吳志堂，張婷婷 （溫州職業(yè)技術(shù)學院，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，風與建筑形體的關(guān)系為建筑設(shè)計研究的重中之重。風一般會對建筑產(chǎn)生兩種壓強，一是建筑迎風面的正風壓，正風壓會使建筑產(chǎn)生向上和向建筑背風面的推力，使建筑產(chǎn)生偏移；二是建筑背風面的負風壓，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。

對建筑室內(nèi)環(huán)境而言，在夏季進行自然通風，有組織的進行被動式空氣交換，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“呼吸”，可以通過開窗通風、煙囪拔風、熱壓風壓混合通風的形式更換室內(nèi)的空氣。在建筑的朝向上，應(yīng)使建筑與夏季主導風形成30度左右夾角，以便使涼風能到達每棟建筑，不至于形成過多的漩渦和死角。下文筆者結(jié)合研究的微薄見解認識，通過四案例來談?wù)劯邔泳G色建筑對風能的利用，也即自然風對建筑內(nèi)外環(huán)境的調(diào)節(jié)。

2 高塔案例風之解讀

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，結(jié)構(gòu)由南非建筑師Shaun Killa負責設(shè)計。BWTC是世界上首座將風力發(fā)電機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”頒發(fā)的“大型規(guī)劃中技術(shù)使用最佳”獎和“阿拉伯建筑世界”頒發(fā)的“可持續(xù)設(shè)計獎”。

Atkins設(shè)計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75t，風力發(fā)電渦輪機直徑達29m，和其相連的風力發(fā)電機固定在橫跨橋梁上。渦輪機引進海風，子塔充當渦輪機的機翼，塔樓的弧形設(shè)計也提高了風從雙塔中間穿過的速度。

圖1 方形和曲面對氣流的影響

圖2 南面主導風穿過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的加速慢慢縮小，以此來減小塔頂?shù)娘L壓，從而使三座風渦輪機獲得同樣的風速。BWTC擁有許多可持續(xù)的特征，理解和掌握這種建筑趨勢是建筑設(shè)計成功的關(guān)鍵。巴林世貿(mào)中心并不單單是圖紙中的綠色建筑，大量的風洞實驗也證實了其空間造型與氣流之間的關(guān)系，即氣流近似“S”形流動?！癝”行的氣流將確保無論是在中央軸線上，還是在軸線邊界上都有持續(xù)的氣流來使風力渦輪機運轉(zhuǎn)。兩側(cè)塔作為風力渦輪機的機翼，橢圓形的造型促使風往中間鉆的同時加大流速。

方整的建筑會破壞氣流的通暢使氣流紊亂，從而降低風力渦輪機的效率，甚至使渦輪機失效。因此，設(shè)計時應(yīng)考慮建筑做曲面或者管道來保持渦輪機的氣流通暢。BWTC兩側(cè)的子塔使氣流集中到兩塔之間，又不破壞流向，其對風的利用率比普通建筑高出很多，見圖1。

這樣，風力渦輪機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力渦輪機的高樓。在大樓上安裝巨型渦輪機的昂貴造價（占建筑總造價的30%）成為過去開發(fā)渦輪機的首要問題，而在巴林世貿(mào)中心上安裝最新開發(fā)的渦輪機，其造價只占了建筑工程總造價的3.5%。

2.2 珠江大廈（PRT）

通過融入最前衛(wèi)的綠色技術(shù)和良好的工程條件，在SOM和廣州市設(shè)計院的合作下，約21.41萬m2的廣州珠江大廈給可持續(xù)設(shè)計重新下了定義。309m高的建筑體形在設(shè)備層向主導風開了兩個洞口，這兩個洞口可以使風通過風力渦輪機從而為珠江大廈產(chǎn)生能量。塔的設(shè)計也融入了其他一些列綜合可持續(xù)的工程元素，包括太陽能板、雙層幕墻、冷凍吊頂系統(tǒng)、地下通風系統(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)新性的是風力渦輪機組利用從南面吹來的主導風，而在其他高層建筑中，常常會因為風對建筑背面（北面）產(chǎn)生的負風壓，避而諱之。珠江大廈的曲線結(jié)構(gòu)使風穿過四個渦輪機組的正面。SOM在對風的研究中預(yù)測這種結(jié)構(gòu)造型將使風的速度提高2.5倍，弗雷謝特估計渦輪機將產(chǎn)生將近是普通標準的發(fā)電機15倍的能量。更值得一提的是，風力渦輪機置于建筑結(jié)構(gòu)層彎曲的空腔內(nèi)，巧妙的吹進塔身里面，見圖2。

