高层建筑中自然通风的应用及效益策略

通常认为高层建筑由于高层梯度风的影响，加上平面进深较大且内部有交通核心筒阻隔，往往较难组织自然通风。但在高层建筑的设计实践中，许多案例足以证明，通过形态组织手段实现自然通风的可能性和有效性。

5.1.3.1　深圳建筑科学院办公大楼

深圳的气候特点与上海相似，也属亚热带海洋性气候。夏季常年主导风向同为东南风，夏长冬短，年平均气温为22.5℃，从气温角度上讲拥有优于上海的自然通风条件。因此，上海与深圳在建筑设计策略方面有很多共通之处。

深圳建筑科学院办公大楼位于深圳市福田区梅林片区，地上12层，地下2层，建筑面积1.8万m2。形体设计采用了功能体块叠加的方式，将内部功能直接反映在形态上（图5—6）。

在生态节能设计方面，建科大楼主要运用了节能围护结构、自然通风、节能空调系统、新风热回收系统、CO2控制、低功率密度照明系统、规模化可再生资源等生态手段。

建筑自然通风的设计建立在严谨的数据监测之上。场地研究阶段，设计人员建立了监测站，利用得到的数据通过CFD软件对建筑进行风环境的数据模拟（风压、空气龄等），进而指导窗墙比、开窗形式的设计。建筑6层是通透的空中花园，7层以上平面呈“吕”字形，开口方向为东向稍偏南，正对主导风向。内部平面布局采用了大空间、多通风开口的方式。这些手段都利于营造室内舒适的风环境。

表5—4列出了建科大楼各个立面的开窗形式。可以看出，为了达到最好的通风效果，窗扇的开窗方向都是迎向主导风向的：A、D两个北立面的窗户都选用了左开的方式，C、F两个南立面的窗户都采用了右开的方式，B、E两个东立面的窗户都采用了立式转窗的方式（图5—7）。

图5—6　深圳建科大楼外观

图片来源：网络下载

表5—4　各立面外窗形式

资料来源：作者改绘自《绿色建筑共享——深圳建科大楼核心设计理念》数据

深圳建科大楼目前已经初步实现了建设目标，达到了我国国家绿色建筑三星级评价标准、美国LEED金级要求，每年相对于常规办公建筑减少机械运行费用约150万元，其中电费145万元，水费5.4万元^[7]。

图5—7　中悬窗（左图）、利用立式转窗实现自然通风的报告厅（右图）

图片来源：网络下载

5.1.3.2　法兰克福商业银行大厦

位于德国的法兰克福商业银行大厦，是现代建筑大师诺曼·福斯特的作品，也是生态高层办公建筑的经典之作。

商业银行大厦共53层，楼高300 m，选取了三角形平面，其三个顶点是三个独立的筒体形成的“巨形柱”，柱间以钢框架形成的“矩形梁”，构成了大楼的主体结构，每两柱间形成办公空间，三角形中央为一高大的中庭 （图5—8）。为了使中庭组织自然通风的效果最佳，通过风洞试验辅助，设计师设置了四个四层高的空中花园，使得中庭在各个高度都有进风口和出风口，自然风分布更均匀，且中庭上部不至过热。空中花园的外表面是双层玻璃幕墙，内表面幕墙设可开启窗，室外气流经过外层通风口进入165 mm厚的空气间层，使室内不会受到高层风的影响。中庭内种植了大量花园植物，用以调节整个中庭内的局部环境，同时为使用者创造了能够与自然亲密接触的人性化空间。植物、双层幕墙、中庭、空中花园系统性地构成了办公大楼的“肺”，诺曼·福斯特称这一设计为“世界上第一个活着的、能够呼吸的高层建筑”（图5—9）。

(www.xing528.com)

图5—8　法兰克福商业银行大厦鸟瞰图（左图）、平面图（右图）

图片来源：网络下载

图5—9　法兰克福商业银行大厦自然通风设计

图片来源：网络下载

自然通风系统的智能控制由建筑管理中控系统（BMS Control）来实现，每个办公室的通风、照明、温度等均通过感应器反馈给中控系统，再由系统调整到最舒适的状态。

虽然建成和使用都已有一段时间，法兰克福商业银行大厦却依然是高技派、生态及可持续建筑的经典代表。

5.1.3.3　柏林GSW总部大楼

GSW总部大楼位于德国柏林（北纬52.27°），由索布鲁赫·胡顿设计。这个基地原先有一幢17层的办公建筑和一幢3层的低层建筑，新建筑为扁形22层办公建筑。当地气候为夏热冬冷的大陆性气候，夏季最高温度35℃，冬季极端气温可达—25℃。这一建筑在使用中验证，可实现全年70%时间的自然通风（图5—10）。

新建筑位于原高层建筑的西面，因此缓解了原建筑存在的日照和风环境问题。新建筑的西立面安装了太阳能管，兼具能源利用和缓解风压的功能。平面布局形式为中央走廊。

图5—10　柏林GSW总部大楼

图片来源：《智能建筑外层设计》

该大楼的生态设计是以自然通风为核心的低耗能策略，主要构成是西立面的双层围护结构，它既能减少外墙的热能损失，又是热能管道，基于热压原理带动内部气流循环。西侧双层玻璃墙体中，装有底部固定、向外开启的窗扇，控制双层幕墙空腔和建筑内部的通风。空腔内侧装有可转动和竖直滑动的挡风板，18%的挡风板上留有气孔，以控制空气流速。东侧的围护结构为三层玻璃，中层为百叶窗。在寒冷的冬季，由高标准的风箱提供通风，中心的竖向挡风板允许向东侧分隔的办公室单向通风（图5—11）。

图5—11　柏林GSW总部大楼通风方式示意

图片来源：《智能建筑外层设计》

由于建筑较高，通风设计时需要考虑穿堂风过强和不可预测的高层紊流风流，因此设计师在建筑西侧外表面的玻璃幕墙系统中设计的缓冲器，太阳能管能在无风时刺激辅助通风装置开启，在风压较大时缓解流经办公室的气流。当室外气候处于极端天气时，窗户紧闭，机械通风装置可以满足空气交换需要。建筑空气通过楼层从中央控制室，流经竖向通风管垂直运输，向功能性房间流动，借助旋流式扩散设备进入高架楼板系统。每个楼层都即可以自然通风，又可机械化通风。选择哪种方式运转大厦的通风系统，由智能化中央管理控制，但于此同时，墙上还安装了简单的控制装置，使办公人员也能选择自己的工作区域的通风方式。

整个建筑没有使用制冷系统，当夏季极端天气出现时，建筑启动喷水装置和干燥热循环进行降温。干燥热循环所需热量是当地电网的发电副产品。