基于風力發電的高層建筑形體優化設計研究

孫曉銘 史南

摘要 探討高層建筑風環境，結合風電建筑的設計原理，提出高層建筑形體的優化設計策略，對規則幾何體、變形幾何體、群體形體的高層建筑形體優化進行初步研究，為風力發電高層建筑形體優化設計提供參考。

關鍵詞 風力發電；高層建筑形體；優化設計

中圖分類號 S26 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）27-09461-02

早在18世紀，歐洲就開始使用風車和帆船，人類在當時就已經開始利用風能解決生活中的實際問題。例如，當時的荷蘭擁有將近一萬臺風車晝夜不停地運轉。伴隨19世紀風力發電機的發明，接踵而至的是風能被廣泛利用。 20世紀70年代，隨著能源問題的加劇，風力發電逐漸開始了商業應用，往往設置在城市的邊緣地帶，但隨著發達國家對于風力發電在高層建筑上的研究的不斷深入，風力發電在高層建筑上的應用被推廣開來，而我國在這方面的研究和實踐還處于起步階段。筆者試從高層建筑形態與風力發電的適應性入手，探討有利于風力發電的高層建筑形態的優化設計^[1]。

1 高層建筑形體及其風環境

1.1 高層建筑周圍風環境的組成

高層建筑對于風的阻擋作用較為突出。風在和高層建筑接觸時，受到高層建筑的阻擋，一部分越過高層建筑的頂部和側邊流向建筑后部，另一部分則在高層建筑的迎風面形成下沖風，同時形成迎面的渦流區。根據高層建筑周圍的風環境以及氣流的變化方向，可以將風環境分為兩大類型：分流風和回流風。分流風包含了建筑邊角側風、開口部風、穿堂風、下沖風；回流風可以分為迎風面逆風和風影區渦流^[2]（圖1）。

1.2 不同形體的高層建筑主導風環境

穿堂風是高層建筑分流風的一種類型，是氣象學中空氣流動的一種現象。由于建筑物的迎風面與背風面形成了氣壓差異，以至于在樓體中有貫通的通道形成時，氣流會迅速通過此通道形成穿堂風。另外邊角側風使建筑物的邊角處形成大于周邊風速的現象，風經過建筑物的兩側繞過邊角區域，造成高層建筑邊角部位流體加速現象的產生，同時會產生渦旋分流的現象，導致風速急劇上升。在體型較寬的高層建筑中容易產生這種現象。

在組團式的高層建筑群體中，“狹管效應”與“風漏斗效應”也會形成較大的風速。“狹管效應”在氣流由開闊地帶進入狹窄的地形構成時形成，在組團式的高層建筑群體中經常發生。由于此效應的形成，組團內部的風速較快，更利于風力發電。“風漏斗效應”則是在建筑進行規劃布局時，高度相近的建筑分布在道路的兩側，而當兩側的距離是高層建筑高度的2～3倍時，就會形成此效應，造成風速迅速提高^[3-5]。

2 高層建筑形體對風機位置的影響

2.1 風機安裝位置 高層建筑的風環境有其自身的特點，而風機的安裝通常會選擇風阻小而風速大的部位，例如高層建筑的開口、邊角、屋頂等部分。

（1）建筑頂部往往風力較大，而且對于高層建筑形態的影響較小，風機高出屋面一定的距離，從而避免檐口處的渦流區，更有利于風力發電。

（2）樓身洞口根據穿堂風的原理，在高層建筑的中上部開口形成通道，讓高速穿過的風帶動風機運轉，此處風速提高，風力加強，形成了“穿堂風”，也更加適合安裝定向的風力發電機。

（3）建筑角邊由于風速在此加大，適宜安裝小型的風力發電機組，也可以將高層建筑的整個外墻作為受風體，成為風力發電的旋轉式的高層建筑。

（4）建筑“峽谷”區域針對高層建筑群體而設置，由于建筑形成組團時，可以產生“狹管效應”，風速在建筑的體量加大后得到加強，此處更加適合安裝垂直的風力機組，在占用空間較小的同時，增加了風能的利用效率。

2.2 不同形體對風機位置的影響

在對高層建筑形體的研究總結中，可以將其形體分為規則幾何體和變形幾何體，從風環境的影響角度出發，又可以將不同的幾何形體進行細分。規則幾何體包括了立方體、圓柱體、椎體；變形幾何體則包括扭轉體、切割體、漸變體等造型新穎的高層建筑形體，但對于風力發電的高層建筑而言，對變形幾何體的要求更加復雜。規則幾何形體的高層建筑風機的位置主要放置在建筑的中部和頂部，因此，規則幾何形體高層建筑的中部形體和頂部造型將直接影響風能在建筑中的有效利用。出于對高層建筑形體的美學考慮，建筑的邊角不放置風機。例如，邁阿密的COR大廈是規則形體的高層建筑，建筑采用多項的綠色技術，形成集住宅、辦公和商業等功能為一身的高層建筑，該建筑將風力機放置在建筑頂部的四面墻上，并安裝多個固定式水平軸風力機。大廈在2007年開工，2009間建成并投入使用。圓柱體造型的迪拜“能源塔”，68層，高322 m，大廈在頂部安裝了直徑為60m的風力發電機，采用了垂直軸風力機。風力機的造型與圓柱形的高層建筑形體非常協調，整個樓體能夠實現能源的自給自足。

