软着底式海上建筑设计研究

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我国既是陆地大国，也是海洋大国。近年来，随着我国综合国力的显著提升，海洋开发能力取得了长足的进步。在中共中央政治局第八次集体学习时强调：“要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，推动海洋强国建设不断取得新成就[1]。”在2016年，国务院正式出台了《“十三五”国家科技创新规划》，国家科学技术部对此进行了详细的解读与分析，《规划》中强调，要加强海洋技术的发展，推动技术创新和战略研究，提高海上空间的可用性，捍卫国家领土安全，最有效地利用海洋资源[2]。海上建筑，就是拓展海洋空间的一项有益尝试。

1客观环境

1.1自然环境。1.1.1气候变化引发的问题。气候变化是全球重大环境问题。由于人类活动而排放的二氧化碳等气体，导致全球平均温度升高，全球气候变暖。冰川融化，海平面上升引起洪涝灾害，对居住在沿海地区的人类生命财产安全产生严重威胁。为了沿岸防护堤坝的能力，不得不提高工程设计标准，增加工程项目经费投入。同时，海岸后退，土地盐碱化。对耕地是一种极大破坏。河口的海水入侵，增加排污难度，破坏生态平衡。1.1.2海洋资源的利用。我国海洋资源丰富，拥有海参、鲍鱼、扇贝、海胆等品种丰富的海珍品。根据2011年国家海洋局公布的《海域使用公报》显示，我国可利用的渔业用海面积达163万hm2，已确权开发63万hm2[3]。潮汐能等水力能源以及风能等其他海洋能源均可以发电，这些绿色环保的可再生能源开发前景十分广阔。另有锰结核、深海油气、热液矿床等海底资源。1.1.3海洋生态系统的保护。良好的海洋生态系统有利于人类的生存发展，但海洋不合理捕捞、滩涂不合理开发、珊瑚礁被人为破坏、滥伐红树林是对海洋生态系统的破坏，危害海洋生态平衡。要保护红树林、珊瑚礁、滨海湿地、海岛、海湾和渔业水域等典型的海洋生态系统，整治和恢复具有重大经济和社会价值的海洋生态。1.2政治环境。我国面临南海岛礁和钓鱼岛主权争端的政治环境。目前，在加强危机意识与国家军事实力的同时，我们有权利保护和利用丰富的海洋资源，这也具有重要的战略意义。国家主权和领土完整是我们的核心利益，我国政府多次表明立场：在捍卫国家主权和领土完整方面绝不会让步。中国应创造条件宣誓国家主权。

2建筑设计策略

2.1建筑规模。软着底式海上建筑面积可建到1km2，可看作微型城市，半径可达500余米。设计公共区域、后勤区域、交通区域等面积0.5km2；设计居住区域面积约为0.5km2，人均居住面积初步确定为30m2/人，可容纳近16000多人（图1，图2）。2.2空间形式。海上建筑采取软着底式，软着底技术是利用海水的浮力使海水建筑物轻轻落在海底表面。一般来说，建造方式有固定式和全浮式2种。固定式能抵御风浪，但是由于建筑和海底连为一体、牢牢固定，一旦发生地震等灾害，破坏和损失将十分严重；全浮式能减轻地震灾害的影响，但不稳定，易为风浪所扰。软着底式结合了两者的优点，并不死死固定在海底，也不飘动，既能降低地震等灾害的危害，也具有相对的稳定性，通过对底部舱体（可置于建筑主体之外）注水、排水增大或减小建筑的重力与浮力之差，提高建筑在各类天气下的稳定性[4]。2.3分层设计系统。2.3.1水上系统。海上建筑的水上系统是人类的生活区，需要完善的生活配套措施，为居住、生活、工作在此的人群提供立体服务平台。如五星级酒店、服务式公寓、国际教育、国际医院等配套，实现了全方位、多样的人性化需求。海上片区建立开放型社区，人、社区与海洋和谐共处，采用软性绿篱等作为社区围合结构。海上世界的商业活动圈、居住活动圈、公共开放空间活动圈的服务范围覆盖了周边的大片地区，社区内大多数日常需求都可通过几分钟步行实现[5]。2.3.2水下系统。针对水下仍有大部分可利用空间的情况，可将海上淡水处理和能源供应2个系统置于基础结构内部，并充分吸收太阳能。海上建筑需要1套与陆地相连的管道系统，沟通与陆地的连接。输送到陆地的不仅有自己多余的工农产品、海产品、能源资源，当然也包括待处理的垃圾废物。海上城市产生的垃圾中的有机物可以转化为附近渔场所需养料（图3）。

