長(zhǎng)春市高層辦公建筑裙房周邊風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)研究

柳紅明，王嘉祺

吉林建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

在高層建筑發(fā)展之初,人們沒(méi)有意識(shí)到不同地區(qū)氣候性風(fēng)環(huán)境對(duì)城市及使用人群的影響,也沒(méi)有從場(chǎng)地規(guī)劃方面整體考慮,使得部分高層建筑周?chē)鷷?huì)形成不同程度的風(fēng)影區(qū)或渦旋區(qū)等不利的因素,尤其對(duì)人群較為集中的高層裙房周?chē)绊懽畲?

高層建筑室內(nèi)使用者也面臨諸多問(wèn)題.許多高層建筑由于高層區(qū)域風(fēng)壓過(guò)大,為了防止高處冷風(fēng)通過(guò)建筑窗洞口滲入建筑內(nèi)部,傳統(tǒng)的形體設(shè)計(jì)趨近于封閉,缺少自然通風(fēng),對(duì)于內(nèi)部工作人員而言在身體和心理上都會(huì)造成一定的不良影響；再者高層辦公建筑的能量損耗大約40 %左右來(lái)源于空調(diào)系統(tǒng),而這些空調(diào)設(shè)備是用來(lái)調(diào)節(jié)溫度,提高室內(nèi)舒適性的,其中對(duì)于內(nèi)外人群交流和人群集散較大的公共區(qū)域“裙房”來(lái)說(shuō),其內(nèi)部使用人群對(duì)于周?chē)L(fēng)環(huán)境的舒適性要求也在日益增長(zhǎng).因此,合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)高層裙房部分的形體和場(chǎng)地使其適應(yīng)不同季節(jié)氣候下的風(fēng)環(huán)境十分必要.

1 高層裙房風(fēng)環(huán)境現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

隨著近些年來(lái)中國(guó)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,建筑行業(yè)也在逐漸與世界接軌,層出不窮的高層建筑伴隨著改革開(kāi)放和經(jīng)濟(jì)全球化的浪潮拔地而起.社會(huì)的進(jìn)步必然伴隨著工作崗位的激增,帶來(lái)了辦公用地不足的問(wèn)題.因此,高層辦公建筑的興起絕非偶然,高層建筑在提供更多辦公空間的同時(shí),也帶來(lái)了諸多問(wèn)題如高壓風(fēng)對(duì)建筑側(cè)向承重結(jié)構(gòu)破壞和對(duì)建筑外側(cè)懸掛飾面破壞等.

另外,由于中國(guó)領(lǐng)土寬廣,地形復(fù)雜,地理緯度、地勢(shì)等條件的不同,各地氣候相差懸殊.因此,針對(duì)不同的氣候條件,各地高層辦公建筑對(duì)其裙房外圍風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)提出了要求.南方炎熱地區(qū)對(duì)于建筑外圍進(jìn)行引風(fēng)、導(dǎo)風(fēng),從而達(dá)到通風(fēng)降熱的目的,防止室內(nèi)過(guò)熱;而北方寒冷地區(qū)則要防止冷風(fēng)滲透和內(nèi)部保溫,對(duì)建筑外圍進(jìn)行一定的擋風(fēng)處理.

面對(duì)上述問(wèn)題,很多建筑師提出了諸多有關(guān)建筑高層風(fēng)環(huán)境調(diào)節(jié)的相關(guān)方案和舉措,但這些方案的背后往往忽視了人群公共活動(dòng)較為集中的裙房部分.本文以具有代表性的北方寒地城市“長(zhǎng)春市”為對(duì)象,探究高層辦公建筑裙房風(fēng)環(huán)境的特點(diǎn),目的是進(jìn)一步闡明高層辦公建筑裙房部分風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)的不足和策略.

2 高層辦公裙房外場(chǎng)地規(guī)劃策略

長(zhǎng)春市位于我國(guó)東北部,隸屬于季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,太陽(yáng)高度角增大,氣溫較高,常年以西南季風(fēng)為主導(dǎo);冬季寒冷干燥,最冷月日均最低溫度在 - 20 ℃,以西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向.因此,高層裙房外部場(chǎng)地規(guī)劃也要合理地遵循不同季節(jié)風(fēng)向的影響和風(fēng)環(huán)境對(duì)于裙房周?chē)夂虻恼{(diào)節(jié).

