風環境視角下的參數化高層建筑設計研究

摘要 近年來，“參數化設計”在建筑領域中越來越受歡迎，氣候適應視角下進行參數化建筑設計，應當建立在正確的環境分析基礎上，讓氣候適應性解決思路成為一種常規思路。當參數化設計在準確建立各種非線性的建筑造型的同時，更應當結合設計所在地的氣候、環境等一系列條件，對綠色建筑的發展以及資源的節約作出更大貢獻。以高層建筑設計方案為例，模擬與分析了風環境下可行的參數化表皮設計，學習其基于氣候適應性策略的建筑設計方法，為以后能更好地設計出適宜的居住建筑積累設計經驗。

關鍵詞 商業綜合體; 參數化設計; 表皮; 氣候適應; 風環境

中圖分類號 TU201.5 文獻標志碼 A

1設計目標以及背景

1.1目標

本文研究的目的是在寒冷地區高層建筑設計中，探究高層綠色建筑中自然通風的設計策略，從建筑合理的朝向和建筑平面設計兩大方面出發，提升建筑的自然通風品質，為寒冷地區高層綠色建筑通風設計提供參考。本次風環境的模擬對建筑朝向和平面布局進行優化設計，結合寒冷地區氣候特點，探索建筑設計中的可持續發展。

1.2選擇從風出發的原因

高層商業綜合體在城市發展的過程中起到重要作用，但空間環境不盡如人意。戶數多，空間緊，空氣質量差，不具備通風條件。對于多數高層建筑，有較長的通風路徑，形成的阻力相對大，簡單的風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系統，實現高層建筑的通風［1］。但是過多地使用機械通風設備，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。

1.3現階段高層建筑存在的問題

（1）位于背風向房間即使打開門窗，室內空氣仍不流通。

（2）輔助空間通風條件差，因空氣條件差，廚房、衛生間的濕度大， 若濕氣沒有及時排出，室內環境則難以改善。

（3）容積率高而綠化率低。高層建筑形成的風影區，對周邊建筑物的通風不利。

2基于風環境視角下的模擬與分析

2.1該地區氣候特征分析

首先應對該地區的基本風環境進行模擬，夏季和冬季的風玫瑰圖如圖1所示。風主導風向與風頻大約相同（東北西南）。夏季盛行西南風，冬季盛行東北風，東北方向風速大。歸納出寒冷地區在通風上應注意的問題：

（1）冬季建筑物注意防風，滿足在風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;在建筑南側布置使用房間，多開南窗，以促進自然通風。

（3）在建筑北側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）建筑的開間應盡可能垂直于主導風的東西方向上，獲得最大的自然風。

了解洛陽市基本風向以及認知寒冷地區通風應注意問題的前提下，針對基地風壓進行模擬（圖2）。

由圖2可以看出，場地內部存在風影區。迎風面有漩渦，高層建筑附近的風速相對較小，整體的通風條件較弱。隨著高度的增加，建筑背后所形成的風影區隨之逐漸增大，風環境會更加不利，建筑下行風更加嚴重。建筑面寬的增加導致風影區擴大，還會增強建筑角流風，為了減少高層建筑形成的風影區域，進行以下優化策略分析與模擬。

2.2優化目標 1：選擇合理的高層建筑朝向

室外靜風區有諸多缺點：春秋季節，廢氣無法擴散，導致地面附近空氣質量較差；夏季不利于散熱，給使用者造成不良的感受［2］。因此，設計要避免較大的室外靜風區。采用的塔式高層建筑形體，會形成各個方向上的風壓。那么塔式高層的扭轉角度至關重要。應該通過模擬的方式，來確定最佳的扭轉角度（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，風壓最為適宜，高層建筑形成的靜風區最小，因此采用此條件下高層建筑的排布方式。

