被風(fēng)吹過(guò)的高塔——綠色建筑解讀

吳志堂，張婷婷 （溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325035）

1 概 述

建筑環(huán)境包括建筑形體、建筑周邊的環(huán)境形態(tài)、建筑結(jié)構(gòu)、建筑群組等諸多特征，其中，風(fēng)與建筑形體的關(guān)系為建筑設(shè)計(jì)研究的重中之重。風(fēng)一般會(huì)對(duì)建筑產(chǎn)生兩種壓強(qiáng)，一是建筑迎風(fēng)面的正風(fēng)壓，正風(fēng)壓會(huì)使建筑產(chǎn)生向上和向建筑背風(fēng)面的推力，使建筑產(chǎn)生偏移；二是建筑背風(fēng)面的負(fù)風(fēng)壓，使多數(shù)建筑屋頂所受的力呈“凹凸”狀，使建筑產(chǎn)正橫向振動(dòng)。

對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境而言，在夏季進(jìn)行自然通風(fēng)，有組織的進(jìn)行被動(dòng)式空氣交換，可以給室內(nèi)降溫和保持所需要的新鮮空氣，避免在室內(nèi)形成空氣的死角和漩渦。要使建筑會(huì)“呼吸”，可以通過(guò)開(kāi)窗通風(fēng)、煙囪拔風(fēng)、熱壓風(fēng)壓混合通風(fēng)的形式更換室內(nèi)的空氣。在建筑的朝向上，應(yīng)使建筑與夏季主導(dǎo)風(fēng)形成30度左右?jiàn)A角，以便使涼風(fēng)能到達(dá)每棟建筑，不至于形成過(guò)多的漩渦和死角。下文筆者結(jié)合研究的微薄見(jiàn)解認(rèn)識(shí)，通過(guò)四案例來(lái)談?wù)劯邔泳G色建筑對(duì)風(fēng)能的利用，也即自然風(fēng)對(duì)建筑內(nèi)外環(huán)境的調(diào)節(jié)。

2 高塔案例風(fēng)之解讀

2.1 巴林世貿(mào)中心（BWTC）

巴林世貿(mào)中心位于巴林首都麥納麥，是巴林首都第一座真正的智能化建筑。建筑高240m，平面為橢圓形，建筑整體造型為帆狀雙塔。建筑主要由建筑大師Atkins設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)由南非建筑師Shaun Killa負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。BWTC是世界上首座將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和大樓本身的造型相結(jié)合的超高層建筑，其相繼獲得2006“阿聯(lián)酋綠葉獎(jiǎng)”頒發(fā)的“大型規(guī)劃中技術(shù)使用最佳”獎(jiǎng)和“阿拉伯建筑世界”頒發(fā)的“可持續(xù)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)”。

Atkins設(shè)計(jì)在雙塔之間建立三根橫向分隔軸，分別安裝在第16層（60m）、第25層（98m）和第35層（136m）處，每根橫跨橋梁重達(dá)75t，風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)直徑達(dá)29m，和其相連的風(fēng)力發(fā)電機(jī)固定在橫跨橋梁上。渦輪機(jī)引進(jìn)海風(fēng)，子塔充當(dāng)渦輪機(jī)的機(jī)翼，塔樓的弧形設(shè)計(jì)也提高了風(fēng)從雙塔中間穿過(guò)的速度。

圖1 方形和曲面對(duì)氣流的影響

圖2 南面主導(dǎo)風(fēng)穿過(guò)PRT

圖3 能量塔空氣更換示意

塔的造型在豎向高度上隨著海岸風(fēng)的加速慢慢縮小，以此來(lái)減小塔頂?shù)娘L(fēng)壓，從而使三座風(fēng)渦輪機(jī)獲得同樣的風(fēng)速。BWTC擁有許多可持續(xù)的特征，理解和掌握這種建筑趨勢(shì)是建筑設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。巴林世貿(mào)中心并不單單是圖紙中的綠色建筑，大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了其空間造型與氣流之間的關(guān)系，即氣流近似“S”形流動(dòng)?！癝”行的氣流將確保無(wú)論是在中央軸線上，還是在軸線邊界上都有持續(xù)的氣流來(lái)使風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。兩側(cè)塔作為風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)翼，橢圓形的造型促使風(fēng)往中間鉆的同時(shí)加大流速。

