基于風(fēng)力發(fā)電的高層建筑形體優(yōu)化設(shè)計研究

孫曉銘 史南

摘要 探討高層建筑風(fēng)環(huán)境，結(jié)合風(fēng)電建筑的設(shè)計原理，提出高層建筑形體的優(yōu)化設(shè)計策略，對規(guī)則幾何體、變形幾何體、群體形體的高層建筑形體優(yōu)化進行初步研究，為風(fēng)力發(fā)電高層建筑形體優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電；高層建筑形體；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號 S26 文獻標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）27-09461-02

早在18世紀(jì)，歐洲就開始使用風(fēng)車和帆船，人類在當(dāng)時就已經(jīng)開始利用風(fēng)能解決生活中的實際問題。例如，當(dāng)時的荷蘭擁有將近一萬臺風(fēng)車晝夜不停地運轉(zhuǎn)。伴隨19世紀(jì)風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)明，接踵而至的是風(fēng)能被廣泛利用。 20世紀(jì)70年代，隨著能源問題的加劇，風(fēng)力發(fā)電逐漸開始了商業(yè)應(yīng)用，往往設(shè)置在城市的邊緣地帶，但隨著發(fā)達(dá)國家對于風(fēng)力發(fā)電在高層建筑上的研究的不斷深入，風(fēng)力發(fā)電在高層建筑上的應(yīng)用被推廣開來，而我國在這方面的研究和實踐還處于起步階段。筆者試從高層建筑形態(tài)與風(fēng)力發(fā)電的適應(yīng)性入手，探討有利于風(fēng)力發(fā)電的高層建筑形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計^[1]。

1 高層建筑形體及其風(fēng)環(huán)境

1.1 高層建筑周圍風(fēng)環(huán)境的組成

高層建筑對于風(fēng)的阻擋作用較為突出。風(fēng)在和高層建筑接觸時，受到高層建筑的阻擋，一部分越過高層建筑的頂部和側(cè)邊流向建筑后部，另一部分則在高層建筑的迎風(fēng)面形成下沖風(fēng)，同時形成迎面的渦流區(qū)。根據(jù)高層建筑周圍的風(fēng)環(huán)境以及氣流的變化方向，可以將風(fēng)環(huán)境分為兩大類型：分流風(fēng)和回流風(fēng)。分流風(fēng)包含了建筑邊角側(cè)風(fēng)、開口部風(fēng)、穿堂風(fēng)、下沖風(fēng)；回流風(fēng)可以分為迎風(fēng)面逆風(fēng)和風(fēng)影區(qū)渦流^[2]（圖1）。

1.2 不同形體的高層建筑主導(dǎo)風(fēng)環(huán)境

穿堂風(fēng)是高層建筑分流風(fēng)的一種類型，是氣象學(xué)中空氣流動的一種現(xiàn)象。由于建筑物的迎風(fēng)面與背風(fēng)面形成了氣壓差異，以至于在樓體中有貫通的通道形成時，氣流會迅速通過此通道形成穿堂風(fēng)。另外邊角側(cè)風(fēng)使建筑物的邊角處形成大于周邊風(fēng)速的現(xiàn)象，風(fēng)經(jīng)過建筑物的兩側(cè)繞過邊角區(qū)域，造成高層建筑邊角部位流體加速現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時會產(chǎn)生渦旋分流的現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)速急劇上升。在體型較寬的高層建筑中容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

在組團式的高層建筑群體中，“狹管效應(yīng)”與“風(fēng)漏斗效應(yīng)”也會形成較大的風(fēng)速?！蔼M管效應(yīng)”在氣流由開闊地帶進入狹窄的地形構(gòu)成時形成，在組團式的高層建筑群體中經(jīng)常發(fā)生。由于此效應(yīng)的形成，組團內(nèi)部的風(fēng)速較快，更利于風(fēng)力發(fā)電?！帮L(fēng)漏斗效應(yīng)”則是在建筑進行規(guī)劃布局時，高度相近的建筑分布在道路的兩側(cè)，而當(dāng)兩側(cè)的距離是高層建筑高度的2～3倍時，就會形成此效應(yīng)，造成風(fēng)速迅速提高^[3-5]。

2 高層建筑形體對風(fēng)機位置的影響

2.1 風(fēng)機安裝位置 高層建筑的風(fēng)環(huán)境有其自身的特點，而風(fēng)機的安裝通常會選擇風(fēng)阻小而風(fēng)速大的部位，例如高層建筑的開口、邊角、屋頂?shù)炔糠帧?/p>

