项目 | 主动地思考——世界顶.尖科学家论坛永久会址的光伏建筑一体化设计

 

 

01.

项目背景

Building Integrated Photovoltaics

 

光伏一体化（BIPV，Building Integrated Photovoltaics）是一种将太阳能光伏发电系统直接集成到建筑外围护结构中的技术。具体来说，它通过在建筑的屋面、墙面、遮阳棚等外围护结构表面安装光伏组件，不仅提供电力，还作为建筑结构的功能部分，取代了部分传统建筑材料，如瓦片、玻璃幕墙等。

/ 光伏屋面 /

/ 光伏立面幕墙 /

 

/ 光伏车棚 /

光伏一体化技术有三大特点：一是节能环保，BIPV能有效利用太阳能资源，减少对传统能源的依赖，降低建筑物的能耗和碳排放；二是美观实用，光伏组件作为建筑材料的一部分，不仅提供电力，还能与建筑外观相融合，提升建筑的美观性；三是经济效益，BIPV系统发出的电能大多被建筑内负荷的用电设备消耗，多余的电能可注入电网，实现能源的自给自足和余电上网。

《建筑节能与可再生能源利用通用规范》

《关于推进本市新建建筑可再生能源应用地实施意见》

 

为了积极推动建筑光伏一体化应用领域的快速发展，我国出台了一系列政策、规范，如住建部在2021年10月发布的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》等。上海市在《关于推进本市新建建筑可再生能源应用的实施意见》中要求“2023年3月1日之后提交审查的施工图文件的新建公共建筑、居住建筑和公用厂房均应执行本意见（见下表）”。这些政策旨在激励和支持光伏技术在建筑中的集成与应用，以促进绿色、可持续的能源利用方式。

屋顶安装太阳能光伏的面积比例表

 

鉴于光伏应用的政策性推广要求，以及光伏在经济发展和环境保护方面的积极影响，建筑光伏一体化已成为建筑领域发展的必然趋势。虽然光伏应用在建筑技术上还有一些挑战，但对于建筑师来说，光伏也是一种新型的设计表达方式和手段，建筑师应当采取积极的姿态，主动适应这一变革。本文以世界顶.尖科学家永久会址项目为例，全面介绍了我们在建筑光伏一体化应用方面的探索。

 

 

02.

项目概况

Building Integrated Photovoltaics

 

世界顶.尖科学家论坛永久会址项目是临港世界顶.尖科学家社区的首发项目，其以“世界级的新时代重大前沿科学策源地”为定位，是世界顶.尖科学家论坛的永久会址。项目总建筑面积为223827平方米，主要功能为顶科论坛会议中心综合体及配套剧院、图书馆、科学展示馆和酒店。整个建筑如同双翼向城市展开，起伏的光伏屋面，与建筑浑然一体，表达“展未来之翼，聚科技之光”的美好愿景。

/ 正面半鸟瞰 /

 

科学之翼，链接城市

整个建筑，南北分区布置，北侧为会议中心、南侧为酒店及公寓式酒店。设计整合梳理城市的空间关系，强调自然环境和人文环境的结合，区别于以往会议中心冰冷消极的刻板印象，希望打造一个富有活力的场所。

/ 功能分析图 /

 

设计将车行引入二层平台，将底层空间开放，引入人流，结合丰富的功能空间创造有机的空间序列，并与南侧的公园串联；酒店裙房的层层退台，延续了羽翼的设计理念，与南侧规划公园形成了互为景观的对话。

/ 形态生成分析图 /

 

绿色低碳，贯穿始终

双碳目标是中国对国际社会的承诺,“科技，为了人类共同命运”是世界顶.尖科学家论坛的永恒主题。从方案创作开始，设计团队就考虑了建筑的能耗控制，如建筑体形系数、窗墙比测算、不同朝向的外遮阳等等。

/ 绿色建筑分析图 /

 

通过对设计方案进行舒适性、能耗及采光的计算分析，形成了朝向不断变化、和谐统一的建筑立面。通过综合地运用气候响应设计、高性能围护结构、高效机电系统和光伏一体化设计，该建筑成为上海市首个通过超低能耗方案评审的公建项目。其中，光伏一体化设计是本项目实现超低能耗建筑的几大亮点之一。

/ 立面图 /

/ 光伏屋面俯瞰图 /

 

 

03.

