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在2010—2013年,笔者多次参与了针对旧工业建筑再生利用项目的实地调研工作。在对我国四大地区、全国22个城市的多次调研中发现,目前,我国旧工业建筑的再生利用存在以下六大问题:
1)抗震安全。
在经过一段时间使用后,由于使用损耗、混凝土徐变以及动荷载的作用,建筑本身结构性能存在一定程度地下降。在2008年汶川地震后,在我国抗震设防标准的大幅提高与不同建筑功能对应不同的抗震要求这两方面的共同作用下,部分闲置旧工业建筑抗震能力已不满足现有抗震规范的要求。
2)防火安全。
我国的防火设计规范化起步较晚,系统的防火设计要求出现在20世纪80年代中后期,而既有旧工业建筑大多建于20世纪60—80年代,在设计上存在着由于系统规范缺乏带来的安全隐患,因线路老化而出现了防火问题,部分砖木结构的旧工业建筑其防火问题尤为突出。
3)低碳节能。
我国95%以上的既有建筑均属高能耗建筑。工业建筑由于功能需求,大部分墙体隔热保温效果较差;同时,厂房为保证采光,通常选择尺寸较大的门窗洞口,窗墙比的增大亦降低了其保温隔热效果;厂房空间体量大、层高较高,重型工业厂房层高大多在10m以上,导致了较差的控温效果;其屋顶结构和天窗设置亦对保温性能起着一定程度的副作用。
4)使用功能限制。
原设计年代久远及功能改变造成建筑设计的不足,缺少电梯、卫生间等设施;周边配套设施不足,如周边交通、停车场所的设置,都在一定程度上限制了其使用功能。
5)使用舒适度不足。
部分建筑通风、采光、室内空间布局、建筑环境较差,使用时无法达到良好的舒适性。
6)改造过程中缺乏相关技术手段、评价标准不健全,对改造过程缺乏引导性,改造效果良莠不齐。
在1997—2006年,发达国家就相继开发了适应本国特点的在国际上较为成熟的绿色建筑评价体系,如英国的BREEM、美国的LEED、日本的CASBEE。自1996年建设部《建筑节能技术政策》以来,我国建设部门就致力于提升建筑的低碳性和使用舒适性,相继颁布《绿色奥运建筑评估体系》、GB50189—2005《公共建筑节能设计标准》、GB/T50378—2006等,初步建立了国家和地方绿色建筑标准体系,主要针对新建居住建筑及新建公共建筑进行评价,缺少对旧工业建筑再生利用相关项目的绿色评价体系。2012年,我国人均国内生产总值已达6100美元。随着经济的发展,人们对生活品质、建筑质量安全和使用功能有了更高的要求。为适应现今社会形势与绿色建筑要求的一致性,旧工业建筑改造时需要对其功能、舒适度、环保、健康度进行提高。主要针对旧工业建筑抗震加固、耐久性、功能适应、生态化等方面进行改造。
1.2旧工业建筑绿色再生评价指标的特点
通过对实地调研、考察典型项目的特点及改造使用时存在的问题,结合相关文献,以制定适合我国特色的绿色评价指标体系为目标,可对旧工业建筑绿色再生项目特点进行总结。
1)建筑已存在,选址等不宜作为评价指标参与评价。
2)因为经过一定年限的使用,且工业建筑在正常使用期内往往承受较大的动荷载,所以在改造前进行结构检测十分重要。通过检测结构的强度和材料的耐久性,考察其与现行建设标准的达标程度,作为改造模式、改造规模等的决策依据。
3)因为原工业产业对环境通常有一定影响,如空气污染、噪声污染、水污染等。例如:冶炼车间的酸洗池就会对周边土壤产生重金属污染。因此,需要进行环境监测检查并恢复改善生态环境,避免土壤中有毒有害物质的存在,保证有适宜的地温、清洁纯净的地下水。
4)强调原有结构、材料、设备、管线及基础设施的利用。充分利用既有资源是节约材料、提高环保性和经济性的重要手段,因此,原有资源的利用率是评价旧工业建筑再生利用项目绿色性的重要指标。
5)改造模式作为影响其改造规模、经济效益、使用效果等的主要影响因素,应作为不可忽视的重要指标。
6)应尽量避免建筑立面在结构及材料上的大幅改造。一般改造时建筑外壳体量改变较小,进而对建筑周边的热环境、风环境、日照影响等物理环境影响较小,同时,对周边居民生活从心理适应性上的影响亦不十分显著。
7)从绿色建筑评价的角度上看,旧工业建筑再生利用项目与一般新建建筑项目的不同主要体现在开发决策阶段和设计阶段,在施工和运营中,应与新建项目有着同样的标准和要求。
8)受原结构影响大,建筑设计的合理性和兼容性直接影响改造后建筑的使用功能、舒适度和经济性。在进行设计时,应充分考虑到原建筑的结构形式、装饰构件等固件对新功能适应的兼容性,以期最大程度地结合和利用,最大程度地发挥原建筑的各性能。
9)改造时,可充分利用先进的环保材料和绿色施工技术进行建筑再生。如平屋顶厂房在进行屋面改造时可以利用植被进行屋面绿化,在提高建筑绿化率的同时,起到一定的保温隔热效果,有效地遏制太阳辐射及高温对屋面的不利影响。在改善建筑微气候、缓解城市热岛效应的同时滞留可吸入颗粒物并净化空气,达到降低建筑温度、节约能源、净化城市水源、美化环境和提高城市蓄、排水能力的作用。在确立旧工业建筑绿色再生评价指标时,应根据相关项目的一般特点进行指标的选择和确定。
2旧工业建筑绿色再生评价指标体系的构建
在进行旧工业建筑绿色再生评价指标体系确定时,首先通过文献分析及调研总结进行使用指标的汇总,对海选出的指标通过专家问卷调研法进行其重要性得分的确定,进而根据分值及离散度对指标进行筛选。
2.1指标体系的构建原则与指标的选取
根据我国现行的绿色建筑评价标准、建筑节能规范、国外绿色建筑(低碳建筑、生态建筑等)评价标准、书籍文献中的绿色建筑评价指标体系、书籍文献中的旧工业建筑再生利用项目的指标体系以及通过对我国22个城市的实地调研,分析出切实影响改造项目开发、改造、使用过程的主要因素,海选出指标项目。并根据科学性、全面性、代表性、独立性、系统性、可行性这六大原则对指标进行初步筛选,得到初步的旧工业建筑绿色再生评价指标体系。
2.2指标的筛选
针对指标制作关于指标重要程度的调查问卷,要求相关领域专家根据问卷中指标解释,结合指标的筛选原则对各待选指标进行评分。专家选择时应注意其专业性及各领域分布的全面性,拟在规划局、经信委、各地规划设计院相关设计人员、有绿色建筑施工经验的施工单位管理人员、高校内从事旧工业建筑研究人员、绿色建筑评价体系研究人员中进行选择。为保证评分的专业性和可靠性,在评分时不要求专家对所有指标进行打分,而只就自己熟悉领域进行评分,不熟悉指标重要性评分为。评分采用的是0~5分制。
如我区大部分地区为严寒地区,工业建筑均需冬季采暖,尤其在东部地区冬季室外温度在-20℃~-30℃的天数较长,采暖能耗占比例较大。过去好多地区的墙体厚度较大,结构构件的尺寸较大,建筑物重量大,结构笨重,在节约能源方面非常不利。因此,在设计中进行节能设计的潜力很大。
在本人设计的供水工程中,有好多厂房为泵房、水处理间、加药间、水沉淀间等。在能保证电气设备使用要求的前提下,尽量采用主副厂房合并建设,以减少土建工程量。有些厂房室内湿度大,采用自然和机械进排风,来保证室内正常环境。并参照公共建筑的节能标准,对屋面墙体采取有效的保温措施,采用密封性能较好的门窗等措施以提高建筑物的保温性能,从而改善室内环境、达到降低能耗的目的。
2工程实例
以单层排架结构取水泵站为例,屋面采用挤塑聚苯乙烯夹芯板,外墙为300厚陶粒砌块,外贴挤塑聚苯乙烯保温板,门用彩板门,窗户为断桥铝合金窗,建筑面积461.16m2,采暖面积427.68m2。
2.1墙体外保温优点
为了保证室内基本的热环境要求,在满足建筑物使用功能的前提下,做墙体外保温,可消除“热桥”的不良影响,有效地保护主体墙,使墙体潮湿、结露的情况得到改善。
2.2门、窗户
本工程门窗设计采用断桥铝合金门窗。优点是:保温隔热性能好,比普通门窗热量散失减少,大量节省采暖和制冷费用,节能效果显著;防结露、结霜,提高了门窗的水密性和气密性;防风沙、抗风压,抗振动效果好,是一种绿色建材。
