超高层工业建筑中“机械-自然-城市-人”多尺度复合设计研究——以日立电梯试验塔“H1 TOWER”为例

平 辉，安田幸一

引言

“H1 TOWER”位于广州市番禺区日立电梯（中国）有限公司（以下简称“日立电梯”）大石工厂内，结构主体高度288.8m，于2020年1月竣工，为目前世界建筑高度最高的电梯试验塔[1]（图1，表1）。工业建筑因生产需求具有特殊的空间尺度和技术指标，相关研究多聚焦于工程技术领域，尚缺失与意匠设计相结合的研究视角。而电梯试验塔作为超高层工业建筑兼具工业性和标志性，在设计中需要考虑生产研发、建筑结构、城市景观等不同层面和尺度的因素。以下将以“H1 TOWER”为例，在概述工业建筑设计研究背景的基础上，引出多尺度、多专业融合的设计视角，从机械、自然、城市、人这四种尺度对试验塔的不同要求进行梳理，并对这些要求如何通过建筑、结构、设备专业团队在设计过程中的协同配合，在平面构成、建筑轮廓、风穴与立面、外墙细部中对意匠与技术方案的整合进行具体分析与总结。

图1 日立电梯试验塔“H1-TOWER”东南方向外观

表1 “H1 TOWER”概况

1 工业建筑设计的研究背景

工业建筑是伴随工业革命的机械化生产方式而诞生的建筑类型，与技术发展密切相关，对建筑材料和建造技术的革新具有重要的推动作用[2]。近年来我国关于工业建筑的研究包括工程技术、建筑史、建筑设计三个方面。其中，工程技术相关的研究最多，以电梯试验塔为例，包括抗风结构设计[3,4]、超高层泵送混凝土[5]、灭火系统[6]等特有技术问题的研究。在建筑史领域，关于清末近代工业建筑设计与建设过程[7]、新中国现代工业建筑设计标准化在观念与实践中的发展变化[8]、城市转型期工业工地规划与工业建筑建设的转变[9]等相关研究，是长期以来以民用建筑为主轴的近现代建筑史研究的重要补充。在建筑设计领域，有以工业建筑为原点的概念演绎[10]、国内外工业建筑设计史概观[11]的设计理论研究；同时，在对具体工程案例的设计研究中，生产与参观空间结合的设计策略[12]、工业园区的城市界面设计手法[13]、工业建筑与人和城市的关系开始受到关注。这意味着在工程技术的基础上，多尺度、多专业的融合是工业建筑设计的重要课题和发展趋势。

图3 总平面图

2.“机械-自然-城市-人”四种尺度对试验塔的要求

2.1 机械：研发导向的电梯试验

日立电梯自1990年代在中国设厂制造电梯，广州大石工厂是其在中国开设的第一个工厂。在中国近30年来城市建设高速发展中对电梯产品巨大且多样化需求的推动下，大石工厂的角色也逐渐转变，从最初的从日本引进设备与技术的生产制造模式，发展为同时承担新产品和技术研发功能的电梯制造基地。为此，日立电梯于2012年开始启动以研发为导向的新电梯试验塔建设计划。 新的电梯试验塔需设置15个试验井道，用于不同速度和载重量的多种规格电梯、超高速电梯、双层轿厢电梯、智能群控系统等的研发和试验。其中，用于超高速电梯的试验井道，高度需达到250m。为应对高水平技术和多样化的研发需求，这些试验井道合理高效的布置，是电梯试验塔设计要考虑的核心内容。

2.2 自然：高空的风荷载与风振效应

向垂直方向展开的电梯试验空间对高度的要求远大于平面面积，试验塔的的高宽比也远大于常见的超高层建筑或塔式建筑。相比垂直荷载，高空的水平风荷载将成为结构设计的主导因素，同时需要考虑如何避免风振效应1)对结构的影响[14]。试验塔所在地广州由亚热带季风气候主导，伴有台风和强对流天气等瞬间强风，是需要结合考虑的风气候条件。

2.3 城市：基地周边住工混合的近郊风景

试验塔所在的大石工厂位于广州南部近郊石北工业园内，距离市中心约12km。厂区南侧面向工业园主干道，北临蜿蜒的大石水道，经周边交错的河网与珠江相连。工业园周边分布着城郊的田园村落和1990年代以来陆续建设的住宅小区，是一种大城市近郊典型的住工混合的风景。

将近300m高的试验塔将成为该地区最高的建筑，从各个方向乃至市中心都有可能被看到，对广域城市景观的创造具有巨大潜力。作为企业和区域新发展的象征，如何将工业性和标志性相结合，利用由工业生产需求而形成的特有的建筑轮廓，对城市近郊景观形成积极的影响，是设计中整合技术与意匠方案关键的切入点。

