高层建筑形态计，实现自然通风

高层建筑单体的朝向、形体、裙房形态等是影响室外风环境和室内通风效果的基础因素，不同的选型会导致建筑四周和不同高度风的运动模式。

5.2.1.1　建筑高度与自然通风

流经建筑表面的风由于其本身的阻挡，流至背风面形成漩涡区域，即风影区。涡流区的范围与建筑高度与长度成正比，与建筑进深成反比。当建筑高度（H）与进深（a）相等时，涡流区长度为；当建筑高度（H）是进深（a）的2倍时，涡流区长度为；当建筑高度（H）是进深的3倍时，涡流区长度为。涡流区的平面位置如图5—12所示。

图5—12　建筑风影区平面位置

漩涡区会造成风速损失，严重影响后排建筑的通风条件。因此，从通风角度上来讲，如项目在其他高层建筑附近，选址时应注意尽量避开涡流区位置，如不能完全避免，就应考虑其他设计策略弥补风速的损失；另一方面，也应注意建筑的形态布局，避免高层建筑自身产生的涡流区对基地周边现有建筑产生负面影响；如果建筑位于相对空旷的郊区，原基地风速较大，可选择涡流区范围较大的布局方式，减小风速和风压。

另外如果建筑比位于其上风向的相邻建筑高，则其平均高度宜小于上风向建筑平均高度的2倍。

5.2.1.2　平面选型与自然通风

1. 点式

点式高层，指平面宽度与长度基本相同的高层建筑。由于高层建筑垂直梯度上风环境变化很大，建筑越往高处，其承受的风荷载越强，不规则、不对称的平面形状会因高空风的作用而出现扭转效应，对建筑结构造成极其不利的破坏。中心对称的点式高层受到的扭转作用最小，地震时的偏心现象也最小，因此成为高层建筑最常用的一种平面基本形式。

常用的点式高层的平面可以细分为方形、圆形、三角形等（图5—13）。美国学者Jong Soocho对这三种平面形状加矩形平面的能耗情况做了比较。假设几种平面的高层建筑具有相同的底面积、体积、核心筒大小以及空调系统。得出结论：圆形平面的高层建筑由于外表面面积最小，耗能最少，其次是矩形、方形；三角形平面的高层建筑外表面面积最大，耗能最多^[8]。

图5—13　点式平面类型

基于空气动力学原理，圆形平面最能有效地化解高层风在建筑表面的扰动，建筑周围不良风最弱。

点式高层其形态本身对组织自然通风没有太大影响，实现自然通风的重点在于表皮、中庭等的设计。

2. “一”字形及“一”字形组合平面

平面宽度和长度不等的高层建筑，其平面可以简化地视为“一”字形平面。“一”字形平面接触风和阳光的面积大，适于自然通风和采光。但需要避免的是进深过大、走廊过长过封闭，不易形成穿堂风，造成内部通风不畅。可以在“一”字形中段适当增加通风口，增加天井或利用楼梯间做通风井，改善内部风环境。

“L”形平面、“T”形平面、“Y”形平面、“工”字形平面、“王”字形平面等可以视为一字形平面衍生出的一字形组合平面。一字形组合平面与一字形平面相同，容易获得较好的通风和日照，南向房间多，不足之处在于组合平面的转角处容易出现不良紊流，造成通风不畅，可以通过在转角处设置长廊或增加开口面积加以改善。

3. “U”形和“口”形

“U”形的开口不宜朝向冬季主导风向，且不宜过大。最好使开口朝向夏季主导风向左右45°范围内；若需反向布置，则迎风面应尽量开敞。

“口”形平面的建筑内部形成了内院或天井，用地紧凑。这种布局需要额外考虑风的导入，否则封闭的内院不利于风压通风。高层中的内院有高度优势，可以形成较高的热压差，配合顶部的出风口抽风，能获得很好的热压通风。另外，可以适当选择将建筑迎风面的底层架空，引入的风可以通过中庭使后部房间获得流动的气流。