對于變形幾何形體的高層建筑而言，風機的位置需要根據具體的形體造型考慮。例如迪拜的旋轉大廈，整個建筑的外墻面作為受風體，在選裝的樓層間安裝了48臺風力發電機，全年可發電60萬～120萬kW·h，整座大廈成為一個巨型的風力機組。

群體組合式的高層建筑風機的位置取決于高層建筑群體的位置關系，對于兩棟高層建筑組合而形成的形體而言，風機則處于兩棟建筑之間，通過將高層建筑形體調整為有利于產生“狹管效應”的形體間關系，通過建筑形體將風速提高，更有利于風機發電，產生更多的電能。例如巴林世界貿易中心的雙子塔，通過利用建筑形體來引導風的流向和流速，在建筑間安裝風力機，從而將風能轉化為電能。該高層建筑將雙塔間形成狹窄的風道，利用“狹管效應”增大了風速。而更多高層建筑單體組成的群體則要通過形體和位置的調整達到最利于風能的利用。

3 高層建筑形體的優化設計策略

3.1 規則幾何體的“微變形”

高層建筑受自身結構和功能的限制較大，其風能利用上的形體優化設計也必須考慮安全與美觀，在形體上進行細微改動是行之有效的處理方式。

3.1.1 貫通洞口。

由于高層建筑的高度和寬度的不斷加大，會給其周邊的風環境帶來極大的改變。通過在形體上采取貫通洞口的處理方式，可避免高層建筑受到風振效應和背部渦流區等不良風環境的影響。與此同時，通過設置風力機使流經此洞口的風能得到了有效的利用。通過此種處理方式，加強了風速，也為風機的安裝提供了合理空間。例如，廣州的珠江城大廈，由美國的SOM公司設計，目前是國內較為先進的引用了風力發電的超高層建筑，設備層的2個洞口設置在大樓的中部和上部，利用“穿堂風”原理進行發電。

3.1.2 曲面處理。

高層建筑形體的風機設置部分的曲面處理有利于形成局部“狹管效應”，使風速在與風機接觸之前得到提高。無論是在高層建筑的中部洞口處，還是在頂部設置風機，局部曲面化的處理都是力圖在風環境一定的前提下改善局部風速，從而優化形體并提高風能的利用率。

在建筑平面上，可以將建筑的平面設計為扇形，這樣的處理使高層建筑扇形形體的短邊處于迎風面，將迎面風匯聚于建筑的上風向，曲線型展開，使氣流按照設計的方向運動，有效控制了風向。

3.2 變形幾何體的頂部一體化設計

由于變形幾何體自身形體的復雜多變，要考慮風力機的工作原理和外觀。與規則的幾何體高層建筑不同，變形幾何體的頂部是風機設置的合理位置，在不影響其整體造型的基礎上，使風力發電成為可能。變形幾何體頂部的一體化設計主要注重兩個方面：一是整體形體的美學塑造；二是空氣動力學原理的合理應用。例如，迪拜的“能源塔”，在不影響其整體形態的基礎上，在建筑的頂部設置了垂直軸風力發電機。

3.3 群體的組合位置與形體的有效控制

3.3.1 高層建筑群體高度與間距的合理組合。

在進行高層建筑群體布局時，建筑的高度與間距是影響周圍風環境的主要因素，如果高度相近的建筑以間距為高度的2～3倍排列，便會產生“風漏斗效應”，可以使風速迅速提高30%。在巴林世界貿易中心的設計中，建筑師采用了環抱式開口的建筑布局，接受來自波斯灣的海風，三臺風力機為大廈提供了11%～15%的電力。

3.3.2 群體形體的有效控制。

設計之初就應考慮高層建筑群體形體的有效控制。在高層建筑群體的高度和距離得到合理化組合之后，群體形體的控制則需在設計者的愿想與風環境模擬間展開博弈。流線造型可以減少群體對于風速的減緩作用，規則形體從經濟效益角度考慮，更利于提高單體對于風能的利用效益。所以，對于群體形體的控制，需要在CFD等模擬軟件的輔助下進行有效分析，最終生成合理形體。

4 結論

高層建筑是我國未來城市發展建設中不可或缺的建筑類型，從能源節約與生態建筑的角度看，風力發電與高層建筑的結合是未來發展的趨勢。建筑風電的利用有利于保護生態環境和節約能源，但在設計上也存在很多未解決的問題。因此，在設計之初就應該把高層建筑形體與風力發電結合考慮，為建筑形體的選擇提供風環境的模擬依據。貫通洞口、曲面化處理等總是在力圖改善和優化建筑與風力發電的有效結合。同時，不同地區的風力資源條件不盡相同，宏觀亦或是微觀的條件都會對高層建筑形體的設計產生影響，因此，在當今建造技術進步，有能力去創造更為豐富和多樣的建筑形體的過程時，更應該與自然、生態等環境條件建立起有效的關聯。

參考文獻

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