不同建筑外圍風(fēng)環(huán)境具有一定的統(tǒng)一性和相似性,辦公建筑高層部分與裙房部分的風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)也具有一定的相似特征,故在對(duì)長(zhǎng)春辦公建筑裙房外圍場(chǎng)地規(guī)劃時(shí),可借鑒高層部分風(fēng)環(huán)境的相關(guān)研究來(lái)進(jìn)行分析.

2.1 狹管效應(yīng)與風(fēng)漏斗效應(yīng)的預(yù)防

狹管效應(yīng)(見(jiàn)圖1)是風(fēng)在經(jīng)過(guò)一段狹窄的空間時(shí),由于質(zhì)量守恒定律,其進(jìn)入的端口變小導(dǎo)致體積減小而增加了風(fēng)的流速.這一現(xiàn)象在兩個(gè)相鄰建筑之間的通道處常有發(fā)生.風(fēng)漏斗效應(yīng)(見(jiàn)圖2)則是更加詳細(xì)地說(shuō)明了導(dǎo)致狹管現(xiàn)象產(chǎn)生的原因.

圖1 狹管效應(yīng)Fig.1 Narrow tube effect

圖2 風(fēng)漏斗效應(yīng)[1]Fig.2 Wind funnel effect[1]

在建筑的組合中,當(dāng)?shù)缆穬蓚?cè)的建筑高度相近并且道路寬度是建筑高度的2倍～3倍時(shí),會(huì)導(dǎo)致該地段的風(fēng)速提高30 %,其中還伴隨著風(fēng)向的改變等不利因素.對(duì)于寒地城市長(zhǎng)春,冬季的西北冷風(fēng)在遇到高層裙房周邊場(chǎng)地規(guī)劃不利而導(dǎo)致這兩種效應(yīng)的產(chǎn)生,從而使建筑表面對(duì)流換熱強(qiáng)度加大,建筑能耗增加.這種情況時(shí)有發(fā)生,因此在規(guī)劃高層裙房風(fēng)環(huán)境的同時(shí),也要考慮到如何防止這兩種不利因素的產(chǎn)生.

在北方寒地城市長(zhǎng)春地區(qū),由于城市控制性規(guī)劃要求的限制,致使裙房沿街高度不能夠進(jìn)行靈活的調(diào)整.因此,裙房之間道路及場(chǎng)地規(guī)劃就成為了關(guān)鍵要素,在確保裙房之間道路寬度L≤2 H(裙房高度)的前提下,再進(jìn)行場(chǎng)地其他區(qū)域的規(guī)劃設(shè)計(jì),這樣可以有效減弱或消除“風(fēng)漏斗和狹管效應(yīng)”的不利影響.

2.2 峽谷效應(yīng)的合理利用

峽谷效應(yīng)(見(jiàn)圖3)是由于各個(gè)面的風(fēng)壓不同會(huì)產(chǎn)生渦旋,擾亂氣流.其中,尤為突出的是高層迎風(fēng)面的下沖氣流和高層背面的風(fēng)影區(qū),高層背面的風(fēng)影區(qū)面積較大,一般都會(huì)將裙房背風(fēng)區(qū)涵蓋其中,形成一個(gè)較為統(tǒng)一的風(fēng)影區(qū).在該風(fēng)影區(qū)內(nèi)會(huì)形成復(fù)雜的渦流,但是風(fēng)速會(huì)減小到原來(lái)的1/2左右.這一點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)春冬季降低裙房背風(fēng)面冷風(fēng)滲透起到一定作用[2],但對(duì)夏季裙房?jī)?nèi)場(chǎng)地排風(fēng)降溫具有一定不利影響.

圖3 狹谷效應(yīng)Fig.3 Narrow valley effect

圖4 西安市CBD區(qū)綠色建筑策劃方案[3]Fig.4 Planning scheme of green building in CBD district in Xi'an city[3]

長(zhǎng)春地區(qū)由于“峽谷效應(yīng)”導(dǎo)致高層與裙房背風(fēng)面風(fēng)影區(qū)重疊現(xiàn)象十分常見(jiàn),在冬季,裙房背風(fēng)面適當(dāng)?shù)娘L(fēng)影區(qū)可以降低西北冷風(fēng)的沖刷強(qiáng)度,能夠提升人群在裙房周邊活動(dòng)的積極性,但對(duì)炎熱的夏季,風(fēng)影區(qū)可能會(huì)導(dǎo)致裙房背風(fēng)面場(chǎng)地內(nèi)部熱空氣排散效率下降,降低裙房周邊人群的舒適度，在這一點(diǎn)上十分不利.針對(duì)這一問(wèn)題,可借鑒“西安市CBD區(qū)綠色建筑策劃方案”(見(jiàn)圖4).在裙房背風(fēng)面一側(cè)場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置小型水景和遮陽(yáng)植被,一方面借助水蒸氣的蒸騰作用,降低裙房周邊熱空氣的溫度,使水蒸氣伴隨著氣流排出場(chǎng)地外側(cè)[4];另一方面通過(guò)高挑的植物密葉將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成生物能和遮擋,使裙房周?chē)乇頊囟冉档?同時(shí)也降低了氣流與地表的換熱效率,使場(chǎng)地內(nèi)空氣溫度下降.這兩種場(chǎng)地規(guī)劃手法在確保長(zhǎng)春冬季風(fēng)影區(qū)優(yōu)勢(shì)的前提下,有效地改善了夏季風(fēng)影區(qū)的不良條件.