在改革开放的这36年中我国城市飞速发展,城市人口不断增加,城市建设规模不断加大。仅2013年我国就完成城镇保障性安居工程住房新开工630万套,建成470万套。据周干峙院士预测,我国到2020年城市化可达到60%的水平,在生产和生活上也都还比较适宜。而根据《2013中国人类发展报告》预测,到2030年我国城镇化水平将达到70%,城市人口总规模将突破10亿。可见,我国的城市化正保持并将继续保持一个快速发展的势头。
1.2既有工业建筑的概念
既有工业建筑是城市化过程中的产物,谈“既有工业建筑”就需要先明确什么是“工业建筑”。顾名思义,工业建筑就是供工业化生产中各类活动使用的建筑和构筑物。其不仅包括各类直接服务生产活动的生产厂房;包括提供能源、动力的厂房和设施;也包括除尘、除烟、除湿的各类构筑物;还包括一系列仓储、中转、储存空间和具有特殊功能的水塔、栈桥等构筑物。因城市发展过程中各种各样的历史原因和现实需要,工业建筑在特定的历史条件下被修建起来。而随着时间的推移和现实状况的变化,这些工业建筑不再发挥原有的服务工业生产的功能。为了将这些建筑区别于正在用于工业生产的建筑,而将这些已经退出历史舞台的工业建筑称为既有工业建筑。
1.3既有工业建筑的特点
首先,既有工业建筑具有对历史和文化独特的承载力。既有建筑的产生和淡出都有其历史的必然性,在既有建筑上可以寻找到难以人为再造的历史痕迹,并具有别具一格的艺术性和装饰性。其次,既有工业建筑通常具有特殊的结构或特异的形式。既有工业建筑往往为满足工业生产而修建,其结构与当时的机器设备和科学技术有关,因而在建筑上体现出具有特异性的结构和形式。一些特殊结构的烟囱、冷却塔、水塔、燃烧炉、煤气仓等,可以具有特殊的象征意义和标志性。再次,既有工业建筑具有较大的面积或较强的体量感。既有工业建筑一般规模都比较大,有的狭长深邃,有的宽敞开阔,还有的为适应工业生产的需要而具有较高的举架。既有工业建筑的这些特点是改造设计中不可回避的问题,利用好这些特点就能改造出较好的作品。
2既有工业建筑改造需求
既有工业建筑作为工业建筑已经退出了历史的舞台,但其中蕴藏多个方面的潜在价值。这些潜在价值都有转化并进行利用的必要,且存在对既有工业建筑进行改造的现实需求,具体而言包括以下三个方面。
2.1经济效益需求
既有工业建筑在修建之初往往位于城郊或远离城市中心的偏远地段,随着城市的扩张和服务业的迁入,工业建筑所在位置会越来越接近城市中心或变得越来越重要。人和地的矛盾会改变土地和房屋的供求关系,进而推动地价的变化。对既有建筑进行改造有利于对土地和区位资源的合理利用,可以创造出新的就业机会和更高的经济效益。
2.2环境效益需求
新建筑的修建通常需要耗费大量的资源,而旧建筑的拆除则会产生大量的垃圾。不论是砖瓦建筑还是钢筋混凝土建筑,在这一拆一建的过程中都会产生建筑垃圾而对环境产生不利的影响。且在这一过程中对周围经过若干年才变得郁郁葱葱的树木、草地以及周边的生态环境,都会造成破坏性的恶劣影响。故而,从环境效益的角度考虑,对既有工业建筑进行改造是合理可行的。
2.3社会效益需求
既有工业建筑承载着城市的发展与变迁,见证了文化的交流与融合,积淀了几代人的点滴回忆。脱离和抛弃这些进行建筑的拆除重建,不仅是对建筑没有情意,更是对历史的割裂和对文化的摧残。城市化的过程原本就是一个文化积淀的过程,让既有工业建筑既能够保留城市的“记忆”,又能够适应城市未来发展的需要,才符合可持续发展的需要。
3既有建筑改造设计方法
既有工业建筑改造设计的手法丰富多样,具体的改造设计可以按改造程度和改造方式的不同分成以下四种较实用的方法。
3.1室内重装的改造法
室内重装的改造法主张对既有工业建筑外部立面进行保护,尽可能多的保留建筑本来的面貌,同时尽可能少的触及建筑的结构。用最少的投资,使既有建筑中有历史和文化气息的元素得以保留和再现。室内重装的过程是对既有工业建筑功能的革新和再造,原本用于工业服务的建筑部件或室内设施在经过改造和再设计之后,可以使新装修的室内空间具有与众不同的效果。“沈记菜馆”的主人将既有工厂厂房重装成一个类似江南酒馆的民国风茶餐厅,为消费者提供别具一格的餐饮服务。
3.2格局重构的改造法
既有建筑较大的空间和较高的举架为格局重构留足了做文章的余地,当简单的“重装”不能满足既有建筑改造需求的时候,就需要考虑对建筑内部的格局进行重构。格局重构的改造法可以分为水平重构、垂直重构和延伸重构三种不同的手法。水平重构主要是改变既有建筑对高度方向空间的利用,通过增加隔层、错层或楼梯来改变空间布局,增加空间的趣味性提高空间的利用率。垂直重构主要是对平面空间进行重新划分和规划,从实际使用需求出发考虑各部分所需要的空间大小,用墙体、隔断、玻璃、帷幔、植物、家具或者屏风等设施对空间进行重构。与水平重构不同的是,垂直重构并不必然改变建筑的物理结构,通常也可以通过改变人们的心理认同让人感觉空间进行了重构。延伸重构是要突破现有隔层和墙体的限制,在必要的部位或者以“加”的手法使空间获得实质的延伸,或者用“减”的手法去除建筑中多余的部分,使视觉可以获得延伸。如拆除部分砖墙并在原来的位置修建透明玻璃墙,使空间更加通透。通过格局重构的改造,可以改变建筑原来的使用功能,使既有工业建筑重新焕发生命的光彩。
3.3景观重置的改造法
这里所述的景观不仅包括既有建筑周边的花草树木、溪流湖泊、道路广场和各类设施,还包括既有工业建筑中可用作室内外布景的老旧机器部件、辅助设施和建筑部件等。既有工业建筑的景观重置与拆除再造新的景观并不一样,是通过重新组合既有的景观并适当的增加新的景观来实现对景观的改造。这种景观重置可以包括内部景观外用、外部景观内用、景观位置变换、景观组合重构等具体方法。景观重置的过程中需要对景观进行一定的艺术加工,使原有的物件具有一定的美感,符合人们的审美需要。经过艺术加工的景观可以保留更多的记忆,又可以减少改造的投入,减少资源的浪费。
3.4建筑重建的改造法
对既有建筑进行重建的改造与室内重装和格局重构相比,是投入较高的一种改造方法,在重建改造中可以分为外立面重建、扩建加建和整体拆除再建等不同的做法。既有建筑的外立面通常是要首先予以保留的,但有时候也需要进行外立面重建改造才能使建筑获得新的生命力。温州创意街区运用设计大师蒙德里安惯用的表现手法进行了建筑外立面的改造设计,获得了较好的改造效果。在既有建筑已经不适合城市发展的情况下,将既有建筑整体拆除并进行重建有时也不可避免。在重建改造过程中需要更多的利用旧有的材料,尽可能的进行新旧交织的再生设计,这样才能使既有工业建筑符合社会发展的需求。
4既有工业建筑改造评价
有对既有工业建筑的改造,也就必然要有对其的改造评价。笔者认为这种评价应具有三个层面,即改造前的诊断评价,改造中的方案评价,以及改造后的效果评价。在评价过程中可以采用层次分析法、模糊评价法、灰色评价法以及能值分析法等不同的方法来进行。既有工业建筑改造评价之重要,作用之大,意义之深远是毋庸置疑的。可喜的是2014年年初,由建设部及中国建筑科学研究院主编的《既有建筑改造绿色评价标准》征求意见稿已经公布,现在正在征求有关专家意见。从这一征求意见稿中可以看到,该标准拟将既有建筑改造的评价分为了设计评价和运行评价两大方面,并设定规划与建筑、结构与材料、暖通空调、给水排水、电气与自控、施工管理、运行管理等7个方面具有不同权重的指标。预计这一标准很快就会正式实施,今后我国的既有建筑改造评价便有标准可依,有章法可循了。
在进行绿色工业建筑的方案设计时,必须要遵循以下几点设计标准:首先,要坚持环保、自然以及可持续发展的原则,将建筑施工和保护自然环境有机结合。可以利用自然能源如太阳能灯能源降低污染和能源的消耗。其次,要根据建筑的实际的使用情况和用途来对绿色工业建筑进行设计,要保证绿色工业建筑的适用性、灵活性,在保证其使用功能的前提下进行绿色、节能和低碳。最后,绿色工业建筑的建筑外形应该如同它的名字一样具有绿色、自然等设计特点,将生态自然、人文气息以及现代化特色融入到建筑的设计中,提高绿色工业建筑的外形设计特色。
