城市高層建筑形態優化與風能利用的融合研究★

孫曉銘

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

近年來，建筑行業的迅速發展改變了中國城市的面貌和人民的生活方式。城市高層建筑整體布局的優化，有效的節約了建設用地，促使土地能夠被高效率利用，高層建筑逐步成為城市現代化水平的標志。科學、系統、合理的進行對高層建筑形態的優化設計是城市整體空間自身特色脈絡的有效延續與環境規劃布局的重新塑造。城市高層建筑形體的優化設計是城市規劃系統中的重要組成部分，對城市整體的外在形象與內在氣質的形成有著重要的作用。高層建筑的開發整合了城市的土地資源，促使土地得以高效率利用，高層建筑體量大、造價高、形體明顯，對城市整體空間形態影響作用顯著。建筑形態優化設計是發揮創造力和體現設計理念的關鍵之處，是多種學科的交叉融合。城市的高層建筑形體優化設計擔負著節能減排、功能布局、設施配套以及對空間形態的有效控制和引導。

1 城市高層建筑形態優化設計研究

1.1 城市高層建筑整體布局優化

現代城市建筑體系功能要求復合化、科學化與合理化，工程實踐中已逐步將辦公、活動空間、商業購物、社民居住等多功能融為一體，形成一個整體的框架與體系。現代城市各種不同的建筑形式并存，在高度與密度上的設計與排列都在展現著建筑各區域的功能和自身特性，同時在重點地段的高層建筑更是凸顯其城市標志與視覺關鍵點的作用。高層建筑在整體布局的過程中，需要將高層建筑沿著城市道路布置在主要道路或道路轉角處，通過加大、拓寬建筑退讓距離，進而來減少高層建筑體系對城市道路的嚴重壓迫感。城市高層建筑規劃布局要以其特殊的地質環境背景為基礎，高層建筑首先要避免建立在地下空間采空區范圍內，合理避開地震斷裂帶，高層建筑之間存在一定的避讓距離。城市高層建筑在城市整體規劃中應該綜合考慮影響城市總體層面上的各種因素，進行建筑體系高度分區，確定高層建筑適宜建設、限制建設以及禁止建設的區域，建設過程中重點分析城市特色區域，強調在高層建筑的規劃與設計中在滿足城市居民使用功能的同時，滿足城市歷史文化，城市風土人情以及城市綜合特色的著重體現。

1.2 城市高層建筑細部造型的優化設計

城市規劃與開發的過程中科學、合理的開發模式、建設模式是整個城市規劃設計的第一步，是城市規劃與發展的重要理論基礎。高層建筑頂部造型設計關系著整個城市的外在形象，高層建筑細部的優化設計是整體形象下對城市內涵的具體闡釋。高層建筑細部設計與整體規劃布局相結合能夠給予城市一種嶄新的時代感，映現出整個城市對社會文化的一種內在追求。高層建筑的細部設計相對于建筑整體造型來說，在一定程度上具有獨立性、完整性以及個性。高層建筑的整體造型取得的效果是細部對整體形式所做貢獻的集合體，消除了建筑形式的單調和乏味。建筑的整體風格是地方性因素結合城市特殊的地理環境產生的建筑細部形式設計。高層建筑頂部造型設計是城市高層建筑體系豎向體量在空中為整個城市營造的終端形象，進行優化設計的過程中，頂部造型不但要考慮其本身形象，考慮頂部設計造型對整個城市景觀的影響，而且要考慮主要頂部造型的功能設計。頂部造型自身形象設計與功能設計是整個城市景觀與文化特色的重要體現，其可以作為城市建筑的標志、象征，為城市引入醒目的天際輪廓線，對整體形象起著關鍵作用。現階段，我國城市的高層建筑立面造型與頂部造型的優化設計已逐步過渡于對整體造型的優化和設計，高層建筑體系頂部造型的優化設計與城市文化與內在氣質相融合，頂部造型是城市景觀變化和處理的重點之一，在實踐中沒有充分發揮其重要的功能，需要結合城市環境形態對天際輪廓線的襯托效果進行綜合設計引導。在注重高層建筑建設與城市環境風格的融合中，強調頂部造型設計與城市自身地質環境相適應，將可能突發災害發生后可能承受的荷載以及其他外界因素進行綜合考慮，為城市整體景觀與建筑功能布局提供好的發展方向。科學合理的細部造型是城市景觀與城市空間形態的重要部分，其功能能夠有力的宣傳城市自身固有的相關特色，是對城市自身的一個重要宣傳，能夠作為城市高層建筑與城市景觀的重要標志與象征，為整個城市提供醒目的天際輪廓線，對城市的整體形象與造型起著關鍵作用。

