被风吹过的高塔——绿色建筑解读

吴志堂，张婷婷 （温州职业技术学院，浙江 温州 325035）

1 概 述

建筑环境包括建筑形体、建筑周边的环境形态、建筑结构、建筑群组等诸多特征，其中，风与建筑形体的关系为建筑设计研究的重中之重。风一般会对建筑产生两种压强，一是建筑迎风面的正风压，正风压会使建筑产生向上和向建筑背风面的推力，使建筑产生偏移；二是建筑背风面的负风压，使多数建筑屋顶所受的力呈“凹凸”状，使建筑产正横向振动。

对建筑室内环境而言，在夏季进行自然通风，有组织的进行被动式空气交换，可以给室内降温和保持所需要的新鲜空气，避免在室内形成空气的死角和漩涡。要使建筑会“呼吸”，可以通过开窗通风、烟囱拔风、热压风压混合通风的形式更换室内的空气。在建筑的朝向上，应使建筑与夏季主导风形成30度左右夹角，以便使凉风能到达每栋建筑，不至于形成过多的漩涡和死角。下文笔者结合研究的微薄见解认识，通过四案例来谈谈高层绿色建筑对风能的利用，也即自然风对建筑内外环境的调节。

2 高塔案例风之解读

2.1 巴林世贸中心（BWTC）

巴林世贸中心位于巴林首都麦纳麦，是巴林首都第一座真正的智能化建筑。建筑高240m，平面为椭圆形，建筑整体造型为帆状双塔。建筑主要由建筑大师Atkins设计，结构由南非建筑师Shaun Killa负责设计。BWTC是世界上首座将风力发电机组和大楼本身的造型相结合的超高层建筑，其相继获得2006“阿联酋绿叶奖”颁发的“大型规划中技术使用最佳”奖和“阿拉伯建筑世界”颁发的“可持续设计奖”。

Atkins设计在双塔之间建立三根横向分隔轴，分别安装在第16层（60m）、第25层（98m）和第35层（136m）处，每根横跨桥梁重达75t，风力发电涡轮机直径达29m，和其相连的风力发电机固定在横跨桥梁上。涡轮机引进海风，子塔充当涡轮机的机翼，塔楼的弧形设计也提高了风从双塔中间穿过的速度。

图1 方形和曲面对气流的影响

图2 南面主导风穿过PRT

图3 能量塔空气更换示意

塔的造型在竖向高度上随着海岸风的加速慢慢缩小，以此来减小塔顶的风压，从而使三座风涡轮机获得同样的风速。BWTC拥有许多可持续的特征，理解和掌握这种建筑趋势是建筑设计成功的关键。巴林世贸中心并不单单是图纸中的绿色建筑，大量的风洞实验也证实了其空间造型与气流之间的关系，即气流近似“S”形流动。“S”行的气流将确保无论是在中央轴线上，还是在轴线边界上都有持续的气流来使风力涡轮机运转。两侧塔作为风力涡轮机的机翼，椭圆形的造型促使风往中间钻的同时加大流速。

方整的建筑会破坏气流的通畅使气流紊乱，从而降低风力涡轮机的效率，甚至使涡轮机失效。因此，设计时应考虑建筑做曲面或者管道来保持涡轮机的气流通畅。BWTC两侧的子塔使气流集中到两塔之间，又不破坏流向，其对风的利用率比普通建筑高出很多，见图1。

这样，风力涡轮机的潜力将得到大大提升。BWTC是世界上首次在建筑上建造巨型风力涡轮机的高楼。在大楼上安装巨型涡轮机的昂贵造价（占建筑总造价的30%）成为过去开发涡轮机的首要问题，而在巴林世贸中心上安装最新开发的涡轮机，其造价只占了建筑工程总造价的3.5%。

2.2 珠江大厦（PRT）

通过融入最前卫的绿色技术和良好的工程条件，在SOM和广州市设计院的合作下，约21.41万m2的广州珠江大厦给可持续设计重新下了定义。309m高的建筑体形在设备层向主导风开了两个洞口，这两个洞口可以使风通过风力涡轮机从而为珠江大厦产生能量。塔的设计也融入了其他一些列综合可持续的工程元素，包括太阳能板、双层幕墙、冷冻吊顶系统、地下通风系统和日照采光系统，这些绿色技术将有效的为珠江塔供能。

PRT绿色技术中最具创新性的是风力涡轮机组利用从南面吹来的主导风，而在其他高层建筑中，常常会因为风对建筑背面（北面）产生的负风压，避而讳之。珠江大厦的曲线结构使风穿过四个涡轮机组的正面。SOM在对风的研究中预测这种结构造型将使风的速度提高2.5倍，弗雷谢特估计涡轮机将产生将近是普通标准的发电机15倍的能量。更值得一提的是，风力涡轮机置于建筑结构层弯曲的空腔内，巧妙的吹进塔身里面，见图2。

风在建筑迎风面产生正风压，而经过建筑周边和建筑顶部的漩涡风，会在建筑背风面产生很大的负风压。换一个角度思考，如果让风从建筑身上穿过，被强加在建筑正面的风压就会减弱，背风面的负风压也不至于那么强。PRT充分利用了这一点，长条的建筑平面长向朝南，在里面开4个风洞不仅给建筑抗风减轻负担，还利用其穿过的风发电给大楼提供能量。

