现代高层建筑的可持续发展

1、现代高层建筑的可持续发展li建筑与结构设计rchhecturalowlstructuroldesign【文章编号】1007.9467(2008)12.002604现代高层建筑的可持续发展张仁新(大连理工大学土木建筑设计研究院,辽宁大连116023)【摘要】高层建筑的发展至今已面临困境.遵循生态设计的可持续发展原则是必然趋势.阐述了高层建筑可持续发展的要点是:以人为核心,最大限度地提高能源和材料的使用效率,减少建设和使用过程中对环境的污染.结合自然和注重效益,在保护环境与合理利用资源的前提下,确保基本功能和提高效能,塑造更具个性的建筑形象及利用高科技实施智能化.【关键词】高层建筑;摩天楼;发展;

2、环境;可持续发展;绿色;生态【中图分类号】tu208-3【文献标志码】amodemhigh-risebuildingforsustainabledevelopmentzhangrenxin(designinstituteofcivilengineering&architectureofdalianuniversityoftecnology.ltd,dalian,116023,china)abstractthedevelopmentofhi【ghrisebuildingshavebeenfacedwithdifficulties.ecodesignfollowedtheprinciple

3、sofsustainabledevelopmentisaninevitabletrend.sustainabledevelopmentofitsmainpointsare:peoplecentered,tomaximizetheuseofenergyandmaterialsefficiencyandreducetheuseoftheprocessofbuildingandtheenvironmentandpollution.combinationofnaturalandpayattentiontoefficiency,environmentalprotectionandrationaluseo

4、fresourcesunderthepremiseofensuringthebasicfunctionsandimprovetheeffectivenessofshapingamorepersonalizedimageoftheconstructionandimplementationoftheintelligentuseofhighteehnologt.keywordshighrisebuilding;skyscraper;developm;enviroment;sustainabledevelopment;green;ecoloty近现代高层建筑自19世纪末在芝加哥诞生以来,已经经历了上百

5、个年头.就在人类为不断征服新的建筑高度而兴奋不已时,其创作中不顾自然生态环境,缺少节能意识和地方特色等,已几乎成为高层建筑设计的通病.在现代高楼林立的都市中,密集的建筑群造成阴影遮挡,热岛效应,高能耗及高楼综合症等诸多不良影响.我国目前正处于高层建筑建设的高潮,然而许多高层建筑却处于”低标准,高消耗,低效能,高污染”的状态,这种发展是不能持久的.因此,以”绿色”和生态为宗旨的设计,必将成为21世纪我们的首要目标之一.依此观点,就意味着我们需要在建造中对自然环境施加最小的影响(如果可能的话,还应产生积极的作用),并使我们建成的环境与生物圈的生态系统融为一体.倘非如此,人类作为生物圈中的一支,迟早

6、会使地球不胜负荷.在21世纪,关键的建筑类型将会是一些城市建筑,而它们除了一些诸如购物中心,机场等集中式的建筑类型外,很可能是一些高层建筑或摩天楼.无论我们赞成或反对,在现实中这种建筑类型将不会简单地消失.近来的趋向表明,摩天楼作为一种建筑类型,将会继续建造,并在世界上许多城市中继续存在.在我们创造另一种经济上可行的替代方案之前,以及当前大量人口从乡村向城市迁移的潮流和规划管理上有根本的改变之前,这种状况大约会持续下去.因此,我们必须要知道如何用一种具有生态意义的方法来设计如此集中的建筑类型.本文的重点,就是关于这一建筑类型及其可持续设计方法的研究.1建筑形式,朝向和楼层平面形状的选择高层建筑

7、的朝向对合理利用自然资源有重要意义.同样平面形状的建筑物,南北向比东西向负荷少.故核心体的位置可考虑放在东西向,以使主要空间免受阳光直射,从而节省空调能耗和最大限度减少热损失.建筑师杨经文在设计马来西亚ibm公司大厦时,充分考虑了湿热地区气候特点,将核心体布置在建筑的东侧,在西侧布置边庭和次要空间,办公室等主要使用空间则布置在南北向,且各部分都具有良好的自然通风和采光.在平立面设计时,设计者还需要特别注意保护该建筑到周围建筑的”视廊”,及其阴影对周围建筑的影响.除非存在特别重要的视觉走廊,一般窗户都应该面向直接日晒最小的方向.在高层建筑的设计中,规划阶段的一个关键问题是确定其服务核(即楼梯,电

