王 靜 ，杜 鵬 ，吳中平

引言

近年來，越來越多的學(xué)者關(guān)注以氣候適應(yīng)性為核心的綠色建筑理念[1-3]。高層辦公樓作為能源與資源消耗大戶，是綠色建筑設(shè)計(jì)的重要類型。在2016年之前我國共評(píng)出2095項(xiàng)綠色建筑標(biāo)識(shí)的公共建筑，其中高層辦公樓是重要類型[4]。本文以高層辦公樓作為研究對(duì)象，分析濕熱氣候下綠色建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的應(yīng)用問題。以廣東交通設(shè)計(jì)大廈為例，在設(shè)計(jì)前期聚焦建筑物理環(huán)境，通過合適的軟件平臺(tái)，以簡(jiǎn)單高效的被動(dòng)式設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)高層辦公樓的生態(tài)綠色，展現(xiàn)了方案設(shè)計(jì)階段的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略。

1 高層綠色辦公樓發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，由于綠色生態(tài)理念出現(xiàn)，建筑師綜合考慮高層辦公樓環(huán)境與空間的相互影響。1966年凱文·羅奇設(shè)計(jì)的福特基金會(huì)大樓，通過通透的邊庭空間將建筑與環(huán)境聯(lián)系在一起，拉近與自然的距離。

20世紀(jì)90年代，建筑師聚焦高層辦公樓對(duì)于環(huán)境與氣候的適應(yīng)性。例如1992年楊經(jīng)文設(shè)計(jì)的馬來西亞IBM辦公樓，采用圓形平面并在每層設(shè)計(jì)不同程度的挑空，來實(shí)現(xiàn)濕熱氣候下綠色生態(tài)；1997年諾曼·福斯特設(shè)計(jì)的法蘭克福商業(yè)銀行總部大樓，平面布局為三角形，圍繞中庭成螺旋狀布置9個(gè)空中花園，最大化引入自然光線和通風(fēng)，減少能耗，改善室內(nèi)舒適度[5]。

21世紀(jì)以來，高層辦公樓開始以定量的多技術(shù)模擬為支撐，進(jìn)行以綠色性能為基礎(chǔ)的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究。比如曼哈德·馮·格康等人在設(shè)計(jì)上海漕河涇現(xiàn)代辦公樓時(shí)，通過一天之中不同日照角度和舒適度的模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)立面采光、遮陽和視野的最優(yōu)配置[6]；倪陽等人在設(shè)計(jì)廣州天倫控股大廈時(shí)，通過平行四邊形的標(biāo)準(zhǔn)層平面契合用地形狀，獲得良好的天然采光與通風(fēng)，利用參數(shù)化軟件優(yōu)化復(fù)合表皮，有效遮擋太陽輻射，降低空調(diào)能耗[7]；肖毅強(qiáng)等人在設(shè)計(jì)廣州珠江電廠樓時(shí)，通過核心筒側(cè)置，騎樓空間和中庭組合，平衡隔熱、通風(fēng)與視線的遮陽表皮，來適應(yīng)濕熱地區(qū)氣候環(huán)境[8]。

2 高層綠色辦公樓氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)重點(diǎn)

2.1 方案設(shè)計(jì)階段是綠色設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)

在高層辦公樓早期策劃與設(shè)計(jì)階段，建筑師所選擇的平面布局、立面形式、形體變化、遮陽構(gòu)造，都會(huì)直接或間接影響場(chǎng)地環(huán)境、城市空間、所消耗的能源資源以及自然通風(fēng)、天然采光等物理環(huán)境性能。研究表明方案設(shè)計(jì)階段有30%以上的節(jié)能潛力[9]。而我國建筑的綠色設(shè)計(jì)往往是滯后于整個(gè)設(shè)計(jì)過程，采用的設(shè)計(jì)策略是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的被動(dòng)適應(yīng)[10]。在設(shè)計(jì)階段越早考慮環(huán)境氣候要素，引入氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略，對(duì)建筑整體綠色影響程度越高，能以最小的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境代價(jià)換取最佳的室內(nèi)空間品質(zhì)。

