柳紅明，王嘉祺

吉林建筑大學 建筑與規(guī)劃學院,長春 130118

在高層建筑發(fā)展之初,人們沒有意識到不同地區(qū)氣候性風環(huán)境對城市及使用人群的影響,也沒有從場地規(guī)劃方面整體考慮,使得部分高層建筑周圍會形成不同程度的風影區(qū)或渦旋區(qū)等不利的因素,尤其對人群較為集中的高層裙房周圍影響最大.

高層建筑室內使用者也面臨諸多問題.許多高層建筑由于高層區(qū)域風壓過大,為了防止高處冷風通過建筑窗洞口滲入建筑內部,傳統(tǒng)的形體設計趨近于封閉,缺少自然通風,對于內部工作人員而言在身體和心理上都會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 %左右來源于空調系統(tǒng),而這些空調設備是用來調節(jié)溫度,提高室內舒適性的,其中對于內外人群交流和人群集散較大的公共區(qū)域“裙房”來說,其內部使用人群對于周圍風環(huán)境的舒適性要求也在日益增長.因此,合理的規(guī)劃和設計高層裙房部分的形體和場地使其適應不同季節(jié)氣候下的風環(huán)境十分必要.

1 高層裙房風環(huán)境現狀及存在的問題

隨著近些年來中國社會和科學技術的不斷進步,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放和經濟全球化的浪潮拔地而起.社會的進步必然伴隨著工作崗位的激增,帶來了辦公用地不足的問題.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,也帶來了諸多問題如高壓風對建筑側向承重結構破壞和對建筑外側懸掛飾面破壞等.

另外,由于中國領土寬廣,地形復雜,地理緯度、地勢等條件的不同,各地氣候相差懸殊.因此,針對不同的氣候條件,各地高層辦公建筑對其裙房外圍風環(huán)境的設計提出了要求.南方炎熱地區(qū)對于建筑外圍進行引風、導風,從而達到通風降熱的目的,防止室內過熱;而北方寒冷地區(qū)則要防止冷風滲透和內部保溫,對建筑外圍進行一定的擋風處理.

面對上述問題,很多建筑師提出了諸多有關建筑高層風環(huán)境調節(jié)的相關方案和舉措,但這些方案的背后往往忽視了人群公共活動較為集中的裙房部分.本文以具有代表性的北方寒地城市“長春市”為對象,探究高層辦公建筑裙房風環(huán)境的特點,目的是進一步闡明高層辦公建筑裙房部分風環(huán)境設計的不足和策略.

2 高層辦公裙房外場地規(guī)劃策略

長春市位于我國東北部,隸屬于季風氣候,夏季高溫多雨,太陽高度角增大,氣溫較高,常年以西南季風為主導;冬季寒冷干燥,最冷月日均最低溫度在 - 20 ℃,以西北風為主導風向.因此,高層裙房外部場地規(guī)劃也要合理地遵循不同季節(jié)風向的影響和風環(huán)境對于裙房周圍微氣候的調節(jié).

不同建筑外圍風環(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環(huán)境設計也具有一定的相似特征,故在對長春辦公建筑裙房外圍場地規(guī)劃時,可借鑒高層部分風環(huán)境的相關研究來進行分析.

2.1 狹管效應與風漏斗效應的預防

狹管效應(見圖1)是風在經過一段狹窄的空間時,由于質量守恒定律,其進入的端口變小導致體積減小而增加了風的流速.這一現象在兩個相鄰建筑之間的通道處常有發(fā)生.風漏斗效應(見圖2)則是更加詳細地說明了導致狹管現象產生的原因.

圖1 狹管效應Fig.1 Narrow tube effect

圖2 風漏斗效應[1]Fig.2 Wind funnel effect[1]

在建筑的組合中,當道路兩側的建筑高度相近并且道路寬度是建筑高度的2倍～3倍時,會導致該地段的風速提高30 %,其中還伴隨著風向的改變等不利因素.對于寒地城市長春,冬季的西北冷風在遇到高層裙房周邊場地規(guī)劃不利而導致這兩種效應的產生,從而使建筑表面對流換熱強度加大,建筑能耗增加.這種情況時有發(fā)生,因此在規(guī)劃高層裙房風環(huán)境的同時,也要考慮到如何防止這兩種不利因素的產生.