2 城市高層建筑風能利用研究

2.1 城市高層建筑風能利用設計

高層建筑風能利用是現代建筑與能源利用的有效融合，已然成為現代城市綜合規劃設計的必然趨勢。融合過程涉及到多方面的綜合技術要素，涵蓋建筑物的負載計算、用電量進行估算，進風能收集系統的安裝容量等。城市超高層建筑風能設計過程中需要綜合建筑物當地的地質環境條件、水文地質條件、氣象氣候條件，結合超高層建筑外觀要求及建筑節能方案的特征，確定風能利用的相關軟硬件的安裝條件、環境、方位的設置和儀器的型號以及外觀的設計，同時保證風能利用系統的轉換效率、相關組件的選擇和儀器數量的設計、相鄰間距的設計、方位的設計、相關組件之間的連接方式設計以及采集器安裝節點的設計等。安裝和維護強調確保現場安裝部位的承受的載荷滿足規范要求，綜合考慮特殊情況下能夠正常使用，保證相關組件的順利安裝，消除一切對建筑形成不利影響，建立設備運行檢測、評估與反饋信息系統，對設備的運行情況進行動態監控。風能容易收集的部位與室內通風性能較好的區域需要綜合考慮室內的通風需求以及建筑承受能力的影響。城市高層建筑風能利用設計應綜合考慮到風能利用系統相關構件的幾何形態與建筑表皮設計之間的系統關系，相關構件的幾何形態應該與建筑物的整體形象和其功能的需求相結合，把握相關構件與建筑整體比例以及尺度的協調性，進而能夠滿足協調統一，完成城市高層建筑風能利用設計。

2.2 城市高層建筑與風能利用相融合的發展方向

城市建筑物表皮的材料不斷創新是建筑節能設計的最有效、最直接的方式。高層建筑的表皮是風能容易收集的關鍵部位。風能利用與建筑表皮融合的材料創新涵蓋雙層建筑外表皮的圍護結構層、室內通風、采光及城市環境綠化技術。雙層建筑外表皮的圍護結構層主要通過相應的調整使得最外層能夠保證建筑室內的空間獲得正常的通風以及采光條件，進而提高室內居住的舒適度，此時也能降低建筑物能源消耗，同時也不同程度上化解了自然采光與風能利用之間的矛盾。雖然建筑表皮雙層結構具有較好的效果，但是從其建筑用材上來看不十分環保，性價比較低。風能發電設備的不斷創新為風能與建筑表皮結合和應用提供了有利條件，可以選擇在屋頂、建筑外墻等位置進行兩者的結合。建筑的屋頂可以將其作為一個安裝平臺，在上面安裝必要的設施以保證風能利用設備具備有力的支撐。建筑外墻具有得天獨厚的優勢，其結構形式和承載能力，在設備支撐方面無疑是最合適的位置，但是，在外墻上安裝技術要求相對較高，要保證設備的正常使用，同時也要確保人們在安全方面不受其影響。室內通風及采光的利用是通過建筑物內外相互連通，保證室內的自然通風，同時綜合考慮室內太陽照射程度，為環境建設與資源節約提供重要平臺。城市環境綠化技術綜合考慮到城市的環境綠化，引入綠化植物、人文生態等因素。利用植物蒸發，降低建筑的外層溫度，達到降低能耗的良好效果。向著低碳經濟的方向發展，建筑表皮與風能利用的融合也體現了人類與大自然的和諧共處的需求，綠色環保的節能設計將是建筑行業未來發展的主要趨勢。

3 總結與建議

城市高層建筑的聚集和分散是城市空間形態中較為主動的力量，引導著城市三維形態特征的演變。高層建筑形體的優化設計要擔負其整個城市建筑的功能布局、配套設施、城市交通以及積極的空間形態的有效控制和引導。城市高層建筑的規劃布局與配套實施的科學搭配，注重高層建筑頂部造型的規劃設計，控制高層建筑的細部設計與規劃。高層建筑與風能二者融合有效的實現了城市外在形象的展示與資源的實踐共享，全面的推動了城市的綜合發展。

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