2.2 被動(dòng)設(shè)計(jì)是氣候適應(yīng)性的核心方法

在傳統(tǒng)建筑中，人們會(huì)使用適宜技術(shù)手段創(chuàng)造舒適的建筑空間來適應(yīng)氣候環(huán)境。建筑氣候適應(yīng)性是指規(guī)劃布局、平面布置、結(jié)構(gòu)形式和材料使用對(duì)氣候、地理環(huán)境、社會(huì)文化等因素的綜合適應(yīng)[11]。在建筑設(shè)計(jì)中采用自然的設(shè)計(jì)手法，不使用動(dòng)力節(jié)約能源資源的被動(dòng)設(shè)計(jì)是氣候適應(yīng)性的核心方法。分析濕熱氣候下高層綠色辦公樓案例可知（表1），建筑通過朝向、首層架空、采光中庭、形體造型等一系列被動(dòng)式設(shè)計(jì)手法來適應(yīng)高溫高濕的氣候特征，形成天然采光與通風(fēng)，營造舒適的室內(nèi)環(huán)境。

表1 濕熱地區(qū)高層綠色辦公樓設(shè)計(jì)分析

表2 高層辦公樓性能空間劃分

2.3 高層辦公樓兼有綠色與健康的多元需求

高層辦公樓功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人員密集，對(duì)于自然通風(fēng)、天然采光、遮陽有較高要求，兼有綠色與健康的多元需求。20世紀(jì)70年代以后，為了減少能源利用，高層辦公樓設(shè)計(jì)更為密閉，大量利用空調(diào)設(shè)備，減少自然通風(fēng)，引發(fā)“病態(tài)建筑物綜合癥”影響辦公人員的健康和工作效率[12]。2020年初始，突如其來的新冠病毒肺炎疫情在祖國肆虐，促使人們?cè)O(shè)計(jì)更健康的辦公空間。中國建筑學(xué)會(huì)發(fā)布《辦公建筑應(yīng)對(duì)“新型冠狀病毒”運(yùn)行管理應(yīng)急措施指南》，對(duì)辦公樓空調(diào)系統(tǒng)、空氣處理等健康系統(tǒng)進(jìn)行說明，指出加大新風(fēng)的通風(fēng)換氣量是有效的預(yù)防手段之一。

3 濕熱氣候下高層辦公樓氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略

3.1 濕熱氣候特征分析

以濕熱氣候的廣州為例進(jìn)行分析。廣州位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，輻射量大，溫度高，溫差小，平均溫度約22.2℃。每月相對(duì)濕度在60%～80%之間。全年總?cè)照諘r(shí)長1960h，月平均總輻射量為340.6MJ/m2，7～9月接收量較大。夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)橛蔁釒ШＱ髿饬餍纬傻臇|南風(fēng)，平均風(fēng)速1.6m/s～1.9m/s，冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楦稍锏年懙貧饬餍纬傻谋憋L(fēng)，平均風(fēng)速1.9m/s～2.1m/s，夏季受臺(tái)風(fēng)影響較大[13]。氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)基本原則是緩解高溫、高濕、夏季臺(tái)風(fēng)對(duì)于建筑使用的不利影響。

3.2 氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略總結(jié)

隔熱、遮陽和通風(fēng)是濕熱氣候下建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容[14]。

隔熱策略在于減少室外環(huán)境向室內(nèi)空間的熱量傳遞，利用建筑內(nèi)外之間的過渡空間進(jìn)行空間隔熱是重要手段[1]。過渡空間可以改善氣候環(huán)境，遮擋夏季較強(qiáng)的太陽熱輻射來控制室內(nèi)溫度，營造適宜的室內(nèi)環(huán)境，同時(shí)對(duì)整體功能布局和人的行為有引導(dǎo)作用，配合主動(dòng)式設(shè)備可以降低建筑能耗。濕熱氣候下高層辦公樓空間隔熱策略包括屋頂架空層、尺度較小的休息陽臺(tái)、空中庭院、底層架空空間。

遮陽策略在于運(yùn)用材料、構(gòu)造和空間形式，減少太陽直射對(duì)于室內(nèi)的影響，防止眩光，同時(shí)節(jié)約空調(diào)能耗。濕熱氣候下高層辦公樓可以通過形體變化、雙層表皮、引入表皮綠化、整合陽臺(tái)空間等多種形式進(jìn)行遮陽防熱。

通風(fēng)策略依靠風(fēng)壓或熱壓原理，促使建筑室內(nèi)外空氣流動(dòng)，使功能空間有良好自然通風(fēng)效果。高層風(fēng)荷載對(duì)于高層辦公樓影響較大。一方面，可以優(yōu)化高層辦公樓形體造型，改善高層風(fēng)荷載，提高辦公空間的舒適度。包括曲線形體，氣流會(huì)平穩(wěn)圓滑地通過建筑邊界，減弱建筑邊角強(qiáng)風(fēng)影響；折線形體，將強(qiáng)風(fēng)分散，減弱集中氣流；扭轉(zhuǎn)形體，可以引導(dǎo)氣流依附建筑形體螺旋上升，改變氣流走向；引入半開敞庭院，加大建筑表面對(duì)于風(fēng)的阻礙作用[15]。另一方面，可以優(yōu)化高層辦公樓表皮構(gòu)造改善自然通風(fēng)，包括雙層通風(fēng)幕墻、翼型導(dǎo)風(fēng)墻、整體式外掛導(dǎo)風(fēng)板、導(dǎo)風(fēng)幕墻龍骨。此外，還可以通過天井、風(fēng)道及立體庭院，形成適宜自然通風(fēng)并有效防熱的氣候空間系統(tǒng)[1]。