1.2绿色工业建筑设计的原则
具体的设计原则在有以下几点:首先,要坚持保护环境的原则,要站在自然和建筑统一的观点上去进行绿色工业建筑设计。建筑和自然环境两者之间是统一的整体,要在保证建筑质量的前提下,进行自然环境的保护,降低建筑施工过程中的污染和浪费。在环境保护的原则上进行绿色工业建筑的设计,这样不仅能够保证建筑的环保性,还能提高建筑设计的特色性。其次,要坚持能源节约、高效利用的原则。建材资源和能源在建筑施工过程的消耗是巨大的,尤其是在当前我国资源消耗巨大的情况下,更需要加强对资源和能源的节约。此处的节约是在保证建筑施工质量的前提下进行的,是提高对建材和能源的利用率来实现的。只有高效的资源利用率,才能保证能源和资源的节约以及绿色工业建筑的施工质量。最后,要坚持建筑的适用性原则。建筑的根本目的是用来使用的,只有保证其使用的价值才能实现建筑的真正价值。
2关于绿色低碳工业建筑技术
要做到减少工业建筑对环境造成的不良影响,营造出绿色工业建筑的整体形象,必须要做到对自然的尊重和保护,采用绿色低碳技术,有效地运用各种自然资源,让能源以及资源的消耗尽量的减至最低:尽可能地保持工业建筑周边环境的生态平衡,做到对建筑地域环境的综合考虑,做到因地制宜。所以绿色工业建筑在营造中必须要从以下几个进行:
2.1注重选址
绿色工业建筑在进行选址时,必须选择一个合理的位置,做到对环境的破坏减至最低,进一步地让城市自然生态系统基本功能的完整性和连续性得到保障。确保城市的健康与安全。而一般情况下绿色建筑的选址除要考虑到常规情况下的因素外,还需注意以下原则:(l)避免选择生态敏感区。例如水体、森林、自然保护区等。(2)要保持建筑场地生态的完整性以及生物的多样性。在设计时尽量保留与利用地形、地貌,植被以及自然水系。(3)注意尽量减少建筑场地水土的流失。防止因工业建设而造成的自然灾害。
2.2优化布局结构
工厂总图设计要对厂区总体的布局、室内环境条件以及厂房的布置等进行深入的统筹与考虑、让设计方案不但能够满足生产工艺的要求,同时又做到节能节地。同时在总规划阶段,要重要考虑如何将环境进行最大限度结合,增加建筑的采光度,确保室内具有一定的温度、温度,建立立体的绿化系统净化环境。工厂总图按照产品的特性考虑生产工艺区划布局,按生产工艺流程布置备类厂房,厂房间设机械运输通廊,做到物料运输效率尽可能的高、物流路线尽可能的短、运行能耗尽可能的低。合理优选能源种类,保障经济供给、降低综合能耗。
2.3节能与能源利用
在工业建筑设计中,要结合工艺生产特性,采取多种的节能措施。做好在建筑体形、建筑布局、朝向等方面的设计,尽可能地采用自然采光自然通风:并对东西朝向采取多种形式的建筑遮阳系统,即取到建筑装饰的效果,又减少夏季太阳的热辐射;外墙面采用低能耗的保温隔热建筑围护结构;高效的节能空调系统可采用地源热泵、污水源热泵;新兴的可再生能源,包括了太阳能、地热能、风能等的利用。
2.4节水与水资源利用
在加强节水和对水资源的利用方面可以从以下几点进行:首先,避免不必要的浪费,在不影响施工进展的情况下减少用水。其次,可以对水资源进行循环使用,减少消耗。最后,对施工用过的废水要严格排放,不能随意的排放到水源或者土地中,要对其进行质检,达标后再进行排放。在一个建筑项目施工开展之前,要对当地的水资源进行质量检查,确定其是否满足施工要求。在建筑施工结束后,还需要再进行一次检查,并与之前的水质数据进行对比,若是出现污染现象影响当地居民的正常生活,要及时的采取措施进行治理。
2.5节材与材料资源利用
一项建筑项目的开展对建材的消耗是巨大的,而且由于对建材的利用率较低,往往造成大量的浪费。因此,必须提高对建材资源的使用效率,节省建筑施工过程中的建材使用量。在建筑项目的施工中可以提高对钢结构建材的使用,因为这种建材不仅便于使用,具有较大的可造性,而且钢结构还能够循环使用,能够极大的减少对其他建材的使用,降低了对环境的污染。
机械厂厂房跨度较大,大进深空间加大了自然采光和通风难度;建筑形式单一,均为矩形的大空间厂房,对于现代化办公空间日益灵活自由的发展趋势来说,可能会对改造再利用形成障碍;厂房颜色过于单调,且由于年久失修,造成门窗及内部破损较严重;厂房在建造时缺乏对建筑节能的考虑,厂房不具备一定的保温隔热性能,不能满足舒适度的要求。建筑南侧的主要通道为土路,且凹凸不平,人车流线不明确,附近没有停车场;缺少必要的基础设施及绿化景观,仅厂房群东侧的主要道路上有几棵行道树;目前周边居民多为矿区的下岗职工,老龄化现象很严重,不能聚集大量人气。
建筑空间改造
空间是建筑的灵魂,也是建筑功能的容器。旧建筑的改造再利用过程中,很大程度上就是空间再生的过程。空间改造对设计者最大的挑战就是如何在保留原有历史信息、满足新增功能的前提下创造出全新的空间体验。4栋机械厂房每一栋都是大跨度大空间,没有任何的空间划分,且彼此之间又相互独立,没有任何的交流和联系。为了解决这些问题,创造出适合青年人创业的办公及居住空间,笔者通过以下策略对这四栋厂房的空间进行改造(图5)。
1化整为零。化整为零即依据新功能的需求,采用垂直分层或水平划分等手法将内部大空间改造为较小的空间,然后再加以利用。
1)垂直分层。对于内部为高大空间的工业建筑,可以采用内部垂直分层的处理手法将高大空间划分为尺度适合使用的若干层空间,然后再加以利用。机械厂厂房从地面到檐口的高度均为7.0m,适合将其分为两层。保留原建筑结构,并对其进行必要的加固。根据平面布置需要增加新的构造柱,并保证新增的构件不对原有建筑的基础和上部受力构件造成损害。结构部分采用钢材,内部采用加气混凝土或石膏板等轻质隔墙,从而将建筑的自重降至最低。
2)水平分隔。在原有主体结构不作改动的前提下,水平方向增加分隔墙体,使得开敞空间转化为多个灵活性强的小型空间。由于办公空间需要的小型空间较多,因此在改造设计中,多处用到隔墙作为水平分隔。分隔墙采用加气混凝土或石膏板等轻质材料,对于隔声要求较高的房间,采用隔声效果较好的密实墙体。
2联零为整。在若干相对独立的建筑物之间,采用打通、加建连廊以及封顶联结等方式联结为完整的相互可流通的连续空间。
1)建筑间加连廊搭接。在相邻两建筑物之间采取加建连接廊的方式,使得彼此孤立的建筑相互贯通,形成整体。连廊可分为开敞式,也可为封闭式。厂房1和厂房2的间距为13.5m,在厂房1和2的西侧加连廊。厂房3和厂房4的间距为11.6m,在厂房3和4的东侧加建连廊。连廊的形式为开敞式,连廊结构及围护结构采用高强轻质的钢材和玻璃,既能减轻自重,又能同厂房的实墙形成虚实对比。这样使得厂房1和2、厂房3和4相互贯通,使原来相互独立的建筑形成了一个小整体。
2)建筑间封顶连接。将相邻的建筑物邻近处加顶封闭,使原来相互分离的若干建筑连接成为一个整体,将室外空间引入室内,或形成半室外空间,既增加了可使用的面积,又可以产生趣味性极强的高大开敞的共享空间。厂房2和厂房3之间的间距为34.35m,间距较大,在之间部分封顶,屋顶的形式为折线形,延续了厂房坡屋面的轮廓,与厂房屋面形成一种重叠的韵律,材料为轻质的钢与玻璃的组合。
3局部增建。根据新的功能和空间需求,在建筑外局部增建新的空间。在厂房1的西南侧、厂房2和厂房3的西侧、厂房4的北侧加建彩色的玻璃阳光房。其中厂房4增建的部分正对厂房3拆减的部分,形成了丰富的空间效果。这些增建的部分为休闲娱乐空间,这些空间的加入,使得原本单调的矩形空间变得丰富起来,为青年人提供了多姿多彩的休闲娱乐空间。
