美国加州科学博物馆

伦佐·皮亚诺的技术性思维与材料表达

——会呼吸的美国加州科学博物馆

［摘要］意大利建筑师伦佐皮亚诺（1998年普利茨克奖得主）以他独特的“技术性”创造思维和“人文主义”的设计理念，创作出既满足功能需求又适应环境条件的建筑作品。并且通过各种技术手段将新旧材料，以及原生态的自然要素融入到建筑设计和环境设计之中。其中美国加州科学博物馆便是他绿色生态节能建筑的典型代表作品。

［关键词］绿色节能设计技术性思维材料与构造设计理念

美国建州科学博物馆是一座被誉为“会呼吸”的建筑，之所以有如此称谓是缘于它的绿色屋顶。该博物馆由Stein hart水族馆，Morrison天文馆，Kimball自然历史博物馆三部分组成，并且该建筑是得到了LEEDT的铂金认证。因此也成为了伦佐皮亚诺绿色节能建筑的代表作品。

一．材料在绿色节能建筑中的应用

１.围护结构设计

１）绿色生态屋顶

屋顶面积2.5公顷，模仿山势起伏，共有7个隆起的山丘。这种起伏的姿态实际上是经过测算的，根据冷空气下沉热空气上升的原理，可形成大楼内空气的自然流通，并起到绝缘作用，减少了对空调的依赖。此外屋顶种植了170万株当地植物，是旧金山最细长的本土植被区域，拥有四季的变化。它们每年可吸取757万升的雨水，省却人工灌溉之劳，多余的雨水还可用来冲洗厕所。伦佐·皮亚诺在谈到这一创意时说，“绿色屋顶”相当于把一座公园的一部分抬高，然后在下面盖一栋楼。

屋面做法采用种植屋面，提供隔热（辅助保温），由于该地属于少于地区，因此夏季种植土壤较干燥，厚度宜为300毫米。

植物

土壤

滤板

排水层

保护层

抗风化

地基基础

屋顶造型体现了伦佐·皮亚诺生态建筑创作中动态的自然要素，隆起的山坡形成了连惯的曲线感，充满活力且具有强力的灵动性，在艺术和技术上达到了完美结合。

２）屋顶通风采光设计

通风口的设计是电脑模拟本地风模式有助于建筑师设置了屋顶上的7个土墩，以实现最大的空气流通。其山谷和展示空间保持一致，凉爽空气吹入土墩，带走里面的温暖空气，直达屋顶的通风口，提供持续不断的空气循环，减少对空调的需求。这里皮亚诺采用集中式通风，效率要比分散式高得多。整座建筑高为27.4米，皮亚诺利用空气动力学原理，冷空气下沉热空气上升，在建筑内形成冷热空气循环流动。

1、场地环境

2、生态屋顶

3、屋顶支持文丘里效应

4、玻璃天窗及遮阳天棚

5、玻璃外墙6太阳能光伏电板7、自然采光8、地面热辐射板9、绿色植物

此外多用途照明的屋顶天窗是由高性能玻璃制成的，能反射最多的热量，而屋顶太阳能板可供应此博物馆10%的电力需求。

３）外墙面造型设计

大楼外侧通体使用了玻璃墙和玻璃窗。这是为了最大限度地借助自然光。这样大楼

建成后90%的区域都将被自然光照射，另外10%的区域照明将使用太阳能。由于该地处于多阴天地区，所以多云的天空是比较明亮的漫反射光源，对已自然光设计来说是理想的光源。在增大北立面窗户面积的情况下，皮亚诺为了避免过多的热量损失，采用的高透光率玻璃。

这种玻璃产品是由一种布满微细光粒子的薄膜夹在玻璃中间,当没有电负荷通过薄膜时,这些粒子会散开并吸收光使玻璃变暗,当加载电负荷时,这些粒子就会排列成行,让光通过通过调整电压的高低,玻璃的透光率就可以控制和调节了，这种材料将透光率提高到75%。

２.建筑构件做法

１）梁与柱的搭接

梁与柱采用的是叠合梁现浇连接，叠合方法是把上下柱，纵横梁的钢筋都伸入节点，加配筋后浇灌混凝土呈整体。其优点是节点刚度大。

２）屋顶的构造做法

其屋顶虽是种植着绿色植物，但它的四周装有太阳能光伏电板，通过它来吸收热量并将其装化成电能。皮亚诺将建筑与光伏器件相结合：将光伏器件与建筑材料集成一体，用光伏组件代替屋顶，形成光伏与建筑材料集成产品，既可以当建材，又能利用绿色太阳能资源发电。