3技术运用

3.1结构选型。软着底式海上建筑采用预制装配技术，中部贯穿建筑上下的“核心筒”采用分区域柔性连接方式，内部设置竖向电梯区方便使用人群到达各功能区，管线铺设区以满足底部浮力舱注排水和各区域用水用电，建筑主体部分采用预应力混凝土结合钢结构，各区域整体在陆地上制作完成后沉入水底由下至上与“核心筒”进行组装并保证结构密闭性[6]。3.2波浪能利用技术。海洋可再生能源利用最常见的是潮汐能电力生产，除此之外，波浪能也是发展速度最快的一种能源。波浪能的产生得益于海水重力与海风的相互作用，形成具有规律性、周期性的能量波，波浪能的大小与波高的平方和波动水域的面积成正比例。波浪能转换装置可以将海水的波浪能转换为电能，今天，应用最广泛的有蓄水波浪能发电、液动式波浪能发电和气动式波浪能发电等，其中，气动式波浪能转换器能稳定地将波浪能转换成气流能，并储存起来，以推动空气涡轮机发电[7]。3.3抗风浪技术。由于气候因素或地质活动因素，海面上经常会掀起巨大的海浪，海面以下也会产生巨大的能量，这对海上建筑的安全性造成潜在的威胁。软着底式海上建筑在结构上除了于部分节点处采取柔性连接抵消海浪对建筑产生的影响外，通过增大建筑底部压舱重量稳定建筑主体，并且在建筑近海面部分模拟睡莲叶片之间的组织方式，于主体建筑周边设置多层环形抗海浪“堤坝”，装置为多孔状且有一定厚度，层层消减海浪对建筑的影响。3.4污物处理循环利用技术。根据污染物性质不同，在建筑内定义三处污染物回收点分别存放工业废弃物、农业废弃物、生活废弃物。生活废水可通过中水再利用技术供给工业、农业以及生活非饮用水用水；工业、农业有害废水使用技术手段进行处理；不可降解和无法循环再利用的固体废弃物通过物理技术手段压缩，制造成建筑外围的抗风浪人工堤坝的使用材料。

4可能性价值与效益

显而易见，海洋居住、活动空间的开发，将大大缓解陆上城市的资源压力，解决地少人多的矛盾，缓解住房、交通、医疗卫生、耕地等资源短缺的局面。同时可作为旅游项目进行开发，打造旅游特色品牌，吸引游客，增加旅游收入。海上建筑作为一个新兴项目，必然带动新技术发展。我国由于海洋建设起步较晚，相关学术领域的研究还很不足，尚未形成一套完善的学科体系。海上建筑如果从图纸上的设计到真正成为现实，将大大激发相关产业的发展，带动资源开发、环保、海上交通、海上建筑技术等新技术的发展。社会对海洋专业的人才需求也势必会大大增加。除了海洋科学、海洋生物、海洋管理、海洋防腐等，将会更加丰富和细化，推动社会的精细、精准分工。

5结语

人类在取得巨大发展的同时，也造成了资源的消耗和环境的破坏。浩瀚的海洋为人类的可持续发展提供了广阔的空间。在充分认识海洋，利用海洋资源的前提下，利用高新技术建造海洋建筑，并带动相关产业链发展，是利国利民的好事。同时，海上建筑也是一种海洋文化，能进一步提升中华民族在海洋开发上的国际影响力。

参考文献

[1].要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋[EB/OL].www.gov.cn/ldhd/2013-07/31/content_2459009.htm.

[2]中华人民共和国科学技术部.“十三五”国家科技创新规划[Z].2016.

[3]国家海洋局.海域使用管理公报[R].2011.

[4]黄岚，陈正鹏，林东富.水面建筑的设计探索和研究———以疆海绿洲建筑结构模型制作为例[J].江苏建筑，2014(4):5-7+11.

[5]田永英，张峰.绿色建筑示范区规划建设实践———以深圳海上世界为例[J].建设科技，2015(7):31-36.

[6]赵英杰.海上民用建筑结构设计分析[J].工业设计，2011(11):119-120.

[7]李永国，汪振，王世明，吕超.国外波浪能开发利用技术进展[J].工程研究———跨学科视野中的工程，2014，6(4):371-382.

作者:陈正鹏 钱思宇 刘亚楠 单位:南京工业大学建筑学院