建筑师对光伏一体化的认知储备

Building Integrated Photovoltaics

 

对于建筑师，在进行光伏设计之前，要对建筑光伏一体化有一定的了解，包括太阳辐射对光伏板的影响和BIPV在建筑中可能的应用方式。

 

太阳辐射与光伏板的安装

鉴于太阳的辐射特性，光伏板安装时的最佳倾角是非常重要的。最佳倾角可以提高光伏板的能量输出效率，从而提高太阳能发电系统的效率。对于大面积的光伏板部署而言，确定最优化的安装角度是至关重要的。

/ 示意图（图源互联网） /

 

而光伏板铺设密度的计算也是一项精细且复杂的任务，它不仅需考虑光伏板的角度优化，还需兼顾减少遮挡效应，以达到光照接收的最大化。在城市环境中实施光伏项目，无法如沙漠地带般享有无限的空间间隔，因此必须权衡光照强度与可铺设面积的比例。

 

通过综合分析，旨在实现系统效能的最大化，这一过程往往还涉及经济性的考量，即投资成本与发电收益的对比分析，这是决定整体铺贴策略的基础。基于这些原则，设计师可以创新性地衍生出多种设计方案，以形成既高效又美观的建筑光伏。

 

BIPV在建筑中的应用方式

一般，光伏方阵在建筑中的应用主要有2种方式：

光伏与建筑的结合——这是最常用的形式，主要是将光伏阵列与建筑屋面、墙面等结合，如光电屋顶、光电幕墙等。这种方式不占用建筑之外的场地空间，是光伏发电系统在城市中最广泛也是最佳的安装方式^[1]。比如项目北侧会展的金属屋面，就是将光伏板设置于支架上。

光伏与建筑的集成——这是BIPV的一种进阶形式，光伏组件不仅要满足光伏发电的基本功能要求，还要兼顾建筑构件的功能，如防水、隔热、承重等^[2]。项目南侧酒店裙房的采光中庭屋顶就是这种集成方式，光伏板作为中庭的玻璃顶，既是光伏，又是外幕墙。

北侧会展金属屋面光伏设计

南侧酒店裙房光伏设计

 

 

04.

光伏一体化在项目中的具体应用

Building Integrated Photovoltaics

 

顶科项目，从最初的无光伏设计，到最后竣工时的建筑光伏一体化设计，经历了多轮设计上的优化与迭代。最终，本项目的光伏主要应用在建筑屋面与中庭天窗中。在设计中，建筑师一直与绿建、BIM专业共同配合，坚持将光伏作为设计概念的一部分融入到设计中，充分考虑光伏的高效性和与建筑设计的兼容性。

 

光伏与屋面的结合

项目屋顶独特的构造设计，源自其形似翅膀的建筑形态，这一特定设计直接决定了光伏板的布局方式。需要注意的是，在建筑设计过程中，建筑形态难免会有所调整，光伏系统的布局策略必须随之进行相应的调整。这凸显了建筑师需综合考虑建筑形态与光伏系统集成的重要性，需要确保两者之间的和谐统一。

/ 设计效果图 /

 

会议中心屋顶起伏的光伏形态，需在设计理念主导下，结合BIM设计进行优化。为了达到建筑师振翅高飞的设计理念，利用参数化技术，设计团队对直线型屋面、双曲面异形屋面等不同的屋顶起伏形态，进行了模拟分析和对比。

直线型屋面

双曲面型屋面

 

结合阳光受光角度和建筑造型的需要，整合了剧院高低错落的屋顶，兼顾了屋面设备的空气流通。通过参数化设计模拟最佳的光照角度，实现发电量的最大化，再考虑遮挡因素，选用单晶硅薄膜组件，避免形成光斑损坏组件。

/ 犀牛+grasshopper辅助光伏建筑结构一体化设计（制图：刘雯）/

 

贯彻羽翼的设计理念，光伏组件采用单元化布局策略，每片光伏板依据15°的倾角进行安装，从而构建出一种排列有序、层次分明，且富有动态美感的羽状阵列结构。

/ 建成实景图 /

 

单元板块间的空隙，为屋顶设备机组提供了良好的通风换气环境，这种单元模块式的光伏设计也大幅节省了造价。异形下光伏架子的主要钢梁结构，采用犀牛内单线定位，加REVIT DYNAMO参数化实体模型转化的方式，完成了多元异构模型之间数据格式的高效、批量交互。

/ 光伏建筑结构一体化设计流程总结（制图：刘雯） /

 

光伏选型

在材料选择的过程中，我们面临了多种考量因素。首先是材料的颜色。初步设计时采用了浅色材料，然而这种设计的光伏转换效率显著偏低，我们也不愿为了单纯追求造型美观而牺牲光伏系统的功能性。随后，我们综合评估了几种深色材料，包括深灰色、蓝色以及偏紫红色，为了达到功能与美学的平衡，最终选择了深灰色材料。

浅色光伏设计

深灰色光伏设计

 

在本项目中，会议中心屋面选用碲化镉薄膜组件（单块85W），模组1.2*3.6米，共2690个，单个模组并联6块碲化镉薄膜组件，共计16140块，总装机量为2000kW。

/ 光伏组件安装示意图 /

 

