长春市高层办公建筑裙房周边风环境设计研究

柳红明，王嘉祺

吉林建筑大学 建筑与规划学院,长春 130118

在高层建筑发展之初,人们没有意识到不同地区气候性风环境对城市及使用人群的影响,也没有从场地规划方面整体考虑,使得部分高层建筑周围会形成不同程度的风影区或涡旋区等不利的因素,尤其对人群较为集中的高层裙房周围影响最大.

高层建筑室内使用者也面临诸多问题.许多高层建筑由于高层区域风压过大,为了防止高处冷风通过建筑窗洞口渗入建筑内部,传统的形体设计趋近于封闭,缺少自然通风,对于内部工作人员而言在身体和心理上都会造成一定的不良影响；再者高层办公建筑的能量损耗大约40 %左右来源于空调系统,而这些空调设备是用来调节温度,提高室内舒适性的,其中对于内外人群交流和人群集散较大的公共区域“裙房”来说,其内部使用人群对于周围风环境的舒适性要求也在日益增长.因此,合理的规划和设计高层裙房部分的形体和场地使其适应不同季节气候下的风环境十分必要.

1 高层裙房风环境现状及存在的问题

随着近些年来中国社会和科学技术的不断进步,建筑行业也在逐渐与世界接轨,层出不穷的高层建筑伴随着改革开放和经济全球化的浪潮拔地而起.社会的进步必然伴随着工作岗位的激增,带来了办公用地不足的问题.因此,高层办公建筑的兴起绝非偶然,高层建筑在提供更多办公空间的同时,也带来了诸多问题如高压风对建筑侧向承重结构破坏和对建筑外侧悬挂饰面破坏等.

另外,由于中国领土宽广,地形复杂,地理纬度、地势等条件的不同,各地气候相差悬殊.因此,针对不同的气候条件,各地高层办公建筑对其裙房外围风环境的设计提出了要求.南方炎热地区对于建筑外围进行引风、导风,从而达到通风降热的目的,防止室内过热;而北方寒冷地区则要防止冷风渗透和内部保温,对建筑外围进行一定的挡风处理.

面对上述问题,很多建筑师提出了诸多有关建筑高层风环境调节的相关方案和举措,但这些方案的背后往往忽视了人群公共活动较为集中的裙房部分.本文以具有代表性的北方寒地城市“长春市”为对象,探究高层办公建筑裙房风环境的特点,目的是进一步阐明高层办公建筑裙房部分风环境设计的不足和策略.

2 高层办公裙房外场地规划策略

长春市位于我国东北部,隶属于季风气候,夏季高温多雨,太阳高度角增大,气温较高,常年以西南季风为主导;冬季寒冷干燥,最冷月日均最低温度在 - 20 ℃,以西北风为主导风向.因此,高层裙房外部场地规划也要合理地遵循不同季节风向的影响和风环境对于裙房周围微气候的调节.

不同建筑外围风环境具有一定的统一性和相似性,办公建筑高层部分与裙房部分的风环境设计也具有一定的相似特征,故在对长春办公建筑裙房外围场地规划时,可借鉴高层部分风环境的相关研究来进行分析.

2.1 狭管效应与风漏斗效应的预防

狭管效应(见图1)是风在经过一段狭窄的空间时,由于质量守恒定律,其进入的端口变小导致体积减小而增加了风的流速.这一现象在两个相邻建筑之间的通道处常有发生.风漏斗效应(见图2)则是更加详细地说明了导致狭管现象产生的原因.

图1 狭管效应Fig.1 Narrow tube effect

图2 风漏斗效应[1]Fig.2 Wind funnel effect[1]

在建筑的组合中,当道路两侧的建筑高度相近并且道路宽度是建筑高度的2倍～3倍时,会导致该地段的风速提高30 %,其中还伴随着风向的改变等不利因素.对于寒地城市长春,冬季的西北冷风在遇到高层裙房周边场地规划不利而导致这两种效应的产生,从而使建筑表面对流换热强度加大,建筑能耗增加.这种情况时有发生,因此在规划高层裙房风环境的同时,也要考虑到如何防止这两种不利因素的产生.

在北方寒地城市长春地区,由于城市控制性规划要求的限制,致使裙房沿街高度不能够进行灵活的调整.因此,裙房之间道路及场地规划就成为了关键要素,在确保裙房之间道路宽度L≤2 H(裙房高度)的前提下,再进行场地其他区域的规划设计,这样可以有效减弱或消除“风漏斗和狭管效应”的不利影响.

