文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

第26卷第2期

2010年2月

建 筑 科 学

BU I L D I N G SC I E NCE

Vol 126,No 12Feb .2010

[文章编号]100228528(2010)022*******

源自白蚁丘的生态智慧

———津巴布韦东门中心仿生设计解析

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

赵继龙,徐娅琼(山东建筑大学建筑城规学院,济南

250101)

[摘 要]津巴布韦东门商业办公综合体借鉴白蚁丘生态智慧,成功塑造了良好的自然通风系统。本文从空间、材料及立面肌理等方面对其仿生设计进行了解析,旨在对我国的绿色建筑设计提供参考。

[关键词]白蚁丘;生态;仿生;自然通风;建筑设计[中图分类号]T U 2022;T U20115 [文献标识码]A

Ecol ogical W isdom I ns p ired fr om Ter m ite Mounds

———Analysis on B i om i m etric Design of Zi m babwe Eastgate Center

ZHAO J i 2long,XU Ya 2qiong (School of A rchitecture,Shandong J ianzhu U niversity,J inan 250101,China )

[Abstract]For Zi m bab we Eastgate Center,s ome ecol ogical strategies were dra wn fr om ter m ite mounds,and a nature ventilati on syste m was for med successfully .I n this paper,f ocusing on the analysis of bi om i m etric design in as pects of s pace,building material and facade fabric,reference for green building design in China was p r ovided .

[Keywords]ter m ite mounds,ecol ogy,bi om i m icry,nature ventilati on,architectural design

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

[收稿日期]2009205214 [修回日期]2009208231

[作者简介]赵继龙(19712),男,在读博士研究生,副教授[联系方式]zlll 2w@1631com

在大自然亿万年的进化过程中,地球生命获得了适应环境巧妙生存的完美智慧,这一直是人类汲取养分的思想宝库。仿生并非全新的建筑理念,习摹生物体形式和生命规律的建筑创作思想一直存在于人类历史中。20世纪开始的掠夺式的地球资源开发和粗暴挥霍,导致了能源危机和环境恶化,人类生存面临险境,反思之余,人们希望能够从生物界获得生态智慧。在当代仿生科技的带动下,建筑仿生开始由原来以形象仿生为主,转变为以生态为目标的空间、材料和结构等综合性的性能仿生,希望可以在满足人类舒适需求的同时,减少能源与资源消耗,降低环境负荷。

津巴布韦东门中心(Zi m bab wz Eastgate Center )综合体是当代建筑仿生学的代表作品,体现了鲜明的生态仿生设计理念。本文尝试对其进行初步的整体解析,以期对我国的绿色生态建筑设计起到一定的启示作用。

1 东门中心项目概况

东门中心(见图1a )是津巴布韦首都哈拉雷最大的商业办公综合体开发项目之一,于1992年开始设计,1996年建成并投入使用。建筑面积为

31000m 2

,

由2栋平行的9层外廊式板楼组成,其间以中庭连接。设计主持人是本土建筑师迈克?皮尔斯(M ick Pearce ),英国奥雅纳(Ove A rup )公司作为环境顾问,从项目起始就介入策划与设计工作,参与生态策略的制定并处理具体的技术问题。

图1 迈克尔?皮尔斯的代表作品

 

津巴布韦是非洲东南部一个经济欠发达的内陆

国家,哈拉雷位于南纬18°,地处海拔1480m 的高

建筑科学第26卷

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

原,属热带草原气候,夏季较热,昼夜温差在10℃左右。为了降低造价和运行费用,开发商决定不使用昂贵的进口空调设备。严酷的自然环境和苛刻的经济技术条件,迫使建筑师放弃常规做法,将目光转向自然界,从历经亿万年沉淀的生命智慧中寻求解决之道。当地草原上一种随处可见的白蚁巢穴进入了迈克?皮尔斯的视野,成为其借助自然因素实现建筑夏季降温的灵感之源,使得东门中心项目成为生态仿生建筑的一个经典之作。随后,迈克?皮尔斯将这一源自白蚁丘的生态设计策略,用于澳大利亚

绿色建筑示范项目“墨尔本新市政厅”

(CH2)的设计中,同样利用当地气候条件实现了低能耗、高舒适的建筑设计目标(见图1b )。

2 白蚁丘———仿生蓝本

白蚁的巢穴是生物学研究领域的一个经典样本和“奇迹工程”,丘(Ter m ite Mound )便是其中一种,其以凹凸不平的塔体形状耸立于地面,有的甚至高达数m 。一个英美科研小组对非洲撒哈拉沙漠巨型白蚁丘进行了为期3a 的研究后发现,无论外界气温如何频繁、剧烈地变化,蚁穴内的温度却惊人地稳定(见图2)