節(jié)能策略可以通過平面分層次能量空間布置實(shí)現(xiàn)。根據(jù)空間的能耗消耗水平和性能需求，將高層辦公樓空間分為低性能、中性能和高性能空間（表2）。將高性能空間和低性能空間相鄰布置實(shí)現(xiàn)能量的交替，減少能耗。中性能空間是主要利用空間，應(yīng)布置在利于氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的區(qū)域。對(duì)通風(fēng)、采光要求嚴(yán)格的高性能空間布置在平面的最外側(cè)。低性能空間布置在朝向不好的區(qū)域[16]。

圖1 廣東交通設(shè)計(jì)大廈總平面圖和區(qū)位圖

圖2 廣東交通設(shè)計(jì)大廈效果圖

圖3 廣東交通設(shè)計(jì)大廈綠色設(shè)計(jì)分析

圖4 12層標(biāo)準(zhǔn)層夏季自然通風(fēng)效果

4 廣東交通設(shè)計(jì)大廈氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 項(xiàng)目難點(diǎn)及設(shè)計(jì)概念

項(xiàng)目位于廣州市白云區(qū)設(shè)計(jì)之都啟動(dòng)區(qū)西南側(cè)，運(yùn)城西路延長線以東，空港大道以西，白云三線以北。東南面臨接白云山脈，享有得天獨(dú)厚的景觀資源（圖1）。總用地面積6200m2，建筑高度99.9m，地上23層，其中1～7層為展廳、餐廳、活動(dòng)中心等公共空間，8層以上為辦公空間，地下4層為停車庫（圖2）。

利用Vent模擬基地5m，50m，99m高度水平面的夏季風(fēng)環(huán)境（圖3）。隨著高度升高，基地周邊遮擋物越來越少，室外風(fēng)速不斷加快，風(fēng)環(huán)境對(duì)于建筑影響越大。在50～99.9m高度范圍內(nèi)，建筑東南和東北角會(huì)形成風(fēng)渦流區(qū)，東面有迎風(fēng)面逆風(fēng)，西面會(huì)有風(fēng)影區(qū)渦流。而東面景觀效果好，甲方希望設(shè)置室外活動(dòng)空間，所以在設(shè)計(jì)上要充分考慮通風(fēng)和防風(fēng)措施。

優(yōu)化團(tuán)隊(duì)1）通過對(duì)環(huán)境要素組織和利用，使建筑受夏季太陽輻射、風(fēng)速影響盡可能小，減少空調(diào)的使用降低能耗，實(shí)現(xiàn)天然采光和通風(fēng)。從城市尺度（場(chǎng)地規(guī)劃、朝向布局）、建筑尺度（平面布局、形體造型、過渡空間）、細(xì)部尺度（適應(yīng)性表皮）三個(gè)方面，結(jié)合模擬軟件進(jìn)行多尺度的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)，提高建筑性能，滿足以人為本的空間舒適度需求（圖3）。

4.2 基于城市尺度的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)

4.2.1 場(chǎng)地規(guī)劃設(shè)計(jì)

在基地東北、東南和西南面，夏季室外風(fēng)速超過5m/s，局部到達(dá)8m/s，不適宜做室外人行區(qū)，通過高大的樹木或構(gòu)筑物來阻擋夏季風(fēng)速，同時(shí)改善夏季熱環(huán)境；建筑次入口位置，外車道夏季風(fēng)速接近于5m/s，將建筑次入口位置靠近東側(cè)布置。在夏季主導(dǎo)風(fēng)向和主入口布置水體景觀，通過氣流流動(dòng)帶走熱量，調(diào)節(jié)首層公共空間微氣候。

4.2.2 朝向布局設(shè)計(jì)

優(yōu)化團(tuán)隊(duì)利用Weather Tool模擬分析，廣州建筑朝向在南偏西22.5°和南偏東 27.5°之間能減少太陽輻射的影響。研究表明朝向與夏季主導(dǎo)風(fēng)向成20°～30°角時(shí)能改善風(fēng)環(huán)境[17]。為了增強(qiáng)天然采光并減弱高層風(fēng)速的影響，最終將建筑朝向設(shè)計(jì)為南偏西20°，與夏季主導(dǎo)風(fēng)向夾角為25°。