方整的建筑會(huì)破壞氣流的通暢使氣流紊亂，從而降低風(fēng)力渦輪機(jī)的效率，甚至使渦輪機(jī)失效。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮建筑做曲面或者管道來(lái)保持渦輪機(jī)的氣流通暢。BWTC兩側(cè)的子塔使氣流集中到兩塔之間，又不破壞流向，其對(duì)風(fēng)的利用率比普通建筑高出很多，見(jiàn)圖1。

這樣，風(fēng)力渦輪機(jī)的潛力將得到大大提升。BWTC是世界上首次在建筑上建造巨型風(fēng)力渦輪機(jī)的高樓。在大樓上安裝巨型渦輪機(jī)的昂貴造價(jià)（占建筑總造價(jià)的30%）成為過(guò)去開(kāi)發(fā)渦輪機(jī)的首要問(wèn)題，而在巴林世貿(mào)中心上安裝最新開(kāi)發(fā)的渦輪機(jī)，其造價(jià)只占了建筑工程總造價(jià)的3.5%。

2.2 珠江大廈（PRT）

通過(guò)融入最前衛(wèi)的綠色技術(shù)和良好的工程條件，在SOM和廣州市設(shè)計(jì)院的合作下，約21.41萬(wàn)m2的廣州珠江大廈給可持續(xù)設(shè)計(jì)重新下了定義。309m高的建筑體形在設(shè)備層向主導(dǎo)風(fēng)開(kāi)了兩個(gè)洞口，這兩個(gè)洞口可以使風(fēng)通過(guò)風(fēng)力渦輪機(jī)從而為珠江大廈產(chǎn)生能量。塔的設(shè)計(jì)也融入了其他一些列綜合可持續(xù)的工程元素，包括太陽(yáng)能板、雙層幕墻、冷凍吊頂系統(tǒng)、地下通風(fēng)系統(tǒng)和日照采光系統(tǒng)，這些綠色技術(shù)將有效的為珠江塔供能。

PRT綠色技術(shù)中最具創(chuàng)新性的是風(fēng)力渦輪機(jī)組利用從南面吹來(lái)的主導(dǎo)風(fēng)，而在其他高層建筑中，常常會(huì)因?yàn)轱L(fēng)對(duì)建筑背面（北面）產(chǎn)生的負(fù)風(fēng)壓，避而諱之。珠江大廈的曲線結(jié)構(gòu)使風(fēng)穿過(guò)四個(gè)渦輪機(jī)組的正面。SOM在對(duì)風(fēng)的研究中預(yù)測(cè)這種結(jié)構(gòu)造型將使風(fēng)的速度提高2.5倍，弗雷謝特估計(jì)渦輪機(jī)將產(chǎn)生將近是普通標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)15倍的能量。更值得一提的是，風(fēng)力渦輪機(jī)置于建筑結(jié)構(gòu)層彎曲的空腔內(nèi)，巧妙的吹進(jìn)塔身里面，見(jiàn)圖2。

風(fēng)在建筑迎風(fēng)面產(chǎn)生正風(fēng)壓，而經(jīng)過(guò)建筑周邊和建筑頂部的漩渦風(fēng)，會(huì)在建筑背風(fēng)面產(chǎn)生很大的負(fù)風(fēng)壓。換一個(gè)角度思考，如果讓風(fēng)從建筑身上穿過(guò)，被強(qiáng)加在建筑正面的風(fēng)壓就會(huì)減弱，背風(fēng)面的負(fù)風(fēng)壓也不至于那么強(qiáng)。PRT充分利用了這一點(diǎn)，長(zhǎng)條的建筑平面長(zhǎng)向朝南，在里面開(kāi)4個(gè)風(fēng)洞不僅給建筑抗風(fēng)減輕負(fù)擔(dān)，還利用其穿過(guò)的風(fēng)發(fā)電給大樓提供能量。