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

图2 白蚁丘内外温度测量数据

 

白蚁丘内部具有肺脏一般复杂多变的的空间结

构(见图3),向上呈树枝状,与丘体表面开口相连,向下则分成许多细孔道,呈辐射状延伸后又合并成粗孔道,通往潮湿阴凉的地下深处。利用这些通天接地、相互连通的空间结构,白蚁丘能够充分利用自然条件,使蚁穴内空气保持新鲜,并将温度稳定在30℃上下。

白蚁丘奇妙的气候调节能力引起了越来越多建筑师的关注。除迈克?皮尔斯外,

英国伦敦的绍特

图3 白蚁丘结构剖面与通风系统分析

 

设计事务所(Short &A ss ociates )同样模仿白蚁丘进行了马耳他啤酒厂的设计;美籍华裔建筑师崔悦君也受其启发,提出了“终极塔楼”的建筑构想。本文借助科学家的研究成果,对白蚁丘的生态功能进行一个初步的解读。211 气候调节机制

巨大的昼夜温差使得白蚁丘必须随时应对降温和保温两方面的问题,并随时保持空气新鲜。夏季的白天,白蚁从低于地下水位的土壤深处,将阴冷的湿泥浆搬运上来,作为冷源;同时丘体下半部分的开口将新鲜空气捕捉进来,通过途径众多的外围空间下沉至底部,被湿泥浆所冷却,冷却后的空气在吸收丘体内的热量后通过中央通道上升,高耸的丘体变成了“烟囱”,起到拔风作用,最后热空气通过丘体上半部分的开口排出。夜间,当外界温度下降、巢内需要保温时,土丘良好的蓄热能力能够为丘体内部提供足够的热辐射。这时,白蚁封堵丘体表面的开口,仅在附近地表留有出口,以维持换气。通过对丘体表面及地表通气口连续不断的挖、堵变换,蚁丘能够适应外界的自然节律变化,控制自然风的进出。这种巧妙的空间结构及自调行为,大大加强了内部气流控制能力,不但保证了氧气的供应,而且还起到了保温、隔热作用,使蚁丘成为名副其实的空调塔。212 自产自销的生态建材

科学家发现,白蚁维持丘穴内恒定温度的动力,主要源自其食物生长的需要,那是一种非洲白蚁丘所独有的真菌。白蚁与真菌建立了一种互利互惠的共生关系。除食用之外,白蚁还利用这种真菌将木浆分解成纤维,并混之以唾液、泥土及粪便,来生产修建蚁丘的坚固材料。白蚁在丘穴内构建起了良好的生态平衡,巧妙地实现了废物的再生利用。白蚁

02

第2期赵继龙,等:源自白蚁丘的生态智慧

使用酶解原理创建这种混合材料的过程,给人类以很大启发,其原理被广泛应用于生态混凝土的研发中。213 能源的“反利用”

植物可以直接利用太阳能进行光合作用,生产自身所需的能量,动物则无法做到这一点,而是主要依靠摄取食物获取能量,同时采取措施规避不利气候,减少能量需求,科学家将动物对自然能源的这种

利用方式称为“反利用”

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

(Anti 2use )。由于所处地的气候条件不同,白蚁丘形态各异,有的为了适应多雨环境,上部造有伞状“屋顶”,有些则为了避免夏天过热现象,筑成长形并迎向主导风。尽管如此,出于通风和散热的需要,它们普遍具有凹凸粗糙的不光滑外形,表面分布着大量孔洞(见图4)。白蚁丘以千变万化的自然形态精妙地维持着能量平衡,正是能源反利用的最佳例证

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

图4 适应气候的各种白蚁丘形态

 

3 东门中心的仿生设计

在缺少空调设备的情况下,室内温度调节对任何建筑来说,都是一件困难的事。为了使建筑在炎热的夏天获得良好的室内热舒适水平,同时兼顾冬季采暖需要,建筑师迈克?皮尔斯及奥雅纳环境顾问公司借用白蚁筑丘的自然智慧,通过精心设计和模拟计算,审慎研究解决方案,从空间布局、细节设计、蓄热材料利用和立面肌理等方面,构建良好的被动式通风降温系统以控制建筑的热过程,最终使建筑具有了如白蚁丘般的气候调节性能。

