节能条件下高层办公建筑设计理念新趋势

余 森 顾红男

1 高层办公建筑的发展趋势和面临的能源问题

随着中国经济的起飞,区域内的建筑工程也加快进行。每年全球一半以上的新建筑在亚洲兴建,而中国是全球最大的工程市场。中国境内现有的建筑面积共400亿m2,加上每年增加2亿m2的楼面,大约占了全球总楼面面积的1/2。

办公建筑作为收集和处理信息的主要场所之一,将在信息社会之中获得巨大的发展。据预测,至21世纪的中期,将有1/2以上的人口在办公建筑中工作,所以日本建筑师林昌二将21世纪称为“办公楼的世纪”。而2009年世界摩天大楼排名前77名当中,中国有60座大楼在内,而天津有14座位居第一,重庆有 7座位居第二。

在大城市中,高层办公建筑有利于人居环境持续发展的一面,其中最重要的因素便是超高层建筑可以节约大量的土地,能在有限的地面空间之中争取到更多的办公面积,并有利于市政设施的节约和办公效率的提高。在现有技术条件下的高层、超高层建筑是一种较为行之有效的节地形式,对于用地紧张的大城市具有突出的意义;同时,智能化的超高层办公建筑造型挺拔,经妥善处理后还可丰富城市景观,提供标志性建筑,所以超高层办公建筑在中国的发展还是大有前景。

而20世纪70年代走向表面化的能源危机为人类敲响了警钟,能源问题已成为当今世界所面临的严重挑战。根据社会和经济趋势分析,经济增长、人口爆炸、城市化进程、生活水平的提升和生活方式的改变将持续下去,中国的建筑市场会不断的发展,并需要更多能源来满足空间和水源、保温/冷却装置、照明灯具、电器、设备等种种能源需求。统计表明,超高层办公建筑的能耗则有可能高达普通公共建筑的6倍～8倍,与此同时现代化的设计一般采用的玻璃外墙和中央空调设备其能源开支也相对提高,目前已建成的和兴建中的大部分项目并没有加入节能设计或技术来降低昂贵的能源开支,建筑节能问题亟待解决。

2 高层建筑设计理念的发展

高层建筑设计理念主要有两种:工业主义建筑设计理念和工业主义建筑人文化设计理念。工业主义建筑设计理念主要表现为以适应大工业生产为基本出发点,讲究建筑功能,在建筑设计中注重对材料和结构的率真表达。工业主义建筑人文化设计理念,是工业主义建筑设计理念的补充与完善,建筑形体在强调对材料和结构的率真表达的同时,也重视建筑的语义表达;不单单关注建筑本身的纯粹形式或理想的秩序,更强调建筑与周围环境和城市文脉的整合。

从1853年到20世纪30年代,是高层建筑设计的曲折探索阶段,工业主义建筑设计理念虽处于支流地位,但对后来高层建筑设计的影响最大。20世纪30年代～60年代,现代主义风格的高层建筑风靡全球,工业主义建筑设计理念得到了完美诠释。从1909年开始到20世纪30年代,工业主义建筑设计人文化设计理念处于萌芽阶段,60年代以后逐渐深入人心,它丰富了高层建筑创作手段和方法,极大地促进了高层建筑呈现多元化、个性化的趋势。

工业主义建筑人文化设计理念主要体现在20世纪60年代以后的高层建筑设计中。60年代后期,人们开始对工业主义建筑设计理念进行反思,并意识到工业主义建筑设计理念以适应大工业生产为目标,强化“以物为中心”,缺乏对人性的关怀,因此,许多设计也暴露出严重的缺陷。如密斯式的方盒子建筑在世界范围流行,地方特色受到严重冲击;世界贸易中心大而失度的形体,导致曼哈顿繁华区的空间尺度失去平衡等等。正是基于对这些问题的反思,人们开始认识到建筑设计的核心问题是为“人”服务。60年代以后,高层建筑设计理念发生了巨大转变,建筑形体在强调对材料和结构的率真表达的同时,也重视建筑的语义表达;同时注重强调建筑与周围环境的和谐和与城市文脉的整合,工业主义建筑人文化设计理念开始深入人心。高技派、后现代主义、晚期现代主义、生态建筑、可持续性建筑等各种建筑流派和思潮,都是工业主义建筑人文化设计理念某些观念的具体体现。