5.2.1.3　细节处理与自然通风

高层办公建筑宜有弧形的、适于气流流动的外形。削角、角部圆弧化的处理，能够有效降低高层建筑的“转角效应”，降低风压，使建筑角部风速不至过强。减少极端风，会使进入室内的气流更易被利用。

诺曼·福斯特设计的德国法兰克福商业银行大厦，平面为三角形，角部削成弧形，有效降低了风速和风压，且在风环境较差的三个角筒设置电梯、服务等辅助空间，一则提高了空间利用率，二则提高了整个建筑的竖向刚度，减少偏心引起的扭转效应。（考虑到下冲涡流效应的影响，应避免将高层建筑迎风面设计为内凹的弧形。迎风面如呈外凹的弧形，能将更多的高层建筑周围的气流转移开来。而建筑的迎风面向内凹，会产生自上而下的更强的气流，对街道风环境极为不利。）

当建筑受基地限制，不能朝向夏季主导风向时，可以利用锯齿形平面导风，将主要立面的墙面做成锯齿状，使窗口朝向南或东南。也可以将房间分跨错开，利用挡风墙原理，组织正、负压力区，将风引导入室内。同理可结合建筑式样、立面绿化等进一步导风或减弱西晒。

5.2.1.4　建筑朝向与自然通风

日照和通风是决定建筑朝向的两个主要因素。对于上海地区来说，最理想的朝向选择，是使冬季时建筑的南向部分可以获得最多的太阳辐射，同时北向和西向不受冷风的不利影响。

具体的朝向选择参照以下原则：

（1）朝向的选择应优先考虑日照，其次才是通风。建筑可以采集到风的角度范围较为宽松（来风的左右45°角范围内），很多情况下，斜向进入建筑的风更有利于其在建筑内部的组织和均匀分布，且改变风的方向比改变阳光的方向容易得多，可以通过建筑形体和构件来导风。

（2）尽量使建筑的大立面朝向夏季主导风向，小立面朝向冬季主导风向，或与主导风向相对角的方向（呈20°～30°时最佳），可以最小化建筑热损耗，且明显地改变建筑周围的紊流气流流动方式，改善街道小气候。

（3）当主导风向与平面布置轴线呈0°夹角时，建筑内获得的穿堂风最大；呈45°夹角时，拐角风最大。

（4）当主导风向与平面布置轴线呈45°夹角时，环境风场中最大风速比0°夹角时的风速大20%～50%。

（5）当建筑基地被遮挡的现象比较严重时，朝向就不是节能设计的一个重要因素了。如果仅是下部被遮挡，那么上部依旧按照太阳能利用和自然通风的原则进行设计。

5.2.1.5　中庭设计与自然通风

中庭是一种简单实用的自然通风手段。由于高层建筑中的中庭高宽比大，类似一个被动式通风的大型烟道，可以在建筑内部形成烟囱效应，实现基于热压通风原理的自下而上的空气流动，改善通风效果；中庭能够明显改善建筑内向房间获得的日照；同时可以在办公建筑内部形成通透的共享空间，为人们的活动提供场所，同时开阔的视野配合绿植有助于缓和办公人员的心理压力。

建筑中面向中庭的房间通过独立的风道或可控通风窗的设置，结合可开启的中庭顶部，合理组织内部通风。点式平面、“一”字形平面也可与带有中庭的建筑平面相结合，各取所长。

1. 中庭的分类

中庭根据剖面形状，可分为上下垂直型、上宽下窄型（V字形）和下宽上窄型（A字形）。上宽下窄型，适用于靠近顶部的楼层，容易获得较佳的日照效果；下宽上窄型，上部的楼层能为下部的楼层提供遮蔽，同时这种剖面形式会使烟囱效应更强。

当建筑高度较高时，单一的贯穿上下的中庭在空间上会出现温度和气流的分层现象，且通高的中庭在一定程度上存在较为严重的消防问题，有利于通风的烟囱效应在此时反而加剧了烟气竖向蔓延，带来危险。从消防角度讲，中庭可分成以下几个类型（图5—14）：^[9]