311 空间仿生———通风空间组织

东门中心商业办公综合体由2栋平行的板楼及其之间的玻顶中庭连接而成。板楼中央设有双层风井,内层用于排出热空气,外层用于输送冷空气。中庭下部设有天桥并种植了绿色植物,起到遮荫降温作用,通风系统的进风口就设于该处,以风机抽取凉爽空气,并通过外层风井送至各层地板下的空腔,而后通过踢脚板处的风口,到达每个办公室。被加热后的空气通过天花板的排风口被吸入中央内层排风井,并上升进入双层通风屋顶,最后由屋顶上整齐排列的48个烟囱排至室外(见图5~7)。新旧、冷热空气如此循环往复,有效调节室内温、湿度并改善了空气质量

图5 中庭及屋顶

 

东门中心的玻璃屋面比相邻办公楼的屋顶高出

4m ,高出部分敞开,四周形成了超过800m 2

的侧向通风口。经由这些通风口,中庭被加热的空气通畅地排出室外,有效避免了中庭夏季过热问题。

有效的通风量、适宜的风速和对通风影响较大的建筑材料热性能藉由奥雅纳环境顾问公司进行的一系列模拟分析加以确定。在充分考虑蓄热材料能够减缓温度波动的情况下,夏季昼、夜换气次数分别确定为2次/h 和7(10)次/h;冬季,则在通风口处由暖风系统加热空气,而后通过自然通风系统输送暖气使室内达到舒适温度。经过精确计算和设计优化,建筑物在改善热舒适、设置通风空间和空间实用率之间取得了良好的平衡。312 材料仿生———蓄热材料利用

混凝土是现代建筑中广泛采用的建筑材料。传统的混凝土容易产生泌水、析离或蜂窝等现象,质量会受到较严重的损害,另外混凝土的体积变化大,容易干缩、潜变和龟裂。东门中心项目中采用模仿白蚁筑丘材料的生态混凝土。这种材料有着更为优秀

1

2

建筑科学第26

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

图6 自然通风系统

 

图7 办公区气流组织

 

的蓄热能力,对于调节室内温度的波动、降低建筑能耗有着非常积极的作用。在夏、冬季,生态混凝土楼板拥有20℃左右的恒定温度。当空气穿过预制生态混凝土楼板时,二者发生热交换,空气被预冷或预热后再进入办公空间。不仅如此,办公室的拱形混凝土天花板能够反射灯光并吸收其热量(见图8)。

混凝土材料良好的蓄热性能,使得室内温度始终略高于混凝土楼板的恒定温度

图8 混凝土通风楼板及拱形天花板

 

313 肌理仿生———凹凸表面散热

东门中心最独特的形象特征莫过于其凹凸有致、布满规则孔洞的混凝土遮阳板和立柱,它们使整栋建筑看起来像一个由无数块小积木搭建而成的巨大城堡。迈克?皮尔斯鄙视皮肤光滑的玻璃,他称

自己的建筑为“Sp iky ”

(布满钉子之意)。毫无疑问,这种凹凸粗糙的立面肌理,同白蚁丘一样,具有良好的散热和遮阳作用。所有的窗户都选用非常规的遮阳构件,即伸出约900mm 的拱形混凝土镂空遮阳板,外加植物遮阳。一般而言,固定遮阳较经济耐用,但冬夏季却难以两全,借助计算机的精确模拟可知这种廉价的遮阳板使建筑表面获得了较好的散热效果,孔洞不但可以促进建筑外表空气流动,还避免了对冬季阳光的遮挡(见图9)。314 运行效果

东门中心源自白蚁丘生态智慧的设计取得了巨大的成功。由于省去了进口空调设备,初投资节约了350万美元,约为总投资的10%;运行耗电量仅为同等规模常规建筑的10%;节能带来的经济效益也让利于客户,房屋租金比相邻建筑低20%。投入使用后,奥雅纳环境顾问公司对其进行了严格的运行监测,认真测量楼板、使用者膝盖、书桌和天花板处的温度,统计结果与设计预期基本吻合。在夏季室外气温为28℃时,室内温度为24~25℃,达到了较为理想的热舒适条件(见图10);自然通风系统带

22

第2期赵继龙,等:

源自白蚁丘的生态智慧

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

图9 凹凸粗糙的外表肌理

 

