高层建筑相比低、多层建筑有更多的建筑外表面，在抵御环境的热、冷辐射过程消耗更多的能量，高层建筑形态的许多要素和指标直接与耗能关联，如体型系数，各个朝向的外墙面积比、表皮界面的热工性能，等等。以下将从形态要素与能耗的关系加以归纳。
1. 平面形式与辐射能耗
（1） 基本平面形式
高层建筑的基本平面形式有方形、圆形、矩形及三角形四种，不同的平面形式对高层建筑的能耗影响有所不同。美国学者Jong-soo Cho在同一地区对四种不同平面形式的能耗关系作了实验比较[1]。实验的前提是将建筑的标准层面积、服务核的面积、建筑体积、室内空调系统及开窗面积均设定相同，得到的分析结果见 表2—1。从表中可以看出，建筑在夏季的7月、8月和冬季12月、1月，圆形平面形式比其他三种平面形式的月能耗总量低，特别是制冷和采暖的能源消耗，而三角形的能耗量是最多的。
由此，可以得出：当不同形式建筑平面的面积相同，其形体的围护表面积越大，吸热与散热面就越大，对能源的消耗就越多，在四种基本的平面形式中圆形的形体外围护表面积最小，所以能耗最小。
表2—1 四种基本平面形式的月能耗比较 （单位：KWh）
（续表）
资料来源：陈飞，高层建筑风环境研究
（2） 服务核
高层建筑中，服务核包括垂直交通空间和附属空间（卫生间、设备间等），服务核的位置决定建筑空间的布局，合适服务核布局有利于建筑的节能。服务核的布置有四种模式：分别为布置在建筑的东向、西向、北向或靠近平面中心的位置。不同的位置对建筑室内的能耗影响是不同的，服务核布置在东西向时可以有效地抵挡室外的太阳辐射，避免室内温度升高；布置在北向时有利于建筑冬季的室内热量的保存，但在夏季则影响建筑的通风；服务核布置在中心位置时，南北空间划分阻碍了气流的串通，对建筑的热环境最为不利，这种模式下应该通过走廊将南北两侧贯通以促进通风。具体模式的运用应结合具体地区冬夏季采暖和降温的需求，在平衡各种利弊关系后进行选择。
服务核有三种布置方式，分别为中心核、双核和单面核三种，其中双核的布置方式是最优的，将服务核布置在平面周边有以下优点：不需要防火的压力管道，降低了初始费用和运营费；电梯间有良好的视线景观， 增强其场所感；建筑使用空间的分割更具有灵活性；能使电梯间获得自然通风；楼电梯间可以获得自然采光；当建筑整个动力系统出现故障时更安全；形成遮阳和挡风的缓冲区。
2. 建筑体形对能耗的影响
建筑的体形对能耗的影响由体形系数决定，体形系数是指建筑外表面积与建筑体积的比值，它直观反映了建筑单体外形的复杂程度，有关节能标准对不同气候区建筑体形系数有不同要求。高层建筑层数多，外围护墙体能耗量大，占整个建筑能耗的25%左右，因此控制建筑的体形系数成为节能措施的重要方面。
体形系数越大，在相同室外气象条件、室温设定、围护结构设置等条件下，单位建筑物空间所分担的热散失面积越大，能耗越多。有研究资料显示，体形系数每增加0.1，耗热量指标就增加0.48—0.52 W/m2 [2]。欲增加建筑的体形系数应增加围护结构的保温能力。在常见的平面形式中，圆形平面可以拥有最小的外围面积，其次是方形（图2—1）。
图2—1 以立方体为基准，不同建筑形体相同体积，外界面的差异
图片来源：梁呐，高层建筑的生态设计策略研究
美国著名景观设计师、规划师、生态规划的倡导者麦克哈格在《设计结合自然》一书中，根据世界四个主要气候带提出相关具有普适性意义的概念与原则，指出纬度较低的地区其建筑需要较为扁平的平面比例，以减少东西朝向的表面积。例如，热带地区建筑东西向面宽与南北向的合适比例为1 ： 3左右，纬度越高的地区这一比例就越小；而寒带地区就以1 ： 1左右为佳，如果使用圆柱体形式，可以最大限度地获取日照[3]（图2—2）。(www.xing528.com)
