基于海洋牧场与离岸风电功能集成的海洋建筑可行性研究

班淇超,边 坤,王梦涵,陈昱霖,侯可明,姚佳伟

1.青岛理工大学 滨海人居环境学术创新中心,山东 青岛266033

2.青岛理工大学 建筑与城乡规划学院,山东 青岛266033

3.山东建筑大学 建筑城规学院,山东 济南250101

4.同济大学 建筑与城市规划学院,上海200092

21 世纪被称之为海洋的世纪，海洋产业在全球经济发展中占比逐年增强[1]。我国作为拥有18,000公里海岸线和300 万km2蓝色国土的海洋大国，海洋产业自1980 年获得长足发展，并于2000 年之后平均增速均超过全国GDP 增长速度[2,3]。中国自然资源部公布的《2018 年中国海洋经济统计公报》显示，当年国内海洋生产总值为83,415 亿元，比上年增长6.7%，占国内生产总值9.3%[4]。海洋经济产业主要分为海洋资源应用及能源开发两大类，如海洋牧场、海洋电力、海上油气、深海采矿、人工岛礁等，而这两类的有机融合也成为当今海洋经济开发模式的新方向[3,5]。其中海洋牧场与离岸风电，被看作海洋经济的重要组成部分，两者的功能集成则被称为“现代高效农业和新能源产业跨界融合发展的典型代表”，具备极其重要的经济、社会意义；然而该理念在我国尚处于理论研究阶段，缺少具体试点案例[3,6]。

结合海洋工程相关研究文献，海洋建筑可被定义为：一种针对海洋资源开发、灾难防护、生态恢复、科学研究的永久或临时性建筑工程结构，分为海岸、海上和海底三种类型，强调功能性与舒适性高度集成的特殊人居环境[7]。在海洋工程与建筑设计基础上延伸出的新型交叉学科“海洋建筑学”，强调通过设计的方式，为相关经济产业提供符合海洋生态要求的建成环境，全面、系统的支持海洋经济发展。基于这一理念，本次研究旨在探讨一种海洋建筑概念，其目的在于以海洋牧场为基本框架，融合离岸风力发电系统，达到两者功能集成的效果；并通过对融合形式的分析，赋予该类建筑以渔业、能源、信息、旅游、生活、疗养等内容的现代化综合管理平台能力，在支撑各项功能需求的同时，提高经济产出，解决制约海洋牧场和离岸风电在海域空间利用、能源供给、生态保护、运用模式、社会效益等方面的实际问题，促进海洋经济产业多元融合与海洋资源复合式开发的绿色可持续发展新模式。

1 海洋牧场与离岸风电

1.1 海洋牧场

海洋牧场概念源于20 世纪美、英等工业国家的“Marine Ranching”运动，是基于海洋生态学原理和现代海洋工程技术在特定海域培育和管理渔业资源、对海洋生物进行有目的放养而形成的人工渔场[8,9]。作为促进海洋渔业转型升级和改善国民膳食结构的重要举措，海洋牧场发展经历了三个主要阶段，即“渔业资源增殖放流”、“人工鱼礁投放”以及“海洋牧场系统化建设”[3]。我国海洋牧场建设起步较晚，20 世纪80 年代末首次提出了“海洋农牧化”设想，并在90 年代初建成24 个试验点用于投放人工鱼礁，但由于开发规模较小对渔业经济影响甚微。进入21 世纪后，伴随着我国生态环境保护意识增强和渔业产业结构调整，海洋牧场建设成为海洋经济发展热点。近年来，我国在渤海、黄海、东海、南海四大海域，建设了岛礁型、海湾型、滩涂型、离岸深水型等86 个国家级海洋牧场示范区，并计划于2025 年完成178 个国家级海洋牧场示范区、2035 年基本实现海洋渔业现代化，达到海洋牧场产业建设基础级水平[3]。但由于与国际先进水平相比仍有一定差距，我国海洋牧场建设面临着质量有待提高、生态效益发挥不足、深远海空间扩展不够、智慧化水平不高、产业融合程度较低、技术标准及管理不够规范等问题[8]。

