风环境视角下的参数化高层建筑设计研究.pdf

建筑论坛与建筑设计四川建筑第43卷第4期风环境视角下的参数化高层建筑设计研究赵雪晴，冯怡丹，李艳锋，王振辉（河南科技大学建筑学院，河南洛阳47 10 0 0）【摘要】近年来，“参数化设计”在建筑领域中越来越受欢迎，气候适应视角下进行参数化建筑设计，应当建立在正确的环境分析基础上，让气候适应性解决思路成为一种常规思路。当参数化设计在准确建立各种非线性的建筑造型的同时，更应当结合设计所在地的气候、环境等一系列条件，对绿色建筑的发展以及资源的节约作出更大贡献。以高层建筑设计方案为例，模拟与分析了风环境下可行的参数化表皮设计，学习其基于气候适应性策略的建筑设计方法，为以后能更好地设计出适宜的居住建筑积累设计经验。【关键词】商业综合体；参数化设计；表皮；气候适应；风环境【中图分类号】TU201.51设计目标以及背景1.1目标本文研究的目的是在寒冷地区高层建筑设计中，探究高层绿色建筑中自然通风的设计策略,从建筑合理的朝向和建筑平面设计两大方面出发，提升建筑的自然通风品质，为寒冷地区高层绿色建筑通风设计提供参考。本次风环境的模拟对建筑朝向和平面布局进行优化设计，结合寒冷地区气候特点，探索建筑设计中的可持续发展。1.2选择从风出发的原因高层商业综合体在城市发展的过程中起到重要作用，但空间环境不尽如人意。户数多，空间紧，空气质量差，不具备通风条件。对于多数高层建筑，有较长的通风路径,形成的阻力相对大，简单的风压或热压难以满足需求，对于这种情况，会选择机械辅助式自然通风系统，实现高层建筑的通风 。但是过多地使用机械通风设备，使建筑的运行能耗大幅度提高而舒适性较差。目前，对绿色建筑要求越来越高，因此，需要采用一些措施来合理利用自然风。1.3现阶段高层建筑存在的问题（1)位于背风向房间即使打开门窗，室内空气仍不流通。(2)辅助空间通风条件差，因空气条件差，厨房、卫生间的湿度大，若湿气没有及时排出，室内环境则难以改善。(3)容积率高而绿化率低。高层建筑形成的风影区，对周边建筑物的通风不利。2基于风环境视角下的模拟与分析2.1该地区气候特征分析首先应对该地区的基本风环境进行模拟,夏季和冬季的风玫瑰图如图1所示。风主导风向与风频大约相同（东北西南）。夏季盛行西南风，冬季盛行东北风，东北方向风速大。归纳出寒冷地区在通风上应注意的问题：(1)冬季建筑物注意防风,满足在风朝向最佳的地方获得最大辐射热。（2）加强建筑南北方向上布局的通透性；在建筑南侧布置使用房间，多开南窗，以促进自然通风。46【文献标志码】Aind-RCHMAY1:00Data:Win31 AUG24:00nded(m/s)13.01%050e384 hou（a）夏季风玫瑰图1洛阳夏季和冬季风玫瑰（3)在建筑北侧避免直接对外开门的外廊，控制北窗面积。在开口部位要注意夏季隔热。（4)建筑的开间应尽可能垂直于主导风的东西方向上，获得最大的自然风。了解洛阳市基本风向以及认知寒冷地区通风应注意问题的前提下，针对基地风压进行模拟（图2）。图2 场地竖向风模拟由图2 可以看出，场地内部存在风影区。迎风面有漩涡,高层建筑附近的风速相对较小，整体的通风条件较弱。随着高度的增加,建筑背后所形成的风影区随之逐渐增大，风环境会更加不利，建筑下行风更加严重。建筑面宽的增加定稿日期 2 0 2 2 -0 6-0 1【作者简介赵雪晴（2 0 0 0 一），女，在读本科，研究方向为人居环境；冯怡丹（2 0 0 0 一），女，在读本科，研究方向为人居环境；李艳锋（1996 一），男，在读本科，研究方向为人居环境；王振辉(1999一），男，在读本科，研究方向为遗产再生。