2.4 人：员工的日常使用与来访者的体验

大石工厂的布局以厂区入口、行政楼、外部公共空间和员工食堂为中轴线，两侧为生产车间。试验塔基地位于中轴线北端，进一步强调了象征性的同时，也承接了中轴向员工和来访者开放的公共性（图2、3）。试验塔将成为厂区内员工日常活动环境的组成部分，也是来访者参观学习电梯最新技术的重要目的地。这意味着在满足工业生产和研发的同时，试验塔的设计也要关照人的尺度与使用体验。

图2 “H1-TOWER” 南侧中轴线外观

3 建筑、结构、设备专业的设计合作

由于以机械设备为先导的功能和尺度，工业建筑的设计往往以满足生产需求为重心，而忽略了对广域景观和人体尺度的综合考虑。然而，在近40年来城市快速扩张的背景下，工业建筑在城市空间中越来越可被感知和体验，在与民用建筑日常性尺度的对比中具有创造城市景观特色的潜力。

为了对超高层工业建筑中技术先进性、景观标志性、尺度宜人性等设计议题进行更加全面深入的探讨，“H1 TOWER”的设计团队由建筑、结构、设备专业组成，各专业设计期间并行重叠，以加强设计过程中问题的及时反馈和沟通，并提高各专业方案的整合度。设计的过程，便是将各种条件和专业的要求凝练出图纸中每一根线的过程[15]。

4 意匠与技术方案的整合

4.1 平面构成

平面方案设计阶段的研究主题包括：合理高效的试验井道布局、结构稳定性、广域城市景观中与各方向的关系。基于对以上设计条件的讨论，试验塔采用了十字形平面作为基本形（图4）。

图4 以十字形平面为基本形的电梯试验井道布置调整过程

平面功能主要由试验井道和作业空间两部分组成，十字形的作业空间两侧布置各电梯试验井道，以最少的作业面积服务最多的井道，并保证重型设备沿十字方向直线搬运的便捷性。同时，十字形的平面构成可以通过调整井道的排列按试验内容需求实现四翼分区，并可通过调整各翼长短，以灵活应对设备设计过程中对井道增减的变更。

在相同面积和建筑高度的条件下，十字形平面比方形平面的宽度大，可降低高宽比以提高建筑整体的结构稳定性。同时，向四个方向延伸的四翼，与不同方向特征各异的城市景观形成了呼应关系。

4.2 建筑轮廓

电梯是一种垂直方向上的交通工具，电梯试验塔便是应对不同试验内容的各种井道的集合。建筑轮廓的设计，围绕以下几个方面展开：对电梯速度感的表现、具有标志性的城市景观、从不同角度观看时富于变化的建筑表情。

以十字形平面构成为基本形，为进一步体现电梯垂直移动的动态，并强化不同角度建筑轮廓的变化，对不同井道在高度方向上的组织方式进行了多方案比较探讨（图5）。通过对方案在平面布局的高效合理性、结构稳定性、轮廓创新性等方面进行综合评估，选定了部分试验井道上下累叠、各高度平面轮廓统一的十字柱形方案。 十字形的平面为基底的立体体积，在垂直方向上形成了凹凸转折的12个纵长的立面，勾勒出这12个面的轮廓线集合成笔直冲向天空的线束，构成了体现电梯新技术发展下不断提速的建筑语言。简洁有力的外形通过凹凸面及阴影的变化创造出丰富的表情，加深观看时的视觉记忆。

图5 强调电梯垂直方向速度感的建筑轮廓模型比较

图8 平面图与立面图

4.3 风穴与立面

从试验井道高度和平面布置的高效合理性这两个设计条件的综合结果，得出了高宽比为12的初步建筑轮廓。为了避免大高宽比建筑结构因风振效应产生振动，十字形平面相比普通的正方形平面，四角内折为凹角可有效减少侧向风力的产生。在此基础上在试验塔结构上部开设风穴，进一步加强其抗风振能力。通过结构设计与意匠设计团队的配合，对建筑形体进一步优化，具体讨论的内容包括：风向、高度、数量，以及风穴与建筑立面的关系。

以钢筋混凝土筒体结构为基础，利用十字形的作业空间，以7.5m层高的三倍为单位设置风穴， 设定了“无风穴”、“上部设一个风穴”、“上中部分设两个风穴” 、“上中部分设两个风穴+底部平面扩大”的模型用于风洞试验（图6）。试验结果表明，“上部设一个风穴”可有效减小结构的风荷载作用，并保证不同高度上作业空间的最大化。

