摘要 近年來，“參數(shù)化設(shè)計”在建筑領(lǐng)域中越來越受歡迎，氣候適應(yīng)視角下進行參數(shù)化建筑設(shè)計，應(yīng)當(dāng)建立在正確的環(huán)境分析基礎(chǔ)上，讓氣候適應(yīng)性解決思路成為一種常規(guī)思路。當(dāng)參數(shù)化設(shè)計在準(zhǔn)確建立各種非線性的建筑造型的同時，更應(yīng)當(dāng)結(jié)合設(shè)計所在地的氣候、環(huán)境等一系列條件，對綠色建筑的發(fā)展以及資源的節(jié)約作出更大貢獻。以高層建筑設(shè)計方案為例，模擬與分析了風(fēng)環(huán)境下可行的參數(shù)化表皮設(shè)計，學(xué)習(xí)其基于氣候適應(yīng)性策略的建筑設(shè)計方法，為以后能更好地設(shè)計出適宜的居住建筑積累設(shè)計經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞 商業(yè)綜合體; 參數(shù)化設(shè)計; 表皮; 氣候適應(yīng); 風(fēng)環(huán)境

中圖分類號 TU201.5 文獻標(biāo)志碼 A

1設(shè)計目標(biāo)以及背景

1.1目標(biāo)

本文研究的目的是在寒冷地區(qū)高層建筑設(shè)計中，探究高層綠色建筑中自然通風(fēng)的設(shè)計策略，從建筑合理的朝向和建筑平面設(shè)計兩大方面出發(fā)，提升建筑的自然通風(fēng)品質(zhì)，為寒冷地區(qū)高層綠色建筑通風(fēng)設(shè)計提供參考。本次風(fēng)環(huán)境的模擬對建筑朝向和平面布局進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合寒冷地區(qū)氣候特點，探索建筑設(shè)計中的可持續(xù)發(fā)展。

1.2選擇從風(fēng)出發(fā)的原因

高層商業(yè)綜合體在城市發(fā)展的過程中起到重要作用，但空間環(huán)境不盡如人意。戶數(shù)多，空間緊，空氣質(zhì)量差，不具備通風(fēng)條件。對于多數(shù)高層建筑，有較長的通風(fēng)路徑，形成的阻力相對大，簡單的風(fēng)壓或熱壓難以滿足需求，對于這種情況，會選擇機械輔助式自然通風(fēng)系統(tǒng)，實現(xiàn)高層建筑的通風(fēng)［1］。但是過多地使用機械通風(fēng)設(shè)備，使建筑的運行能耗大幅度提高而舒適性較差。目前，對綠色建筑要求越來越高，因此，需要采用一些措施來合理利用自然風(fēng)。

1.3現(xiàn)階段高層建筑存在的問題

（1）位于背風(fēng)向房間即使打開門窗，室內(nèi)空氣仍不流通。

（2）輔助空間通風(fēng)條件差，因空氣條件差，廚房、衛(wèi)生間的濕度大， 若濕氣沒有及時排出，室內(nèi)環(huán)境則難以改善。

（3）容積率高而綠化率低。高層建筑形成的風(fēng)影區(qū)，對周邊建筑物的通風(fēng)不利。

2基于風(fēng)環(huán)境視角下的模擬與分析

2.1該地區(qū)氣候特征分析

首先應(yīng)對該地區(qū)的基本風(fēng)環(huán)境進行模擬，夏季和冬季的風(fēng)玫瑰圖如圖1所示。風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向與風(fēng)頻大約相同（東北西南）。夏季盛行西南風(fēng)，冬季盛行東北風(fēng)，東北方向風(fēng)速大。歸納出寒冷地區(qū)在通風(fēng)上應(yīng)注意的問題：

