高層建筑動(dòng)態(tài)智能化低能耗表皮設(shè)計(jì)研究

摘 要：高層建筑能源消耗巨大，傳統(tǒng)高層建筑表皮具有防護(hù)和承重的功能，但對(duì)外部物理環(huán)境與使用者之間的調(diào)節(jié)能力不足，制約了高層建筑降低能耗的潛力。隨著結(jié)構(gòu)技術(shù)和智能化技術(shù)的發(fā)展，高層建筑表皮逐漸從原來的承重結(jié)構(gòu)中脫離出來，并呈現(xiàn)出智能化演進(jìn)趨勢(shì)。本文旨在分析高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮針對(duì)室外光環(huán)境、熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境等因素的氣候適應(yīng)性，對(duì)高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮的工程進(jìn)行實(shí)踐探索。

關(guān)鍵詞：高層建筑；動(dòng)態(tài)智能化表皮；氣候適應(yīng)性；低能耗

中圖分類號(hào)：TU 201 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高層建筑可以節(jié)約城市土地資源，在建造到運(yùn)營(yíng)的整個(gè)過程中都需要消耗大量的能源。統(tǒng)計(jì)顯示，大型高層建筑總能源消耗相當(dāng)于普通公共建筑的6～8倍。其主要原因是高層建筑巨大的體量及表面積與外界自然環(huán)境有密切能量交換。建筑表皮是室內(nèi)外環(huán)境的交互界面，通過建筑表皮流失的熱量是建筑能耗的主要部分，尤其是玻璃表皮。研究表明，玻璃表皮的熱量流失可占建筑表面積流失熱量的20%～40%。因此，控制建筑表皮熱量流失是降低高層建筑能耗的策略[1]。

目前，隨著人工智能技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，建筑表皮動(dòng)態(tài)智能化設(shè)計(jì)成為建筑表皮發(fā)展的新趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的固定式表皮相比，建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮具有更大的靈活性，對(duì)建筑外部物理環(huán)境具有更好的適應(yīng)、調(diào)節(jié)能力。

1 高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮的氣候適應(yīng)性

戈特弗里德·森佩爾（Glttfried·Semper）曾在關(guān)于“形式”的討論課中提出：建筑的表皮就是一種‘覆蓋’，水平屋面抵擋氣候的影響，豎向墻體抵擋野獸的攻擊。

顯然，早期建筑表皮的主要功能是防護(hù)和承重。隨著技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑表皮逐漸具有了相對(duì)獨(dú)立性。在工業(yè)革命后，建筑表皮從原來的承重結(jié)構(gòu)中逐漸脫離出來，鐵和玻璃讓建筑表皮設(shè)計(jì)有了全新的理念。隨著全球性生態(tài)問題的日益凸顯，建筑師們開始嘗試設(shè)計(jì)適應(yīng)氣候的建筑表皮[2]。目前，建筑表皮不僅是簡(jiǎn)單的維護(hù)空間和裝飾作用，還充當(dāng)了建筑“外部環(huán)境的過濾器”[3]。高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是最大程度地利用外部環(huán)境的有利因素，減少外部環(huán)境的不利因素。

傳統(tǒng)靜態(tài)的高層建筑表皮是消極而被動(dòng)的，對(duì)外部環(huán)境波動(dòng)缺乏有效的適應(yīng)能力。而動(dòng)態(tài)建筑表皮作為一個(gè)多功能的構(gòu)件集合，充當(dāng)了室內(nèi)外能量交換的調(diào)節(jié)適應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)高層建筑的內(nèi)外環(huán)境狀態(tài)和建筑能耗有重大影響，如圖1所示[4]。

2 高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮的氣候適應(yīng)性類型分析

2.1 針對(duì)光環(huán)境適應(yīng)性的高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮

光是影響建筑室內(nèi)環(huán)境的重要因素，通過有效利用自然光可以減少建筑的采光能耗。當(dāng)夏季室內(nèi)溫度較高時(shí)，通過遮蔽太陽光也可以減少建筑的制冷能耗。室外光環(huán)境的不斷變化影響建筑室內(nèi)光環(huán)境的舒適性。通過動(dòng)態(tài)建筑表皮的設(shè)計(jì)方式調(diào)節(jié)室外光環(huán)境對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響，這對(duì)高層建筑室內(nèi)舒適度及建筑能耗具有較好的影響。