4局部拆减。将原有建筑物的非结构性外墙部分拆除,换成玻璃窗及结构性外廊,并将拆除的外墙对应的屋面拆除,换成玻璃屋面,以获得较大的灰空间,增加采光、满足观景需求。由于旧厂房的形式过于单一,用这种局部拆除部分非结构性外墙及部分屋面的手法,可以打破这种形式单一的局面。与此同时还应对结构部分进行必要的加固,保证建筑物的局部拆除不影响其整体结构的牢固性。厂房1和厂房2为集中办公空间,在建筑空间划分上相对于厂房3和厂房4的分散独立式办公空间较大,适合多数人集中办公。为了创造出交流共享空间,在厂房1和厂房2内设置交流展示区,形成空间丰富的中庭,同时也作为主入口的门厅使用。展示交流区的上方有栏杆围合的带型空间,这些空间向上方看,可以看到工业厂房原有的钢屋架,营造出艺术氛围浓厚的室内空间效果。厂房3和厂房4为艺术创作工作室,适合少数人进行各类艺术创作,其中厂房3设置夹层作为共享空间,加强青年艺术家之间的交流,创造出灵活的空间效果。每一栋厂房都配有休闲娱乐场所,不仅针对建筑内部的公共服务空间,也面向江苏省煤炭主题公园及周边小区服务(图6~8)。
建筑外立面改造
在旧工业建筑的改造设计中,对建筑立面形式的改造也是极为重要的环节。使旧工业建筑与其新功能和周围环境相协调是立面改造的关键所在(图9);立面改造手法也是多种多样。
1维持恢复原建筑外貌。由于这4栋机械厂厂房位于具有悠久采矿历史的夏桥工业广场这个大的地理环境中,加上煤炭主题公园的规划建设,使该地段成为历史价值和观赏价值较高的空间场所。对于这类建筑的改造,其外部形态的更新在更大程度上是一种外立面的修复与保留,维持建筑原有的历史风貌是改造设计原则。由于厂房闲置时间过长,其外部形态破损,门窗的破损程度尤为严重。在改造设计中,首先对外墙面进行细致的清洗,露出红砖本身的色泽。然后对破损墙面屋面依照修旧如旧的原则进行修复。由于原有的窗户破损十分严重,在改造中全部替换,代之形式与结构相同或相似的窗户。门的造型非常具有工业特色,在改造中进行保护性修缮。
2新旧元素形成对比。为了创造出新旧对比的新感受,体现时间的流逝和对过去与现在的传承关系。新旧材料的对比是显现旧工业建筑改造在利用历史性方面的主要手段。一般来讲,这种对比会让老的更老,新的更新,从而达到历史与现代穿插的时光效果。此次改造设计中,大量采用彩色的玻璃盒子穿插在建筑中,象征着七彩多样的青春年华。生动的视觉刺激给人带来激情和灵感,十分符合创业园的建筑性格。阳光透过七彩的玻璃盒子折射出色彩斑驳的光,带来无限的情趣。同时彩色玻璃与旧建筑的红砖形成一种强烈的视觉冲撞,体现出混搭的时尚感。
3新旧元素协调统一。为了使建筑保持原有的历史风格和文化特征,改造过程中新添加的元素虽然不求做到使用原有的建筑元素,但也不作突兀的对比变化。新添加的建筑元素应该在材料、形式和尺度上呼应原有的建筑,使新老元素达到协调统一的效果。这4栋工业厂房群的主要入口开在东侧,建筑的东立面为4个相同的形式,为了打破这一单一局面,将原有建筑中有代表性的特色元素加以提炼和适当变形,在厂房1的西侧用钢材构建成一个外轮廓为厂房东立面的镂空景观墙。这个景观墙距离厂房1的距离为3.3m。这个景观墙的材料与厂房屋架的材料相同,形式是厂房屋架的一个延伸。此外为了将这4栋彼此独立的厂房连接成为一个整体,运用了钢构架的连廊,这些连廊的材料可以很好的诠释建筑的工业气息,使新旧元素协调统一,形成对话。
建筑环境改造
百年的采矿历史给社会带来了巨大的财富,同时也带来了日益严重的环境问题。随着矿区的资源枯竭,采矿业的衰退,夏桥矿区留给城市的不仅仅是残破的工业建筑,还有被破坏殆尽的生态环境。建筑总是与周边的环境共存的,因此对旧工业建筑的改造还涉及到对其建筑环境和服务设施的改进,整体提高建筑所处的环境的水平,从而有效提高整个地段乃至整个城市的环境景观质量(图10~11)。
1场地清理。首先是对场地进行清理,把堆积在场地表面上的废弃物集中进行处理。对于没有污染的工业废料应当物尽其用,就地加工使用。对于有污染的工业废料,要进行相应的技术处理后再利用,无法利用的要外运后妥善处理。
2景观营造。在土壤中掺进了一些腐殖质和草籽,来增加土壤肥力,从而净化污染的土壤。在厂房的四周种植植被进行绿化,在厂房2和厂房3之间的空地进行集中绿化,成为中心景观区,并引入水景调节小气候。由于厂房的西侧有一片湖面,为了能将景观更好的引入厂区内,在厂房2和3之间的中心景观区的西侧进行延伸,设置一条景观桥延伸到湖面上,供人们观景驻足。东西向形成一条景观轴,向东延伸到煤炭主题公园,向西延伸到居住小区。
图1丹麦阿拉工厂全景
图2阿拉工厂奶粉塔
图3韩国汉城乳业四期工厂全景
1我国乳品工业的发展及乳品工业建筑的发展概况
近年中国政府出台了一系列有利于乳业持续快速发展的政策,加快奶业发展列入了国家“十一五”规划,这对以农业和畜牧业为基础的乳业具有深远影响。中国乳业已成为中国现代化食品业之一,中国乳制品产量和总产值在最近的10年内增长了10倍以上。但在总的消费量、品种结构和企业规模方面与世界先进水平尚存在差距。一是在消费量上,国际年人均奶类产品占有量已达100kg以上,而中国还处在21.7kg的水平;二是在品种结构上,国外除了液态奶作为大众消费的主要产品之外,干酪、奶油也是大宗产品,但在中国只有液态奶是主要产品,干酪、奶油很少;三是企业规模也有差距。
由于中国乳业市场潜力巨大,中国已成为世界乳业发展最快的国家之,一些大型企业的市场占有量在显著提高,产品质量不断提升。中国乳业发展的前景令人羡慕。传统的生产模式已不能满足现代化生产的需要,现代的管理方法和理念已被许多大型乳品生产企业掌握。中国乳品工程的建设进入了个快速发展期,乳品工业建筑的设计发生了根本性的变化,现代大规模集成、多功能化、智能化、信息化、生态、环保、以人为本等设计理念已深入设计之中。中国的乳品建筑设计正在融入世界,代表了有中国特色的建筑发展,由于文化、环境、管理模式、设计理念等差别,中国乳品建筑与国外乳品建筑存在各种不同的特点,体现着有中国特色的乳品建筑的发展。
2中外乳品建筑的相同点
2.1依托建筑展现企业形象和实力
现代乳品建筑多以大规模集成形式,将所有的生产、供配系统、研发、办公基本上集中在一个主体建筑中,建筑体量大,体形变化丰富,功能特征明显。仅从建筑外形上就能体现工厂的生产规模、生产品种、管理模式等特征。建筑实际上就是一幅企业广告。
2.2采用高标准的食品卫生标准
伊利、蒙牛、光明等大型乳品企业的建筑设计标准体现向国际标准靠拢,加强乳制品安全生产和质量控制。注重乳品供应链全过程质量安全控制体系,推行GMP、HACCP、IS022000、ISO14001与ISO9001国际标准化组织系列标准。车间设有人员净化系统,化验室、中控室均按洁净区控制。
2.3注重展示区的设置
产品的展示是企业向消费者提供窗口,展示区域的设计趋向商业模式化,不仅有产品展示,更主要的是多媒体方式,企业期望将自身的发展、文化、现代管理注入消费者的心里,让消费者从观念上接受企业的文化,达到信任企业的产品。蒙牛、伊利、韩国首尔工厂都采用了多媒体室,设计就像一个小型的电影院,更多的是设置大面积的电视墙。观看者在舒适的环境中品味乳制品的芳香。
参观通道的设计体现的是人性化,蒙牛采用了参观平台和参观廊结合,伊利、韩国首尔工厂设置了最短的优化线路参观廊,参观廊直接进入生产的中心,整个生产过程毫不保留地展现给参观者,同时考虑到参观人群的多样性,配置参观小车、观光电梯,设置无障碍设施等。
此外,从经济的角度考虑参观廊的设计可与生产物流通道、管廊相结合,上层是参观廊,下层是生产通道和管廊。形状独特的参观走道图5按洁净要求控制的化验室图6报告厅图7多媒体展示厅图8旋转式消防梯图9参观大厅图10走道内采光图11不锈钢奶罐区图12简洁的办公区图13车间内展示区图14以功能为主的参观走道图15简洁的更衣间图16参观小车图17开敞式参观岛
3中外乳品建筑的不同点
发展的里程不同,文化的差异,导致在乳品建筑设计上的差异,欧洲丹麦乳品工厂注重工厂的选址,阿拉工厂就在一个远离市区的位置,无污染,空气、水源清洁,对乳品的生产质量有很好的保证。韩国汉城工厂选址在山岗上,以色列的工厂也是建在山地上,同样远离市区,有清洁的空气。而国内大部分乳品工厂在选址上受到多方面的限制,一般在各城市的工业园区,或在原老工厂改建,选址的过程多数受到政府、土地价格、地域的限制,很难考虑环境的因素。