太阳电池与一般的平板式光伏组件不同，（BIPV）组件既然兼有发电和建材的功能，就必须满足建材性能的要求，如：隔热、绝缘、抗风、防雨、透光、美观，还要具有足够的强度和刚度，不易破损，便于施工安装及运输等。

3）表皮结构的体现

在天文馆和雨林之间是博物馆的中心广场，因有可回收的迈拉聚酯薄膜而开阔，继而使其具有可回收再利用的价值。迈拉聚酯薄膜与网架的衔接属于骨架支承膜结构，即在以刚性骨架(网架）为承重结构上敷设张紧膜材结构。聚酯薄膜（PET ）是以聚对苯二甲酸乙二醇酯为原料，采用挤出法制成厚片，再经双向拉伸制成的薄膜材料。同时，是一种高分子塑料薄膜它是一种无色透明、有光泽的薄膜，机械性能优良，刚性、硬度及韧性高，耐穿刺，耐摩擦，耐高温和低温，耐化学药品性、耐油性、气密性和保香性良好，是常用的阻透性复合薄膜基材之一。

二．技术细部设计

1.外墙身设计

科学博物馆不仅外观堪称完美，建筑内涵达到生态环保理念，建筑结构也很精细，它的外墙的钢柱很细，且所有的结构钢都是使用的可再生能源，这些建筑材料的混凝土中含有30%的粉尘，并将废旧牛仔裤切成条状，用作隔音隔热的内嵌材料。细的钢筋再用钢绳的张力对其进行加固，这样一来，博物馆内部就能不受建筑结构的干扰，如果遇地震或是其他灾害，这个结构能使整个建筑随震动摆动，就像一艘巨轮在汹涌的海面躲过暴风雨的侵袭。科学博物馆的屋顶能自动启闭，给中广场留下了宽敞的空间。

三．技术与造型的结合

平行类比皮亚诺的其他建筑，尽管皮亚诺与福斯特，罗杰斯一起被称为”高技派”建筑师，但他们的作品还是有明显的差异的，福斯特在关注建筑质量的问题时，更注重结构体系的表达：巨大的构件，力量的传递，在高额投资的保障下，往往表现出奢华的贵族气质。罗杰斯更加注重建筑的机械性能。相比之下皮亚诺的建筑应该用“精致”二字形容。在技术的观念上，他继承了“技术的乐观主义”倾向，主张从功能出发用技术解决现实问题，用材料体现建筑的时代感。

皮亚诺注重建筑艺术、技术及建筑周围环境的结合。他的建筑思想严谨而抒情，在对传统的继承和改造方面，大胆创新勇于突破。重视时代精神，理性对待“高技”；发掘材料潜

技术原理

构造技术 造型表达 控制屋顶的温度 种植屋面保温隔热 生态节能的绿色屋顶 空气动力学（热压通风） 遵循气流路径的曲面 连绵曲线感造型的山丘 控制光线进入

大面积的高透光率的 玻璃外墙与钢架的搭接

形成外立面的轻盈明亮

质感

作品名称 （建成年代） 功能需求 形式需求 技术原理

构造方式

梅尼博物馆 （1986）

自然光照

减小尺度（位于20世纪早期修建的住宅区内）

控制光线进入

进入钢筋混凝土折板与轻钢屋架

卢瓦拉公司办公室（1985） 通风降温

利用当地材料

空气动力学蒸发

降温 曲波纹状钢板压盖的曲面屋顶

关西机场（1994）

通风高效率

高科技

空气动力学

遵循气流路径的

曲面 贝耶勒博物馆（1997）

自然光照宁静的

空间

利用当地材料

控制光线进入

全玻璃屋面坚固的红色斑岩石墙

芝贝欧文化中心（1998）

自然通风

尊重当地传统住宅形式——原始

棚屋 被动通风

弓形表面与垂直表面构成的双层

结构

戴比斯大厦（1999） 减少能耗

尊重人文环境（与传统砖砌住宅交界）

控制阳光辐射和热量进入

双层外皮结构赤陶砖与玻璃组成

典型作品创作思路分析表