3 高層辦公裙房形體策略

風(fēng)在遇到阻礙物后會(huì)繼續(xù)朝著原方向流動(dòng),并將繞過(guò)阻擋物流動(dòng),就像水流繞過(guò)水中巖石一樣,并不是無(wú)規(guī)律的流動(dòng).由圖5可見(jiàn),建筑體形對(duì)周邊風(fēng)環(huán)境起著很大的決定性作用,因此合理地處理好裙房體形關(guān)系可有效改善周邊風(fēng)環(huán)境.

風(fēng)遮蔽效應(yīng)是當(dāng)高層建筑前面存在高度較低的建筑時(shí),風(fēng)流經(jīng)建筑群上方及周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生明顯的下沖氣流并與裙房周邊的水平氣流相遇,該區(qū)域風(fēng)環(huán)境造成不利影響,其中下沖風(fēng)的風(fēng)速會(huì)迅速上升,并會(huì)揚(yáng)起沙塵、垃圾等異物,大大降低裙房周邊人群的舒適度.“怎樣設(shè)計(jì)裙房體形,從而應(yīng)對(duì)下沖風(fēng)過(guò)強(qiáng)”應(yīng)是首要考慮的問(wèn)題.

冬季西北風(fēng)因“遮蔽效應(yīng)”導(dǎo)致裙房周邊下沖冷氣流的流速升至原來(lái)的4倍左右,這種現(xiàn)象不僅擾亂了裙房周邊的環(huán)境,而且使周?chē)腥吮陡泻鈁5],這在長(zhǎng)春冬季裙房迎風(fēng)面一側(cè)常有發(fā)生的情況,考慮到裙房周邊人群使用的舒適度,將朝向西北冷風(fēng)的裙房一側(cè)頂端做“凸角處理”,利用非線性凸角有效的分流作用使快速下沖的冷風(fēng)被阻散,使其分散成多個(gè)小的支氣流,間接地削弱了下沖的冷氣流(見(jiàn)圖6).

圖5 建筑形體與周?chē)鷼饬鱗6]Fig.5 Building shape and surrounding air flow[6]

圖6 下沖風(fēng)二次削弱Fig.6 Second weakening of downwind

季風(fēng)的流動(dòng)規(guī)律和液體的流動(dòng)非常相似,風(fēng)的流動(dòng)與其接觸表面的凸凹和材質(zhì)等會(huì)產(chǎn)生不同程度的摩擦力,這些摩擦力可以適當(dāng)?shù)亟档腿狗恐苓叺睦滹L(fēng)流速,在針對(duì)冬季下沖風(fēng)侵襲的問(wèn)題上可利用這一點(diǎn),在朝向西北冷風(fēng)的裙房立面上可選擇表面質(zhì)感相對(duì)粗糙的材質(zhì),當(dāng)下沖冷氣流在凸角處進(jìn)行第一次削弱后,通過(guò)增大立面與風(fēng)的摩擦力對(duì)下沖支氣流進(jìn)行二次削弱,使最終到達(dá)裙房底端的冷風(fēng)強(qiáng)度降到最低.

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)高層建筑的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速,現(xiàn)代建筑技術(shù)不斷完善,高層建筑裙房部分逐步趨向于集諸多功能于一體,并仍在向組團(tuán)化、綜合化的方向發(fā)展.因此,除了考慮建筑高層部分風(fēng)環(huán)境設(shè)計(jì)之外，也應(yīng)將裙房部分的設(shè)計(jì)納入細(xì)化范圍內(nèi)，尤其是在寒冷北方城市,由于高層辦公建筑周邊風(fēng)環(huán)境多變,導(dǎo)致裙房外圍護(hù)散失熱量過(guò)多,這是今后寒地高層辦公建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的問(wèn)題.