低碳建筑的本质:自然空间与数字空间的连接 | WeCity低碳城市
WeCity低碳城市研究组
从设计出发:
3D打印重构建筑绿色生命力
建筑在全球与能源相关的碳排放占比将近40%,建造大型建筑需要消耗大量的原材料与劳动力,而3D打印技术为建筑设计和建成提供了一种高效低能耗的解法。坐落在意大利的Tecla住宅项目是世界第一个完全由本地粘土进行3D打印的可持续生态住宅,该建筑由Mario Cucinella Architects建筑事务所和WASP 3D打印技术公司共同设计完成。Tecla将本土的建造实践手法、对生物气候的研究,以及对当地天然材料(粘土)的使用完美结合在了一起。房屋建造采用高效低能耗的“Crane WASP”新型3D打印技术,这是世界上首个可支持模块化和协同建造工作的多层打印技术。
3D打印技术能够满足原料选择的低碳和环保。这座60平方米的建筑高4.2米,包括起居空间、厨房和睡眠区,并配有服务设施和屋顶圆形天窗。和躯壳部分一样,室内的家具也应用粘土来完成3D打印,以此维持与建筑外观视觉风格上的统一。其余部分也均由当地采购,并设计为可重复使用或回收利用,呼应“可持续”概念。
此外,3D打印技术可以极大地提高建筑建造效率。多级模块化3D打印机可以运作两个同步臂,每个臂拥有50平方米的打印区域,可以同时打印多个模块。本地的自然粘土融合了古代建筑技术和现代技术,被3D打印成350层,形成了独具风格的低碳住宅。通过3D打印技术,Tecla每一栋圆形独立住宅的建造周期只需要200个小时,平均消耗6千瓦的能源,极大地减少了建筑垃圾。
Tecla住宅项目内部结构图
(图片来源:https://m.pchouse.com.cn
/x/313/3139463.html#ad=4289)
3D打印技术不仅可以运用在建筑住宅建设中,也可以应用在公共设施的建设上,采用更少材料,打造出更高效的结构。西班牙首都马德里于2016年建成了全球首座3D打印的混凝土人行天桥,这座标志性建筑代表着增材制造在民用建筑领域中应用的一个里程碑。由荷兰工作室Joris Laarman Lab与Laarman共同创立的技术公司MX3D和工程公司Arup(奥雅纳)合作设计了一座12米3D打印人行天桥MX3DBridge,这是世界上第一座3D打印的不锈钢桥。该桥由配备焊接装置的六轴机械臂用不锈钢棒制成,桥体结构使用了4500公斤不锈钢,其弯曲的S形曲线和带有格子式穿孔的栏杆是由参数化建模软件设计完成,于2021年在阿姆斯特丹运河上方吊装到位。这项技术展示了3D打印技术如何减少了桥梁对工具、石油、天然气以及传统建筑零件的依赖。
同时,艾伦图灵研究所和Arup(奥雅纳)为该结构安装了传感器网络,使桥梁能够收集数据并构建“数字孪生”以跟踪其性能和健康状况。“数字孪生”将监控腐蚀、负载变化、环境条件和行人使用情况,以进一步推进以数据为中心的设计。
长12米,采用4500公斤不锈钢,使用机器人3D打印而成的桥梁“MX3D Bridge”于2021年7月在阿姆斯特丹开放
(图片来源:https://www.dezeen.com/2021/07/19/mx3d-3d-printed-bridge-stainless-steel-amsterdam/)
2021年,建筑公司BAM和WeberBeamix开始在荷兰建造世界上最长的3D打印混凝土人行天桥,这座混凝土结构桥梁跨度将达到29.5米(97英尺)。随着3D打印技术在建筑领域的应用潜力逐渐彰显,3D打印房屋、桥梁已经在世界各个角落兴起,在建筑中使用数字设计将带来新一轮的新颖建筑概念,使建筑过程更加经济实惠和省时。当然,3D打印在建筑领域的应用也带来了一系列新的挑战,例如结构安全性,精确的载荷分析和材料适用性等,这需要通过完善数字技术的应用,更好地实现其设计建设的合理化和最优化。
低碳施工:
AI智能监管与安全方案
Spot机器狗可以根据设定的数据模型沿着既定路线进行数据扫描
(图片来源:https://www.dezeen.com/2020/11/13/foster-partners-adopts-spot-the-boston-dynamics-robot-dog/)
机器狗能够帮助相关机构采集建筑的相关数据,减少实地数据获取失误造成的材料和资源的浪费。Spot的四脚设计帮助它应对上下楼及更加复杂崎岖的地形,可以探索建筑工地可能对人类有害或不适的地点。除了自身传感器外,Spot最多还可以携带 14 公斤的设备,这对于施工现场不同承包商团队而言十分有用。此外,Spot周期性采集的数据还会在项目建成时用于构建和更新项目的数字孪生建筑模型,用于对设计原型与建筑实物的最终比较。
除此之外,其还能通过远程操控,在不断变化的环境中实现对设定路线的定期巡查和扫描,以监测巴特西“屋顶花园”的进度,并将信息及时反馈给事务所。Spot机器狗在巴特西“屋顶花园”的施工应用,不仅节省了大量时间和金钱,同时还极大地减少了施工过程中可能出现的伤亡事故。
高效管理:
BIM技术助力建筑可持续发展