PRT和BWTC一样，在建筑设计过程中，SOM也对珠江大厦进行了充足的模拟实验。以PRT实体模型为基础，穿过珠江大厦4个孔洞的气流在风洞实验中被反复验证。如果风迎着建筑表面垂直射入，穿堂而过的风速会减小，如果风以一个任意角度穿过建筑，风速反而会增大，在孔洞中放置竖向轴风力涡轮机能更有效的利用风能。

总的来说，珠江大厦有以下不同于巴林世贸中心的几个特点：

①具有创新性一面的是大楼采用竖向轴风力涡轮机发电；

②立面上，设备层位置南北两面均有4个6m×6.8m的大型风洞；

③由于却少通风井和通风风扇，在建筑上开洞是有必要的；

④建筑开贯穿建筑的洞，洞口形状可以使穿过大厦的风速提升；

⑤选址上，建筑长向垂直主导风，以使之能最大幅度接受气流；

⑥这样开洞在很大程度上减少了施加在建筑上的风荷载；

⑦开洞和幕墙弯曲都是为了减少风荷载。

2.3 迪拜国际金融中心（DIFC）

ATKINS设计的巴林世贸中心在为绿色建筑开辟一条新路的同时，其建筑造型色彩都让人耳目一新。而在这个案例中，Atkins要设计的不仅仅是400m高的迪拜国际金融中心（DIFC），而且还要兼顾设计DIFC的建筑、结构、风水电和可持续设计。

和巴林世贸中心一样，DIFC也将采用直径29m的风力涡轮机，不过这一想法还在可行性研究之中。如果采用这一设计，ATKINS将要重新整合像巴林世贸中心（也由ATKINS设计）一样的大型顶尖风力涡轮机，而这一设计还不能停留在巴林世贸中心一样的水平，还要在它的基础上使绿色节能技术上一个新的历史台阶。

DIFC顶部120m高的塔内安装了3个直径为29m的风力涡轮机，这一布满建筑立面的风力涡轮机将会是第二次用于建筑设计。而迪拜国际金融中心和巴林世贸中心不同的地方之一在于前者需要克服西北风带来的不利影响。

2.4 阿布扎比国家能源公司

阿布扎比国家能源公司（能量塔，Burj al-Taqa）以古老的波斯建筑风格为原型，建筑侧面的开窗像烟囱一样能引进凉爽的空气，密度大的冷空气往下沉，进而取代较轻的热空气。尽管迪拜的天气很热，但是这样的处理手法也创造了舒适的居住空间。

此塔将在屋顶放置一个直径约60m的巨型风力涡轮机，使用传统风塔原理，即用风自身的流动使室内空气流通和利用风发电。沿着吹的方向会在建筑的背风面产生负风压，所以能量塔才能利用风力排出建筑内部的废气。建筑负风压面的百叶会经过计算后自动打开，然后使废气排出建筑。由于能量塔的圆形平面和双层立面，废气能通过塔上打开的百叶进入两层立面隔墙之间，从而流畅的排出塔外。能量塔的设计原理符合自然规律，其风能利用方式能在全球普及，见图3。

能量塔最终的概念是基于长远的考虑，减少施工造价和提高舒适度。对当地的条件来讲，这是一种引进的新的技术，这种技术将为中东的发展改头换面。

3 对比解读

阿特金斯设计的两栋高塔有其共同点也有不同的地方。巴林世贸中心和迪拜国际金融中心的锋利涡轮机几乎一样，其放置的位置都在建筑外部，为水平轴涡轮机。不同的是巴林世贸中心将风力涡轮机和发电机都放置在两边子塔中间的横梁上，而DFIC则把涡轮机放置在塔顶。SOM设计的珠江大厦相比阿特金斯设计的两栋高塔，因为地域和气候关系，前者对风的利用不是很充足。和DFIC一样坐落在迪拜的阿布扎比国家能源公司大楼设计之初就定义为世界上第一座完全自给自足的建筑，其使用阿拉伯传统风塔的原理并没有让建筑实现变得简单，其方案仍然在修改阶段。

4 结 语

四高塔的设计为我们提供了优秀的风能利用示范，值得建筑设计者学习借鉴。绿色节能是建筑设计越来越明显的趋势，掌握节能技术的同时还需要了解绿色设计的可行性。要使更多的建筑达到真正绿色节能的标准，使建筑在整个生命周期中更加节能环保，还需要付出更多的努力。

[1]Dr.Abdel-moniem El-Shorbagy.Design with Nature:Windcatcher as a Paradigm of Natural Ventilation Device in Buildings[J].International Journal of Civil&Environmental Engineering,2010(3).

[2]Roger E.Frechette III,PE,LEED AP.&Russell Gilcherist.Seeking Zero Energy[J].Civil Engineering,2009(1).

[3]Richard F.Smith&Shaun Killa.Bahrain World Trade Center(BWTC)：The First Large-Scale Integration of Wind Turbines in a Building[J].Design Tall Spec,2007(16).

[4]詹姆斯·安布罗斯.建筑物在风及地震作用下的简化设计[M].北京：中国水利水电出版社，2005.