设备、灯具以及数据标识布置点位而一体化。设计墙框在必要处采用耐久性不锈钢包裹。所有暖通空调系统与天花完全隔离。舞台被设计成为一个雕塑感极强的带有木楼板的整体表面(图15)。会议中心采用最优化的形态和朝向设计,尽可能降低能耗和碳负荷,同时采用被动设计原则。正如AS+GG为世博会设计的所有建筑一样,设计通过太阳辐射分析确定屋顶光伏板的最佳位置。外墙向下倾斜,尽可能减少墙壁受到的太阳辐射,外墙上的水平玻璃窗为沿着建筑外围的主要交通区域提供间接的自然采光,并为通向端部、封闭且有良好自然采光的公共区提供了一个自然的过渡。通过日照分析,设计团队确定了中庭天窗的尺寸和形状,以及天窗玻璃上的集成太阳能电池设置密度。设计的复杂性要求设计团队在项目进程中找到能整合Rhinoceros等软件应用的工作流程,以提供高品质的设计,并满足项目快速进度的要求。协同作业在方便团队在设计和文件编制之间快速转换方面不可或缺。通过使用协同作业工具,团队能在遵循设计意图的同时,在Revit软件内构建完整几何结构模型(图16)。Revit模型可充分利用其自带的多种工具和文件。协同作业使团队可将设计的演化和迭代过程与制图结合起来。通过使用Grasshopper的各种脚本以及Rhinoceros插件,设计团队生成了会议中心的表皮几何形态。利用脚本中所收集的信息,根据面积对表面进行分割,这一流程被称为“板块化”。之后,团队对这些板块进行优化,并在符合要求的偏差范围内对其平面化。完成Grasshopper板块化设计后,使用Hummingbird将板块的顶点信息收集并发送至Revit。外墙还包括一处坡面的3层中空玻璃索网式幕墙区域,单向拉索由双层透明中空低铁玻璃板提供支撑。不锈钢绳索和配件锚固在上面的钢桁架结构和地板下面的混凝土结构上。外墙实体部分采用镀锌金属外壳和蜂窝背板的防雨板系统,紧固件隐藏安装。防水和刚性绝缘层安装在外壳后面,并由固定在主结构上的次级金属框架提供直接支撑。3.3“观众”参与的场馆与“体验”区能源大厅是一个面积约6500m设计团队面临的主要挑战是,如何将文化功能与商业体验相结合。剧场设计的常见问题就是如何使剧场在没有演出时仍保持活力。能源大厅位于世博区中一个有着较小城市尺度的区域内,仅有4栋建筑:中心的球型建筑和两侧的商业建筑。如果4栋建筑中有一栋缺乏活力或比较乏味,整个小街区的步行体验都会受到影响。礼堂周围的公共区域将舞台、动感互动屏幕环绕的科技区与行人体验相结合。即使剧场不开放,公共区仍能作为活动空间供人们使用,延伸剧场的用途,并激活相邻的有顶棚的街道。剧场空间的表皮被设计为充满活力的灵活薄膜,确保“剧场”在白天、黑夜以及没有演出的任何时候都保持活力(图17)。剧场内有一个包括侧厅、科技长廊和后台的工作舞台。小型货车通过地下卸货平台将货物运送至此。大型货车可通过与工作台高度相同的后勤卸货区运送货物。剧场内设置的固定座位系统可满足各种演出需求,包括但不限于音乐表演、舞蹈表演和电影展映(图17e)。建筑功能分区包括公共区、礼堂、主舞台、科技区和演出配套支持空间。其中礼堂、舞台和科技区通过位于玻璃幕墙和剧场的动感表皮之间的公共空间组织和界定,形成一个整体。在后世博阶段,除极端恶劣天气之外,能源大厅将全年使世博城和阿斯塔纳社区享受城市和文化生活,作为表演中心为这座城市和周围区域持续提供服务。能源大厅是一座高度可持续的绿色建筑。其外立面采用高性能的3层玻璃幕墙,同时还采用了包括高保温辐射采暖地板、高保温屋顶空洞、回收利用中水冲厕等其他节能措施,感应式照明控制(以尽可能利用自然采光)。此外,50%的能源大厅屋顶设有光伏板,以提供可再生能源。3.4“自然光照+调节景观”的设计国际馆和主题馆围绕着球形的哈萨克斯坦国家馆,形成4个大组群。每个组群中包含1个不同的主题馆和3~4个的国际馆,其间通过流体造型的屋顶结构相连。这些展馆环绕着球馆,环形建筑群的开口面向西北侧的会议中心。一条外环路围绕所有展馆群,同时有屋顶遮挡的内环路又穿梭于展馆群里的每个展馆之间。展馆在地下层与能源大厅相连,世博会期间,地下层为展览提供储存和准备空间。展馆形态的设计和深化基于各种环境分析的综合结果:屋顶日照分析确保太阳能板和天窗的最佳位置和朝向;建筑室内空间采光分析提供最佳的中庭和天窗设计。各独立展厅间通窄中庭相互连接,确保展览层可拥有更多自然采光。流线型结构内穿插有多个有角的中庭,打造出有活力的入口以及连接各层的垂直通道。主题馆舒缓、有机的形态体现在椭圆中庭及天窗的设计中。根据建筑朝向的不同,屋面采用不同的倾斜度及脊线,确保为展馆设置最大数量的太阳能板。立面设计基于建筑能源绩效优化,采用3层中空玻璃外墙,窗墙比约为50%,在确保办公空间拥有充足自然采光的基础上,最大化实体外墙的比例,以确保保温墙体的面积。锯齿状的外墙既为透明玻璃遮蔽了夏日的强光,也确保在严寒的冬季仍有低角度阳光可以进入室内,最大程度改善全年的舒适度,同时平衡自然采光与保温墙体面积需求。屋面采用“冷阁”概念,减少下方需要空调的空间数量。大楼有舒缓的倒圆式边缘,外形特征从立面延续至屋面。屋面采用镀锌金属板,与冷气候特性相匹配,同时整合防雪板及热痕量元素,避免造成冰坝及积雪滑落(图18)。在设计阶段的初期,一项重要“遗产”问题已确定:主题馆及国际馆将被改造为最高水准的甲级办公空间,以确保商业成功并将世博会为城市及市民带来的收益最大化。教育功能也被视作后世博的遗产功能之一,可与基地周边的国家级大学整合。项目的挑战在于如何利用世博功能空间的结构、建筑及机电条件设计出在世博会后可高效地过渡成最终建筑功能的建筑。例如,地面层需要更大的荷载以承载展览活动之用,但上部楼层采用较小的标准荷载即可。此外,地面层需要8m净高,便于世博会参与方布展。最终的设计提供了高度开敞的空间用于展览功能,以及可在世博会结束后加建楼板的结构支撑细节。在后世博阶段,无需进行重大结构或建筑改动,国际馆将改造成3层办公楼,主题馆被改造成4层办公楼。面积共计12.5万m如未来需要更多空间,则可围绕中庭水平向及竖向连接办公层,甚至可在分隔U型建筑的有顶街道之间进行连接,打造综合园区。在启动模式中,这些可围绕自然采光的中庭分成小型组块来使用。3.5办公空间及媒体中心5层高的世博办公楼为世博企业的总部大楼,独特的曲状外形,使其从基地其他建筑当中脱颖而出。建筑采用了大尺寸3层曲面玻璃,享有观赏酒店、世博基地及相邻商场的全景视野(图19)