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美国斯波坎零能耗办公楼

作者:卢求 德国可持续建筑委员会国际部董事,五合国际副总裁
文章附图



1 项目概况


催化剂办公楼(Catalyst Building)位于美国华盛顿州、距离西雅图市西侧约400公里的斯波坎市( Spokane),建筑面积 15690平米,2020年9月落成,它将是北美地区获得国际生活未来研究所(International Living Future Institute )认证的最大的零能耗和零碳木构建筑。


项目基地位于斯波坎市中心南侧的生态开发区,通过步行天桥与东华盛顿大学校区相连。开发商是能源公司阿维斯塔(Avista)的子公司、建筑和设施运营公司麦克金斯特里(McKinstry),木材建造商是拥有北美地区最大的正交层压胶合木生产工厂的卡泰拉(Katerra)公司,参与开发建设的企业联合体力图通过应用低碳环保的建材、整合生态节能技术、运用区域智能能源网络系统,打造世界上最低碳环保的零能耗建筑及开发区。


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美国斯波坎零能耗办公楼外景


建筑的主要承租方是东华盛顿大学,包括东华盛顿大学的电气工程,计算机科学,公共卫生,商务和创意写作等专业院系正在逐步迁入,但在建筑设计时并没有确定究竟那些院系、哪些功能将要入住此建筑,因此建筑设计需要具有一种中性美学、且能满足不同使用要求。建筑取名催化剂大楼,寓意促进不同学科思想碰撞、行业创新。


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美国斯波坎零能耗办公楼外景


2 建筑结构与构造设计


建筑由两个体量组成,中部是门厅和中庭空间,结构柱网逻辑清晰,建筑设计采用开放式平面布局,有规律的实墙窗洞式建筑立面。


催化剂办公楼力求最大程度减少制造能耗高的钢和混凝土的使用, 使用了超过5,000立方英码(约3823立方米)的本地木材产品,这些木材储存了3713吨的二氧化碳当量,并避免了1437吨的CO 2排放,相当于减少了1,100辆汽车一年行驶而产生的温室气体排放量。根据美国木材产品委员会(Wood Products Council)的计算,美国和加拿大森林能够在短短11分钟内生长出来等量的木材。

催化剂办公楼采用正交胶合木(CLT)梁柱框架,以及正交胶合木制成的楼板和墙体,包括抗侧向荷载的结构核心筒也由大块实心木材制成。


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美国斯波坎零能耗办公楼首层平面图


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美国斯波坎零能耗办公楼标准层平面图

尽管楼地面都有抑制声音传递和消除振动的石膏水泥砂浆(gypcrete)面层,室内大部分表面都为裸露的木材,为空间提供了温暖和活泼的感觉。


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美国斯波坎零能耗办公楼内景


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美国斯波坎零能耗办公楼幕墙细部


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美国斯波坎零能耗办公楼外景


催化剂办公楼的外立面采用了一种新的构造形式,包括正交胶合木(CLT)板材,保温材、防水透气膜,最外层是木炭色的陶板。选择陶板的原因包括其隔声性能(催化剂办公楼紧邻铁路线)、较小的环境影响(生产铝板的能耗和碳排放量更高)、美观和耐久性。


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美国斯波坎零能耗办公楼幕墙构造细部


预制的外墙板HxB=30x12英尺(约9.14x3.66m,这一尺寸由运输限制决定),通过起重机吊到建筑框架上。建筑竣工后通过鼓风门法检测气密性,检测结果显示该建筑的气密性能非常出色,气密指标只有被动房允许上限值的1/2。


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美国斯波坎零能耗办公楼内景


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美国斯波坎零能耗办公楼内景


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美国斯波坎零能耗办公楼内景


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美国斯波坎零能耗办公楼施工过程


3 能源利用与可持续设计


催化剂办公楼优秀的外围护结构大大降低了建筑的运行能耗,室内空调系统末端采用高效辐射采暖/制冷系统,以及空气余热回收设备。建筑的能源系统也很出色。催化剂办公楼采用区域能源网提供的冷热源,该能源设备系统就位于临近一栋建筑内,采用电驱动,由McKinstry公司设计建造运行。这套系统包括本地及远程生物发电、发电热回收、蓄热能和电池储能技术,根据气候参数情况,区域内建筑能源使用情况等因素,工程师采用参数化工具来确定最合适的组件、设备的最佳容量和最佳配置,在计算模型系统中有40,000种不同的组合,通过优化设计运行旨在以最低的成本实现最高的能源使用效率。


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为美国斯波坎零能耗办公楼提供能源的区域能源中心


安装在催化剂办公楼屋顶上的213 kW光伏(PV)设施,加上安装在斯波坎市其他三栋建筑屋顶上的光伏设施,每年还将产生1,100,000 kWh的电力,预计这将完全抵消这些建筑物的能源使用量。安装在建筑物内成千上万个传感器将跟踪环境条件,空气质量和人员使用情况等数据。从催化剂办公建筑以及生态开发区的邻居建筑物大量实时信息,将协助能源工厂管理和平衡能源需求,能源的生产和存储,不仅能控制建筑物从区域能源网获得多少能源、还能控制建筑物何时获得这些能源。这有利于减少电网峰值电量,而电网用电峰值时期通常也是发电碳排放量最大的时刻。


斯波坎催化剂办公楼的能源体系,可以确保建筑在运行期间一次性能源消耗为零、即达到零碳排放,建筑的结构系统和室内装修主要采用木材,相比钢筋混凝土结构建筑形式、金属或化学合成材料为主的室内装修,该建筑建造阶段和拆除与再利用阶段的能耗/碳排放量大幅度降低。