生态效益与策略：高层建筑形态化解迎风面涡旋

6.2.2.1　平面形式

建筑迎风面的平面形式是外凸（图6—18）或者内凹（图6—19），将会产生不同的涡旋气流走向。

图6—18　外凸平面

图6—19　内凹平面

如果高层建筑迎风面的平面是外凸的形式，将把更多的高层建筑周围的气流转移开来，化解一部分迎风面涡旋的气流。高层建筑最好有带弧形的形体特征，如KPF设计的DG银行（图6—24），适于空气流动的外形，并且最好能使其窄端的立面朝向冬季风或与风向成斜角。

如果是内凹的形体，便将产生自上而下的更强的气流，反而加剧了涡流的速度，造成建筑底部风环境恶化。凹口平面特征比凸口平面特征更容易形成向上或向下的强气流。通过CFD模拟，可以很容易地看出这两种平面形式室外气流的走向（图6—20、图6—21）。

图6—20　内凹平面CFD室外风环境模拟图（50 m高度）

福斯特设计的德国法兰克福商业银行大厦（图6—22）建于1997年，高度258.7 m，56层。作为商业银行的总部大楼，大楼提供121 000平方英尺楼面面积，共53层。底部裙房是一弧形外凸的形体，可以有效的化解迎面而来的 涡流。

图6—21　外凸平面CFD室外风环境模拟图（50 m高度）

图6—22　德国法兰克福商业银行大厦

图6—23　DG银行外观

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6.2.2.2　立面和剖面形式

1. 台阶形体

为了减小上部风受到高层建筑界面阻挡后下行，对地面及街道造成的影响，高层建筑的形体还可以依据高度做退台处理（图6—24）。相关城市规划法规中规定，沿街建筑高度应依据街道宽度而定，满足一定的比例关系。随着建筑不断增高，形体上应做退台处理，减小高层建筑对街道形成的压抑感。这种退台处理缓解了高层建筑迎风面涡漩气流，下风向的能量，在退台处风力不断地受阻，进而能量逐渐衰竭。高层上部退台后，街道底部峡谷风力有所减弱，并化解了街道上不利的风环境状况。

图6—24　退台处理和风环境

图6—25　世界超高层建筑的“退台”处理

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图6—26　上海金茂大厦

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图6—11和图6—27用正方体和台阶状形体室外风环境模拟对比，模拟结果较为清晰地反映出台阶状形体迎风面涡旋气流明显减弱，建筑底部风速减小。

图6—11　正方体CFD室外风环境模拟图

在超高层建筑设计中，风力的影响极为重要，因此如何解决风荷载成为最大的难题。排名世界前几位的超高层建筑（图6—25）都有采用“退台”处理的手法，整个主塔外观呈流线型，下粗上细，顶部有一个光滑的竖茎作为收头，手法较为一致。上部体型的容量的减少，可以创造城市比较开阔的天空面积、空透感强的“城市天际线”，为城市发展及生态环境创造提供有利的 条件。(www.xing528.com)

图6—27　台阶形体CFD室外风环境模拟图

图6—28　韩国汉城综合贸易中心

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金茂大厦（图6—26）位于上海浦东陆家嘴金融区，由主楼和一裙房建筑组成。主楼高420.5 m，宽55.5 m，通过走廊与其连接的裙房高约40 m。金茂大厦是上海浦东标志性建筑之一。对于这样的超高层建筑来说，风环境是最大的一个问题。上海金茂大厦同样是采用“退台”设计，整体形成“尖塔”的体型，可以满足建筑越向上拔高的同时以越来越小的的外墙面积，来降低“超风速”对建筑风环境的影响，消弱室外风流对墙面的风速压。另外，这种体型可有效削弱高层建筑在抵抗水平力（位移）所产生的“鞭梢效应”，对建筑的抗震也有利。

韩国汉城综合贸易中心（图6—28）是单面台阶体形的实例。作为综合贸易中心主体建筑的贸易大厦，高达228 m，建筑面积约10.8万 m2。建筑的形态设计采用了一侧为阶梯状的设计造型，并将阶梯部分分为两条，该立面面向城市主干道，从风环境的角度，弱化了高层下冲气流对于主要街道的干扰，同时建筑的退台状设计也不会让街道显得压抑。深圳发展银行（图6—29）也用了类似的形体处理手法。

图6—29　深圳发展银行

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2. 半室外竖向绿化

半室外竖向绿化（图6—30）作为软质景观引入建筑，形成多方位、多层次的绿化系统。绿化的引入增加高层建筑表面对气流的阻尼，粗糙的建筑表面质感增加了建筑对气流运动的摩擦阻力，使气流朝各不同方向反射，对高层建筑上部水平向强气流具有一定的缓冲作用，化解部分迎风面涡流 （图6—34），使风速及风压在室内空间满足人的生活及工作需求。半室外竖向绿化的引入也赋予了高层建筑特定的外形特征，立面强烈的虚实对比，大平台的出现等。如今这种类型的建筑越来越多。

夏季，植物绿化的蒸发作用使进入建筑室内空间的气流在此过滤，降低夏季进入室内空间的空气温度，为蒸发散热提供水份。冬季，气流运动速度与建筑失热量成正比关系，植物绿化缓冲层降低了气流运动速度、阻挡寒冷气流对建筑室内空间热工的影响（图6—33）。绿化在建筑中的配置降低了建筑能源消耗。杨经文的很多高层运用了此类的方法（图6—31）。图6—32为MVRDV的设计竞赛“天空村”。

福斯特设计的位于德国法兰克福的商业银行大厦堪称世界第一座摩天楼（图6—35），平面是三角形的，以其竖向绿化的引入和拔风效应为整座建筑提供自然通风。福斯特自称这一设计是“世界上第一座活着的，能自由呼吸的高层建筑”。

建筑共有53层，高达300 m，主入口配置在北侧。52层的建筑被划分为四个组，每组包括12个单元——“办公村”，每个办公村都带有一个四层高的空中花园，作为建筑之肺， 如果整个中庭从上到下不加分隔，在很多情况下中庭内部将产生令人无法忍受的紊流。因此福斯特只得将每12层作为一个单元。这些竖向的庭院空间为建筑内部提供自然通气。建筑的外层“皮肤”上有开口供新鲜的空气进入两层外墙之间的空腔，可开启的窗户设置在内层的墙壁上，这样即使是最高层办公室的窗户打开，也不会受到强风的吹袭而能获得自然通风。朝向中庭一侧的窗户也是可以开启的。在寒冷的冬天，计算机系统将关闭内层的“皮肤”上的窗户，通过中庭来进行自然通风。夏季，窗户可以打开以获得穿堂风。

图6—30　半室外竖向绿化剖面

图6—31　杨经文作品

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图6 —32　MVRDV设计竞赛“天空村”

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图6—33　竖向绿化和气流

图片来源：TRHamzah and Yeang：ecology of the sky

图6—34　半室外竖向绿化CFD室外风环境模拟图

竖向的空中庭院也是由外层“皮肤”保护起来的，竖向的空中庭院提供了大部分时间的自然光照。设计过程中，建筑模型经过了多次风洞试验，以验证在当地气候条件下各季节的风对建筑内部的影响。

图6—35　商业银行大厦

图片来源：《高技术生态技术》