被風吹過的高塔——綠色建筑解讀

吳志堂，張婷婷 （溫州職業技術學院，浙江 溫州 325035）

1 概 述

建筑環境包括建筑形體、建筑周邊的環境形態、建筑結構、建筑群組等諸多特征，其中，風與建筑形體的關系為建筑設計研究的重中之重。風一般會對建筑產生兩種壓強，一是建筑迎風面的正風壓，正風壓會使建筑產生向上和向建筑背風面的推力，使建筑產生偏移；二是建筑背風面的負風壓，使多數建筑屋頂所受的力呈“凹凸”狀，使建筑產正橫向振動。

對建筑室內環境而言，在夏季進行自然通風，有組織的進行被動式空氣交換，可以給室內降溫和保持所需要的新鮮空氣，避免在室內形成空氣的死角和漩渦。要使建筑會“呼吸”，可以通過開窗通風、煙囪拔風、熱壓風壓混合通風的形式更換室內的空氣。在建筑的朝向上，應使建筑與夏季主導風形成30度左右夾角，以便使涼風能到達每棟建筑，不至于形成過多的漩渦和死角。下文筆者結合研究的微薄見解認識，通過四案例來談談高層綠色建筑對風能的利用，也即自然風對建筑內外環境的調節。

2 高塔案例風之解讀

2.1 巴林世貿中心（BWTC）

巴林世貿中心位于巴林首都麥納麥，是巴林首都第一座真正的智能化建筑。建筑高240m，平面為橢圓形，建筑整體造型為帆狀雙塔。建筑主要由建筑大師Atkins設計，結構由南非建筑師Shaun Killa負責設計。BWTC是世界上首座將風力發電機組和大樓本身的造型相結合的超高層建筑，其相繼獲得2006“阿聯酋綠葉獎”頒發的“大型規劃中技術使用最佳”獎和“阿拉伯建筑世界”頒發的“可持續設計獎”。

Atkins設計在雙塔之間建立三根橫向分隔軸，分別安裝在第16層（60m）、第25層（98m）和第35層（136m）處，每根橫跨橋梁重達75t，風力發電渦輪機直徑達29m，和其相連的風力發電機固定在橫跨橋梁上。渦輪機引進海風，子塔充當渦輪機的機翼，塔樓的弧形設計也提高了風從雙塔中間穿過的速度。

圖1 方形和曲面對氣流的影響

圖2 南面主導風穿過PRT

圖3 能量塔空氣更換示意

塔的造型在豎向高度上隨著海岸風的加速慢慢縮小，以此來減小塔頂的風壓，從而使三座風渦輪機獲得同樣的風速。BWTC擁有許多可持續的特征，理解和掌握這種建筑趨勢是建筑設計成功的關鍵。巴林世貿中心并不單單是圖紙中的綠色建筑，大量的風洞實驗也證實了其空間造型與氣流之間的關系，即氣流近似“S”形流動。“S”行的氣流將確保無論是在中央軸線上，還是在軸線邊界上都有持續的氣流來使風力渦輪機運轉。兩側塔作為風力渦輪機的機翼，橢圓形的造型促使風往中間鉆的同時加大流速。

方整的建筑會破壞氣流的通暢使氣流紊亂，從而降低風力渦輪機的效率，甚至使渦輪機失效。因此，設計時應考慮建筑做曲面或者管道來保持渦輪機的氣流通暢。BWTC兩側的子塔使氣流集中到兩塔之間，又不破壞流向，其對風的利用率比普通建筑高出很多，見圖1。

這樣，風力渦輪機的潛力將得到大大提升。BWTC是世界上首次在建筑上建造巨型風力渦輪機的高樓。在大樓上安裝巨型渦輪機的昂貴造價（占建筑總造價的30%）成為過去開發渦輪機的首要問題，而在巴林世貿中心上安裝最新開發的渦輪機，其造價只占了建筑工程總造價的3.5%。

2.2 珠江大廈（PRT）

通過融入最前衛的綠色技術和良好的工程條件，在SOM和廣州市設計院的合作下，約21.41萬m2的廣州珠江大廈給可持續設計重新下了定義。309m高的建筑體形在設備層向主導風開了兩個洞口，這兩個洞口可以使風通過風力渦輪機從而為珠江大廈產生能量。塔的設計也融入了其他一些列綜合可持續的工程元素，包括太陽能板、雙層幕墻、冷凍吊頂系統、地下通風系統和日照采光系統，這些綠色技術將有效的為珠江塔供能。

PRT綠色技術中最具創新性的是風力渦輪機組利用從南面吹來的主導風，而在其他高層建筑中，常常會因為風對建筑背面（北面）產生的負風壓，避而諱之。珠江大廈的曲線結構使風穿過四個渦輪機組的正面。SOM在對風的研究中預測這種結構造型將使風的速度提高2.5倍，弗雷謝特估計渦輪機將產生將近是普通標準的發電機15倍的能量。更值得一提的是，風力渦輪機置于建筑結構層彎曲的空腔內，巧妙的吹進塔身里面，見圖2。

風在建筑迎風面產生正風壓，而經過建筑周邊和建筑頂部的漩渦風，會在建筑背風面產生很大的負風壓。換一個角度思考，如果讓風從建筑身上穿過，被強加在建筑正面的風壓就會減弱，背風面的負風壓也不至于那么強。PRT充分利用了這一點，長條的建筑平面長向朝南，在里面開4個風洞不僅給建筑抗風減輕負擔，還利用其穿過的風發電給大樓提供能量。