PRT和BWTC一樣，在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，SOM也對(duì)珠江大廈進(jìn)行了充足的模擬實(shí)驗(yàn)。以PRT實(shí)體模型為基礎(chǔ)，穿過(guò)珠江大廈4個(gè)孔洞的氣流在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中被反復(fù)驗(yàn)證。如果風(fēng)迎著建筑表面垂直射入，穿堂而過(guò)的風(fēng)速會(huì)減小，如果風(fēng)以一個(gè)任意角度穿過(guò)建筑，風(fēng)速反而會(huì)增大，在孔洞中放置豎向軸風(fēng)力渦輪機(jī)能更有效的利用風(fēng)能。

總的來(lái)說(shuō)，珠江大廈有以下不同于巴林世貿(mào)中心的幾個(gè)特點(diǎn)：

①具有創(chuàng)新性一面的是大樓采用豎向軸風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電；

②立面上，設(shè)備層位置南北兩面均有4個(gè)6m×6.8m的大型風(fēng)洞；

③由于卻少通風(fēng)井和通風(fēng)風(fēng)扇，在建筑上開(kāi)洞是有必要的；

④建筑開(kāi)貫穿建筑的洞，洞口形狀可以使穿過(guò)大廈的風(fēng)速提升；

⑤選址上，建筑長(zhǎng)向垂直主導(dǎo)風(fēng)，以使之能最大幅度接受氣流；

⑥這樣開(kāi)洞在很大程度上減少了施加在建筑上的風(fēng)荷載；

⑦開(kāi)洞和幕墻彎曲都是為了減少風(fēng)荷載。

2.3 迪拜國(guó)際金融中心（DIFC）

ATKINS設(shè)計(jì)的巴林世貿(mào)中心在為綠色建筑開(kāi)辟一條新路的同時(shí)，其建筑造型色彩都讓人耳目一新。而在這個(gè)案例中，Atkins要設(shè)計(jì)的不僅僅是400m高的迪拜國(guó)際金融中心（DIFC），而且還要兼顧設(shè)計(jì)DIFC的建筑、結(jié)構(gòu)、風(fēng)水電和可持續(xù)設(shè)計(jì)。

和巴林世貿(mào)中心一樣，DIFC也將采用直徑29m的風(fēng)力渦輪機(jī)，不過(guò)這一想法還在可行性研究之中。如果采用這一設(shè)計(jì)，ATKINS將要重新整合像巴林世貿(mào)中心（也由ATKINS設(shè)計(jì)）一樣的大型頂尖風(fēng)力渦輪機(jī)，而這一設(shè)計(jì)還不能停留在巴林世貿(mào)中心一樣的水平，還要在它的基礎(chǔ)上使綠色節(jié)能技術(shù)上一個(gè)新的歷史臺(tái)階。

DIFC頂部120m高的塔內(nèi)安裝了3個(gè)直徑為29m的風(fēng)力渦輪機(jī)，這一布滿建筑立面的風(fēng)力渦輪機(jī)將會(huì)是第二次用于建筑設(shè)計(jì)。而迪拜國(guó)際金融中心和巴林世貿(mào)中心不同的地方之一在于前者需要克服西北風(fēng)帶來(lái)的不利影響。

2.4 阿布扎比國(guó)家能源公司

阿布扎比國(guó)家能源公司（能量塔，Burj al-Taqa）以古老的波斯建筑風(fēng)格為原型，建筑側(cè)面的開(kāi)窗像煙囪一樣能引進(jìn)涼爽的空氣，密度大的冷空氣往下沉，進(jìn)而取代較輕的熱空氣。盡管迪拜的天氣很熱，但是這樣的處理手法也創(chuàng)造了舒適的居住空間。