图6 结合平面构成与立面模数的风穴布置方案（用于风洞实验比较）

通过结合平面构成和立面模数确定风穴的具体形式，有效统合了结构与意匠双方的设计方案。十字形平面构成发挥了其应对各方向自然条件的灵活性，可引导四个方向的风。与立面模数统一的风穴开口，丰富了垂直和水平方向上的划分层次，调节了立面整体的视觉比例，在构成中起到了点睛的作用（图7、8）。

图7 局部外观（风穴）

4.4 外墙细部

高耸的墙面是试验塔介入周边厂区空间的界面要素，在员工工作和来访者参观时会被近距离观看和体验，需要消解其压迫感和单调感。在外墙细部设计中对以下问题进行了进一步探讨：工业尺度向人体尺度的过渡方式、结构与装饰的统一、施工的合理性。

对巨大的界面要素进行切分，是调节尺度感的有效方式。结合强调电梯速度感的试验塔外观意象，决定对外墙面作竖向切分。由于试验塔高度将近300m，通过外装材料调整视觉印象的方法，会加大施工的复杂性，也脱离了形式与功能统一的工业美学思路。因此，需要用结合主体结构去思考调节外墙界面的方法。

最终的解决方案是，以等距布置的半圆弧竖向凹槽对外墙面进行切分，通过改变外墙面模板形状，与钢筋混凝土筒体结构作为整体进行浇筑（图9）。与古希腊柱式中柱身凹槽的作用相同，试验塔十字柱形外墙面的凹槽，通过竖向线条的密度进一步强调了垂直方向延伸的造型，并通过凹凸表面产生的阴影丰富了建筑的细节和表情（图10~12）。同时，与结构一体化的墙面凸起部分，具有抗侧力竖向构件的作用，有利于提高结构的整体强度。另外，结合圆弧凹槽的造型，对平面角部进行凹角处理，进一步降低横风向响应[3]。

图9 外墙细部详图

图10 试验塔入口

图11 外墙细部（正面）

图12 外墙细部（转角）

5 多尺度复合与多专业协同设计

以下将对机械、自然、城市、人这四种尺度在我国现今工业建筑设计中的共性课题进行总结，并针对高速电梯试验塔这一新出现的建筑类型，结合“H1 TOEWR”的设计成果以及同类建筑的比较分析，对“多尺度复合”的设计思路与“多专业协同”的工作方式作进一步探讨：

（1）“机械”尺度是工业建筑的固有特征和决定性因素。我国的工业建筑设计在上世纪经历了从标准化、体系化的发展[8]，这种通用设计模式与批量化的生产模式相契合。而在经历了改革开放以来技术引进、来料加工的复制性生产模式之后，我国的工业生产已进入技术研发创新、个性化、多元化的新阶段。这意味着工业建筑设计已不能仅对已有的标准或模式进行简单复制，新的生产研发需求将触发新的建筑形式。

高速电梯试验塔便是近年来在电梯产品多样化与技术革新的推动下新出现的建筑类型，与用于产品性能测试的传统电梯试验塔相比，对试验井道的高度、试验设备的安装和拆卸的灵活性等具有更高的要求。由于没有既定的模式，建筑师需要在方案设计阶段与生产设备团队紧密配合，共同制定平面与剖面布局中的关键条件与技术指标，以满足新的生产需求，并保证设计的合理性和可控性。目前的同类试验塔多采用以作业空间为中心环绕式布置试验井道的布局方式，“H1 TOEWR”则通过十字形的基本平面构成，在相同面积下大大增加了作业空间对试验井道的服务界面，既满足了以研发导向的电梯试验对设备紧凑布置和高效运作的要求，也保证了深化设计中局部调整的灵活性。

（2）“自然”尺度是指重力、风力、地震力等不可抗的自然之力。工业建筑往往因其“机械”尺度带来超常规的结构跨度、高度，对承受自然力的结构方案需要进行超限设计评估，也是工业建筑设计往往侧重于工程技术的原因。如果在此基础上加强建筑设计与结构设计团队的合作，不但有利于对结构设计的主导因素达成共识，也为结构方案所带来的新条件和潜力在意匠设计中进行整合与利用创造更多空间，是推动建造技术与工艺发展的重要契机。