風在建筑迎風面產(chǎn)生正風壓，而經(jīng)過建筑周邊和建筑頂部的漩渦風，會在建筑背風面產(chǎn)生很大的負風壓。換一個角度思考，如果讓風從建筑身上穿過，被強加在建筑正面的風壓就會減弱，背風面的負風壓也不至于那么強。PRT充分利用了這一點，長條的建筑平面長向朝南，在里面開4個風洞不僅給建筑抗風減輕負擔，還利用其穿過的風發(fā)電給大樓提供能量。

PRT和BWTC一樣，在建筑設(shè)計過程中，SOM也對珠江大廈進行了充足的模擬實驗。以PRT實體模型為基礎(chǔ)，穿過珠江大廈4個孔洞的氣流在風洞實驗中被反復驗證。如果風迎著建筑表面垂直射入，穿堂而過的風速會減小，如果風以一個任意角度穿過建筑，風速反而會增大，在孔洞中放置豎向軸風力渦輪機能更有效的利用風能。

總的來說，珠江大廈有以下不同于巴林世貿(mào)中心的幾個特點：

①具有創(chuàng)新性一面的是大樓采用豎向軸風力渦輪機發(fā)電；

②立面上，設(shè)備層位置南北兩面均有4個6m×6.8m的大型風洞；

③由于卻少通風井和通風風扇，在建筑上開洞是有必要的；

④建筑開貫穿建筑的洞，洞口形狀可以使穿過大廈的風速提升；

⑤選址上，建筑長向垂直主導風，以使之能最大幅度接受氣流；

⑥這樣開洞在很大程度上減少了施加在建筑上的風荷載；

⑦開洞和幕墻彎曲都是為了減少風荷載。

2.3 迪拜國際金融中心（DIFC）

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

和巴林世貿(mào)中心一樣，DIFC也將采用直徑29m的風力渦輪機，不過這一想法還在可行性研究之中。如果采用這一設(shè)計，ATKINS將要重新整合像巴林世貿(mào)中心（也由ATKINS設(shè)計）一樣的大型頂尖風力渦輪機，而這一設(shè)計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)上一個新的歷史臺階。

DIFC頂部120m高的塔內(nèi)安裝了3個直徑為29m的風力渦輪機，這一布滿建筑立面的風力渦輪機將會是第二次用于建筑設(shè)計。而迪拜國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帶來的不利影響。

2.4 阿布扎比國家能源公司

阿布扎比國家能源公司（能量塔，Burj al-Taqa）以古老的波斯建筑風格為原型，建筑側(cè)面的開窗像煙囪一樣能引進涼爽的空氣，密度大的冷空氣往下沉，進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直徑約60m的巨型風力渦輪機，使用傳統(tǒng)風塔原理，即用風自身的流動使室內(nèi)空氣流通和利用風發(fā)電。沿著吹的方向會在建筑的背風面產(chǎn)生負風壓，所以能量塔才能利用風力排出建筑內(nèi)部的廢氣。建筑負風壓面的百葉會經(jīng)過計算后自動打開，然后使廢氣排出建筑。由于能量塔的圓形平面和雙層立面，廢氣能通過塔上打開的百葉進入兩層立面隔墻之間，從而流暢的排出塔外。能量塔的設(shè)計原理符合自然規(guī)律，其風能利用方式能在全球普及，見圖3。

能量塔最終的概念是基于長遠的考慮，減少施工造價和提高舒適度。對當?shù)氐臈l件來講，這是一種引進的新的技術(shù)，這種技術(shù)將為中東的發(fā)展改頭換面。

3 對比解讀

阿特金斯設(shè)計的兩棟高塔有其共同點也有不同的地方。巴林世貿(mào)中心和迪拜國際金融中心的鋒利渦輪機幾乎一樣，其放置的位置都在建筑外部，為水平軸渦輪機。不同的是巴林世貿(mào)中心將風力渦輪機和發(fā)電機都放置在兩邊子塔中間的橫梁上，而DFIC則把渦輪機放置在塔頂。SOM設(shè)計的珠江大廈相比阿特金斯設(shè)計的兩棟高塔，因為地域和氣候關(guān)系，前者對風的利用不是很充足。和DFIC一樣坐落在迪拜的阿布扎比國家能源公司大樓設(shè)計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)風塔的原理并沒有讓建筑實現(xiàn)變得簡單，其方案仍然在修改階段。

4 結(jié) 語

四高塔的設(shè)計為我們提供了優(yōu)秀的風能利用示范，值得建筑設(shè)計者學習借鑒。綠色節(jié)能是建筑設(shè)計越來越明顯的趨勢，掌握節(jié)能技術(shù)的同時還需要了解綠色設(shè)計的可行性。要使更多的建筑達到真正綠色節(jié)能的標準，使建筑在整個生命周期中更加節(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.建筑物在風及地震作用下的簡化設(shè)計[M].北京：中國水利水電出版社，2005.