海洋牧场建设的重要手段之一即通过投放人工鱼礁的方式吸引具有经济价值的海洋生物聚集栖息[3,10]。伴随着经济技术发展要求和海洋牧场研究深入，人工鱼礁建设需要在以下方面得到加强：①信息化及智能化，基于“互联网+”理念，建设海洋牧场信息管理系统、预警监测网络及大数据共享服务系统；②产业多元化融合，扩展海洋牧场综合功能，探索与二、三产业融合发展模式，提高经济产出和社会效益；③海洋生态保护，通过海域复合开发等方式提高物种扩繁与修复海洋环境[3,11,12]。

1.2 离岸风电

风电系统在全球可再生能源发电装机容量中达到50%以上，是最为领先的可再生能源应用技术，并伴随着技术发展由陆地延伸至海洋，成为世界可再生清洁能源领域发展中普遍关注的焦点之一。海上风电自开发以来，共经历四个阶段：①500～600 kW 级机组，于20 世纪70 年代由丹麦、荷兰和瑞典等国家完成样机研制；②1.5～2 MW 级商用机组，并于2002 年与公用电网并网，进行电力输送；③数兆瓦级陆地及海上风力发电机组，自2010 年投入使用，标志着风力发电系统达到新水平；④新一代数兆瓦级风力发电机，功率超过5 MW，风轮直径120 m，更加适合深海环境应用[3]。

基于当前海上风电应用现状，未来离岸风电发展需重点考虑以下方面：①加强离岸风电与相关产业及部门的协同管理，建立协同开发机制；②鼓励离岸风电走向深海。由于风电系统对海域空间需求明显增长，未来离岸深海化是重要发展趋势，因此2016 年发布的《海上风电开发建设管理办法》提出“双十”原则，即风电场原则上应离岸不少于10 km、滩涂宽度超过10 km 时原则上海域水深不得少于10 m；③加快海上风电相关设备与技术研发，促进风电产业整体快速发展，并在发展同时降低对海域生态环境产生的负面影响[3]。

1.3 功能集成原则

基于上述理论角度分析，海洋牧场与离岸风电有着较强的交叉融合前景与协同发展潜力，两者功能集成可为海洋经济产业开辟巨大的科技创新优势，而集成方式主要包括三部分，即空间/结构结合、能源/设备统筹、成本/风险分担[3,6]。在空间结合方面，海洋牧场建造目的在于根据海域特征为有经济价值的海洋生物营造宜居环境，对海域空间的需求主要集中在海面以下，而离岸风电则利用风机叶片获取海面上空的风能并转化成电能，两者的空间需求不会产生冲突。而风机桩基海面以下部分可直接按照人工鱼礁的方式进行设计和建设，完成两者在结构方面的协作使用。

现代渔业强调信息化、智能化发展方向，开发区域逐渐由浅海走向深海，养殖规模不断扩大。基于上述状况，为提高生产效率，现代化增养殖设备和电子检测系统需要大规模运用。而作为能源使用端，海洋牧场发展受所处环境限制，存在能源供应问题，而离岸风电则可在一定程度上缓解这种环境限制，为相关设备供电。海洋牧场用电设施、风电运转产出、以及公共电网并网系统三者的整合，可对能源供需进行良好的统筹，构建合理的能源供应链。因此海洋牧场和离岸风电的信息管理、预警监测以及数据共享等设备，可进一步集成为一套完整的系统，达到设备统筹的目的。

此外，上述两部分集成方式，有效降低了项目成本及运营风险。当前海洋牧场经济产出较为稳定，但离岸风电由于存在投资风险大、管理制度不健全、商业模式水平低等问题，发展相对缓慢，因此两者的功能集成，并在此基础上增加产业种类（如旅游休闲），可进一步降低工程建设及运维成本，实现开发风险的分担。三种集成方式相辅相成，在开发新型商业模式的同时，实现自然资源和生产要素的优化配置，形成高效有序的经济产业链。