在北方寒地城市長春地區(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行靈活的調整.因此,裙房之間道路及場地規(guī)劃就成為了關鍵要素,在確保裙房之間道路寬度L≤2 H(裙房高度)的前提下,再進行場地其他區(qū)域的規(guī)劃設計,這樣可以有效減弱或消除“風漏斗和狹管效應”的不利影響.

2.2 峽谷效應的合理利用

峽谷效應(見圖3)是由于各個面的風壓不同會產生渦旋,擾亂氣流.其中,尤為突出的是高層迎風面的下沖氣流和高層背面的風影區(qū),高層背面的風影區(qū)面積較大,一般都會將裙房背風區(qū)涵蓋其中,形成一個較為統(tǒng)一的風影區(qū).在該風影區(qū)內會形成復雜的渦流,但是風速會減小到原來的1/2左右.這一點對長春冬季降低裙房背風面冷風滲透起到一定作用[2],但對夏季裙房內場地排風降溫具有一定不利影響.

圖3 狹谷效應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]

長春地區(qū)由于“峽谷效應”導致高層與裙房背風面風影區(qū)重疊現象十分常見,在冬季,裙房背風面適當的風影區(qū)可以降低西北冷風的沖刷強度,能夠提升人群在裙房周邊活動的積極性,但對炎熱的夏季,風影區(qū)可能會導致裙房背風面場地內部熱空氣排散效率下降,降低裙房周邊人群的舒適度，在這一點上十分不利.針對這一問題,可借鑒“西安市CBD區(qū)綠色建筑策劃方案”(見圖4).在裙房背風面一側場地內設置小型水景和遮陽植被,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地外側[4];另一方面通過高挑的植物密葉將陽光轉化成生物能和遮擋,使裙房周圍地表溫度降低,同時也降低了氣流與地表的換熱效率,使場地內空氣溫度下降.這兩種場地規(guī)劃手法在確保長春冬季風影區(qū)優(yōu)勢的前提下,有效地改善了夏季風影區(qū)的不良條件.

3 高層辦公裙房形體策略

風在遇到阻礙物后會繼續(xù)朝著原方向流動,并將繞過阻擋物流動,就像水流繞過水中巖石一樣,并不是無規(guī)律的流動.由圖5可見,建筑體形對周邊風環(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系可有效改善周邊風環(huán)境.

風遮蔽效應是當高層建筑前面存在高度較低的建筑時,風流經建筑群上方及周圍會產生明顯的下沖氣流并與裙房周邊的水平氣流相遇,該區(qū)域風環(huán)境造成不利影響,其中下沖風的風速會迅速上升,并會揚起沙塵、垃圾等異物,大大降低裙房周邊人群的舒適度.“怎樣設計裙房體形,從而應對下沖風過強”應是首要考慮的問題.

冬季西北風因“遮蔽效應”導致裙房周邊下沖冷氣流的流速升至原來的4倍左右,這種現象不僅擾亂了裙房周邊的環(huán)境,而且使周圍行人倍感寒意[5],這在長春冬季裙房迎風面一側常有發(fā)生的情況,考慮到裙房周邊人群使用的舒適度,將朝向西北冷風的裙房一側頂端做“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被阻散,使其分散成多個小的支氣流,間接地削弱了下沖的冷氣流(見圖6).

圖5 建筑形體與周圍氣流[6]Fig.5 Building shape and surrounding air flow[6]

圖6 下沖風二次削弱Fig.6 Second weakening of downwind

季風的流動規(guī)律和液體的流動非常相似,風的流動與其接觸表面的凸凹和材質等會產生不同程度的摩擦力,這些摩擦力可以適當地降低裙房周邊的冷風流速,在針對冬季下沖風侵襲的問題上可利用這一點,在朝向西北冷風的裙房立面上可選擇表面質感相對粗糙的材質,當下沖冷氣流在凸角處進行第一次削弱后,通過增大立面與風的摩擦力對下沖支氣流進行二次削弱,使最終到達裙房底端的冷風強度降到最低.

4 結語

隨著我國高層建筑的發(fā)展和城市化進程的加速,現代建筑技術不斷完善,高層建筑裙房部分逐步趨向于集諸多功能于一體,并仍在向組團化、綜合化的方向發(fā)展.因此,除了考慮建筑高層部分風環(huán)境設計之外，也應將裙房部分的設計納入細化范圍內，尤其是在寒冷北方城市,由于高層辦公建筑周邊風環(huán)境多變,導致裙房外圍護散失熱量過多,這是今后寒地高層辦公建筑節(jié)能設計中值得關注的問題.