（1）冬季建筑物注意防風(fēng)，滿足在風(fēng)朝向最佳的地方獲得最大輻射熱。

（2）加強建筑南北方向上布局的通透性;在建筑南側(cè)布置使用房間，多開南窗，以促進自然通風(fēng)。

（3）在建筑北側(cè)避免直接對外開門的外廊，控制北窗面積。在開口部位要注意夏季隔熱。

（4）建筑的開間應(yīng)盡可能垂直于主導(dǎo)風(fēng)的東西方向上，獲得最大的自然風(fēng)。

了解洛陽市基本風(fēng)向以及認(rèn)知寒冷地區(qū)通風(fēng)應(yīng)注意問題的前提下，針對基地風(fēng)壓進行模擬（圖2）。

由圖2可以看出，場地內(nèi)部存在風(fēng)影區(qū)。迎風(fēng)面有漩渦，高層建筑附近的風(fēng)速相對較小，整體的通風(fēng)條件較弱。隨著高度的增加，建筑背后所形成的風(fēng)影區(qū)隨之逐漸增大，風(fēng)環(huán)境會更加不利，建筑下行風(fēng)更加嚴(yán)重。建筑面寬的增加導(dǎo)致風(fēng)影區(qū)擴大，還會增強建筑角流風(fēng)，為了減少高層建筑形成的風(fēng)影區(qū)域，進行以下優(yōu)化策略分析與模擬。

2.2優(yōu)化目標(biāo) 1：選擇合理的高層建筑朝向

室外靜風(fēng)區(qū)有諸多缺點：春秋季節(jié)，廢氣無法擴散，導(dǎo)致地面附近空氣質(zhì)量較差；夏季不利于散熱，給使用者造成不良的感受［2］。因此，設(shè)計要避免較大的室外靜風(fēng)區(qū)。采用的塔式高層建筑形體，會形成各個方向上的風(fēng)壓。那么塔式高層的扭轉(zhuǎn)角度至關(guān)重要。應(yīng)該通過模擬的方式，來確定最佳的扭轉(zhuǎn)角度（圖3～圖6）。

可以看出，高層建筑所處的角度為南偏北15°～30°之間時，風(fēng)壓最為適宜，高層建筑形成的靜風(fēng)區(qū)最小，因此采用此條件下高層建筑的排布方式。

2.3優(yōu)化目標(biāo) 2：平面“綠色共享空間”（開口）位置確定

“天井”又稱“共享空間”，因其良好的通風(fēng)特性及結(jié)構(gòu)特征被廣泛應(yīng)用于各類建筑中。在環(huán)境風(fēng)的作用下，高層建筑表面會分布著不同大小的壓力，從而影響建筑內(nèi)的氣體流動。建筑高度越高，風(fēng)速越大，墻面的壓力越大，迎風(fēng)側(cè)的墻面會形成向內(nèi)的風(fēng)壓，背風(fēng)側(cè)和側(cè)面的墻面會形成向外的壓力。常見的建筑開口位置如圖7所示。

開口的主要目的是使高層建筑的每一個房間都能獲得良好的通風(fēng)，避免過多的機械通風(fēng)。建筑物外立面為單元板塊幕墻，斜面布置板材，可將外景遠眺最大程度引入室內(nèi)。通過檐口形狀又達到了降低日常熱負荷的效果，達到了冬季保溫以及夏季防熱的效果［3］。同時，由于塔式平面的高層建筑較普遍，考慮高空氣流的影響，因此，高層建筑的開口位置可以分段布置，可以在某一層設(shè)置活動平臺或其他空間，打斷通高的天井，形成一種創(chuàng)新型的開口布局（圖8）。

天井作為重要的一部分，為建筑中的公共空間通風(fēng)換氣，也可作為過渡空間，不受冷風(fēng)的侵蝕。天井的進深、位置和開間尺度多樣，相對應(yīng)的風(fēng)環(huán)境有不同的特征?，F(xiàn)擬天井的位置對高層建筑風(fēng)環(huán)境的影響，從而選用較為合適的天井開口形式：模擬結(jié)果如圖9所示。