4.3 基于建筑尺度的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)

4.3.1 分層次能量空間布置

在減少能耗方面，優(yōu)化團(tuán)隊(duì)將會(huì)議室，報(bào)告廳等公共空間以及開放式辦公空間布置在平面東南方向，將一般辦公室和小型會(huì)議室布置在平面南側(cè)，將電梯、樓梯、衛(wèi)生間等服務(wù)用房布置在西側(cè)。輔助用房在建筑的西北側(cè)一端，會(huì)形成一個(gè)針對(duì)夏季熱輻射、冬季冷風(fēng)的緩沖層，并且樓梯可天然采光和通風(fēng)，節(jié)省能耗。

在自然通風(fēng)方面，在平面東南角布置開敞空間，利用開窗引入夏季涼爽的自然風(fēng)；縮小核心筒面積，加大核心筒與北側(cè)辦公室之間廊道距離，使得夏季風(fēng)自然流通；在西北角布置大面積房間，使通過室內(nèi)的風(fēng)速更加均勻，最終實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)層適宜的自然通風(fēng)效果（圖4）。

4.3.2 凹凸變化形體

圖7 廣東交通設(shè)計(jì)大廈27種尺寸的立面單元

在形體上，優(yōu)化團(tuán)隊(duì)選擇4種不同的形體處理方式（主要針對(duì)夏季東南風(fēng)），包括曲線、切割、退臺(tái)、半開敞庭院，利用Vent簡(jiǎn)化模擬（圖5）。條件為廣州市夏季2.1m/s的東南向風(fēng)，地面粗糙度0.28，迭代次數(shù)200次。分析可知4種形體變化都一定程度上改善室外風(fēng)環(huán)境，其中形體3退臺(tái)處理效果顯著。最終在建筑東立面進(jìn)行退臺(tái)處理，形成凹凸變化的陽臺(tái)空間，減弱塔樓迎風(fēng)面氣流，達(dá)到防風(fēng)與通風(fēng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

4.3.3 過渡空間設(shè)計(jì)

優(yōu)化團(tuán)隊(duì)基于遮陽和通風(fēng)性能進(jìn)行過渡空間設(shè)計(jì)，包括屋頂球場(chǎng)利用立面單元圍合；東立面設(shè)計(jì)凹凸陽臺(tái)，形成辦公空間與外部環(huán)境的前庭，由于內(nèi)外溫差，前庭空間形成風(fēng)斗，將室內(nèi)的熱空氣排出，調(diào)節(jié)微氣候，同時(shí)外挑陽臺(tái)會(huì)遮擋夏季直射陽光；建筑首層采用架空處理，布置公共活動(dòng)區(qū)，輔助以綠化植被，創(chuàng)造滿足人們使用需求的公共空間。

4.4 基于細(xì)部尺度的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)

4.4.1 天然采光與遮陽設(shè)計(jì)的復(fù)合表皮

優(yōu)化團(tuán)隊(duì)基于天然采光、遮陽和景觀性能分析設(shè)計(jì)適應(yīng)性表皮。表皮由統(tǒng)一三角形外凸立面單元組成，左側(cè)為三角形穿孔鋁板，內(nèi)設(shè)內(nèi)開窗，右側(cè)為幕墻玻璃，連接處為外凸400mm的穿孔鋁板，構(gòu)成立面的豎向分割（圖6）。立面單元通過穿孔鋁板減弱風(fēng)速進(jìn)行自然通風(fēng)，并且形成綜合遮陽改善熱環(huán)境。

不同尺寸的立面單元有不同的采光、遮陽和景觀效果。為了選擇較佳的尺寸，改變南立面單元長（水平間隔）、寬（單元頂角距離最長邊垂直距離）和角度（穿孔鋁板面與最長邊的夾角）進(jìn)行模擬分析。綜合用地和立面效果，團(tuán)隊(duì)選擇長為1500、1800、2100mm，寬為200、400、600 mm的尺寸變化，考慮南立面視線與形體邊界的夾角為30°～60°，設(shè)置以30°、45°和60°夾角變化，共形成27種立面單元（圖7）。