（1）建筑頂部往往風(fēng)力較大，而且對于高層建筑形態(tài)的影響較小，風(fēng)機高出屋面一定的距離，從而避免檐口處的渦流區(qū)，更有利于風(fēng)力發(fā)電。

（2）樓身洞口根據(jù)穿堂風(fēng)的原理，在高層建筑的中上部開口形成通道，讓高速穿過的風(fēng)帶動風(fēng)機運轉(zhuǎn)，此處風(fēng)速提高，風(fēng)力加強，形成了“穿堂風(fēng)”，也更加適合安裝定向的風(fēng)力發(fā)電機。

（3）建筑角邊由于風(fēng)速在此加大，適宜安裝小型的風(fēng)力發(fā)電機組，也可以將高層建筑的整個外墻作為受風(fēng)體，成為風(fēng)力發(fā)電的旋轉(zhuǎn)式的高層建筑。

（4）建筑“峽谷”區(qū)域針對高層建筑群體而設(shè)置，由于建筑形成組團時，可以產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”，風(fēng)速在建筑的體量加大后得到加強，此處更加適合安裝垂直的風(fēng)力機組，在占用空間較小的同時，增加了風(fēng)能的利用效率。

2.2 不同形體對風(fēng)機位置的影響

在對高層建筑形體的研究總結(jié)中，可以將其形體分為規(guī)則幾何體和變形幾何體，從風(fēng)環(huán)境的影響角度出發(fā)，又可以將不同的幾何形體進行細(xì)分。規(guī)則幾何體包括了立方體、圓柱體、椎體；變形幾何體則包括扭轉(zhuǎn)體、切割體、漸變體等造型新穎的高層建筑形體，但對于風(fēng)力發(fā)電的高層建筑而言，對變形幾何體的要求更加復(fù)雜。規(guī)則幾何形體的高層建筑風(fēng)機的位置主要放置在建筑的中部和頂部，因此，規(guī)則幾何形體高層建筑的中部形體和頂部造型將直接影響風(fēng)能在建筑中的有效利用。出于對高層建筑形體的美學(xué)考慮，建筑的邊角不放置風(fēng)機。例如，邁阿密的COR大廈是規(guī)則形體的高層建筑，建筑采用多項的綠色技術(shù)，形成集住宅、辦公和商業(yè)等功能為一身的高層建筑，該建筑將風(fēng)力機放置在建筑頂部的四面墻上，并安裝多個固定式水平軸風(fēng)力機。大廈在2007年開工，2009間建成并投入使用。圓柱體造型的迪拜“能源塔”，68層，高322 m，大廈在頂部安裝了直徑為60m的風(fēng)力發(fā)電機，采用了垂直軸風(fēng)力機。風(fēng)力機的造型與圓柱形的高層建筑形體非常協(xié)調(diào)，整個樓體能夠?qū)崿F(xiàn)能源的自給自足。

對于變形幾何形體的高層建筑而言，風(fēng)機的位置需要根據(jù)具體的形體造型考慮。例如迪拜的旋轉(zhuǎn)大廈，整個建筑的外墻面作為受風(fēng)體，在選裝的樓層間安裝了48臺風(fēng)力發(fā)電機，全年可發(fā)電60萬～120萬kW·h，整座大廈成為一個巨型的風(fēng)力機組。

群體組合式的高層建筑風(fēng)機的位置取決于高層建筑群體的位置關(guān)系，對于兩棟高層建筑組合而形成的形體而言，風(fēng)機則處于兩棟建筑之間，通過將高層建筑形體調(diào)整為有利于產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”的形體間關(guān)系，通過建筑形體將風(fēng)速提高，更有利于風(fēng)機發(fā)電，產(chǎn)生更多的電能。例如巴林世界貿(mào)易中心的雙子塔，通過利用建筑形體來引導(dǎo)風(fēng)的流向和流速，在建筑間安裝風(fēng)力機，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。該高層建筑將雙塔間形成狹窄的風(fēng)道，利用“狹管效應(yīng)”增大了風(fēng)速。而更多高層建筑單體組成的群體則要通過形體和位置的調(diào)整達(dá)到最利于風(fēng)能的利用。

3 高層建筑形體的優(yōu)化設(shè)計策略

3.1 規(guī)則幾何體的“微變形”

高層建筑受自身結(jié)構(gòu)和功能的限制較大，其風(fēng)能利用上的形體優(yōu)化設(shè)計也必須考慮安全與美觀，在形體上進行細(xì)微改動是行之有效的處理方式。

