軟著底式海上建筑設計研究

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我國既是陸地大國，也是海洋大國。近年來，隨著我國綜合國力的顯著提升，海洋開發能力取得了長足的進步。在中共中央政治局第八次集體學習時強調：“要進一步關心海洋、認識海洋、經略海洋，推動海洋強國建設不斷取得新成就[1]。”在2016年，國務院正式出臺了《“十三五”國家科技創新規劃》，國家科學技術部對此進行了詳細的解讀與分析，《規劃》中強調，要加強海洋技術的發展，推動技術創新和戰略研究，提高海上空間的可用性，捍衛國家領土安全，最有效地利用海洋資源[2]。海上建筑，就是拓展海洋空間的一項有益嘗試。

1客觀環境

1.1自然環境。1.1.1氣候變化引發的問題。氣候變化是全球重大環境問題。由于人類活動而排放的二氧化碳等氣體，導致全球平均溫度升高，全球氣候變暖。冰川融化，海平面上升引起洪澇災害，對居住在沿海地區的人類生命財產安全產生嚴重威脅。為了沿岸防護堤壩的能力，不得不提高工程設計標準，增加工程項目經費投入。同時，海岸后退，土地鹽堿化。對耕地是一種極大破壞。河口的海水入侵，增加排污難度，破壞生態平衡。1.1.2海洋資源的利用。我國海洋資源豐富，擁有海參、鮑魚、扇貝、海膽等品種豐富的海珍品。根據2011年國家海洋局公布的《海域使用公報》顯示，我國可利用的漁業用海面積達163萬hm2，已確權開發63萬hm2[3]。潮汐能等水力能源以及風能等其他海洋能源均可以發電，這些綠色環保的可再生能源開發前景十分廣闊。另有錳結核、深海油氣、熱液礦床等海底資源。1.1.3海洋生態系統的保護。良好的海洋生態系統有利于人類的生存發展，但海洋不合理捕撈、灘涂不合理開發、珊瑚礁被人為破壞、濫伐紅樹林是對海洋生態系統的破壞，危害海洋生態平衡。要保護紅樹林、珊瑚礁、濱海濕地、海島、海灣和漁業水域等典型的海洋生態系統，整治和恢復具有重大經濟和社會價值的海洋生態。1.2政治環境。我國面臨南海島礁和釣魚島主權爭端的政治環境。目前，在加強危機意識與國家軍事實力的同時，我們有權利保護和利用豐富的海洋資源，這也具有重要的戰略意義。國家主權和領土完整是我們的核心利益，我國政府多次表明立場：在捍衛國家主權和領土完整方面絕不會讓步。中國應創造條件宣誓國家主權。

2建筑設計策略

2.1建筑規模。軟著底式海上建筑面積可建到1km2，可看作微型城市，半徑可達500余米。設計公共區域、后勤區域、交通區域等面積0.5km2；設計居住區域面積約為0.5km2，人均居住面積初步確定為30m2/人，可容納近16000多人（圖1，圖2）。2.2空間形式。海上建筑采取軟著底式，軟著底技術是利用海水的浮力使海水建筑物輕輕落在海底表面。一般來說，建造方式有固定式和全浮式2種。固定式能抵御風浪，但是由于建筑和海底連為一體、牢牢固定，一旦發生地震等災害，破壞和損失將十分嚴重；全浮式能減輕地震災害的影響，但不穩定，易為風浪所擾。軟著底式結合了兩者的優點，并不死死固定在海底，也不飄動，既能降低地震等災害的危害，也具有相對的穩定性，通過對底部艙體（可置于建筑主體之外）注水、排水增大或減小建筑的重力與浮力之差，提高建筑在各類天氣下的穩定性[4]。2.3分層設計系統。2.3.1水上系統。海上建筑的水上系統是人類的生活區，需要完善的生活配套措施，為居住、生活、工作在此的人群提供立體服務平臺。如五星級酒店、服務式公寓、國際教育、國際醫院等配套，實現了全方位、多樣的人性化需求。海上片區建立開放型社區，人、社區與海洋和諧共處，采用軟性綠籬等作為社區圍合結構。海上世界的商業活動圈、居住活動圈、公共開放空間活動圈的服務范圍覆蓋了周邊的大片地區，社區內大多數日常需求都可通過幾分鐘步行實現[5]。2.3.2水下系統。針對水下仍有大部分可利用空間的情況，可將海上淡水處理和能源供應2個系統置于基礎結構內部，并充分吸收太陽能。海上建筑需要1套與陸地相連的管道系統，溝通與陸地的連接。輸送到陸地的不僅有自己多余的工農產品、海產品、能源資源，當然也包括待處理的垃圾廢物。海上城市產生的垃圾中的有機物可以轉化為附近漁場所需養料（圖3）。