数字化技术不仅能在建筑施工和建设时发挥作用,也可以贯穿在建筑整个生命周期中。BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)代表着一种新的理念和实践,即通过信息技术的应用和创新的商业模式来减少建筑工程的各种浪费,进而降低建筑设计、建设、运营等环节的碳排放。BIM的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型,利用数字化技术提供完整的、实况的建筑工程信息库。BIM通过数字化设计,仿真模拟建造的施工进度和成本控制,进行建筑能耗模拟数据分析,提高设计施工质量和效率,改变建筑的商业模式,实现建筑的低碳和高舒适性。
位于澳大利亚悉尼的“布莱街一号”项目是一个由始至终贯彻BIM技术思路的典型应用实例。“布莱街一号”从策划设计到可持续性分析,到施工建设,再到物业管理,全部环节涉及的参与方都采用BIM技术,实现传统工程模式的科学创新。
在设计开发阶段,建筑、结构、水暖电三个专业的模型被整合在一起,通过对整合模型和信息的模拟分析,能够尽早开展一系列的评估和鉴定,以支持和优化设计阶段的决策。例如,在建筑专业设计中,双层玻璃幕墙是“布菜街一号”的重点,它结合多种被动式节能技术和温度、亮度、湿度传感设备,对整个绿色建筑的能源利用产生全自动反馈调节。基于全BIM模型,日照、遮阳、通风和能耗专业分析软件可以获取精确的计算结果,以便优化每个细节的设计。最终,整个幕墙系统遮阳系数达0.15,相当于标准幕墙系统中最佳方案的2倍。在结构专业设计中,对BIM模型中复杂和不对称的部分进行有限元分析,能够识别出关键部位供设计师反复检查,直到得出最终优化的结果。该项目对BIM模型的分析还包括热传递效应、光照和反射、气流路径、观景效果等。正是借助数字技术和手段评估出最优绿色措施,才使得该项目获得澳大利亚最高的6星级绿色建筑评级。
澳大利亚悉尼的布莱街1号
(图片来源:http://www.360doc.com/content/16/1227/04/9667630_618058702.shtml)
未来提案:
从“碳排放者”到“碳捕获者”
SOM建筑事务所“Urban Sequoia”提案的碳捕获原理示意图
(图片来源:http://www.360doc.com/content/16/1227/04/9667630_618058702.shtml)
由于这一提案可适配多种不同的建造尺度,SOM以此为基础,设计了一栋高层建筑,其每年可捕获近1000吨的碳元素,其捕获碳的能力相当于48500棵树木。这一设计原型有望在60年后,实现碳吸收量比施工阶段排放量多400%的目标。建造行为所产生的碳排放占全球总量的近40%,Urban Sequoia提案是对建造行业转型需求的一次回应。该方案具有创造新的循环经济模式的潜力,为未来的低碳建筑设计提供了新的思路。
小结
作为城市碳排放的重要来源,建筑的低碳、节能、智能及绿色化发展探讨由来已久,从建筑空间布局和结构设计,到建筑材料和能源利用的选择,到建筑落成后的运维能耗管理,不同阶段均呈现出不同阶段的特征。BIM、人工智能、3D打印等新兴数字技术的出现,使城市建筑的设计环节更加精细与感性,使城市建筑的施工过程更加智能和环保,使城市建筑的运营维护更加高效和低耗。数据驱动的建筑领域碳中和不仅关系到建筑本身的可持续发展,同时也与城市的一网统管与数字化转型密切相关,成为影响整个城市实现低碳绿色发展的关键领域。众多的实践案例向我们证明了数字技术与城市建筑相结合的有效性和实用性,同时也提醒着人们,在科技不断创新的过程中,要时刻保持对文化与自然的敬畏。
http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/202102/t20210227_1814154.html
https://cj.sina.com.cn/articles/view/5182171545/134e1a999020016bea
http://www.360doc.com/content/16/1227/04/9667630_618058702.shtml
https://xw.qq.com/cmsid/20210126A0BZ9300
https://www.dezeen.com/2020/11/13/foster-partners-adopts-spot-the-boston-dynamics-robot-dog/
https://www.dezeen.com/2021/07/19/mx3d-3d-printed-bridge-stainless-steel-amsterdam/
https://m.pchouse.com.cn/x/313/3139463.html#ad=4289
https://www.sohu.com/a/121659264_181700
https://www.sohu.com/a/461007399_100034932
https://www.esriuk.com/en-gb/home
https://new.qq.com/omn/20211207/20211207A04EXB00.html
推荐阅读
王鹏:《城市的第一性原理与数字化转型 | WeCity观察》
郭云超、蒋燕梅:《重塑数据要素的流通价值:辨识、躬行与求索 | WeCity观察》