可以看出，開口位置的風(fēng)速顯著提高，達到2.3 m/s，不再是大面積的靜風(fēng)區(qū)，這表明了建筑后的風(fēng)影影響范圍有所減少。在塔式高層建筑中，只要采用了天井，都可以減少建筑物由于遮擋形成的風(fēng)影區(qū)。天井的設(shè)置可以與周邊風(fēng)環(huán)境良性互動。天井的風(fēng)流速增大時，流速帶來的動能為天井周邊的建筑表面形成良好的風(fēng)壓分布，可以使建筑內(nèi)外表面形成正負壓，加強室內(nèi)空氣循環(huán)。

從天井的位置來看，當(dāng)開口位于正中時，室內(nèi)中央風(fēng)速流通較好，室內(nèi)可達2.86 m/s。在天井位于平面邊角時，氣流場最穩(wěn)定和平均2.1 m/s、影區(qū)范圍最小。在設(shè)計中，在建筑高度方向上分層設(shè)置天井，化解高層建筑在水平方向上通風(fēng)困難的問題。因此在平面的選取上，采用平面見圖10。

在設(shè)計中，選擇采用一個折疊向上的形體，這樣折疊的形體優(yōu)勢：將迎面吹來的風(fēng)分別折向不同的方向，避免了建筑與集中氣流的直接接觸，相比于直線形體的建筑物，折線的切割方式能使風(fēng)速得到緩和。這些開口方向的綠化共享空間，對氣流有一定的緩沖作用，增加了高層建筑表面對風(fēng)流體的阻尼，化解建筑附近形成的部分迎風(fēng)面渦流（圖11）。

2.4優(yōu)化目標(biāo) 3：選用適宜通風(fēng)的平面布局

如今一些高層建筑在設(shè)備層周邊設(shè)置一道通廊，讓室外空氣先進入通廊，然后再被進風(fēng)口吸入［4］。倘若將走廊做成開放式走廊，則通風(fēng)效果將會大大加強。通過查閱資料，開敞式走廊主要有幾種形式（圖12）。

開敞式走廊也應(yīng)具備一定的條件：

（1）開敞式走廊設(shè)計使建筑外界面具備進出風(fēng)口，具有形成穿堂風(fēng)的條件，打開走廊，形成通風(fēng)路徑，加強室內(nèi)通風(fēng)。

（2）將使用空間開敞布置，創(chuàng)造有效的對外開口，作為通風(fēng)路徑的要素。創(chuàng)造走廊與室外的聯(lián)系，增加走廊一側(cè)外墻的開門，加強通風(fēng)條件。

3參數(shù)化建筑表皮生成邏輯

在已有優(yōu)化目標(biāo)以及策略的條件下，對建筑表皮進行參數(shù)化設(shè)計，在建筑表皮中，引入傾斜的導(dǎo)風(fēng)構(gòu)件。導(dǎo)風(fēng)構(gòu)件的作用是以遮陽板和挑檐為例，在很大程度上影響了室內(nèi)的自然通風(fēng)。通過變換遮陽板和挑檐的角度，從而作為風(fēng)的導(dǎo)流板。尤其是在風(fēng)向投射角度較大，不利于自然通風(fēng)的情況下，通過導(dǎo)流板來改變風(fēng)向，從而增加圍護結(jié)構(gòu)進氣量，自然通風(fēng)將很明顯的被引入室內(nèi)［5］。