欧洲乳品工厂建筑的整体设计注重功能性,配套、附属建筑的设计讲究的是实用,特别对动力站房的布置,靠近使用负荷区,减少动力的消耗。对建筑的形体、立面等因素不多加修饰。建筑整体造型服从功能,同时形体也体现功能。亚洲东方的乳品建筑,体现的是在满足功能的前提下,建筑师要用大手笔去刻画建筑的造型。在这点上韩国的建筑与国内的建筑有着共同之处。
国外工厂的人净系统简单,这与环境、设备的因素有很大关系,更衣的设计相对简单,在国内一般需要二次更衣,在国外工厂通常只设了一次更衣。
(2)工业建筑采用滑模工艺,能够减少模板及其支撑等周转材料的投入数量,便于合理安排材料加工及安装时间,便于施工现场空间上的合理利用,减少劳务操作人员,并能够缩短施工时间。
2柔性滑模系统
2.1柔性滑模系统组成
柔性滑模系统一般由模板及其提升支撑系统、液压动力系统及操作平台系统组成。模板系统又包括模板、围卷和提升架等。
2.2柔性滑模提升支撑形式
目前,柔性滑模采用的提升支撑形式主要有开字架和简易门架两种形式。开字架,内平台为不拉结中空式,一般适用于构筑物为矩形平面布置形式。简易门架,内平台采用辐射梁拉杆,一般适用于构筑物为圆形平面布置形式。
2.3柔性滑模系统操作平台
(1)柔性滑模系统操作平台在滑模施工过程中,作为主要施工操作面,承受施工人员、施工材料、液压控制台、电焊机、振动棒、手推车、施工工器具、施工安全防护设施、消防设施、季节性施工保温设施等施工荷载及其自身的质量,同时也承受施工过程中操作平台上设置的垂直运输设备运转时的额定附加荷载、卸料对操作平台产生的冲击力、向模板内倾倒混凝土时混凝土对模板的冲击力和侧压力、模板滑动时混凝土与模板之间的摩阻力以及风荷载等动荷载。
(2)柔性滑模操作平台宽度,一般根据构筑物规模、截面形式、施工组织方式等因素确定,但操作平台结构必须保证足够强度、刚度和稳定性,才能满足结构施工和安全施工要求。柔性滑模操作平台宽度可对称设置,也可不对称设置。
(3)柔性滑模操作平台支撑,采用型钢或钢管安装成三角桁架或三角悬挑架型式,根据建筑物的截面形式,平行或环向布置。和刚性滑模相比,构造相对简易,安装便捷,多采用角钢或钢管为材料,安装成桁架或格构式挑架形式,可以作为操作平台的支撑,其安装宽度及质量则是影响柔性滑模系统的整体平衡的重要因素。
3操作平台宽度对结构施工的影响
3.1有利影响
3.1.1对操作平台质量影响
操作平台宽度较小时,能够减轻操作平台自质量,减少千斤顶和管路数量,可以选择额定压力较小的控制台。操作平台宽度较大则系统自稳性相对较好。
3.1.2对施工操作影响操作平台宽度较小时,杆件尺寸较小,便于加工和组装;操作平台宽度较大,杆件尺寸较大,但施工操作空间大,便于材料的贮存和运输。
3.1.3对施工质量控制影响
操作平台宽度较小,模板滑升过程中,由于质量轻,平台系统变形易调控,根据每班次平台水平度、结构垂直度的观测数据进行分析,发现垂直、偏扭现象后可以及时调整。操作平台宽度较大,自质量大,变形小。
3.1.4对工程成本控制影响
操作平台宽度较小,不仅节约了机具材料和人工,而且还缩短了施工时间,对工程成本控制起到良好的效果。
3.2不利影响
3.2.1对操作平台水平度的影响
柔性操作平台,特别是井塔类矩形截面构筑物,平台宽度较小,由于自身质量轻,极易受堆料不均的影响,造成操作平台的不平衡。平台宽度较大,平台自身质量较重,自平衡能力相对较好,但对矩形截面构筑物,平台宽度较大时,四角外挑较宽,支撑结构受力在角部发生变化,矩形构筑物4个墙角成为模板滑升的薄弱点,模板滑升过程中,常会出现墙角部位拉裂现象,影响了工程质量,外观成形也不好。
3.2.2对结构垂直、偏扭的影响
柔性操作平台宽度较小,若受到平台面堆料不均、混凝土下料不均匀、振捣不规范或风载等的影响,平台水平度出现偏差,支撑杆受压不均,爬升高度不一致,导致操作平台偏扭,结构出现垂直偏差;严重时还会造成局部支撑杆失稳,甚至发生坍塌事故。平台宽度较大,平台自身质量较重,出现垂直、偏扭等偏差时,不易及时调整,需分层次调整平台的水平度,才能保证支撑杆受力均匀顶升;同时平台宽度较大时,平台自身构件增大,千斤顶和管路数量增多,施工质量和安全生产的控制难度相应增大。
4对操作平台造成的不利影响控制措施
4.1滑模操作平台水平度控制
(1)当操作平台宽度较小时,沿构筑物周长方向连续对称设置型钢,适当增加平台的自身质量。
(2)当操作平台宽度较大时,矩形截面平台在四角对称增加型钢支撑,将外操作平台内外边缘进行拉结,促使滑模过程中外操作平台内外边缘的同步滑升。
(3)合理安排内外操作平台上堆放的物品,在满足施工要求的条件下,尽量均匀堆放各种材料和机具,保证操作平台的水平度。
(4)砼采用泵送或塔吊提料时,应在操作平台上合理布置集中料斗的位置,手推车的行驶路线、砼下料和浇筑要对称,保证操作平台上施工荷载的平衡。
4.2滑模操作平台偏扭控制
操作平台宽度过小、过大,滑模都会出现平台偏扭现象,宽度过小时更易出现偏扭。滑模过程中做好平台水平度观测,分析平台产生偏扭的原因。平台发生偏差后,应调节平台水平度,对平台上的材料、设备、工器具等进行整理,对称进行砼浇筑,保持平台质量的均衡。分层次调平支撑杆限位器高度,增加平台水平度的观测次数,逐步使平台水平度达到要求。
4.3结构的垂直度控制
滑模过程中发生操作平台偏扭时,常伴随着结构垂直偏差的出现。垂直偏差不大时,常采用调整千斤顶行程进行纠偏,使操作平台逐步趋向水平;垂直偏差较大时,一般使用手拉葫芦施加外力对平台进行反向牵引,直到建筑结构垂直度达到正常水平。
5成功案例
圆形截面构筑物(煤仓类):山西华晋焦煤集团韩咀原煤仓工程(2联体),单仓直径22m;内蒙古马泰壕原煤仓工程,单仓直径22m;内蒙古朱家峁矿原煤仓,单仓直径22m。上述煤仓类工程均采用内平台宽度为1.8m、外平台宽度为2.0m的柔性滑模操作平台。矩形截面构筑物:甘肃金昌某主井井塔工程,框架剪力墙结构,平面轴线尺寸16.0m×21.0m,建筑总高度86.2m,共计10层;甘肃金昌龙首贫矿副井井塔工程,框架剪力墙结构,工程轴线尺寸为17.0m×14.0m,建筑总高度51m,共计6层;山东莱新铁矿副井井塔工程,框架剪力墙结构,平面轴线尺寸为18.0m×16.0m,檐口高度为44.8m,建筑高度5层,局部6层。上述塔类工程均采用内平台宽度为2.0m、外平台宽度为2.2m的柔性滑模操作平台。上述工程柔性滑模平台宽度的选择,既满足了施工空间,也保证了滑模系统的整体稳定性及工程质量和施工安全。
2事故的预防是关键,要充分做好相应的安全保护措施
由于个体劳动者受到个人身心素质的诸多限制,提高个体的安全生产意识并不能从跟上完全杜绝安全事故的发生,因此有必要建立完善的安全保护措施。安全保护措施的建立因该主要从避免高空坠落以及物体打击两个方面着手,有效降低高空坠落与物体打击发生的概率。为此要严格要求施工人员施工过程中带好安全帽,同时在高空作业的条件下必须使用安全带设备。
3凡是预则立,不预则废,制定相应的应急处理预案也是非常必要的
要牢固树立工业建筑施工过程中的风险管理理念,制定相应的应急处理方案,在平时要不定期进行应急演练。唯有如此,当事故真实发生时,才能够采取有效的应急措施妥善解决。
4购买工程保险,转移事故风险
从根本上讲,安全事故不可能完全消除,这是由工业建筑的施工过程中的不确定性决定的,因此购买工程保险是施工的重要保障,一方面保障了施工企业的利益,同时维护了相关从业人员的人生安全。环境保护管理同样也是工业建筑领域的一个非常突出的问题。绿色环保建筑指的是在整个建筑的施工和使用年限内,要做到资源的节约和环境的保护,同时要有效降低污染,从而建造安全,舒适以及和谐的工业建筑。对于工业建筑的设计过程来说,应该进行绿色环保节能工业建筑设计,并将绿色建筑理论引入工业建筑设计。
5对于工业建筑的整体形象的营造要有足够的重视
