探究超高层公共建筑玻璃幕墙自然通风与立面设计的结合

康琦 KANG Qi

华建集团华东建筑设计研究总院

2003年的“非典型性肺炎（SRAS）”和2020年的“新型冠状病毒肺炎（COVID-19）”的爆发，突显了建筑物自然通风的重要性。自然通风是防止病毒传播的有效途径，可以保持室内空气的清洁度、控制室内污染、降低能耗，有利于使用者的身心健康。

《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）对甲、乙类公共建筑开启扇的有效通风面积进行了规定，将自然通风作为节能和保证室内热舒适性的重要手段。同时，《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）还规定了公共建筑主要功能房间的自然通风换气得分条件，并在2019年版的标准中新增了室内热环境参数在适应性热舒适区域的时间比例这一得分项，强调了自然通风和复合通风对室内热湿环境的重要性。

1 超高层公共建筑玻璃幕墙的自然通风需求

超高层公共建筑具有集约利用土地、规模效应明显、社会资源利用率高的优势，但同样存在能耗巨大、影响城市自然环境等劣势，其中空调能耗是超高层建筑能耗的重要组成部分。结合当地自然条件引入自然通风，在适宜的时间将自然通风与机械通风结合使用，可以减少空调设备的运行时间，有效降低空调能耗，控制室内空气污染并提高室内整体环境质量。

玻璃幕墙因其具有自重轻、工期短、造型美观等特点被广泛应用于超高层公共建筑。然而对超高层建筑来说，随着建筑高度的增加建筑周围的风速会增大，加之建筑物对气流的阻挡会导致其迎风面的风速更大，因此超高层公共建筑的玻璃幕墙在考虑自然通风的同时，还需关注自然通风给玻璃幕墙造成的安全性、经济性及美观性等问题。

2 超高层公共建筑玻璃幕墙自然通风的类型及其与立面设计的结合

2.1 幕墙开启扇

开窗是传统的自然通风方式，效率高、构造简单。窗户的类型有推拉窗、平开窗、上悬窗、下悬窗、平行外推窗、百叶窗等。在超高层建筑玻璃幕墙上开窗，必须考虑其安全隐患，避免造成高空坠物的危险。且由于强风压下对幕墙开启扇的稳定性要求较高，风速大时易产生噪音，因此还需考虑窗体的气密性和水密性。同时，幕墙的可开启扇对立面的影响较大，需综合考虑窗扇开启后的立面效果。

深圳皇庭大厦高260m，塔楼造型简约干净，为了不破坏建筑立面的完整性，将幕墙开启扇隐藏在楼层之间的窗格中（图1），由此可在每层的地面和顶板处设通风口，为内部空间提供均质的自然通风（图2）。开启扇的开启角度受限，开启后不影响建筑的立面造型，这种不同位置的线性开启扇能作为建筑的点缀，使立面既简约又不单调。

西安永威时代中心高213m，为减小开窗对立面的破坏，塔楼采用锯齿形单元式玻璃幕墙，随着视角的变化可产生不同的立面效果（图3）。每个锯齿单元的三角形短边设置开启扇，向室内自然通风（图4）。开启扇不占用内部空间，避免窗口位置正对进风口，且短边设有装饰性金属铝板，具有挡风导风的作用，可以降低窗口处的大风压。

2.2 自然通风型双层幕墙

双层幕墙又叫“呼吸式幕墙”，由内外两层相互脱离的幕墙构成，可利用其间形成的空腔层进行自然通风，空气由下部进风口进入，从上部排风口排出，在风压的作用下带动空气流动。

1 深圳皇庭大厦幕墙开启扇

2 深圳皇庭大厦地面和顶板处设通风口

3 永威时代中心锯齿形单元式玻璃幕墙

4 永威时代中心三角形短边设置开启扇

5 北京保利国际广场开启幕墙进排风口

6 北京保利国际广场关闭幕墙进排风口

7 北京保利国际广场主楼

8 超高层建筑自然通风器启闭开关

9 北京保利国际广场线性自然通风器

自然通风型双层幕墙属于外循环双层幕墙，分为整体式、廊道式、通道式、箱体式。内层幕墙为可呼吸的围护层，通常采用开窗的形式，由空腔层进行空气交换，气流缓和，通风舒适度高且不受室外天气的影响。冬季，空腔层可形成一个阳光温室，提高室内空气的温度；夏季，空腔层可将室内的热空气在顶部排出室外。外层幕墙的做法自由多样，可根据不同的需求，灵活地进行立面设计。

自然通风型双层幕墙在欧美国家使用较为普遍，经典的超高层案例如阿布扎比国家展览中心、德国RWE工业集团总部大楼、德国波恩邮政办公楼、法兰克福商业银行总部大楼等。国内受自然条件、技术、管理、造价等方面的影响，双层幕墙在超高层建筑中的应用较少。上海中心大厦是国内超高层双层幕墙的典范，但其空腔层的进排风仍然由机械通风完成。

北京保利国际广场主楼高161.2m，采用自然通风型双层幕墙，外层幕墙为保温墙体。夏季，开启幕墙进排风口，加强通风排出热空气，降低空腔层温度。内部空间采用空调系统降温，避免室内外的直接热交换，降低能耗（图5）。冬季，关闭幕墙进排风口，空腔层成为一个保温层，可以避免因室内外温差而造成的外幕墙凝结现象（图6）。外幕墙采用钢管混凝土斜交网格结构体系，在连续斜肋框架上安装幕墙玻璃，犹如一个巨大的钻石灯笼（图7）。

2.3 幕墙自然通风器

近年来，自然通风器在超高层幕墙自然通风体系中得到了广泛运用，因其具备隔音、隔热、防风、防雨、水密、气密等性能，可配合启闭开关使用（图8）。自然通风器主要依靠室内外的气压差和温度差通风，不受建筑迎风面的高风压影响，避免了开启扇的安全性问题，室内通风舒适度较高，并可成为立面造型的重要元素。通过对上海地区高层公共建筑自然通风器的实际测量，发现被测建筑的自然通风器可以提供0.45～1.38次/h的新风换气次数，对室内通风效果有一定的改善作用。

北京保利国际广场外层幕墙就采用了自然通风器（图9），三角面水平交界处设置了线性通风器，加强了体块感，使宝石造型更为立体。

2.4 其他被动式通风设计

除上文所述的玻璃幕墙自然通风外，超高层建筑还可以利用外立面洞口、幕墙导风板、表皮凹凸扭曲等手法，将自然通风同立面设计结合，两者相辅相成。外立面洞口可使风穿过建筑物，并减小建筑物迎风面的风压，改善外立面通风环境或将风导入建筑物内部的中庭空间，提高建筑自然通风效率。导风板或风墙具有导风的作用，通过控制可以在风压小的情况下将自然风引入室内，在风压大的情况下导流强风，减小建筑的正面风压。表皮的凹凸扭曲同风墙的作用类似。

3 结论

自然通风作为一种生态技术，需配合场地的地理位置、气候特征、主导风向、温度、湿度等因素进行综合设计，或引入立面设计使功能同美观有机结合，是超高层公共建筑可持续发展的重要手段。智能化控制系统可进一步提高自然通风的通风效率，是自然通风的新技术和新趋势，还需进一步探索。

图片来源

图3 由华建集团华东建筑设计研究总院提供；图4，8 由作者自绘；其余图片来自网络。