8.007.2040.604.804.003.202.401L.600.80:0.0010.009.008.007.006.005.004.003.002.001.00Wind-Rose0.00_Henan_CHNData:WindSpeed(m/s),slmfor18.159%ofthet（b）冬季风玫瑰392.hour赵雪晴，冯怡丹，李艳锋，等：风环境视角下的参数化高层建筑设计研究导致风影区扩大，还会增强建筑角流风，为了减少高层建筑形成的风影区域，进行以下优化策略分析与模拟。2.2优化目标1：选择合理的高层建筑朝向室外静风区有诸多缺点：春秋季节，废气无法扩散，导致地面附近空气质量较差；夏季不利于散热，给使用者造成不良的感受 2 。因此,设计要避免较大的室外静风区。采用的塔式高层建筑形体，会形成各个方向上的风压。那么塔式高层的扭转角度至关重要。应该通过模拟的方式，来确定最佳的扭转角度（图3 图6）。图8 高层普遍采用的风压模式图9“共享空间”不同位置的风压模拟可以看出,开口位置的风速显著提高，达到2.3m/s,不再是大面积的静风区,这表明了建筑后的风影影响范围有所图3高层东偏北45图5高层东偏北30 可以看出，高层建筑所处的角度为南偏北1530 之间时,风压最为适宜，高层建筑形成的静风区最小,因此采用此条件下高层建筑的排布方式。2.3优化目标2：平面“绿色共享空间”（开口）位置确定“天井”又称“共享空间”，因其良好的通风特性及结构特征被广泛应用于各类建筑中。在环境风的作用下，高层建筑表面会分布着不同大小的压力，从而影响建筑内的气体流动。建筑高度越高，风速越大,墙面的压力越大，迎风侧的墙面会形成向内的风压，背风侧和侧面的墙面会形成向外的压力。常见的建筑开口位置如图7 所示。图7 共享空间的位置开口的主要目的是使高层建筑的每一个房间都能获得良好的通风，避免过多的机械通风。建筑物外立面为单元板块幕墙，斜面布置板材，可将外景远跳最大程度引入室内。通过檐口形状又达到了降低日常热负荷的效果，达到了冬季保温以及夏季防热的效果 3。同时，由于塔式平面的高层建筑较普遍，考虑高空气流的影响,因此，高层建筑的开口位置可以分段布置，可以在某一层设置活动平台或其他空间，打断通高的天井,形成一种创新型的开口布局（图8）。天井作为重要的一部分，为建筑中的公共空间通风换气，也可作为过渡空间,不受冷风的侵蚀。天井的进深、位置和开间尺度多样,相对应的风环境有不同的特征。现拟天井的位置对高层建筑风环境的影响，从而选用较为合适的天井开口形式：模拟结果如图9所示。图4高层东偏北6 0 图6 高层东偏北15减少。在塔式高层建筑中，只要采用了天井，都可以减少建筑物由于遮挡形成的风影区。天井的设置可以与周边风环境良性互动。天井的风流速增大时，流速带来的动能为天井周边的建筑表面形成良好的风压分布，可以使建筑内外表面形成正负压，加强室内空气循环。从天井的位置来看，当开口位于正中时，室内中央风速流通较好，室内可达2.8 6 m/s。在天井位于平面边角时，气流场最稳定和平均2.1m/s、影区范围最小。在设计中,在建筑高度方向上分层设置天井，化解高层建筑在水平方向上通风困难的问题。因此在平面的选取上，采用平面见图10。图10 高层建筑设计平面共享空间位置在设计中，选择采用一个折叠向上的形体，这样折叠的形体优势：将迎面吹来的风分别折向不同的方向，避免了建筑与集中气流的直接接触，相比于直线形体的建筑物，折线的切割方式能使风速得到缓和。这些开口方向的绿化共享空间，对气流有一定的缓冲作用，增加了高层建筑表面对风流体的阻尼，化解建筑附近形成的部分迎风面涡流（图11）。2.4优化目标3：选用适宜通风的平面布局如今一些高层建筑在设备层周边设置一道通廊，让室外空气先进人通廊，然后再被进风口吸人 4。倘若将走廊做成开放式走廊，则通风效果将会大大加强。通过查阅资料，开散式走廊主要有几种形式（图12）。开敲式走廊也应具备一定的条件：（1）开敞式走廊设计使建筑外界面具备进出风口,具有形成穿堂风的条件，打开走廊,形成通风路径，加强室内通风。