2.2 針對(duì)熱環(huán)境適應(yīng)性的高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮

由于室外熱環(huán)境的變化影響了室內(nèi)熱舒適條件，因此將空調(diào)系統(tǒng)引入高層建筑的室內(nèi)環(huán)境中，用來控制室內(nèi)熱環(huán)境的質(zhì)量水平?？照{(diào)系統(tǒng)的能耗是高層建筑能耗中的主要組成部分。建筑表皮對(duì)室外熱環(huán)境的適應(yīng)能力決定了建筑室內(nèi)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的需求程度和建筑能耗量。

美國(guó)學(xué)者維克多·奧吉亞（Victor Olgyay）曾提出“變化遮陽”的概念：只要精心設(shè)計(jì)，最簡(jiǎn)單的遮陽板也可以成為高效率的太陽福射控制器—夏季阻擋太陽福射，冬季引入陽光。應(yīng)對(duì)熱環(huán)境變化是控制建筑制冷能耗和保溫能耗的關(guān)鍵，也是動(dòng)態(tài)建筑表皮的一個(gè)重要功能[5]。動(dòng)態(tài)建筑表皮對(duì)室外熱環(huán)境的適應(yīng)性可以有效減少夏季建筑的制冷能耗，也對(duì)建筑立面形式的設(shè)計(jì)創(chuàng)新有指導(dǎo)意義。

2.3 針對(duì)其他環(huán)境因素的適應(yīng)性的高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮

高層建筑表皮除了針對(duì)光和熱環(huán)境的適應(yīng)性研究，其他環(huán)境因素，例如風(fēng)環(huán)境、聲環(huán)境也是研究的重要因素。良好的通風(fēng)可以將室內(nèi)多余的熱量、廢舊氣體都排到室外，在炎熱的夏天起到很好的降溫作用，可以有效提高室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的舒適度和健康性[6]。

建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮對(duì)聲環(huán)境也可以起到調(diào)節(jié)作用。以共鳴音樂室為例，為提高聲環(huán)境的質(zhì)量，這個(gè)項(xiàng)目通過改變吊頂自身形態(tài)，設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的建筑“內(nèi)表皮”，對(duì)室內(nèi)聲環(huán)境有較好的調(diào)節(jié)作用。

3 高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮實(shí)踐分析

3.1 阿拉伯Al Bahar塔

阿布扎比投資委員會(huì)的總部大樓Al Bahar塔位于阿聯(lián)酋的首都阿布扎比，這個(gè)地區(qū)有高強(qiáng)度的沙塵和太陽紫外線輻射，大氣溫高達(dá)49℃。Al Bahar塔利用當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建筑應(yīng)對(duì)極端氣候的策略，由幕墻與動(dòng)態(tài)智能化遮陽表皮系統(tǒng)構(gòu)成，形成雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)和日照自動(dòng)調(diào)節(jié)折疊的動(dòng)態(tài)表皮，如圖2所示[7]。

玻璃纖維穿孔遮陽板和不銹鋼框架構(gòu)成三角形單元，組成傘狀裝置，通過中央活塞收縮折疊到不同的角度，變化暴露在紫外線下的玻璃面積。當(dāng)紫外線輻射強(qiáng)度低時(shí)，傘狀裝置會(huì)收縮，釋放內(nèi)層幕墻采光面積，當(dāng)受到陽光直射時(shí)，動(dòng)態(tài)表皮將會(huì)適當(dāng)打開。由塔頂?shù)膫鞲衅魇占L(fēng)、光、雨環(huán)境參數(shù)，經(jīng)控制軟件智能化控制傘狀裝置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。遮陽裝置并非覆蓋整個(gè)外立面，通過模擬分析玻璃幕墻表面的太陽得熱，在超過400W/m2的表皮區(qū)域設(shè)置智能化遮陽裝置。在采用動(dòng)態(tài)智能化遮陽表皮后，玻璃幕墻的太陽得熱顯著降低，如圖3所示。