2 功能集成型海洋建筑

2.1 设计理念

海洋牧场与离岸风电的功能集成可看作是集约化海洋平台工程，在理论研究阶段需就这一项目如何落实进行大量的前期论证。因此，为实现上述功能集成，本次研究利用“海洋建筑学”知识，从海洋建筑角度详细列出所集成的功能需求。建筑可分为风电机（顶部）、生活平台（中部）和桩基鱼礁（底部）三部分，并满足以下功能：（1）风电机产生电能，可向建筑内设备供电和并入公共电网；（2）生活平台为风电机与渔场的所有设备模块提供安置空间（例如风电储能设备、水质量监控设备、海洋生物行为追踪设备等），并为工程师、科研人员、深海垂钓旅客提供居住服务；（3）桩基鱼礁作为整个海洋建筑的支撑部分，表皮及形状可为所在海域有经济价值的目标海洋生物提供宜居环境，同时周围环绕养殖网箱，扩大养殖范围；（4）整个海洋建筑形成海上多功能综合管理平台，并为其他产业或功能，例如安全救助、水文及气象监测、地震观测、权益维护等，提供相应的空间、结构、能源、设备的拓展支持。

2.2 功能集成方案

为进一步具象上述功能，本次研究提出一种海洋建筑概念，通过海洋工程形式支撑海洋牧场与离岸风电的功能集成（图1）。结合海洋牧场对海域位置需求与有经济价值鱼种分布特征，这类建筑将位于距海岸线10～20 km 的海域，因此针对这一海域的全年风浪情况，建筑宜选用5 根立柱作为支撑结构，其中中柱与风电机相连，并针对风电机与其他建筑结构运营寿命的差别提供了拆卸及加装功能。其余边柱则支撑整个海洋建筑，同时设置升降机，及时调整生活平台与海平面距离，且表面选择了与鱼类习性相关的材料与构造方式建成人工鱼礁，并与养殖网箱组合扩大养殖面积，提高经济效益。

图1 海洋建筑概念图Fig.1 Concept plan of marine architecture

生活平台共计三层，第一层作为宾馆区，主要供游客居住以及所有人员餐饮；第二层为办公区，为各类设备、工程师以及科研人员提供相应空间，建筑面积需按照设备体积及人员数量设置；负一层则是休闲区，游客可在室外公共平台进行深海垂钓，并对收获成果进行粗加工、储藏或烹饪，满足游客的交流及娱乐需求，以及连接各种逃生救援装置。整个建筑需建立垂直连接空间，为建筑内各层管线提供便利和保护，并方便工作人员进入检修。建筑上半部分主要针对该海洋建筑的办公、科研功能，提高海洋牧场及离岸风电管理的信息化、智能化发展需求，下半部分则赋予该建筑的第三产业功能，进一步降低项目开发及运营成本；各层通过垂直交通达到了功能分区与联系的效果。

3 可行性分析

3.1 调研方法

基于当前阶段我国相关研究文献较少这一情况，为进一步探讨该海洋建筑概念的可行性，研究采用社会学方法进行田野调查（Field Investigation），了解相关专业人员的具体态度及建议。调研分两部分，第一部分针对从业经验超过10 年的建筑师进行问卷调查，利用李克特量表法（Likert Scale）量化这一群体对海洋建筑概念的认可程度——问题1“针对海洋牧场与离岸风电功能集成海洋建筑的可行性程度，请基于李克特量表法进行评价”（表1）。最终发出问卷101 份，收回87 份，有效问卷87 份，回收率为86.1%。第二部分为专家访谈，采用半结构化采访（Semi-structured Interview）形式，选取与海洋牧场、离岸风电、新能源开发、海洋行政管理、建筑结构、人居环境、海洋生态领域相关的7 名高级专家进行深度访谈（In-depth Interview），每次访谈时间为30 min（表2）。访谈内容在问题1 基础上，增加新的环节——问题2“针对海洋牧场与离岸风电功能集成、以及与功能集成相关的海洋建筑形式等内容，需要在未来设计或学术研究过程中注意哪些问题，请基于自身研究领域给予相关建议”。