诺曼福斯特事务所设计的法兰克福商业银行总部大厦在强调象征意义和功能的同时,又引入生态的概念,是世界上第一座“生态型”超高层建筑。其建筑平面呈三角形,宛如三叶花瓣夹着一支花茎:花瓣部分是办公空间,花茎部分为中空大厅。中空大厅起自然通风作用,同时还为建筑内部创造了丰富的景观。

3 节能条件下高层办公建筑设计理念的新趋势

近30年来,从能源危机向环境危机的渐进转化过程中,人类对建筑节能概念的认识大体上经历了三个阶段:1)“建筑节能”(energy saving in building)——节省能耗,减少能量的输入。2)“在建筑中保持能源”(energy conservation in building)——保持建筑中的能量,减少建筑的热工损失。3)“提高建筑中的能源利用效率”(energy efficiency in building)——不再是消极被动的节省能源,而是积极的提高能源效率,高效的满足舒适要求。

这三个阶段可以在现在正在建造的建筑和已建的建筑节能改造上反映。纽约地标性建筑帝国大厦拟斥资5亿美元进行翻新,其中1亿美元用于绿色改造。据了解,此次帝国大厦实施的绿色环保工程自始至终突出可持续特色。1)将改装6 500扇窗户,安装三层隔热玻璃,以提高能效。所有窗户全部在现场制作,原有玻璃和窗框则继续使用,省却了新窗户运送环节,减少了运输污染。2)安装的新式空调和取暖系统,可根据需求调节室温,既改善了空气质量,又降低了空调能耗。3)在散热器与外墙之间铺设隔振垫,以防止冷暖气流失。4)改用节能照明设备并配备移动传感器,走廊和公共区域无人时灯光会自动关闭。5)更新现有大楼控制系统,监测所有系统的能源使用和需求状况,确保空调系统运行最优化,并提供详细的分摊计量数据。6)能源消费实行网络化管理,租户可通过网络跟踪能源使用情况,及时采取措施提高能效等。但我们可以从改造的措施上看出,节能措施的落脚点只是在建筑的热工性能和使用管理上,节能效果显著,但对于节能的建筑设计来说总有不尽人意之感。

这一感觉的转变在2006年开始施工的位于广州的珠江城体现无余,71层的建筑总高310 m,建筑总面积超过了214 000 m2。该建筑充分利用高能效建筑设计并通过太阳和风力发电提供能源。涡轮机是该建筑的一大特色,它可以将风力转为暖通空调系统所使用的能源。根据Skidmore,Owings&Merrill建筑事务所解释,建筑外墙的设计是为了使风可以快速通过建筑开口。建筑师起初估计该设计可将四周风速加快1.5倍,但模型试验发现在某些情况下四周风速可加快2.5倍。若正式投入使用后却能达到此效果,那么建筑物的发电量将会是独立式涡轮机的15倍。而实际上涡轮机不仅是为了发电而设,它也能降低风荷载对摩天大楼的影响。

如今建筑节能的中心意义是降低人工舒适气候的环境支持成本,即在获得最佳的舒适气候的同时,使自然环境为此付出小的代价。因而当今的“建筑节能”的含义为:在建筑中合理使用和有效利用能源,不断提高能源利用效率,以最小的环境负荷获得舒适环境,基于生态理念的建筑节能还必须加强对可再生能源的开发利用,从节流转向开源,建筑节能概念含义的变化折射出人类对人与自然关系认识的逐步深入。

[1] 国家计划委员会,国家科学技术委员会.中国21世纪议程——中国21世纪人口、环境与发展白皮书[Z].1994.

[2] 西安建筑科技大学绿色建筑研究中心.绿色建筑[Z].1999.

[3] 中国建筑业协会建筑节能专业委员会.建筑节能技术[Z].1996.