由此，希望將自然風(fēng)引入室內(nèi)，而避免室內(nèi)過多的機械通風(fēng)，通過參數(shù)化設(shè)計流程，設(shè)計出了一種“智能化”綠色構(gòu)件。通過建筑體塊上的風(fēng)壓分布，風(fēng)壓大的地方有著較大的開窗面積；風(fēng)壓小的地方有著較小的開窗面積。再通過建筑表皮上每扇窗戶的導(dǎo)風(fēng)構(gòu)件將自然風(fēng)引入室內(nèi)。生成的立面形式以及立面形體的細部構(gòu)造做法如圖13～圖15所示?？郯宓男D(zhuǎn)角度根據(jù)風(fēng)壓大小的不同而不同，充分與自然風(fēng)相結(jié)合。也引入了智能化概念，即表皮開窗的可調(diào)控性，在細部構(gòu)造圖中，交界處均采用了圓形或方形滑塊。整個結(jié)構(gòu)最右側(cè)則連接風(fēng)感器。即在每天固定時間段，根據(jù)當(dāng)日的風(fēng)速風(fēng)壓狀況對開窗大小進行調(diào)控。這樣就更好的與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)環(huán)境結(jié)合，更環(huán)保而提高內(nèi)部使用人群的舒適度。

4軟件的使用以及具體參數(shù)設(shè)定

參數(shù)化表皮采用 Rhino6 中的 Grasshopper6，設(shè)定參數(shù)與建筑表皮風(fēng)壓大小相適應(yīng)。風(fēng)玫瑰模擬采用Grasshopper 中的 Ladybug，場地風(fēng)壓的模擬采用 Grasshopper 中的Butterfly 插件，該插件旨在將幾何圖形快速導(dǎo)入到 OpenFOAM，并運行對建筑設(shè)計有用的幾種常見類型的氣流模擬。高層建筑朝向的模擬以及建筑平面開口位置的風(fēng)模擬采用了綠建斯維爾，這是一種基于CDF流體應(yīng)用軟件，對參數(shù)進行了固化處理，簡單易學(xué)，模擬準(zhǔn)確。模擬中基本參數(shù)設(shè)定見表1。

5設(shè)計結(jié)果的總結(jié)與展望

自從2019年新冠疫情爆發(fā)以來，室內(nèi)通風(fēng)換氣對預(yù)防新冠病毒感染具有很大作用，希望本文研究能對自然通風(fēng)組織設(shè)計提供參考。在這次高層建筑設(shè)計中，一直在思考什么樣的參數(shù)化設(shè)計能夠合理應(yīng)對自然風(fēng)環(huán)境，這種氣候適應(yīng)性的參數(shù)化設(shè)計也是目前建筑師應(yīng)對能源短缺問題的相對有效手段。如今，應(yīng)對風(fēng)環(huán)境有很多的改善措施和手法，比如這次高層商業(yè)綜合體設(shè)計中的參數(shù)化立面的設(shè)計方式。在未來建筑行業(yè)的發(fā)展中，每一個設(shè)計方案都應(yīng)將氣候這一要素納入其中，都應(yīng)始終貫穿著綠色建筑的觀念。在建筑設(shè)計中，不能僅僅依靠發(fā)達的科學(xué)技術(shù)，更應(yīng)該注重設(shè)計過程中的思維歷程，才能設(shè)計出真正與其后相適應(yīng)的參數(shù)化節(jié)能建筑。

參考文獻

［1］劉鋒權(quán). 高層建筑通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 城市建設(shè)理論研究（電子版），2011（32）：1-2.

［2］應(yīng)小宇，任昕，闞琪，等. 風(fēng)環(huán)境視野下高層建筑群朝向——以杭州錢江新城四季青路地塊為例［J］. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，50（6）：884-889，900.

［3］張露. 超高層住宅樓內(nèi)天井自然排煙特性的數(shù)值模擬研究［D］. 2018：20.

［4］項衛(wèi)中，趙俠，李順. 超高層建筑通風(fēng)走廊對新排風(fēng)系統(tǒng)的作用［J］. 暖通空調(diào)，2014（3）：100-104.

［5］吳欣. 住宅建筑的自然通風(fēng)設(shè)計分析［J］. 新材料新裝飾2014（6）428-429.