探究超高層公共建筑玻璃幕墻自然通風與立面設計的結(jié)合

康琦 KANG Qi

華建集團華東建筑設計研究總院

2003年的“非典型性肺炎（SRAS）”和2020年的“新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）”的爆發(fā)，突顯了建筑物自然通風的重要性。自然通風是防止病毒傳播的有效途徑，可以保持室內(nèi)空氣的清潔度、控制室內(nèi)污染、降低能耗，有利于使用者的身心健康。

《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB 50189-2015）對甲、乙類公共建筑開啟扇的有效通風面積進行了規(guī)定，將自然通風作為節(jié)能和保證室內(nèi)熱舒適性的重要手段。同時，《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）還規(guī)定了公共建筑主要功能房間的自然通風換氣得分條件，并在2019年版的標準中新增了室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)在適應性熱舒適區(qū)域的時間比例這一得分項，強調(diào)了自然通風和復合通風對室內(nèi)熱濕環(huán)境的重要性。

1 超高層公共建筑玻璃幕墻的自然通風需求

超高層公共建筑具有集約利用土地、規(guī)模效應明顯、社會資源利用率高的優(yōu)勢，但同樣存在能耗巨大、影響城市自然環(huán)境等劣勢，其中空調(diào)能耗是超高層建筑能耗的重要組成部分。結(jié)合當?shù)刈匀粭l件引入自然通風，在適宜的時間將自然通風與機械通風結(jié)合使用，可以減少空調(diào)設備的運行時間，有效降低空調(diào)能耗，控制室內(nèi)空氣污染并提高室內(nèi)整體環(huán)境質(zhì)量。

玻璃幕墻因其具有自重輕、工期短、造型美觀等特點被廣泛應用于超高層公共建筑。然而對超高層建筑來說，隨著建筑高度的增加建筑周圍的風速會增大，加之建筑物對氣流的阻擋會導致其迎風面的風速更大，因此超高層公共建筑的玻璃幕墻在考慮自然通風的同時，還需關注自然通風給玻璃幕墻造成的安全性、經(jīng)濟性及美觀性等問題。

2 超高層公共建筑玻璃幕墻自然通風的類型及其與立面設計的結(jié)合

2.1 幕墻開啟扇

開窗是傳統(tǒng)的自然通風方式，效率高、構(gòu)造簡單。窗戶的類型有推拉窗、平開窗、上懸窗、下懸窗、平行外推窗、百葉窗等。在超高層建筑玻璃幕墻上開窗，必須考慮其安全隱患，避免造成高空墜物的危險。且由于強風壓下對幕墻開啟扇的穩(wěn)定性要求較高，風速大時易產(chǎn)生噪音，因此還需考慮窗體的氣密性和水密性。同時，幕墻的可開啟扇對立面的影響較大，需綜合考慮窗扇開啟后的立面效果。

深圳皇庭大廈高260m，塔樓造型簡約干凈，為了不破壞建筑立面的完整性，將幕墻開啟扇隱藏在樓層之間的窗格中（圖1），由此可在每層的地面和頂板處設通風口，為內(nèi)部空間提供均質(zhì)的自然通風（圖2）。開啟扇的開啟角度受限，開啟后不影響建筑的立面造型，這種不同位置的線性開啟扇能作為建筑的點綴，使立面既簡約又不單調(diào)。

西安永威時代中心高213m，為減小開窗對立面的破壞，塔樓采用鋸齒形單元式玻璃幕墻，隨著視角的變化可產(chǎn)生不同的立面效果（圖3）。每個鋸齒單元的三角形短邊設置開啟扇，向室內(nèi)自然通風（圖4）。開啟扇不占用內(nèi)部空間，避免窗口位置正對進風口，且短邊設有裝飾性金屬鋁板，具有擋風導風的作用，可以降低窗口處的大風壓。

2.2 自然通風型雙層幕墻

雙層幕墻又叫“呼吸式幕墻”，由內(nèi)外兩層相互脫離的幕墻構(gòu)成，可利用其間形成的空腔層進行自然通風，空氣由下部進風口進入，從上部排風口排出，在風壓的作用下帶動空氣流動。