图5—14　中庭的分类

（1） 线型中庭

线型式中庭类似于一个有玻璃顶的街道，经常应用于商业步行街，办公建筑中也有采用，也被称为“长廊式”中庭。线型中庭的两端是敞开的，属于半室外空间，具有良好的自然通风。(www.xing528.com)

这种中庭在防火设计上，要求室内设置自动喷淋灭火系统，屋顶的材料为不可燃材料（防火玻璃），且在玻璃顶上按面积要求设置可自动开启的排烟窗。

（2） 贴附式中庭

这种中庭一般是封闭式的，与首层相通，贴附与建筑的一侧，与建筑其他楼层有外墙分隔。它通常设计为一个有良好采光和视野的门厅或四季厅，对建筑内部功能房间的通风状况影响较小，不能很好地改善大进深高层建筑的室内风 环境。

此类中庭由于相对独立，在火灾时与其他各楼层相互影响的可能性较小，只需在中庭内单独设置排烟系统，并注意中庭与建筑主体的玻璃隔墙的选择要满足防火要求。

（3） 内嵌式中庭

内嵌式中庭是高层建筑中庭设计中可灵活运用的一种中庭形式，广泛应用在商务办公楼、商场、图书馆、医院、公寓、宾馆等公共建筑中。根据中庭与回廊、室内房间的关系，又可分为内置式、回廊式、隔离式、互通式。

① 内置式

内置式中庭处于建筑内部，中庭顶部是封闭的，不与室外直接接触。这种中庭通过房间或风道形成通风路径，不能获得较高的风速，但能通过与植物、辅助通风系统的配合形成局部小气候，灵活布置在建筑中需要的地方。

内置式中庭由于一般体积较小、相对封闭，在火灾时较不容易引起火势的大面积蔓延。

② 回廊式

回廊式中庭，是在上下贯通形式的中庭的基础之上，围绕中庭每层都设置环绕的回廊。这种中庭设计能过获得较大的公共空间，能为人的活动提供丰富的场所。此类中庭组织自然通风的可能性较大。

但回廊式中庭在消防要求下有很大的弊端，廊道在建筑中是非常敏感的部位，容易在火灾中使烟气和火焰蔓延到整个空间，它在防火分隔和材料耐火等级上都有很高的要求。在中庭高度比较高的设计中，应当谨慎使用这种形式的中庭。

③ 隔离式

隔离式中庭的形式，是首层与主体建筑连通，顶部与室外连通，建筑功能性房间与中庭具有外墙分隔。此类中庭组织自然通风的可能性较大。

这类中庭由于与建筑主体相对独立，中庭内部发生火灾时，烟气和火焰较难进入周围的房间。且由于与邻室有墙相隔，中庭可以充分利用自然通风时的烟囱效应进行排烟，或机械辅助排烟，即通风系统可以充分利用到消防中去。需要注意的是，联系房间的通风管道和开口应能够在火灾时关闭。

隔离式是高层建筑中庭设计中首选的一种形式。

④ 互通式

互通式中庭与四周的楼层区域是彼此连通的，中庭相对楼层敞开，整个建筑是一个统一的空间。这种形式自然通风的效果最好，最容易形成穿堂风，组织对流。同时功能空间通透，适合于大空间开敞式办公。

但是，这类中庭是所有中庭类型中最不利于火灾烟气和火焰控制的。如果要采用这种形式，需要设置明确的防火分区，在中庭各个层面设置防火卷帘，搭配自动喷淋灭火系统。因此，出于对消防的考虑，不应在建筑中大面积、大体积置入这类中庭。

为了组织通风，可以将互通式的设计方式应用在个别楼层，结合不需封闭的公共空间，即不会在火灾时造成灾难性影响，又利用这种形式辅助了通风。

（4） 空中花园

严格意义上讲，空中花园是一种局部中庭。当建筑增加到一定高度时，中庭顶部的开口已经不能满足下部采光要求时，可将上下贯穿的中庭加以分割，设计成局部中庭，满足不同高度的采光和通风需求。这样形成的局部中庭，配合绿化，就被称为空中花园，从立面上表现为允许风通过的洞口（图5—15）。