来的新鲜空气,也使得室内空气质量远优于空调建筑。事实上,该建筑在1a 中的绝大部分时间,均能够维持良好的室内气候,只是在最炎热的10~11月,有大约3周的时间,白天室外温度超过32℃,此时自然通风能够将室温降至26~28℃,对正常的人体舒适条件来说,略显偏高。设计人员提出,深夜打开风机进行强制通风,这一问题可以得到明显改善

源自白蚁丘的生态智慧_津巴布韦东门中心仿生设计解析

图10 1998年4月东门中心温度监测结果

4 结 语

正如英国曼彻斯特建筑学院生物结构实验室主席格雷?格基夫所言:“这个星球上,只有一样东西是可持续的,这就是生命本身,它已经在地球上存在了4亿年,可持续建筑须是有生命的建筑”。大自然告诉我们,经过亿万年演化筛选出的生命智慧,在生态意义上远优于人工创造,我们应当更多地向自然界学习创新,并应用于人类发展所需的技术问题。虽然未必完美,东门中心的仿生设计仍然为生态建筑创作开辟了一个新的方向,为面临严重生态危机的社会探索出了一条通往可持续发展的新坦途。

[参考文献]

[1] 杜家纬.生命科学与仿生学[J ].生命科学,2004,10:317~

323.

[2] 布朗GZ .太阳辐射、风、自然光:建筑设计策略[M ].常志刚,

译.北京:中国建筑工业出版社,2007:91.

[3] DONALD G,Mc NE I L J r .Ter m ite mounds ins p ire design of

Zi m babwe office comp lex[E B /OL ].htt p://www .gdrc .org/ue m /anthill .ht m l .2009205213.

[4] M ick Pearce .CH 2—the design p r ocess[EB /OL ].htt p://www .

halledit .

com.

au /conferences/sdb2030/p resentati ons/M ick _

Pearce .pdf .2009205213.

[5] Maibritt Pedersen Zari .B i om i m etic app r oaches t o architectural

design f or increased sustainability [C ]//Sustainable Building Conference (S B07)2007,Auckland,Ne w Zealand,2007.

[6] J Scott Turner .Beyond bi om i m icry:what ter m ites can tell us about

Realizing the living building [EB /OL ].www .esf .edu /efb /turner/publicati on pdfs/Beyond B i om i m icryMS distributi on .pdf .

2009205213.

(上接第18页)

[2] 金石.WW F 启动中国低碳城市发展项目[J ].环境保护,

2008,2A:22.

[3] 中国科学院可持续发展战略研究组.2009中国可持续发展战

略报告[M ].北京:科学出版社,2009.

[4] I nternati onal Energy Agency (I E A ).Key World Energy Statistics

2008[EB /OL ].htt p://www .iea .org/.

[5] Kennedy CA,Ra mas wa m i A,Carney S,et al .Greenhouse gas

em issi on baselines for gl obal cities and metr opolitan regi ons[EB /OL ][J ].htt p://www http://www.wendangku.net/doc/ad32ffd533d4b14e852468c4.html/.

[6] UNDP .Human Devel opment Report 2007/2008,Fighting Cli m ate

Change:Human Solidarity in a D ivided World [EB /OL ][R ].htt p://www http://www.wendangku.net/doc/ad32ffd533d4b14e852468c4.html/.

[7] 潘家华.满足基本需求的碳预算及其国际公平与可持续含义

[J ].世界经济与政治,2008,1:35~42.

[8] 龙惟定,白玮,梁浩,等.低碳城市的能源系统[J ].暖通空调,

2009,39(8):79~84,127.

[9] CC I CED 2WW F .Report on Ecol ogical Foot p rint in China [EB /

OL ][R ].htt p://www .foot p rintnet w ork .org/.

[10] 仇保兴.紧凑度和多样性—我国城市可持续发展的核心理念

[EB /OL ].htt p://www .gx 2inf o .gov .cn .

[11] 韩冰,王效科,逮丰,等.中国农田土壤生态系统固碳现状和

潜力[J ].生态学报,2008,28(2):612~619.

[12] 梁朝晖.上海市碳排放的历史特征与远期趋势分析[J ].上海

经济研究,2009,7:79~87.

[13] 陈迎.今年几个热点报告的解读和国际气候制度研究新进展

[EB /OL ].htt p://www .c 2can .cn /.

[14] Ramazan Sari,Ugur Soytas .A re gl obal war m ing and econom ic

gr owth compatible?Evidence fr om five OPEC countries?[J ].App lied Energy,2009,86(10):1887~1893.

[15] 龙惟定,白玮,范蕊.低碳经济与建筑节能发展[J ].建设科

技,2008,24.

3

2