1 深圳皇庭大廈幕墻開啟扇

2 深圳皇庭大廈地面和頂板處設通風口

3 永威時代中心鋸齒形單元式玻璃幕墻

4 永威時代中心三角形短邊設置開啟扇

5 北京保利國際廣場開啟幕墻進排風口

6 北京保利國際廣場關閉幕墻進排風口

7 北京保利國際廣場主樓

8 超高層建筑自然通風器啟閉開關

9 北京保利國際廣場線性自然通風器

自然通風型雙層幕墻屬于外循環(huán)雙層幕墻，分為整體式、廊道式、通道式、箱體式。內(nèi)層幕墻為可呼吸的圍護層，通常采用開窗的形式，由空腔層進行空氣交換，氣流緩和，通風舒適度高且不受室外天氣的影響。冬季，空腔層可形成一個陽光溫室，提高室內(nèi)空氣的溫度；夏季，空腔層可將室內(nèi)的熱空氣在頂部排出室外。外層幕墻的做法自由多樣，可根據(jù)不同的需求，靈活地進行立面設計。

自然通風型雙層幕墻在歐美國家使用較為普遍，經(jīng)典的超高層案例如阿布扎比國家展覽中心、德國RWE工業(yè)集團總部大樓、德國波恩郵政辦公樓、法蘭克福商業(yè)銀行總部大樓等。國內(nèi)受自然條件、技術、管理、造價等方面的影響，雙層幕墻在超高層建筑中的應用較少。上海中心大廈是國內(nèi)超高層雙層幕墻的典范，但其空腔層的進排風仍然由機械通風完成。

北京保利國際廣場主樓高161.2m，采用自然通風型雙層幕墻，外層幕墻為保溫墻體。夏季，開啟幕墻進排風口，加強通風排出熱空氣，降低空腔層溫度。內(nèi)部空間采用空調(diào)系統(tǒng)降溫，避免室內(nèi)外的直接熱交換，降低能耗（圖5）。冬季，關閉幕墻進排風口，空腔層成為一個保溫層，可以避免因室內(nèi)外溫差而造成的外幕墻凝結(jié)現(xiàn)象（圖6）。外幕墻采用鋼管混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，在連續(xù)斜肋框架上安裝幕墻玻璃，猶如一個巨大的鉆石燈籠（圖7）。

2.3 幕墻自然通風器

近年來，自然通風器在超高層幕墻自然通風體系中得到了廣泛運用，因其具備隔音、隔熱、防風、防雨、水密、氣密等性能，可配合啟閉開關使用（圖8）。自然通風器主要依靠室內(nèi)外的氣壓差和溫度差通風，不受建筑迎風面的高風壓影響，避免了開啟扇的安全性問題，室內(nèi)通風舒適度較高，并可成為立面造型的重要元素。通過對上海地區(qū)高層公共建筑自然通風器的實際測量，發(fā)現(xiàn)被測建筑的自然通風器可以提供0.45～1.38次/h的新風換氣次數(shù)，對室內(nèi)通風效果有一定的改善作用。

北京保利國際廣場外層幕墻就采用了自然通風器（圖9），三角面水平交界處設置了線性通風器，加強了體塊感，使寶石造型更為立體。

2.4 其他被動式通風設計

除上文所述的玻璃幕墻自然通風外，超高層建筑還可以利用外立面洞口、幕墻導風板、表皮凹凸扭曲等手法，將自然通風同立面設計結(jié)合，兩者相輔相成。外立面洞口可使風穿過建筑物，并減小建筑物迎風面的風壓，改善外立面通風環(huán)境或?qū)L導入建筑物內(nèi)部的中庭空間，提高建筑自然通風效率。導風板或風墻具有導風的作用，通過控制可以在風壓小的情況下將自然風引入室內(nèi)，在風壓大的情況下導流強風，減小建筑的正面風壓。表皮的凹凸扭曲同風墻的作用類似。

3 結(jié)論

自然通風作為一種生態(tài)技術，需配合場地的地理位置、氣候特征、主導風向、溫度、濕度等因素進行綜合設計，或引入立面設計使功能同美觀有機結(jié)合，是超高層公共建筑可持續(xù)發(fā)展的重要手段。智能化控制系統(tǒng)可進一步提高自然通風的通風效率，是自然通風的新技術和新趨勢，還需進一步探索。

圖片來源

圖3 由華建集團華東建筑設計研究總院提供；圖4，8 由作者自繪；其余圖片來自網(wǎng)絡。