图5—15　局部中庭示意

图片来源：《建筑风环境——夏热冬冷气候区风环境研究与建筑节能设计》

沿夏季主导风风向在立面上开设通风洞口，可以使夏季风不受阻挡，一方面，改善了整个高层建筑的不良风环境，使一部分风通过洞口，减弱了气流受阻后向上、下、左、右四个方向的次生风风压，避免地面层出现强气流；另一方面，使得建筑上部和下部获得均匀的室内通风条件；同时，对于建筑组团来讲，前排建筑的空中花园减小了建筑风影区的范围，缓解了风速损失，保证了后排建筑的自然通风条件。

2. 可控制开启的采光顶

利用中庭组织自然通风的建筑，都需要设置可控制开启的采光屋顶，以适应几种时间下的通风模式（图5—16）。

图5—16　不同时间中庭的通风模式

图片来源：《建筑风环境——夏热冬冷气候区风环境研究与建筑节能设计》

夏天白天：中庭顶部侧向开敞，上部顶棚受太阳辐温度升高，混合了中庭中上升的室内热空气，从开口排出，新鲜的室外空气从底部风道补充进来。这种气候条件下，中庭底部具有很好的降温效果，环境能够满足人体舒适度要求。但如纯粹依靠顶部开启进行空气置换，高度越高，庭内顶部气压越大，气流趋于复杂，容易向上部房间产生倒灌，降低房间空气质量，增加能耗。

夏天夜晚：夏天的夜晚，顶部开启。室外空气温度较低，冷空气因重力作用通过开启的顶部进入中庭内部，同时中庭下部仍会有空气上升。上下股气流会在一定高度处混合。因此，依靠自然通风，夏季夜晚的中庭上部和下部将能得到较好的降温效果，中庭高度越高，中部会出现分层，降温和空气流动效果减弱。

冬天白天：冬日为了保温，顶部开口关闭，太阳辐射使顶部加温，气流不能直接排出室外，而在内部与房间内空气形成循环，这时中庭就成为一个温室，通过热空气的循环为建筑其他部分带来热量。此时不能通过中庭获得新鲜空气，故可在建筑南向部位设置通风专用风塔，或利用楼梯井，补充新风。此时假设室外温度为0℃，中庭内部可以保持9℃～11℃的气温，房间内部为20℃。

冬天夜晚：顶部开口关闭，气流在中庭和房间内自行循环。这时中庭成为室内外环境的热缓冲层，减少了夜间辐射造成的热量损失。

3. 实例

位于瑞典的皇家工学院南校区的综合教学楼，就利用了中庭进行通风。其中庭为半封闭式，空气自室外引入地下室设置空气预处理房间，将空气温度和质量调节到适宜的范围后，再通过排风口放入中庭。这栋教学楼因为使用这种通风方式，在夏季不需要额外的冷却系统；冬季则启用辅助的热空气回收系统，利用楼梯间当做连接地下室的风道，将热空气在预处理房间混合新鲜空气后混合再利用。这栋建筑在使用期间，每平方米耗能只有常规建筑的一半。

由Ruurd Roorda设计，位于荷兰恩斯赫德的政府税务办公楼扩建工程，也采用了中央中庭来组织自然通风，同时建筑智能管理系统（BMS）来管理夜晚的通风状况。此建筑平面大致为“一”字形，外围护结构内设有智能通风分配器，将室外风导入室内。通风口位于靠近天花板的采光窗上部，另外每个工作台还设有两个可以手动控制的通风口。中庭的顶部设有六台排风设备，辅助负压效应，将空气从顶部排出室外（图5—17）。

图5—17　荷兰恩斯赫德政府税务办公楼扩建工程

图片来源：网络下载