3技術運用

3.1結構選型。軟著底式海上建筑采用預制裝配技術，中部貫穿建筑上下的“核心筒”采用分區域柔性連接方式，內部設置豎向電梯區方便使用人群到達各功能區，管線鋪設區以滿足底部浮力艙注排水和各區域用水用電，建筑主體部分采用預應力混凝土結合鋼結構，各區域整體在陸地上制作完成后沉入水底由下至上與“核心筒”進行組裝并保證結構密閉性[6]。3.2波浪能利用技術。海洋可再生能源利用最常見的是潮汐能電力生產，除此之外，波浪能也是發展速度最快的一種能源。波浪能的產生得益于海水重力與海風的相互作用，形成具有規律性、周期性的能量波，波浪能的大小與波高的平方和波動水域的面積成正比例。波浪能轉換裝置可以將海水的波浪能轉換為電能，今天，應用最廣泛的有蓄水波浪能發電、液動式波浪能發電和氣動式波浪能發電等，其中，氣動式波浪能轉換器能穩定地將波浪能轉換成氣流能，并儲存起來，以推動空氣渦輪機發電[7]。3.3抗風浪技術。由于氣候因素或地質活動因素，海面上經常會掀起巨大的海浪，海面以下也會產生巨大的能量，這對海上建筑的安全性造成潛在的威脅。軟著底式海上建筑在結構上除了于部分節點處采取柔性連接抵消海浪對建筑產生的影響外，通過增大建筑底部壓艙重量穩定建筑主體，并且在建筑近海面部分模擬睡蓮葉片之間的組織方式，于主體建筑周邊設置多層環形抗海浪“堤壩”，裝置為多孔狀且有一定厚度，層層消減海浪對建筑的影響。3.4污物處理循環利用技術。根據污染物性質不同，在建筑內定義三處污染物回收點分別存放工業廢棄物、農業廢棄物、生活廢棄物。生活廢水可通過中水再利用技術供給工業、農業以及生活非飲用水用水；工業、農業有害廢水使用技術手段進行處理；不可降解和無法循環再利用的固體廢棄物通過物理技術手段壓縮，制造成建筑外圍的抗風浪人工堤壩的使用材料。

4可能性價值與效益

顯而易見，海洋居住、活動空間的開發，將大大緩解陸上城市的資源壓力，解決地少人多的矛盾，緩解住房、交通、醫療衛生、耕地等資源短缺的局面。同時可作為旅游項目進行開發，打造旅游特色品牌，吸引游客，增加旅游收入。海上建筑作為一個新興項目，必然帶動新技術發展。我國由于海洋建設起步較晚，相關學術領域的研究還很不足，尚未形成一套完善的學科體系。海上建筑如果從圖紙上的設計到真正成為現實，將大大激發相關產業的發展，帶動資源開發、環保、海上交通、海上建筑技術等新技術的發展。社會對海洋專業的人才需求也勢必會大大增加。除了海洋科學、海洋生物、海洋管理、海洋防腐等，將會更加豐富和細化，推動社會的精細、精準分工。

5結語

人類在取得巨大發展的同時，也造成了資源的消耗和環境的破壞。浩瀚的海洋為人類的可持續發展提供了廣闊的空間。在充分認識海洋，利用海洋資源的前提下，利用高新技術建造海洋建筑，并帶動相關產業鏈發展，是利國利民的好事。同時，海上建筑也是一種海洋文化，能進一步提升中華民族在海洋開發上的國際影響力。

參考文獻

[1].要進一步關心海洋、認識海洋、經略海洋[EB/OL].www.gov.cn/ldhd/2013-07/31/content_2459009.htm.

[2]中華人民共和國科學技術部.“十三五”國家科技創新規劃[Z].2016.

[3]國家海洋局.海域使用管理公報[R].2011.

[4]黃嵐，陳正鵬，林東富.水面建筑的設計探索和研究———以疆海綠洲建筑結構模型制作為例[J].江蘇建筑，2014(4):5-7+11.

[5]田永英，張峰.綠色建筑示范區規劃建設實踐———以深圳海上世界為例[J].建設科技，2015(7):31-36.

[6]趙英杰.海上民用建筑結構設計分析[J].工業設計，2011(11):119-120.

[7]李永國，汪振，王世明，呂超.國外波浪能開發利用技術進展[J].工程研究———跨學科視野中的工程，2014，6(4):371-382.

作者:陳正鵬 錢思宇 劉亞楠 單位:南京工業大學建筑學院