高速电梯试验塔因其特有的高宽比，风荷载是的结构设计主导因素，需要通过风洞试验对建筑外形轮廓的合理性进行评估。调整高宽比、平面角部处理、立面退台变化、设置风穴等方式是同类建筑中用于减弱风振效应的常见做法[3]。“H1 TOWER”通过从设计初期阶段建筑师与结构专家的紧密配合，实现了高宽比调整与十字形平面构成的统一，四向风穴的尺寸和位置与立面模数的统一，抗侧力竖向构件和平面凹角处理与外墙面细部设计的统一，把应对风荷载的结构方案转化为试验塔整体构成和外观设计的新契机，实现了建筑与结构设计的高度统合。

（3）“城市”尺度是我国当代城市近郊住工混合区域的特有课题。在城市规模快速扩张的背景下，城郊不同用途地块形成一种拼贴状态，使工业建筑与城市景观的关系受到更多的关注，尤其在新开发的工业园区的总体规划中，园区与城市的界面设计往往成为讨论焦点[13]。建筑师需要具有城市设计的意识，工业建筑作为城市的一个组成部分将如何被感知和体验，对其有别于民用建筑的尺度与外形轮廓进行综合考量，在设计中进行过渡、消解，或者作为景观加以利用。

高速电梯试验塔作为超高层建筑，高耸的轮廓天际线具有成为区域标志性景观的潜力，也是企业技术水平的重要象征。目前我国同类试验塔常常作为厂区标志靠近城市主干道或交叉路口建设，通过不同高度的井道组合、参观层平面放大等方式创造外形轮廓的特征。“H1 TOWER”的选址位于厂区中轴线靠近市中心的一侧以突显其标志性，以生产效率性、结构合理性、建造经济性为原则，在不采用二次表皮建造的前提下，通过十字柱状的建筑轮廓形成具有节奏感的体量转折，并利用风穴和各层作业空间采光的玻璃幕墙强化纵向的立面构成。

（4）“人”的尺度随着工业经济与生产方式的发展越来越被重视。后工业时代的工业建筑不但与生产者的工作环境息息相关，而且是普通市民或游客了解城市产业的窗口，科普教育的生动教材，科技与人文的结合也成为重要的设计主题[12]。如何将“机械”尺度向“人体”尺度进行过渡，是工业建筑的人性化设计的关键，同时需要对厂区员工、来访者等不同人群的使用场景、流线、环境舒适性进行综合考量。

高速电梯试验塔的设计中对人体尺度的讨论，通常围绕如何化解建筑体量的压迫感、组织试验与参观的功能分区和流线等主题进行。通过外墙面和玻璃面的组合调节视觉比例并弱化塔身的封闭感，结合乘梯体验在高层部分设置参观层，是同类试验塔设计的常见做法。“H1 TOWER”通过对钢筋混凝土筒体结构浇筑外墙面模板的凹槽设计，以结构和装饰一体化的方式对巨大的墙面进行竖向细分，丰富立面表情的同时，强化试验塔外观对电梯纵向速度感的表现。另外，利用十字形平面的四翼对试验设备与参观者的流线进行划分，既保证试验井道在竖向方向上的贯通，又在参观层形成了独特的展示分区，并加强了对四个方向的城市景观的体验。

结语

本文以“H1 TOWER”为例，从机械、自然、城市、人这四种尺度对电梯试验塔的不同要求进行梳理，具体分析了在建筑、结构、设备专业团队的协同设计下，在平面构成、建筑轮廓、风穴与立面、外墙细部中对意匠与技术方案整合的设计经验与探索。

由于工业建筑特殊的功能和尺度，相关设计研究往往以结构设备技术为重心。而在技术革新、城市发展的推动下，当代工业建筑设计进入了类型多样化、技术高度化、城市景观化、使用人性化的新发展阶段。如何对这些新属性作为一个整体进行综合考虑，需要各专业团队在设计过程中的紧密配合。多尺度复合、多专业协同将是拓展工业建筑设计维度、工程技术与城市人文融合的关键。

致谢：感谢日立电梯（中国）有限公司对本文撰写以及建筑拍摄工作的支持与协助。感谢设计合作团队华南理工大学建筑设计研究院在设计过程中的支持与配合。感谢结构顾问田村幸雄先生、竹内徹先生对设计方案提供的专业意见。

图、表来源

图1、3、7、10～12：战长恒拍摄；图2、表1：基于日立电梯（中国）有限公司提供信息，作者绘制；图4～6、8、9：基于安田工作室提供资料，作者编辑绘制。

注释

1）当高楼遇到强风时，会在高楼横风面产生周期性涡流，而些涡流又对从对高楼施加交替的与风向垂直的周期性侧向风力。当结构自振周期接近周期性涡流产生的周期时，就会出现因周期性侧向风力引起的共振现象。