2.3優化目標 2：平面“綠色共享空間”（開口）位置確定

“天井”又稱“共享空間”，因其良好的通風特性及結構特征被廣泛應用于各類建筑中。在環境風的作用下，高層建筑表面會分布著不同大小的壓力，從而影響建筑內的氣體流動。建筑高度越高，風速越大，墻面的壓力越大，迎風側的墻面會形成向內的風壓，背風側和側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，避免過多的機械通風。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。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，可以在某一層設置活動平臺或其他空間，打斷通高的天井，形成一種創新型的開口布局（圖8）。

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

可以看出，開口位置的風速顯著提高，達到2.3 m/s，不再是大面積的靜風區，這表明了建筑后的風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影區。天井的設置可以與周邊風環境良性互動。天井的風流速增大時，流速帶來的動能為天井周邊的建筑表面形成良好的風壓分布，可以使建筑內外表面形成正負壓，加強室內空氣循環。

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

在設計中，選擇采用一個折疊向上的形體，這樣折疊的形體優勢：將迎面吹來的風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流體的阻尼，化解建筑附近形成的部分迎風面渦流（圖11）。

2.4優化目標 3：選用適宜通風的平面布局

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

開敞式走廊也應具備一定的條件：

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

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

3參數化建筑表皮生成邏輯

在已有優化目標以及策略的條件下，對建筑表皮進行參數化設計，在建筑表皮中，引入傾斜的導風構件。導風構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的自然通風。通過變換遮陽板和挑檐的角度，從而作為風的導流板。尤其是在風向投射角度較大，不利于自然通風的情況下，通過導流板來改變風向，從而增加圍護結構進氣量，自然通風將很明顯的被引入室內［5］。

由此，希望將自然風引入室內，而避免室內過多的機械通風，通過參數化設計流程，設計出了一種“智能化”綠色構件。通過建筑體塊上的風壓分布，風壓大的地方有著較大的開窗面積；風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風構件將自然風引入室內。生成的立面形式以及立面形體的細部構造做法如圖13～圖15所示。扣板的旋轉角度根據風壓大小的不同而不同，充分與自然風相結合。也引入了智能化概念，即表皮開窗的可調控性，在細部構造圖中，交界處均采用了圓形或方形滑塊。整個結構最右側則連接風感器。即在每天固定時間段，根據當日的風速風壓狀況對開窗大小進行調控。這樣就更好的與當地的風環境結合，更環保而提高內部使用人群的舒適度。

4軟件的使用以及具體參數設定

參數化表皮采用 Rhino6 中的 Grasshopper6，設定參數與建筑表皮風壓大小相適應。風玫瑰模擬采用Grasshopper 中的 Ladybug，場地風壓的模擬采用 Grasshopper 中的Butterfly 插件，該插件旨在將幾何圖形快速導入到 OpenFOAM，并運行對建筑設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模擬采用了綠建斯維爾，這是一種基于CDF流體應用軟件，對參數進行了固化處理，簡單易學，模擬準確。模擬中基本參數設定見表1。

5設計結果的總結與展望

自從2019年新冠疫情爆發以來，室內通風換氣對預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組織設計提供參考。在這次高層建筑設計中，一直在思考什么樣的參數化設計能夠合理應對自然風環境，這種氣候適應性的參數化設計也是目前建筑師應對能源短缺問題的相對有效手段。如今，應對風環境有很多的改善措施和手法，比如這次高層商業綜合體設計中的參數化立面的設計方式。在未來建筑行業的發展中，每一個設計方案都應將氣候這一要素納入其中，都應始終貫穿著綠色建筑的觀念。在建筑設計中，不能僅僅依靠發達的科學技術，更應該注重設計過程中的思維歷程，才能設計出真正與其后相適應的參數化節能建筑。

參考文獻

［1］劉鋒權. 高層建筑通風系統設計與實現［J］. 城市建設理論研究（電子版），2011（32）：1-2.

［2］應小宇，任昕，闞琪，等. 風環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］. 西安建筑科技大學學報（自然科學版），2018，50（6）：884-889，900.

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

［4］項衛中，趙俠，李順. 超高層建筑通風走廊對新排風系統的作用［J］. 暖通空調，2014（3）：100-104.

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