表1 问题1 示例Table 1 Example of question 1

表2 访谈时间安排及专家信息Table 2 Interview schedule and expert information

3.2 结果分析

针对问题1 的量化分析，选取“平均数（Mean Value）”计算方法进行统计；此外基于相关研究目前处于初级阶段，专家访谈过程中各领域对功能集成型海洋建筑概念的影响程度无法确定，因此本次各领域专家意见权重设置为完全相同，最终问题1 针对建筑师群体及专家群体的定量统计结果分别为4.25 与4.43（图2、图3）。

图2 建筑师意见统计结果Fig.2 Statistical result of architects’attitudes

图3 专家意见统计结果Fig.2 Statistical result of experts’attitudes

结合计算结果可知，所有受访人员对本次海洋建筑概念持积极可行态度，并认为此类海洋平台形式具备较高的发展潜力。问题2 作为定性研究，采用“扎根理论（Grounded Theory）”，通过对专家建议关键词的提取、梳理及整合记录如下，这些建议可进一步影响该海洋建筑整体性能的提升以及引导未来研究方向：（1）海洋建筑需实现“三产贯通”，提高渔场及风电场的空间载体能力，尤其是扩大渔场的生产管理空间，发挥对海洋生态环境的治理作用，特别如渤海湾污染较严重区域，实现生态恢复的目的；（2）海洋建筑的具体形式（形体、表皮、材料、结构等）应契合海上复杂的自然环境特征，通过对建筑微气候和室内物理环境的模拟分析做进一步调整，并建立与周围环境相符的景观形式，提高建筑的健康性能及使用安全性；（3）海洋建筑的结构稳定性需做详细计算，从而抵抗不同程度、不同时间的风浪侵袭，建筑本体以及海岸线整体规划，要有清晰的消防、逃生、救援计划；（4）风电场布局要一方面结合地理环境，另一方面与公共电网合并，考虑风机产生的磁场对人体健康、工作等影响，风机末端噪声最大且与建筑距离最近，选取合理的隔声设计并进行模拟分析；（5）桩基鱼礁及深海养殖网箱设计应充分考虑有经济价值鱼类特征，结合当前渔业发展、市场需求和建筑布点，可重点考虑海参养殖，设计符合海参生产繁殖的专项海洋建筑形式；（6）海洋建筑的旅游服务功能可进一步加强，设计丰富、新颖的海上娱乐项目（如深海潜水、海上漂流等）及大型海洋游乐场，提高建筑客流量、承载力、盈利手段；（7）海洋建筑之间需形成功能互补的建筑群，进一步构建“海洋社区”并配合国家海洋岛礁城市规划计划（例如“永兴岛未来城市”），提高整体战略定位。

4 结语

海洋经济产业开发是一项系统化工程，在海域管理过程中，工程项目不可避免的遇到渔业、风电、航运、军事、自然保护等规划区域的重叠及冲突，因此对于海域空间资源的利用需要具备系统性思维、协调发展机制和统筹规划模式，提高海域生态及功能容纳量，完善海域空间规划和功能布局，从而达到高效、科学的用海目的。

文中提出了新型的海洋建筑概念，并通过社会学方法对其可行性进行了分析，通过从业人员群体得出较为积极的发展建议及未来研究导向；这一形式可以看作是海洋经济产业跨界融合发展模式的基础性探讨，利用海洋生态、渔业管理、建筑工程、旅游文化等多项专业技术，全面涵盖海洋牧场与离岸风电的建设发展需求；结合当前海洋工程对海洋开发利用初级阶段的有关特征，通过“海洋建筑学”角度，针对海洋生态保护理念不够重视、海洋空间利用水平有待提高、产业结构融合程度较低、工程装备智能化程度不足、技术标准管理不够规范等问题提供解决思路，从而促进海洋服务产业开发，多角度定义海洋综合管理平台形式，实现海洋现代农业和新能源产业的装备及技术现代化，并最终促进和完善相关交叉学科，探索人类开发和利用海洋资源的可持续发展模式。