工程故事 | 建筑与自然的融合——记TJAD在上海自然博物馆建设项目中的绿色实践
随着能源短缺与环境污染日益严重，节能环保成为大众当前最关注的问题之一。建筑作为节能降耗的重要领域，正面临向节能环保转型的征程，而绿色建筑，则成为必然的发展趋势。
坐落于上海市中心静安雕塑公园内的上海自然博物馆（新馆）是一座典型的绿色低碳建筑，据悉该馆有望在今年第二季度正式对外开放。在开馆前，我们不妨先来听听场馆建筑本身的自然故事。
新建成的上海自然博物馆总建筑面积为45086平方米，其规模位居国内三大自然博物馆之列，今后这里将分为起源之谜、生命长河、恐龙盛世等10个展区，展示来自七大洲的1 万多件展品！作为一个以“分析自然的奥秘、展现自然与人的和谐与矛盾、激发人类对自然的好奇心与责任感”为主题的建筑项目，展陈当然是最吸引人的部分，但今天我们不妨先来说说建筑本身，因为对于新馆来说，其自身场馆建设上所蕴涵的绿色节能设计也将成为展示的一部分，讲述着博物馆的自然故事。
2007年8月，美国帕金斯威尔设计师事务所与同济大学建筑设计研究院（下文简称“TJAD”）组成的联合体，经过公开招标，成为自然博物馆新馆的建筑设计中标单位。建筑的整体设计灵感来源于“鹦鹉螺”的壳体形态，这一经典的生物形式在地球上已持续存在几百万年，是和谐比例与动态力学的完美结合。
“根据合同分工，美方主要是负责建筑方案初步设计，以及公共空间室内、景观的方案设计。TJAD作为中方单位，是设计总包单位，我们承担了建筑、室内、景观施工图及全过程结构与机电的设计工作；地铁13号线自然博物馆站设计及基坑围护设计；以及绿色设计及绿色建筑顾问工作；同时还要从全程控制各专项设计的设计效果及质量，面对后续展陈及功能的调整，做好深化和协调工作。”TJAD自然博物馆项目负责人陈剑秋介绍说。
施法自然、回馈自然——用建筑本身来表达自然
走近自然博物馆，你首先会被新馆的外形吸引：螺旋上升的绿色屋面、巧妙围合的椭圆水池、形似地质构造层的立面、造型奇特的“细胞”曲面……山、水、陆地、岩石、细胞这些自然元素的营造，让人觉得这个建筑仿佛是从公园里自然生长起来的。殊不知，这些极其“自然”的表面之下其实也暗藏着“节能低碳”的玄机。
“我们要突出自然博物馆源于自然的特色，绿色低碳是最好的选择，而该理念的实现必须依托于技术体系的支撑。”陈剑秋说，“之前，绿色技术和建筑设计是分离的，很多建筑师不愿意用。但上海世博会之后，绿色低碳的技术手段已经和建筑设计手法完全融合到一起，成为建筑创作的新源泉和新动力，这是一个很重要的契机。”
与以往不同的是，为了打好这场“绿色”之战，此次TJAD不仅负责了绿色设计还担当了绿色顾问，并申请到上海市科委的专项课题来支撑。“绿色顾问是以集团技术发展部为主力的，他们为业主提出绿色策略，进行分析得到效果，然后设计团队配合技术落实，最后再进行运营调试。这种模式的结合度很好，造价也控制得很好，最终效果也比较理想。当然双重角色也让我们也承担了双重的压力。”
那么，新馆到底采用了哪些绿色技术呢？我们不妨举几个例子：它的外围护体系采用了节能幕墙、绿化隔热外墙和生态绿化屋面三项技术，将能耗最大的建筑表皮转换成能量调节装置；它的雨水回收系统，将收集屋面和中央水池接纳的雨水，经处理后提供100%的景观和浇灌用水；它装有地源热泵系统，利用无污染、无废弃物的可再生能源——地热作为主要冷热源；它结合天窗采光，实现太阳能光谱发电，同时提供太阳能热水利用；它设有建设生态节能集控管理平台，将减少不必要的照明能耗，降低运行费用……除了节能，它还很智能，将汇集建筑自动化控制技术、无线射频技术、人脸识别报警技术、观众自动统计分析技术于一身，体现未来建筑的理念。
如今自然博物馆已经成功评到“国家绿色建筑三星级设计标识”，LEED金奖的申报工作正在进行中，而“绿色建筑三星级运行标识”也将在运行之后申报。“设计院独立申报绿色三星的情况很少，当然申报三星只是其中一个环节，关键是把技术落实到设计和效果中，这对我们的设计方法和理念都带来了突破。既能达到建筑设计的效果，又能达到绿色的效果，还能控制好造价，平衡好这三个方面是这项工程最大的挑战。” TJAD的绿色顾问工程师汪铮说。
人文性与节能性的完美融合——细胞墙成点睛之笔
围着自然博物馆外绕一圈，你会发现各个立面都不一样：西面主要是清水混凝土墙；北面是具有条形岩石肌理和斑驳质感的构造墙；东面是由垂直绿化组成的生态墙；最抓人眼球的是南墙——轻盈优美而充满想象空间的“细胞墙”。
东面 垂直绿化生态墙
西面清水混凝土墙 & 北面构造墙
由于博物馆的屋顶为从地面盘旋升起的草坡，整个建筑大部分空间位于地下，这虽然节约了城市用地但也带来了采光的困难。所以南向设置了下沉庭院，将自然光引入地下，环绕下沉庭院的通高玻璃幕墙“细胞墙”才“应运而生”。据悉，正式开馆后，夜晚的“细胞墙”还将变身一幅巨大的3D立体幕墙，通过全彩激光、裸眼3D、虚拟现实等现代化信息技术，上演别开生面的多媒体秀。