此塔將在屋頂放置一個(gè)直徑約60m的巨型風(fēng)力渦輪機(jī)，使用傳統(tǒng)風(fēng)塔原理，即用風(fēng)自身的流動(dòng)使室內(nèi)空氣流通和利用風(fēng)發(fā)電。沿著吹的方向會(huì)在建筑的背風(fēng)面產(chǎn)生負(fù)風(fēng)壓，所以能量塔才能利用風(fēng)力排出建筑內(nèi)部的廢氣。建筑負(fù)風(fēng)壓面的百葉會(huì)經(jīng)過(guò)計(jì)算后自動(dòng)打開(kāi)，然后使廢氣排出建筑。由于能量塔的圓形平面和雙層立面，廢氣能通過(guò)塔上打開(kāi)的百葉進(jìn)入兩層立面隔墻之間，從而流暢的排出塔外。能量塔的設(shè)計(jì)原理符合自然規(guī)律，其風(fēng)能利用方式能在全球普及，見(jiàn)圖3。

能量塔最終的概念是基于長(zhǎng)遠(yuǎn)的考慮，減少施工造價(jià)和提高舒適度。對(duì)當(dāng)?shù)氐臈l件來(lái)講，這是一種引進(jìn)的新的技術(shù)，這種技術(shù)將為中東的發(fā)展改頭換面。

3 對(duì)比解讀

阿特金斯設(shè)計(jì)的兩棟高塔有其共同點(diǎn)也有不同的地方。巴林世貿(mào)中心和迪拜國(guó)際金融中心的鋒利渦輪機(jī)幾乎一樣，其放置的位置都在建筑外部，為水平軸渦輪機(jī)。不同的是巴林世貿(mào)中心將風(fēng)力渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)都放置在兩邊子塔中間的橫梁上，而DFIC則把渦輪機(jī)放置在塔頂。SOM設(shè)計(jì)的珠江大廈相比阿特金斯設(shè)計(jì)的兩棟高塔，因?yàn)榈赜蚝蜌夂蜿P(guān)系，前者對(duì)風(fēng)的利用不是很充足。和DFIC一樣坐落在迪拜的阿布扎比國(guó)家能源公司大樓設(shè)計(jì)之初就定義為世界上第一座完全自給自足的建筑，其使用阿拉伯傳統(tǒng)風(fēng)塔的原理并沒(méi)有讓建筑實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單，其方案仍然在修改階段。

4 結(jié) 語(yǔ)

四高塔的設(shè)計(jì)為我們提供了優(yōu)秀的風(fēng)能利用示范，值得建筑設(shè)計(jì)者學(xué)習(xí)借鑒。綠色節(jié)能是建筑設(shè)計(jì)越來(lái)越明顯的趨勢(shì)，掌握節(jié)能技術(shù)的同時(shí)還需要了解綠色設(shè)計(jì)的可行性。要使更多的建筑達(dá)到真正綠色節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)，使建筑在整個(gè)生命周期中更加節(jié)能環(huán)保，還需要付出更多的努力。

[1]Dr.Abdel-moniem El-Shorbagy.Design with Nature:Windcatcher as a Paradigm of Natural Ventilation Device in Buildings[J].International Journal of Civil&Environmental Engineering,2010(3).

[2]Roger E.Frechette III,PE,LEED AP.&Russell Gilcherist.Seeking Zero Energy[J].Civil Engineering,2009(1).

[3]Richard F.Smith&Shaun Killa.Bahrain World Trade Center(BWTC)：The First Large-Scale Integration of Wind Turbines in a Building[J].Design Tall Spec,2007(16).

[4]詹姆斯·安布羅斯.建筑物在風(fēng)及地震作用下的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.