应该合理规划工业建筑的选址位置,避免破坏环境,最大限度的降低其对城市的整个生态系统的影响,从根本上维护整个城市的生态和谐。要从整体出发来实现建筑布局的优化,使得工业建筑本省与周围环境达到和谐统一。
6在工业建筑的设计过程中,要充分考虑节能减排的问题
工业建筑的设计要体现节能理念,减少工业建筑的能量损耗,努力探寻节能减排的新思路、新方法。工业建筑应该结合具体环境最大限度的使用可再生能源,减少能源的损耗率,努力做到自给自足。
7提高资源利用率,使用绿色建材
工业建筑在自然资源方面要利用相关的节能减排技术来避免环境的破坏,这对于工业建筑行业的可持续发展意义深远。同时也提供了一个新的思路,使得我们可以重复利用现有的工业建筑资源,实现资源的再次利用。
在当今低碳社会和绿色建筑浪潮的影响下,可持续发展已经成为世界发展的主题,绿色建筑的理念也已经进入工业建筑设计领域。我国《“十二五”建筑节能专项规划》指出,到“十二五”期末,我国建筑节能要形成1.16亿t标准煤的节能能力,其中在绿色建筑环节,要形成4500万t标准煤的节能能力。这就要求包括工业建筑在内的建筑业必须积极走上绿色发展之路。
1.2从传统工业建筑到现代工业建筑
在人们的观念里,相对于民用建筑,工业建筑追求的仅仅是经济实用。一般的工业建筑给人的印象总是“笨重”、“庞大”、“丑陋”、“粗犷”等,这是人们对工业建筑的基本认识。但是,进入21世纪以来,社会分工有了新的变化,产业结构已经与数十年前不同,我国经济的发展方式也由粗放式为主转变为集约式为主,企业的升级改造日新月异,现代化的高精尖工业取代了传统工业。在此背景下,工业建筑也有了新的需求:一方面,出于对人员的健康保护,对建筑室内外环境要求更高了,与此同时,建筑的建造成本和能源消耗也大幅提高;另一方面,人们对于工业建筑形象也有了新的需求,工业建筑也需要成为体现时代特色和精神诉求的新建筑。
2工业建筑的优势和价值
工业建筑的优势在于其具有典型的示范性样板作用和独一无二的创新优势。现代建筑先驱格罗皮乌斯认为,工业建筑应当是住宅建筑的样板。一直以来,工程师就寻求用最少的劳动力、时间、原材料和资金生产出最简洁产品,工业建筑很早就已经开始在工厂像其他产品一样装配和制造,这比建筑行业为住宅建筑采取同样的预制装配措施要早得多。在这一方面,工业建筑无疑是具有领先性优势的。对每一项建筑工程来说,有技巧性的、创新性的方案,包括形式、材料、色彩、从内而外每个细节都体现出完整、清晰的观念。工业建筑由于其特殊性在追求绿色建筑的创新方面更具优势。新的材料、形式、构造细节等,都可以在绿色工业建筑中得到尝试创新,在这一方面,工业建筑面临的不仅是巨大的挑战,同时也是巨大的机遇。
3发展可持续发展的绿色工业建筑
3.1绿色建筑的发展成为社会主流
绿色建筑这一概念源自20世纪60年代,当时主要聚焦于建筑技术发展的研究,希望通过技术的进步取得建筑节能领域的发展和突破。绿色建筑关注的范围,既有新型建筑材料的研发和既有构造节点的创新研究,也有新型建筑结构体系的探索和可再生能源的利用等诸多方面。随后数十年,关于绿色建筑的实践在世界很多国家展开,众多的研究成果包括建筑节能技术、绿色种植技术、可再生能源技术、新能源技术、循环再生技术等逐渐应用于建筑实践。时至今日,绿色建筑的发展已经成燎原之势,遍布全球。
3.2绿色工业建筑中离不开设计
工业建筑的绿色节能设计不是一个单独学科,是一个设计与实践结合的过程,是一个系统工程。这个工程要求从前期的规划中就考虑建筑的低碳策略,将绿色、低碳、节能、环保等概念引入,并贯穿到整个设计之中。设计伊始就应该有各专业工程师介入,共同制定建筑的绿色计划。例如,如果暖通工程师最初没有介入的话,后期往往是很多补救的措施,这些措施将难以成为最优化的措施,进而造成浪费。以建筑节能为例,节能设计首先要有节能设计的目标,目标的设定应该是科学合理、符合经济发展水平的,同时,节能设计的目标又要具有一定的前瞻性和长远观点。这个目标,除了满足国家规定的节能百分比要求外,还可以根据项目特点提出更高要求。只有不断的提出更高要求,才能不断取得突破和超越;在指定节能目标的基础上,要综合各方面因素,选取最合适的节能技术和策略,这一步则是最为关键性的,是决定性的。同时,建筑节能的技术需要合理组织、灵活运用,不能简单堆砌或者顾此失彼。没有合理规划的节能措施往往难以达到节能的目的,反而造成资源和能源的浪费。
4大力发展绿色工业建筑
早在2010年6月,我国《绿色工业建筑评价导则》就已经编制完成,并于同年8月由住建部批准颁布。在此《导则》基础上,由机械工业第六设计研究院会同中国建筑科学研究院等14家单位参编的《绿色工业建筑评价标准》已于2011年通过审查,2013年8月,2014年3月1日起实施。该标准在世界上首次提出“绿色工业建筑”的概念,抓住了工业建筑的特点和共性问题,并为各行业工业建筑进行绿色设计提供了有力依据和评价标准。该标准针对工业建筑的节地、节能、节水、节材、室外环境和污染物控制、室内环境与职业健康、运行管理等方面提出了评价标准。其中,关于室内污染和职业健康部分的评价标准,是《绿色工业建筑评价标准》的创新之处,反映了以人为本的精神。
4.1绿色工业建筑与节地
随着城市化进程加快,我国大量土地资源消失,建设项目中节地的要求也越来越突出。绿色工业建筑节地,首先要充分研究工业生产形式以及内部的物流特点,再以此为依据进行合理规划设计,充分利用有限的土地资源;其次,设计合理高效用地的单体建筑也非常重要。要地上、地下统筹考虑,充分考虑立体空间的应用,打破以往工业建筑以单层空间为主的思维,充分研究、科学论证,做到疏密得当、简洁高效;第三,要充分利用非耕地类的土地如荒山、荒滩、劣地等,尽量不占越来越宝贵的耕地资源;第四,在工业建筑设计中,要合理处理建筑物内产生的废弃物、污染物,以免污染周边耕地,这也是节地的重要体现。
4.2绿色工业建筑与节能
能源节约和新能源的开发是解决当今能源危机的两个重要方面。因为建筑的能耗占到全社会能耗的30%~40%,因此,建筑领域的节能在整个社会的节能中至关重要。工业建筑在节约能源方面,具有较大的潜力。在绿色工业建筑设计中,能源消耗应该成为一个重要设计目标参数,这个参数决定着工业建筑设计从最开始选址到正常运行的每一个细节:在总体规划和选择结构形式中,要明确地根据太阳的方位来判断;要将气候条件和拟采用的绿色技术相结合;要合理组织流线以减少交通方面能源消耗;要充分利用工业建筑运行过程中的采暖通风空调以及生产过程中产生的废热为生产服务。总的来说,优秀的绿色工业建筑内部仅仅需要很少的机械或者人工采暖、通风和采光。关于绿色工业建筑的节能,建筑师应形成以下认识:首先,最便宜的能源其实就是好的节能设计方案,好的节能设计方案是最佳选择;第二,因为要充分利用被动式太阳能。而且,现代工业建筑往往有条件充分利用太阳能采暖、自然通风等被动节能措施;第三,有条件时,优先使用可再生能源。尽管目前可再生能源相对昂贵且效率不及常规能源,但可再生能源的使用能够节约石化矿物能源且环境污染小。就太阳能应用来说,尽管目前应用太阳能比较昂贵,但使用太阳能仍然是值得的。目前,国外很多绿色工业建筑在设计中尝试用技术方法将可再生资源转变为电能、热能等建筑消耗的能源,实现了太阳能建筑设计一体化。例如,在屋顶安装太阳能光电装置和风力涡轮发电装置,将太阳能和风能转化为电能等,实现建筑自身能源供给平衡,即建筑运行不再需要额外的能源供应,甚至建筑自身产能大于消耗,并能将剩余的电能输送给城市电网。绿色工业建筑节能主要是护结构的节能,包括屋顶、外墙、门窗等部位。在这些部位,要优先采用绿色环保建材作为保温隔热材料,以起到节能作用。高性能保温隔热材料一方面可以减轻建材的使用量,另一方面也能减轻建筑结构自身重量,减少热量损耗和资源损耗。同时,建材使用量降低可以加快施工进度,节约了人力资源。
4.3绿色工业建筑与节水