建筑光伏设计中另一个需要提到的是光伏板沿边部分的设计。屋顶并非规则的方形，通过参数化生成的光伏板块沿边的部分，也并非完整的长方形，因此需要用其他的材料来模拟光伏板的效果，以达到整体统一的美感。起初，我们尝试用光伏板上的玻璃材料来做“假光伏”，但是后来发现成本过大，因此并未使用。后来我们采用铝板材料，经过调整的颜色和光泽，基本看不出与光伏板的差别。

/ 外观上设计的“假光伏” /

 

在建筑设计中，我们进一步考虑了建筑美学与能效之间的平衡。在确定采用深灰色光伏板后，我们随即对建筑设计进行了相应的调整，这包括立面玻璃的颜色以及整体立面的配色方案。在此次调整中，我们进行了大幅度的修改，以确保建筑外观与光伏板的颜色相协调，从而形成了当前所见的建筑效果。由此可见，功能与美学之间的紧密关联与相互妥协，贯穿设计全过程。

/ 光伏设计与立面设计协调统一 /

 

光伏与中庭天窗的结合

酒店裙房结合天窗造型采用斜光伏玻璃屋面设计，改善了大进深裙房的自然采光和通风，屋面与水平面的夹角兼顾了发电效率和室内的空间感受。通过对各数值透光率的模拟计算和对比，最终采用40%透光率的光伏玻璃，在保证一定发电量的同时，兼顾了室内采光的需求。根据建筑方案设计定制太阳能屋面板，屋面可利用面积约2100平方米，装机量约230kW。采光顶玻璃采用三玻两腔钢化超白玻璃，电池芯片设置在外侧双层玻璃的夹片中，不仅可以有效吸收太阳的辐射热量^[3]，还能起到隔热作用，降低空调负荷。斜光伏玻璃屋面设计，在室内通透性和遮阳的需求间达到最佳的平衡点，营造了舒适的室内空间。

/ 酒店室内光伏玻璃顶 /

 

BIM技术在项目中的作用

BIM技术为实现本项目的光伏一体化发挥了重要作用，我们以参数化为手段指导非线性设计成果落地，实现以“实物”为导向的可视化施工进程。

光伏支架与主体钢结构同步深化施工，用钢结构单元集成化施工理念指导屋面结构体系的施工。

全盘考虑屋面次结构布置方案，充分协调屋面结构及屋面设备的施工关系。

光伏板次结构支架装配式安装方案深化，减少现场焊接工作量。

/ 光伏屋面体系多专业一体化实施（制图：刘雯）/

 

光伏屋面的多专业协同——除去最上层的光伏屋面，会议中心的大屋面非常复杂，涉及多专业、多维度的多种专项，光伏立柱与主体结构、出屋面管井和管线、排水沟等等，当多个变量一起调整，很难快速协同。而BIM三维技术，可以在极短的时间内清晰、完整地反映出这些构件之间的空间关系，甚至是构造做法上的矛盾关系。最终，项目通过三维模型进行了多轮排查和设计优化^[4]，实现了光伏屋面的一体化实施。

/ 屋顶光伏下的BIM结构模型（制图：刘雯）/

 

模型把控品质——外立面模型一直伴随设计过程，优先于图纸进行模型更新，通过模型控制立面图纸的品质，尤其是酒店裙房非线性的折面造型部分，通过模型输出展开立面，便于幕墙专业进行每个板块的放样深化。

BIM模型

展开图

幕墙深化图

/ 基于BIM模型的正向出图（制图：刘雯）/

 

由此可见，基于BIM模型的专业深化设计及深化图输出，提升了图纸质量，解决了施工难点，优化了各项施工技术方案，助力顶.尖科学家永久会址项目高效率、高质量地推进。

/ 屋面光伏在夕阳照射下熠熠生辉 /

 

 

05.

结 语

Building Integrated Photovoltaics

 

光伏一体化技术在世界顶.尖科学家论坛永久会址项目中的成功应用，彰显了其在美观性、结构安全性、环保性和经济效益方面的优势。作为国际性的交流平台，该项目采用的BIPV技术无疑将吸引全球目光，成为学习和借鉴的典范。这一成功案例不仅为我国建筑光伏一体化技术的发展树立了样本，还促进了国内外在绿色建筑和可再生能源利用领域的交流与合作。

从建筑师的角度出发，光伏一体化设计以整体设计为导向，将光伏作为建筑元素，旨在挖掘其丰富的表现力和应用潜力。这包括根据不同空间效果采取适宜的设计手法，以及根据光伏构造的集成位置和材质进行综合考虑，以实现最大化发电量。在实际项目中，建筑师不断探索，将研究成果转化为设计方法论，为光伏一体化应用提供指导。期望更多的建筑师能增强对光伏建筑一体化的接纳度，主动创新，并更好地将其融入建筑设计中。

随着新能源技术的持续进步以及城市对节能减排、绿色环保需求的日益增长，建筑光伏一体化技术将获得更广泛的应用。预计其市场规模将逐步扩大，成为现代建筑数字化、智能化的关键构成部分，致力于创造更加美丽、舒适且环保的建筑环境。