“细胞墙”源于传统园林亭台中的抽象自然图案，同时也隐喻着人类的细胞组织结构，它由三个层面构成，较大尺度的内层结构和较小尺度的外层结构分别作为玻璃墙体的支撑结构和遮阳体系，这既丰富了建筑外立面的层次，又在适度遮阳、避免眩光的前提下满足了展厅对采光的要求。
同时该墙体大量采用优质钢材作为结构材料还减少了能源消耗和环境污染。不得不说，这面墙不仅是建筑美学和建筑力学的结合，更是人文性与节能性的完美融合。
可再循环建筑材料——钢结构
然而，完成这面墙的设计建造可就没那么简单了。整个墙面是椭圆形的，还要切一个斜边，造成构件复杂，对结构设计和施工工艺都提出了很高的要求。“由于钢结构墙的刚度相对较大，且位于建筑中部，在水平荷载作用下容易引起较大的扭转响应。在设计中我们考虑尽可能弱化其刚度，且结合建筑平面功能在建筑周边布置了剪力墙，以平衡刚度影响，减小扭转响应。在细节上，我们采用软件对墙体进行了单独的强度、变形和稳定性分析。在施工图阶段，集团总裁丁洁民教授专门带领团队对细胞墙的构件断面做了进一步优化，在确保合理的结构性能和较好的经济性的同时达到了最佳的视觉效果。”TJAD的结构工程师郑毅敏介绍说。
复杂体型遇上节外生枝——施工配合时间紧压力大
从2006年8月，自然博物馆新馆建设项目展开建筑方案全球征集，到2014年7月30日，新馆在蓝天白云下竣工亮相，整个项目的周期长达八年。先有文物保护建筑“占地”，后有地铁13号线“闯入”，再有上海世博会停工，整个过程可谓一波三折。
“施工总包项目经理都换过两三波，但我们同济团队从始至终一直都没变。”陈剑秋说。
2009年项目开工前，原场地内还遗留了一座市级文物保护建筑——中共淞浦特委办公室旧址。经过研究，最终采用“落架法”将该建筑向东平移了110米，项目才得以开工。而该保护建筑移动修缮后，保留了石库门住宅原貌及砖木结构特征，作为爱国主义教育文物向市民开放。
开工之后，项目遭遇了对整个工程进度影响最大的意外状况：新规划的轨交13号线自然博物馆站车站南端区间需穿越自然博物馆的地下室。“为确保博物馆、地铁站这两个交叉项目同期共建，尽可能减小区间隧道振动和噪声对博物馆的影响，设计中必须同时兼顾两个项目的特点和需求。”TJAD结构工程师谢小林介绍说：“集团副总裁贾坚带领轨道院设计团队对两个项目的工程实施进行了总体设计统筹研究，经过多方案振动分析和各项经济技术比较，最终确定将位于博物馆下方的盾构隧道改为明挖隧道，即在博物馆二层地下室下方再下挖一层结构作为隧道结构，从而有效解决了由于盾构区间隧道的存在造成博物馆地下室无法实施的难题，达到了‘地铁要保、展馆要建’的预定目标。”
“摆平”这些意外状况，从2011年开始，项目进入到高密集度的施工，此时施工配合的压力大到甚至超过设计过程。“因为我们是设计总包，几乎所有的东西都要由我们签字认可，包括幕墙、景观、室内装修等分包项目。”负责施工配合与协调的TJAD建筑师雷涛说。
首先是复杂体型带来的问题：几乎没有一处相同的地方，且每一处细节的做法也都不同，多节点带来的是大量且有难度的配合工作。“现场很多细节问题是图纸表达不出来的，必须现场解决，加上项目运用了大量的新技术，对施工配合的要求很高。最忙的时候，我天天泡在工地，因为时时刻刻都有问题！结构、暖通等其他专业的负责人也是现场遇到相关问题时，随叫随到。”雷涛回忆道。另一方面，展陈进入场馆后，对原来的建筑提出了修正更新，又给设计施工带来了不少反复，“有一些展示品荷载非常大，我们必须对结构进行重新加固；同时消防也根据展陈重新进行了规划。”
微博上有网友这么描述提前探营自然博物馆后的感受：“视觉感受非常好，公共空间开阔，走道设计宽敞，室内外景观结合得很好。”
要知道，达到这样的效果，可是费了一番功夫的。
博物馆建筑公共展示空间净高要求是比较高的，但该项目用地紧张，层高有限，且设置全空调系统，管道非常之多。如何合理布置管道成为巨大的挑战。“我们专门抽出一个设计师对整个建筑做管线综合，通过与结构和设备专业积极协调，把各个专业的管道综合排布到一起，达到了非常整齐的效果，也使得地下净高、空间利用达到最大化。”
从“师法自然”的设计理念到“回馈自然”的技术体系，上海自然博物馆无不渗透着自然给予的灵感。在全球可持续发展和环境保护的大背景下，它犹如一只“城市绿螺”，传达着自然的奥妙，履行着育人的使命。而TJAD人则用勇于开拓、敢于创新的绿色实践为自然博物馆成为生态、节能、智能建筑的典范贡献了自己的智慧与力量。
项目信息
项目名称：上海自然博物馆（上海科技馆分馆）
设计：2007~2009年
竣工：2014年
基地面积：地上12029平方米，地下16294平方米
建筑面积：45086平方米
层数：地上 3层 / 地下2 层
建筑高度：18米
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