高層建筑會(huì)面臨高風(fēng)荷載的問題。設(shè)計(jì)者通過風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試傘狀裝置所受到的風(fēng)荷載強(qiáng)度。由于建筑采用流體形態(tài)和動(dòng)態(tài)表皮系統(tǒng)對(duì)風(fēng)荷載產(chǎn)生的壓力有積極的影響，因此測(cè)試結(jié)果平均在1.5kPa～3.5kPa，如圖4所示。表皮單元即使在90m/s的風(fēng)速下受到的壓力值也不會(huì)超過最大允許值。

通過比較采用動(dòng)態(tài)智能化遮陽表皮和傳統(tǒng)表皮的建筑整體冷負(fù)荷，動(dòng)態(tài)智能化遮陽表皮的室內(nèi)單位面積的太陽得熱比傳統(tǒng)表皮減少約20%，如圖5所示。經(jīng)過實(shí)測(cè)，Al Bahar塔的動(dòng)態(tài)智能化遮陽表皮能使建筑的整體能源消耗降低20%，辦公空間的能源消耗降低50%，建筑的整體碳排放量可減少20%。

3.2 埃森克虜伯總部大樓

在埃森克虜伯的歷史遺跡帶，蒂森克虜伯集團(tuán)建造了新總部大樓。建筑群環(huán)繞布置在中央水池周圍，形成公園般的景觀?？偛縌1是主要建筑和功能核心，其設(shè)計(jì)了一個(gè)在水軸中心的玻璃立方體。

總部建筑的表皮形象源自外殼和核心重合疊加的連續(xù)原理。大型玻璃幕墻表皮被部分附上穿孔金屬板材、金屬網(wǎng)和動(dòng)態(tài)遮陽百葉窗。通過變化的自然光線可以智能調(diào)節(jié)這些附屬構(gòu)件以適應(yīng)外部環(huán)境，如圖6所示。動(dòng)態(tài)遮陽系統(tǒng)是將大約400000根金屬“羽毛”錨固到3150根不銹鋼移動(dòng)桿上，通過控制器進(jìn)行移動(dòng)和開合。

不銹鋼百葉窗以豎向?yàn)檩S，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，變換表皮模式調(diào)節(jié)光線和熱輻射，使其進(jìn)入室內(nèi)，如圖7所示?？梢躁P(guān)閉1280個(gè)電動(dòng)構(gòu)件，形成一個(gè)堅(jiān)固的外殼，根據(jù)太陽的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以完全打開，使室內(nèi)獲得最大的光照，如圖8所示。金屬羽毛的形狀分為三角形、矩形和梯形，當(dāng)太陽照射它們時(shí)，金屬反射光線，遠(yuǎn)看像是魚的鱗片，使建筑形成了一個(gè)特別的建筑表皮。動(dòng)態(tài)遮陽系統(tǒng)除了可以對(duì)室外熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以對(duì)室外光環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)利用。這1280個(gè)元素可以獨(dú)立移動(dòng)，根據(jù)室內(nèi)將自然光引導(dǎo)到內(nèi)部空間，減少照明用電的能耗，并盡可能不遮蔽室內(nèi)使用者的視野?？偛康奶厥饨饘偻鈿ち⒚嫘问匠晒Y(jié)合了建筑設(shè)計(jì)與創(chuàng)新前沿以及可持續(xù)和節(jié)能建筑體系。此外，埃森克虜伯總部大樓還采用了熱源地泵等節(jié)能系統(tǒng)，通過提高能源效率和資源可持續(xù)利用，將能耗總體降低20%～30%。

4 結(jié)語

動(dòng)態(tài)智能化建筑表皮因其可變的性能，對(duì)室外光環(huán)境、熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境等有較高的適應(yīng)性，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)高層建筑表皮對(duì)外部物理環(huán)境與使用者之間調(diào)節(jié)能力不足的缺陷，還有效降低了高層建筑能源消耗，改善了室內(nèi)舒適度，是一種極具潛力的低能耗高層建筑表皮解決方案。同時(shí)，吸取傳統(tǒng)建筑應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用智能化技術(shù)、現(xiàn)代材料擴(kuò)展和迭代傳統(tǒng)建筑所采用的方法，是基于氣候適應(yīng)性的高層建筑動(dòng)態(tài)智能化表皮設(shè)計(jì)的有效路徑。

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