篩選掉穿孔鋁板占比過大（影響采光）和過?。ㄕ陉柌患眩┑膯卧Ｏ?3種單元利用Ecotect進(jìn)行模擬分析?？紤]到設(shè)計(jì)階段不需要非常精確的結(jié)果，濕熱地區(qū)南立面受光照和輻射影響最大，故采用簡(jiǎn)化模擬分析。采光性能以900mm高工作面采光系數(shù)評(píng)價(jià)。模擬對(duì)象為長9000mm寬4800mm高3400mm的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議室，條件為室外全陰天，光照強(qiáng)度13500LUX。遮陽性能以標(biāo)準(zhǔn)層全年接受太陽總輻射量評(píng)價(jià)。景觀性能以標(biāo)準(zhǔn)層玻璃面積占比評(píng)價(jià)。

13種單元模擬結(jié)果如表3所示，以大于9%采光系數(shù)，接受太陽總輻射小于280000wh為邊界條件，篩除4種效果較好的立面單元（圖8）。其中長1800mm寬600mm角度45°～60°尺寸單元綜合效果最好，隨著角度變大采光性能增強(qiáng)，遮陽性能降低，景觀性能變好。建筑裙房外部環(huán)境對(duì)于室內(nèi)影響較小，選擇長2100mm寬600mm角度45°通透的單元。塔樓不同樓層有不同需求，越高景觀越好，最終采用長1800mm寬600mm角度從45°～60°每4層變化5°尺寸單元，從下到上形成漸變效果，達(dá)到采光、遮陽與景觀的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

表3 廣東交通設(shè)計(jì)大廈立面單元模擬結(jié)果

圖8 綜合性能較好的4種尺寸立面單元

圖9 表皮構(gòu)造自然通風(fēng)分析圖

4.4.2 自然通風(fēng)與構(gòu)造設(shè)計(jì)的復(fù)合表皮

優(yōu)化團(tuán)隊(duì)通過控制立面單元穿孔鋁板的孔洞大小和密度，實(shí)現(xiàn)置換通風(fēng)，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)（圖9）。為了在夏季使辦公室900mm高度工作區(qū)域空氣干凈涼爽，立面單元穿孔鋁板從下至上，孔洞由大到小，密度由密到疏，使得室外新鮮空氣更多在空間下部區(qū)域進(jìn)入室內(nèi)。室內(nèi)排風(fēng)口布置在頂部。室外空氣進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，由于空氣涼爽比重較大會(huì)在地板層聚集，此時(shí)室內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生熱空氣，使地板層的新鮮空氣在對(duì)流作用下向上流動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)空間的通風(fēng)換氣，向上的混濁空氣通過排風(fēng)口排出。

結(jié)語

本文歸納總結(jié)濕熱氣候下綠色高層辦公樓在隔熱、遮陽、通風(fēng)等方面的設(shè)計(jì)策略，并以廣東交通設(shè)計(jì)大廈為例，在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行多尺度氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)，從實(shí)踐角度拓展了高層辦公樓的綠色設(shè)計(jì)范疇?？偨Y(jié)以下結(jié)論：

（1）高層辦公樓綠色設(shè)計(jì)要從氣候參數(shù)確定基本設(shè)計(jì)原則，從場(chǎng)地條件確認(rèn)環(huán)境特點(diǎn)，從建筑類型確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，考慮主要影響建筑使用的性能要素，揚(yáng)長避短利用氣候因素進(jìn)行氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

（2）濕熱氣候下高層辦公樓隔熱策略減少室外環(huán)境向室內(nèi)空間的熱量傳遞。具體包括屋頂架空層、尺度較小的休息陽臺(tái)、空中庭院、底層架空空間等。遮陽策略運(yùn)用材料、構(gòu)造和空間形式，減少太陽直射對(duì)于室內(nèi)空間的影響。具體包括形體自遮陽、雙層表皮遮陽、引入表皮綠化、整合陽臺(tái)空間等。通風(fēng)策略依靠風(fēng)壓或熱壓原理，促使建筑室內(nèi)外空氣流動(dòng)，使功能空間有良好自然通風(fēng)效果。具體包括優(yōu)化高層辦公樓形體造型、表皮構(gòu)造、天井、風(fēng)道及立體庭院。節(jié)能策略可以通過平面分層次能量空間布置實(shí)現(xiàn)。

圖、表來源

圖1、2：項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)繪制。

圖3～9：作者繪制。

表1～3：作者繪制，表1、表2中圖片來自網(wǎng)絡(luò)。

注釋

1）廣東交通設(shè)計(jì)大廈項(xiàng)目設(shè)計(jì)及擴(kuò)初方案團(tuán)隊(duì)成員包括何鏡堂、吳中平、蘇朝浩等，綠色建筑優(yōu)化及幕墻設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員包括王靜、杜鵬、朱光蠡等。