3.1.1 貫通洞口。

由于高層建筑的高度和寬度的不斷加大，會給其周邊的風(fēng)環(huán)境帶來極大的改變。通過在形體上采取貫通洞口的處理方式，可避免高層建筑受到風(fēng)振效應(yīng)和背部渦流區(qū)等不良風(fēng)環(huán)境的影響。與此同時，通過設(shè)置風(fēng)力機使流經(jīng)此洞口的風(fēng)能得到了有效的利用。通過此種處理方式，加強了風(fēng)速，也為風(fēng)機的安裝提供了合理空間。例如，廣州的珠江城大廈，由美國的SOM公司設(shè)計，目前是國內(nèi)較為先進的引用了風(fēng)力發(fā)電的超高層建筑，設(shè)備層的2個洞口設(shè)置在大樓的中部和上部，利用“穿堂風(fēng)”原理進行發(fā)電。

3.1.2 曲面處理。

高層建筑形體的風(fēng)機設(shè)置部分的曲面處理有利于形成局部“狹管效應(yīng)”，使風(fēng)速在與風(fēng)機接觸之前得到提高。無論是在高層建筑的中部洞口處，還是在頂部設(shè)置風(fēng)機，局部曲面化的處理都是力圖在風(fēng)環(huán)境一定的前提下改善局部風(fēng)速，從而優(yōu)化形體并提高風(fēng)能的利用率。

在建筑平面上，可以將建筑的平面設(shè)計為扇形，這樣的處理使高層建筑扇形形體的短邊處于迎風(fēng)面，將迎面風(fēng)匯聚于建筑的上風(fēng)向，曲線型展開，使氣流按照設(shè)計的方向運動，有效控制了風(fēng)向。

3.2 變形幾何體的頂部一體化設(shè)計

由于變形幾何體自身形體的復(fù)雜多變，要考慮風(fēng)力機的工作原理和外觀。與規(guī)則的幾何體高層建筑不同，變形幾何體的頂部是風(fēng)機設(shè)置的合理位置，在不影響其整體造型的基礎(chǔ)上，使風(fēng)力發(fā)電成為可能。變形幾何體頂部的一體化設(shè)計主要注重兩個方面：一是整體形體的美學(xué)塑造；二是空氣動力學(xué)原理的合理應(yīng)用。例如，迪拜的“能源塔”，在不影響其整體形態(tài)的基礎(chǔ)上，在建筑的頂部設(shè)置了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。

3.3 群體的組合位置與形體的有效控制

3.3.1 高層建筑群體高度與間距的合理組合。

在進行高層建筑群體布局時，建筑的高度與間距是影響周圍風(fēng)環(huán)境的主要因素，如果高度相近的建筑以間距為高度的2～3倍排列，便會產(chǎn)生“風(fēng)漏斗效應(yīng)”，可以使風(fēng)速迅速提高30%。在巴林世界貿(mào)易中心的設(shè)計中，建筑師采用了環(huán)抱式開口的建筑布局，接受來自波斯灣的海風(fēng)，三臺風(fēng)力機為大廈提供了11%～15%的電力。

3.3.2 群體形體的有效控制。

設(shè)計之初就應(yīng)考慮高層建筑群體形體的有效控制。在高層建筑群體的高度和距離得到合理化組合之后，群體形體的控制則需在設(shè)計者的愿想與風(fēng)環(huán)境模擬間展開博弈。流線造型可以減少群體對于風(fēng)速的減緩作用，規(guī)則形體從經(jīng)濟效益角度考慮，更利于提高單體對于風(fēng)能的利用效益。所以，對于群體形體的控制，需要在CFD等模擬軟件的輔助下進行有效分析，最終生成合理形體。

4 結(jié)論

高層建筑是我國未來城市發(fā)展建設(shè)中不可或缺的建筑類型，從能源節(jié)約與生態(tài)建筑的角度看，風(fēng)力發(fā)電與高層建筑的結(jié)合是未來發(fā)展的趨勢。建筑風(fēng)電的利用有利于保護生態(tài)環(huán)境和節(jié)約能源，但在設(shè)計上也存在很多未解決的問題。因此，在設(shè)計之初就應(yīng)該把高層建筑形體與風(fēng)力發(fā)電結(jié)合考慮，為建筑形體的選擇提供風(fēng)環(huán)境的模擬依據(jù)。貫通洞口、曲面化處理等總是在力圖改善和優(yōu)化建筑與風(fēng)力發(fā)電的有效結(jié)合。同時，不同地區(qū)的風(fēng)力資源條件不盡相同，宏觀亦或是微觀的條件都會對高層建筑形體的設(shè)計產(chǎn)生影響，因此，在當(dāng)今建造技術(shù)進步，有能力去創(chuàng)造更為豐富和多樣的建筑形體的過程時，更應(yīng)該與自然、生態(tài)等環(huán)境條件建立起有效的關(guān)聯(lián)。

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