PRT和BWTC一樣，在建筑設計過程中，SOM也對珠江大廈進行了充足的模擬實驗。以PRT實體模型為基礎，穿過珠江大廈4個孔洞的氣流在風洞實驗中被反復驗證。如果風迎著建筑表面垂直射入，穿堂而過的風速會減小，如果風以一個任意角度穿過建筑，風速反而會增大，在孔洞中放置豎向軸風力渦輪機能更有效的利用風能。

總的來說，珠江大廈有以下不同于巴林世貿中心的幾個特點：

①具有創新性一面的是大樓采用豎向軸風力渦輪機發電；

②立面上，設備層位置南北兩面均有4個6m×6.8m的大型風洞；

③由于卻少通風井和通風風扇，在建筑上開洞是有必要的；

④建筑開貫穿建筑的洞，洞口形狀可以使穿過大廈的風速提升；

⑤選址上，建筑長向垂直主導風，以使之能最大幅度接受氣流；

⑥這樣開洞在很大程度上減少了施加在建筑上的風荷載；

⑦開洞和幕墻彎曲都是為了減少風荷載。

2.3 迪拜國際金融中心（DIFC）

ATKINS設計的巴林世貿中心在為綠色建筑開辟一條新路的同時，其建筑造型色彩都讓人耳目一新。而在這個案例中，Atkins要設計的不僅僅是400m高的迪拜國際金融中心（DIFC），而且還要兼顧設計DIFC的建筑、結構、風水電和可持續設計。

和巴林世貿中心一樣，DIFC也將采用直徑29m的風力渦輪機，不過這一想法還在可行性研究之中。如果采用這一設計，ATKINS將要重新整合像巴林世貿中心（也由ATKINS設計）一樣的大型頂尖風力渦輪機，而這一設計還不能停留在巴林世貿中心一樣的水平，還要在它的基礎上使綠色節能技術上一個新的歷史臺階。

DIFC頂部120m高的塔內安裝了3個直徑為29m的風力渦輪機，這一布滿建筑立面的風力渦輪機將會是第二次用于建筑設計。而迪拜國際金融中心和巴林世貿中心不同的地方之一在于前者需要克服西北風帶來的不利影響。

2.4 阿布扎比國家能源公司

阿布扎比國家能源公司（能量塔，Burj al-Taqa）以古老的波斯建筑風格為原型，建筑側面的開窗像煙囪一樣能引進涼爽的空氣，密度大的冷空氣往下沉，進而取代較輕的熱空氣。盡管迪拜的天氣很熱，但是這樣的處理手法也創造了舒適的居住空間。

此塔將在屋頂放置一個直徑約60m的巨型風力渦輪機，使用傳統風塔原理，即用風自身的流動使室內空氣流通和利用風發電。沿著吹的方向會在建筑的背風面產生負風壓，所以能量塔才能利用風力排出建筑內部的廢氣。建筑負風壓面的百葉會經過計算后自動打開，然后使廢氣排出建筑。由于能量塔的圓形平面和雙層立面，廢氣能通過塔上打開的百葉進入兩層立面隔墻之間，從而流暢的排出塔外。能量塔的設計原理符合自然規律，其風能利用方式能在全球普及，見圖3。

能量塔最終的概念是基于長遠的考慮，減少施工造價和提高舒適度。對當地的條件來講，這是一種引進的新的技術，這種技術將為中東的發展改頭換面。

3 對比解讀

阿特金斯設計的兩棟高塔有其共同點也有不同的地方。巴林世貿中心和迪拜國際金融中心的鋒利渦輪機幾乎一樣，其放置的位置都在建筑外部，為水平軸渦輪機。不同的是巴林世貿中心將風力渦輪機和發電機都放置在兩邊子塔中間的橫梁上，而DFIC則把渦輪機放置在塔頂。SOM設計的珠江大廈相比阿特金斯設計的兩棟高塔，因為地域和氣候關系，前者對風的利用不是很充足。和DFIC一樣坐落在迪拜的阿布扎比國家能源公司大樓設計之初就定義為世界上第一座完全自給自足的建筑，其使用阿拉伯傳統風塔的原理并沒有讓建筑實現變得簡單，其方案仍然在修改階段。

4 結 語

四高塔的設計為我們提供了優秀的風能利用示范，值得建筑設計者學習借鑒。綠色節能是建筑設計越來越明顯的趨勢，掌握節能技術的同時還需要了解綠色設計的可行性。要使更多的建筑達到真正綠色節能的標準，使建筑在整個生命周期中更加節能環保，還需要付出更多的努力。

[1]Dr.Abdel-moniem El-Shorbagy.Design with Nature:Windcatcher as a Paradigm of Natural Ventilation Device in Buildings[J].International Journal of Civil&Environmental Engineering,2010(3).

[2]Roger E.Frechette III,PE,LEED AP.&Russell Gilcherist.Seeking Zero Energy[J].Civil Engineering,2009(1).

[3]Richard F.Smith&Shaun Killa.Bahrain World Trade Center(BWTC)：The First Large-Scale Integration of Wind Turbines in a Building[J].Design Tall Spec,2007(16).

[4]詹姆斯·安布羅斯.建筑物在風及地震作用下的簡化設計[M].北京：中國水利水電出版社，2005.