水资源短缺已经成为世界性问题。据有关资料,我国人均淡水供应只有2000m3,按照世界银行标准(世界平均水平是3000m3)属于缺水国家。同时,我国人均淡水供应正在急剧减少。另一方面,我国淡水资源分布极不平衡,南方较为充足而北方严重缺水。还有一点不容忽视,由于以前粗放式的发展,我国大部分河流和湖泊等天然水源均受到不同程度的污染,有超过6亿人口正在饮用被污染的水。对于绿色工业建筑的节水,要从开源、节流、高效利用和创新利用4个方面考虑。开源方面,主要是提高非传统水源利用率,工业建筑一般所占区域大,建筑层数低、屋顶面积大,同时地面铺装面积大,雨水完全靠自然渗透是不现实的,反过来,将屋顶、硬质路面、广场等区域的雨水进行收集、储存、净化,将会是一笔不小的资源;节流方面,主要是减少水资源流失和浪费;高效利用方面,是指利用技术创新,安装节水型设备和器材,正确、科学地设计城市管网,使水资源的利用更加高效合理;创新利用方面,是指依托技术创新,加强水的循环使用。可以通过污水、废水净化系统、中水系统等设置达到这一目的。
4.4绿色工业建筑与节材
根据法国《环境建筑报》,绿色建筑材料可分为以下5个类别:材料有利于环境;不含有某种有害成分;可减少建造、维护、拆除过程中的环境影响;建筑运行过程中对环境影响;有助于形成安全而健康的室内环境。绿色建材的宗旨是保护人体健康、保护环境的。绿色建材在生产中,采用清洁的生产技术,大量使用工农业或者城市废弃物,尽量少用天然资源和能源,生产出的建材无毒、无污染、无辐射,有利于人类身心健康和环境保护。目前,业内绿色建材主要有以下三类:首先是一些传统绿色建材,如钢材。这类建材的特点是可回收、可循环利用。虽然材料的生产消耗了大量能源,但材料的重复使用有利于节材节能;其次是用工业生产和建筑废弃物为原料在经济合理的条件下制造的建筑材料,如利用建筑废弃物现场制造各种砖材。据报道,我国某企业研发出一种移动式建筑垃圾处理———制砖组合生产线,即移动制砖工厂。该生产线将建筑垃圾处理移动破碎站与移动制砖机配套,把“砖厂”移动到拆迁和施工现场,现场制作道牙砖、植草砖、广场砖等十几种市政用砖。这类建筑材料的特点是既获得了新的建筑材料,又消化了大量废弃固体垃圾,一举两得,实现了可持续发展;第三类是新研发的各种新型绿色建材。这类建材主要特点是在某些方面有着很强优势,如保温方面。对于新型建材是否能够推广,还要综合各方面因素由市场进行判断。对于建筑师来说,一方面在设计中要积累材料信息,在经济合理的情况下积极使用新型绿色建材,同时,也要加强甄别能力,防止因为绿色建材鱼龙混杂而失去判断力。
4.5绿色工业建筑与职业健康
传统工业建筑中一般都有大量余热和烟尘散出,大量化工类工业建筑不断排出大量酸、碱、盐等腐蚀性物质或者有毒、易燃、易爆气体,还有很多工业建筑内部时刻产生大量电磁辐射,对人体健康产生严重威胁。现代绿色工业建筑设计中,要紧紧围绕以人为本的原则,不仅要关注人在工业生产过程中的身体健康,还要关注人的精神健康,力争创造宜人、舒适、高效的绿色空间。在这里,不仅仅生产活动能够高效有序进行,人与人之间的交流沟通也能够得到满足。具体设计时,要打破传统观念的束缚。例如迪斯•乔比恩建筑事务所设计的法兰克福奈尔曼售后服务部中,企业决策者和建筑师力求给广大员工提供积极的趣味性空间。整个设计强调自然采光、自然通风的重要性,并且按照人员规模和比例精心设计建筑结构,同时为员工设计了精彩的生态休息大厅作为交流的场所;再例如德国诺伊格鲍尔与罗斯设计的格特拉克研发中心,设计理念强调建筑的开放性、交流性。在建筑师的精心设计下,该建筑内部各部门之间清晰可见,视觉上形成沟通。
不断扩大的城市化进程将会越来越多的利用到国家的土地,这些土地将会转变为工业用地,而之前工业生产对自然资源的争夺,使得我国的工业在生产过程当中出现了很多高消耗、重污染的工业疾病,这将会对我国的环境造成不可估量的伤害和破坏。面对这样的情况,我们的工业决策者们正在逐渐调整自身的工业发展模式,正在向节约资源的生产模式进行转化。
1.2研究意义
本文研究的意义是为了让更多的人去接受轻型钢结构,让人们能够真实的感受到轻型钢结构建筑在工业建筑设计领域中的广阔发展前景,改变工业建筑在大众记忆里的传统形象,为我国工业的现代化以及工业领域的可持续发展路线贯彻落实贡献力量。
2轻型钢结构在工业建筑中应用的特点
建筑钢结构材料大多数采用的是薄壁型钢、圆钢、角钢等,拼接成多种轻型的承重结构形式,比如轻型的门式钢架、多层建筑钢结构、网壳等。此外,轻型钢结构和其他传统钢结构相比,其用钢量指标相对比较低,而轻型钢结构最大的一个特点就是轻,它主要是由轻型的建筑材料和轻型的钢构件组成的,它的出现可以满足人们对工业生产以及日常生活建筑空间的不同需求。
3轻型钢结构在工业建筑中应用的建筑优势
3.1建筑空间实体轻巧
轻型钢结构的截面比较小,而且自重很轻,其承重结构截面可根据实际的受力状况进行相应的设计,它要比普通的钢结构所使用的工字钢截面受力更加合理。因为轻型钢结构自重只有普通钢结构建筑的一半左右,这样就可以节约建筑的成本。此外,轻型钢结构体系所采用的空间体系分析方法优化了结构设计,已经形成了自身独特的设计理论,它能够满足工业生产对大型无柱空间的需求,与此同时,轻型钢结构的支撑结构截面很小,不会占用室内的建筑面积,这也为工业建筑室内留出了生产、储藏的空间。
3.2轻型钢结构主体稳定
轻型钢结构建筑的建筑材料重量轻,而且材质分布很均匀,材料本身就具有非常好的抗震功能。轻型钢结构主要的承重构件是钢结构的,所采用的钢材塑性、韧性都非常好,而且钢结构自身还可以承受很大的动力荷载,轻型钢结构的杆件基本上都是在工厂经过精密的计算之后加工出来的,这也在一定程度上保证了钢材的质量。在一些地震比较频繁的地区,轻型钢结构体系始终是厂房建设的首选钢材结构,同时还被用做地震后的救灾安置房钢材。用于地震救灾安置房主要是因为轻型钢结构体积轻,因为地震区在震后还会出现很多的余震,这些余震虽然震感不是特别强烈,但是对于一个刚刚经过大地震的地区来讲则是致命的,所以运用轻型钢结构材料作为安置房的钢材,可以很好保护人们免受第二次的伤害。
3.3施工建筑方式简单方便
轻型钢建筑是采用最为先进的自动化制造设备批量生产出来的,建筑的大体可以进行现场组装,在现场安装的时候不会受到气候等外界因素的影响,施工的速度非常快,一般比较普通的厂房在三个月之内就能够完全安装完毕。
4轻型钢结构工业建筑空间设计
4.1整体式轻型钢结构体系
门式钢架建筑体系的结构工业化生产程度会更高一些,在建筑使用后,进行拆除时对资源的重复利用率也是最高的,这种建筑体系非常适用于工业厂房和仓库的建设,也正是因为如此,这种建筑体系逐渐成为了现阶段工业建筑设计中使用最广的一类轻型钢结构建筑体系。
4.2轻型钢结构屋盖体系
4.2.1网架结构
网架结构最早是在20世纪40年代兴起的,一经兴起就取代了当时普遍使用的钢筋混凝土壳体结构,之后又建造了一些非常经典的公共建筑,比如英国的哈罗文娱中心、美国的芝加哥国会大厅、我国的首都体育馆等建筑都是网架结构的。
1)节地与室外环境。旧工业建筑区位优势明显,处于城市中心地带,对旧工业建筑的土地进行合理的利用,是节约土地最直接的方法。合理采用屋顶绿化、垂直绿化等方式,既能节约土地,又可以起到绿化环境的功效。屋顶植被可以有效吸附空气中大量的浮尘以及CO2,可以有效的起到隔热保温的效果,也可延长屋面防水层的使用寿命。使用绿色植被覆盖建筑物表面,从外观上看既遮挡了建筑物原有与周边环境不协调的风格又赋予建筑物一种古朴的气息。
2)节能与能源利用。节约能源是实现绿色节能的核心理念,根据旧工业厂房所处的地理位置,充分利用太阳能、地热能、沼气、风能等等可以再生的资源,在改造中采用温湿度独立控制空调系统、太阳能光热与光电系统等节能技术等。由于经济技术和建筑功能的因素,旧工业建筑围护结构的热工性能较差。许多旧工业建筑改造后这个问题依然存在,这样不仅影响了建筑的使用性能,而且会造成巨大的能源浪费。但是,旧工业的大跨度、大空间结构也正是改造者所看重的,他们在改造之后往往愿意保留此类大空间,引入自然光,这样白天可以不需采用其他照明措施,节约资源。