（2)将使用空间开布置，创造有效的对外开口，作为通风路径的要素。创造走廊与室外的联系,增加走廊一侧外墙的开门，加强通风条件。47建筑论坛与建筑设计四川建筑第43卷第4期小人图14参数化表皮4软件的使用以及具体参数设定参数化表皮采用Rhino6中的Grasshopper6，设定参数图11高层建筑的折叠形体与建筑表皮风压大小相适应。风玫瑰模拟采用Grasshopper中的Ladybug，场地风压的模拟采用Grasshopper中的But-terfly插件，该插件旨在将几何图形快速导入到Open-FOAM，并运行对建筑设计有用的几种常见类型的气流模拟。高层建筑朝向的模拟以及建筑平面开口位置的风模拟采用了绿建斯维尔，这是一种基于CDF流体应用软件，对图12 塔式高层平面的开散式走廊道参数进行了固化处理，简单易学，模拟准确。模拟中基本3参数化建筑表皮生成逻辑参数设定见表1。在已有优化目标以及策略的条件下，对建筑表皮进行参表1风模拟参数设定数化设计，在建筑表皮中，引人倾斜的导风构件。导风构件最多风向（正东为0，地区季节的作用是以遮阳板和挑檐为例,在很大程度上影响了室内的自然通风。通过变换遮阳板和挑檐的角度，从而作为风的导流板。尤其是在风向投射角度较大，不利于自然通风的情况下，通过导流板来改变风向，从而增加围护结构进气量，自然通风将很明显的被引入室内 5。由此，希望将自然风引人室内，而避免室内过多的机械通风，通过参数化设计流程，设计出了一种“智能化”绿色构件。通过建筑体块上的风压分布，风压大的地方有着较大的开窗面积；风压小的地方有着较小的开窗面积。再通过建筑表皮上每扇窗户的导风构件将自然风引人室内。生成的立面形式以及立面形体的细部构造做法如图13图15所示。扣板的旋转角度根据风压大小的不同而不同，充分与自然风相结合。也引人了智能化概念，即表皮开窗的可调控性，在细部构造图中，交界处均采用了圆形或方形滑块。整个结构最右侧则连接风感器。即在每天固定时间段，根据当日的风速风压状况对开窗大小进行调控。这样就更好的与当地的风环境结合，更环保而提高内部使用人群的舒适度。构件说明：A扣板网性外包重钢板非附性构件（冲孔金属铝扣板）图13幕墙（导风构件）细部构造48图15表皮细部室外平均风速/(m/s)逆时针为正）夏季E洛阳冬季5设计结果的总结与展望自从2 0 19 年新冠疫情爆发以来，室内通风换气对预防新冠病毒感染具有很大作用，希望本文研究能对自然通风组织设计提供参考。在这次高层建筑设计中，一直在思考什么样的参数化设计能够合理应对自然风环境，这种气候适应性的参数化设计也是目前建筑师应对能源短缺问题的相对有效手段。如今，应对风环境有很多的改善措施和手法，比如这次高层商业综合体设计中的参数化立面的设计方式。在未来建筑行业的发展中，每一个设计方案都应将气候这一要素纳入其中，都应始终贯穿着绿色建筑的观念。在建筑设计中，不能仅仅依靠发达的科学技术,更应该注重设计过程中的思维历程，才能设计出真正与其后相适应的参数化节能建筑。可转动调节日光幕墙一旋转轴金腾抓手B钢筋混凝土楼板C熊胀杆件+连接光照接收器瓶销钢燃栓伸绘杆件3.1WNW2.4参考文献1刘锋权高层建筑通风系统设计与实现 J城市建设理论研究（电子版）,2 0 11(32）：1-2.2应小宇，任昕，阙琪，等。风环境视野下高层建筑群朝向一一以杭州钱江新城四季青路地块为例 J西安建筑科技大学学报（自然科学版），2 0 18,50（6）：8 8 4-8 8 9,90 0.3张露.超高层住宅楼内天井自然排烟特性的数值模拟研究 D.2018:20.4项卫中，赵侠，李顺超高层建筑通风走廊对新排风系统的作用 J.暖通空调,2 0 14(3)：10 0-10 4.5吴欣.住宅建筑的自然通风设计分析 J：新材料新装饰2 0 14(6)428-429.