2.2 峡谷效应的合理利用

峡谷效应(见图3)是由于各个面的风压不同会产生涡旋,扰乱气流.其中,尤为突出的是高层迎风面的下冲气流和高层背面的风影区,高层背面的风影区面积较大,一般都会将裙房背风区涵盖其中,形成一个较为统一的风影区.在该风影区内会形成复杂的涡流,但是风速会减小到原来的1/2左右.这一点对长春冬季降低裙房背风面冷风渗透起到一定作用[2],但对夏季裙房内场地排风降温具有一定不利影响.

图3 狭谷效应Fig.3 Narrow valley effect

图4 西安市CBD区绿色建筑策划方案[3]Fig.4 Planning scheme of green building in CBD district in Xi'an city[3]

长春地区由于“峡谷效应”导致高层与裙房背风面风影区重叠现象十分常见,在冬季,裙房背风面适当的风影区可以降低西北冷风的冲刷强度,能够提升人群在裙房周边活动的积极性,但对炎热的夏季,风影区可能会导致裙房背风面场地内部热空气排散效率下降,降低裙房周边人群的舒适度，在这一点上十分不利.针对这一问题,可借鉴“西安市CBD区绿色建筑策划方案”(见图4).在裙房背风面一侧场地内设置小型水景和遮阳植被,一方面借助水蒸气的蒸腾作用,降低裙房周边热空气的温度,使水蒸气伴随着气流排出场地外侧[4];另一方面通过高挑的植物密叶将阳光转化成生物能和遮挡,使裙房周围地表温度降低,同时也降低了气流与地表的换热效率,使场地内空气温度下降.这两种场地规划手法在确保长春冬季风影区优势的前提下,有效地改善了夏季风影区的不良条件.

3 高层办公裙房形体策略

风在遇到阻碍物后会继续朝着原方向流动,并将绕过阻挡物流动,就像水流绕过水中岩石一样,并不是无规律的流动.由图5可见,建筑体形对周边风环境起着很大的决定性作用,因此合理地处理好裙房体形关系可有效改善周边风环境.

风遮蔽效应是当高层建筑前面存在高度较低的建筑时,风流经建筑群上方及周围会产生明显的下冲气流并与裙房周边的水平气流相遇,该区域风环境造成不利影响,其中下冲风的风速会迅速上升,并会扬起沙尘、垃圾等异物,大大降低裙房周边人群的舒适度.“怎样设计裙房体形,从而应对下冲风过强”应是首要考虑的问题.

冬季西北风因“遮蔽效应”导致裙房周边下冲冷气流的流速升至原来的4倍左右,这种现象不仅扰乱了裙房周边的环境,而且使周围行人倍感寒意[5],这在长春冬季裙房迎风面一侧常有发生的情况,考虑到裙房周边人群使用的舒适度,将朝向西北冷风的裙房一侧顶端做“凸角处理”,利用非线性凸角有效的分流作用使快速下冲的冷风被阻散,使其分散成多个小的支气流,间接地削弱了下冲的冷气流(见图6).

图5 建筑形体与周围气流[6]Fig.5 Building shape and surrounding air flow[6]

图6 下冲风二次削弱Fig.6 Second weakening of downwind

季风的流动规律和液体的流动非常相似,风的流动与其接触表面的凸凹和材质等会产生不同程度的摩擦力,这些摩擦力可以适当地降低裙房周边的冷风流速,在针对冬季下冲风侵袭的问题上可利用这一点,在朝向西北冷风的裙房立面上可选择表面质感相对粗糙的材质,当下冲冷气流在凸角处进行第一次削弱后,通过增大立面与风的摩擦力对下冲支气流进行二次削弱,使最终到达裙房底端的冷风强度降到最低.

4 结语

随着我国高层建筑的发展和城市化进程的加速,现代建筑技术不断完善,高层建筑裙房部分逐步趋向于集诸多功能于一体,并仍在向组团化、综合化的方向发展.因此,除了考虑建筑高层部分风环境设计之外，也应将裙房部分的设计纳入细化范围内，尤其是在寒冷北方城市,由于高层办公建筑周边风环境多变,导致裙房外围护散失热量过多,这是今后寒地高层办公建筑节能设计中值得关注的问题.