3)节水与水资源利用。通过采用节能型设备,如无水小便斗,节约用水;将地面雨水、屋面雨水、生活用水利用膜生物反应器进行分别收集后合并,通过净化用作冲厕或绿化用水;在停车场铺装易渗水的材料,使得雨水快速的渗入地下来补充土壤中的水分(见图3)。
4)节材与材料资源利用。若对旧工业建筑不进行改造再利用,而是采取推倒重来的方式,无疑造成了资源和建筑材料的极大浪费,推倒破坏产生的建筑垃圾更是增加了环境的负担。而如果对旧工业建筑改造再利用,使它真正达到实际的使用寿命,也是节约建筑材料的一种表现方式。旧工业拆除下来的一些物件,可以作为装饰物品摆放在工业园区(见图4),既不浪费材料造成环境污染,又美化环境,使得这些物品更具有历史价值。
2绿色节能技术在旧工业建筑改造中的应用实例
2.1天津绿领慧谷创意产业园绿领慧谷创意产业园原为天津纺织机械厂,始建于1946年,占地面积138亩,厂房面积6.1万m2。改扩建后园区所占地面积近9.3万m2,总建筑面积10万m2。在改造过程中,大量的采用了绿色节能技术:新建材料保温外墙、新技术窗体遮阳(见图5a))、可控开窗面积、隔热铝合金型材、中空Low-E玻璃等,使得这些建筑既是节能房又是展示厅。应用太阳能集中供热系统、热交换新风系统、屋面雨水收集、风光互补路灯、室外自渗透型停车位地面等环保节能手段。经过测算,一期的改造成本仅为拆除的36.4%。
2.2上海市花园坊节能环保产业园上海花园坊节能技术环保产业园前身为上海乾通汽车附件厂(1954年—1966年),于20世纪初搬迁,留下18栋工业厂房,总占地面积为3.23万m2,总建筑面积为5万m2。属于节能研发设计、建筑节能设计、节能文化传媒、节能咨询策划为一体的市级创意产业集聚区。原厂区18栋建筑主要是钢筋混凝土结构,改造过程中保留了框架结构,原有的外墙采用小型空心混凝土砌块,既能减轻负荷又能起到保温作用。新砌外墙则采用复合墙体系统,能够消除冷、热桥,维持室内气温平稳,节省空调能耗。在改造过程中采用太阳能热水系统(见图5b))、无水小便斗、窗体遮阳、门窗断桥隔热铝合金型材、中空Low-E玻璃、两层透气型木窗、雨水回收系统用于卫生间冲厕及清洗车辆等绿色节能技术(如图5c)所示)。
2.3苏州市建筑设计研究院生态办公楼苏州市建筑设计研究院生态办公楼前身为法资企业美西航空机械设备厂区,始建于1895年,改建于2001年,为框架结构。在改造的设计阶段,将经济、节能、生态性融入到其中。在改造过程中,大量的使用到一些节能高效的新材料,如太阳能灯,将原先部分老厂房的屋面拆除,在屋面开天窗(见图5d)),增加了室内光线和通风,在屋面开小口,安装太阳能灯,白天可享用自然光线办公。将原来普通玻璃更换为双层断桥玻璃,来达到保温节能的功效。原来老厂房的蓄水池、水塔均保留再利用,采用蓄水池的水清洗车辆,洗完车的水再次利用浇花,实现了水资源的重复利用。在楼层阳台上种植植物,采用屋顶绿化的方式,使夏天有效的缓解太阳的直射,起到保温隔热的效果,降低对能源的使用,而且提高了办公条件。
工业建筑在总体布局设计时应当以工业生产的工业流程为主,综合考虑实用性、经济性等方面的因素,尤其是各种工艺管线的布置,还要考虑周围环境的影响以及对环境的影响,要根据工业建筑占地面积情况,从整体上考虑建筑单体与整体的关系,合理划分建筑周围的道路和绿化带,一方面要保证其为工业建筑整体服务,另一方面还要做到规划合理,不占用额外空间。对生活区、办公区与生产区的位置处理上,不但要考虑观感感受,还要考虑工业生产对生活和办公区域的空气、噪声等影响,可见,在对现代工业建筑设计的整体布局上,不但要发挥出建筑的使用功能,还要促进建筑物与周围环境的和谐共存。
1.2工业建筑内部空间设计
首先,对于工业建筑来说,其最主要的功能就是工业生产,因此应当以此为主要考虑因素,根据工艺的设计对建筑物内部空间进行合理的规划和利用,但在设计时还要注意不能墨守成规,应当因地制宜,以火电厂为例,其主厂房由汽轮机房、煤炭存储间、控制楼、锅炉房等组成,设计时要既要考虑工艺流程的顺序,还要考虑模块之间相互的影响,如避免明火区域与煤炭存储间过于挨近,防止造成火灾等。其次,对于内部空间各个房间和管线的布设要有合理的顺序,一般情况下以经济性和有序性为主要原则,但如果增加费用不高,却能够达到更好的空间效果则应当另行考虑,例如电厂主厂房内部的主控室、休息室、卫生间、办公室等功能性房间的设计应当在满足使用功能的前提下尽量为增加建筑物内部整体空间效果服务。除此之外,设计人员还应当充分运用色彩,一方面使工业建筑内部在视觉上更加美观,另一方面也起到对各类构筑物、设备区分的作用。例如对室内墙体、地面和顶棚涂刷暖色调的涂料,使室内空间更加赏心悦目,而对有危险性或潜在危险性的设备、管道等涂以带有警示性的冷色调颜色,要求这些颜色在地面、墙体等背景颜色的衬托下要更加显眼。最后,设计人员要充分考虑工业建筑的采光通风,避免出现眩光、通风不畅等现象,为工业生产人员提供安全、舒适、人性化的工作空间。
2现代工业建筑设计发展趋势的探讨
现代工业建筑的设计应当适应我国经济的发展和节能环保的需求,具体来说其发展趋势有以下几点:
2.1工业建筑的大空间、大跨度和高层化趋势
工业建筑的占地面积一般很大,随着土地资源日趋紧张以及工业生产现代化步伐的加快,各种大型机械设备不断得到应用,对建筑面积的需求量也呈现增长的趋势,因此必须不断开发工业建筑的空间利用,为使工业建筑内部的空间更大、布置更灵活,一是需要减少柱子、墙体的数量,因此,大跨度、大空间的工业建筑将会是现代工业建筑的主要发展趋势之一。二是可增加工业建筑的高度,充分开发土地可利用空间,在过去很长一段时间里,工业建筑高层化无法实现的因素主要是机械设备重量太大,一方面很难将其运输到较高楼层,另一方面对高层建筑的楼板承受负荷也提出了很高的要求,然而随着建筑施工技术的发展,楼板承受荷载的能力已经得到很大程度的加强,同时工业生产自动化流水线也向着重量轻、体积小的方向发展,在空间布局上,可考虑将较低层数作为生产用房,而将较高层用作办公等,这些都给工业建筑向着高层化发展提供了良好的条件。
2.2单元化设计
单元化设计就是采用标准柱网的结构将工业建筑设计成标准单元,一方面有利于工业建筑的整体规划,增加工业建筑的通用性,另一方面有利于厂房的扩建,是现代工业建筑发展的主要方向。单元化设计的方式主要有两种:第一,总体规划,分期建造。这种方式有利于节约前期投资,便于工业企业根据自身的发展实际情况扩大生产规模,并且由于单元化设计的通用性,简化了后期的设计,在工业建筑扩建时对既有建筑的正常运行无影响。第二,用定型的单元组合成厂房。这种方式可根据设计要求直接组合,极大缩短了工期,具有较强的灵活性,并且对于后期改造来说,只需要更换某单元即可,可根据使用功能的要求快速完成改扩建。
2.3节能型工业建筑
传统的工业建筑对能源的消耗较大,无形中增加了工业企业的运营成本,为达到节约能源的目的,应当在对工业建筑的设计上考虑节能效果,力求降低投入,收到良好的经济效益。一般来说,可采取以下措施来达到节能的目的:第一,提高建筑围护结构的保温隔热性能,将工业建筑内部空间受到外界气温的影响降至最低,减少供暖和制冷系统的运行消耗。实际设计中,可采用导热系数低、热阻值高的保温隔热材料,如使用加气混凝土砌块来替代传统的实心砖,采用聚苯板等保温材料,优先选用外墙外保温的形式,以免出现冷桥现象。围护结构的门窗是保温隔热的最薄弱环节,为减少建筑物的能耗,可用中空玻璃、真空玻璃、low-E玻璃等替代传统平板玻璃,提高门窗的隔热能力。第二,为减少空调和照明设备的使用量,可在设计时考虑充分利用自然光和自然风,例如对于自然采光来说应将生产线尽量布置在靠窗位置,增加天窗,对于建筑通风来说可采用新风系统,利用室外自然风与室内空气的循环流动,增加室内空气的洁净度和含氧量,对工作人员的健康有利。