图2—2 不同气候地区最适宜的建筑比率
图片来源：梁呐，高层建筑的生态设计策略研究
体形系数小有利于建筑空间的紧凑布置，流线较短，能减少建筑的交通空间，同时减少了建筑的耗材、能耗等。所以，如何控制或降低建筑的体形系数是减少建筑能耗的一个重点。在高层建筑中，通常可以通过以下途径来减小建筑的体形系数：① 选择体形系数小的平面，且形体不宜变化过多；② 加大建筑进深，减少建筑面宽；③ 规整建筑体形，集中建筑体量，减少墙面的凹凸与架空层。
3. 建筑朝向对能耗的影响
建筑朝向的选择会直接影响建筑使用过程中的能耗，因为朝向和通风、采光及日照等有直接的关系。建筑朝向选择的原则是夏季能利用自然通风并防止太阳辐射，冬季又能获得足够的日照并避开主导风向。而不同气候特征朝向的选择是有差异的，在我国，北方建筑朝向以南向最佳，东西向次之，北向应尽量避免，其中东向又优与西向；而南方地区建筑朝向宜采用南北向或接近南北向，冬夏两季，建筑朝向以南向最佳，北向次之，东向优于西向，西向应尽量避免。
对不同朝向的建筑平面进行冷负荷能耗分析（图2—3），同样平面形状的建筑，南北向比东西向负荷少，当外墙面积之比为2时，东向负荷增加了35%；当外墙面积之比为3时，东西向负荷将增加60%。因此，高层建筑在满足规划要求的日照间距的同时，夏季制冷时尽量争取阴影保护，避免太阳直射，以减少空调负荷。
图2—3 不同朝向的冷负荷比较
图片来源：卓刚，高层建筑设计
4. 日照辐射指数对能耗的影响
以上海地区气候条件为例，通过计算机模拟，定量计算不同朝向与形态高层建筑外表面在日照辐射下接受的日照辐射量，得到以下结论。
（1） 对于同样建筑体量，当采用长边南北朝向时冬季辐射量大，夏季辐射量小，方差小，极大值出现在春秋季，即冬暖夏凉；而采用东西向时冬季辐射量小，夏季辐射量大，方差大，极大值出现在夏季，极小值出现在冬季，冬天冷夏天热。通过定量计算分析验证，可见上海地区南北朝向的建筑在日照辐射方面优于东西朝向。
（2） 规整形态的高层塔楼冬季辐射量大，夏季辐射量大，冬天暖和夏天热；自由形态的高层塔楼冬季辐射量小，夏季辐射量小，夏天凉爽冬天冷。二者方差相近，辐射量的主要变化趋势相同。总体而言夏季自由形态高层塔楼优于规整形态高层塔楼，冬季规整形态高层塔楼优于自由形态高层塔楼。
5. 日照辐射与外部风环境的权衡因素
同样以上海地区气候条件为例，模拟评价获得日照辐射与外部风环境的权衡因素方面的结论为以下两个方面。
（1） 相同形体的东西朝向建筑与南北朝向建筑在风环境模拟测试与日照辐射模拟测试中所得的指标相抗衡（在日照辐射模拟实验中，上海地区南北朝向的建筑优于东西朝向，而在外部风环境中则相反）。可见，在建筑设计初期，建筑师就需要对这两个指标进行平衡；同时，接近方形平面的建筑较好地平衡了这两个影响建筑生态性能的指标，这也与一般意义上的节能建筑平面多为方形或圆形相吻合。
（2） 对比相同体量的规则建筑与带侧向扭转建筑可以发现，带侧向扭转的建筑形体在维持室内设定温度的过程中需要克服的室外风带来的热工荷载较小。这种扭转建筑形态不仅在风环境模拟下呈现优势，同时在日照辐射模拟实验中也体现了其生态性能的优势，这为日后研究自由形态建筑指出了新的 方向。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