8、梯和卫生间的位置).服务核的定位决定了在楼层周边的哪一部分开窗,也影响了整个建筑的热工性能.特别是,设计者必须将当地的太阳运动轨迹和风玫瑰与其它因素(如最佳的视线方向,场地形状,与相邻建筑的关系等)作为一个整体加以综合考虑.例如,服务核的定位能起遮阳与挡风的作用.它们可以布置在建筑的东端,西端或东西两端,以遮挡日晒.有研究表明:当采取双核的形式,使服务核设于建筑东西两端,窗户设于南北两向时,能节省空调负荷高达20%.在气候寒冷和温和地区,以及生物圈中的南北两极地区,这些服务核还能作为挡风的屏障.在3种服务核的可能布置方式中(即”中心核”“双核”,”单面核,),双核的布置形式是最优的.这种将服务

9、核布置在周边的优点是:1)不需要防火的压力管道,从而降低初始费用和运营费.2)使用者有良好的视线景观,从而增强其场所感.建筑与结构设计larchitecturalandstructuna!designi3)能使电梯间获得自然通风.4)能使楼电梯间获得自然采光.5)在建筑的整个动力系统出现故障时更安全.6)具有遮阳和挡风作用.当双核分别位于东西两端,南北两向开窗时,空调负荷最小;相反,当采用中心核,主要采光口位于东南和西北两侧时,空调负荷最大.而且,若不考虑建筑的类型,高层建筑沿南北向长轴布置时的空调负荷,是东西向长轴布置时的1.5倍.通过采用上述的原则,生态气候的摩天楼设计已经在形式上与一般的

10、中心筒式的摩天楼类型有很大的差异了.2高层建筑的立面设计在设计的这个阶段,立面设计应该比建筑的内部受到更多重视.高层建筑的外墙应该被做为一种环境的”过滤器”来设计,它应该象一种”过滤装置”而不是一个”密闭的表皮”.它应该有可以调节的“开口”,能作为”有可变部件的过滤器”加以操作.立面在设计中应该是多功能的:如能获得自然通风;控制穿堂风;满足向外的视线要求;能控制潲雨的侵袭;解决大雨时的排水问题;能屏蔽噪音;以及具有夏季遮阳和寒冷季节的御寒作用等;此外,还能增加建筑的美观.控制太阳能的最有效形式是在玻璃外加遮阳装置.但其设计的前提是要了解当地的太阳运动规律.对建筑,尤其是其外墙所受热辐射的有效防

11、护措施,是选择某些在炎热条件下具有吸收和辐射性能的材料.这些材料首先要对热辐射的反射大于吸收,而吸收的热量又能迅速地以热辐射的方式释放出去,以降低室内温度.外立面色调应该越浅越好,以减少城市的热岛效应和建筑的总空调负荷.立面应设计成既可获得日照,同时又能隔绝热量.应该详细地了解玻璃对太阳光的各种特性(如传递,吸收和反射等).直接被太阳照射的外墙面应该是隔热的,并且27l建筑与结构设计larchitecturalstructuraldesign要注意其时间延长的影响.这些外墙材料应该是有效的隔热构件,或设计成”双层的”通风空间.如:杨经文最近在上海设计了一座36层的综合大楼.该大楼设有两层外壳,

12、中间夹有一层可调百叶来调节室内气候以减少空调能耗.夏季两层外壳由于烟囱效应而利于空气的流通,冬季又起到防寒作用.为遮挡西北风,在建筑外部还做了一个巨大的挡风板.从而,充分体现了生态学的设计思想.3屋顶的处理高层建筑的屋顶应作为建筑的第5立面考虑.与低层建筑相比,高层的屋顶在热性能方面是不太重要的,因为与其外墙总面积相比,屋顶的面积相对不大.然而,顶部结构的直接吸热是需要加以考虑的.通常情况下,许多屋顶上设有机械设备,它们起到部分隔热的作用.此外,还有设屋顶挑蓬或凉棚,以及屋顶花园等方法.通常,屋顶由蓄热能力低的材料构成,而在没有遮阳的地方设有反射力强的外表面材料.屋项应该优先采用双层结构,上层

13、的表面可以很好的反射阳光.4风与自然通风的考虑自然风是一个重要的地段环境能源.充分利用当地的日风玫瑰图,我们就能确定城市建筑的楼层平面和外墙形式,使之利于自然通风和更有效的降温.本质上看,我们发现50%以上的室内环境质量低劣是由于缺少充足的通风引起的.自然通风有以下用途:提高室内的舒适度(空气流通),有益于身体健康(空气交换)以及建筑的降温(空气流通).设计者必须明确,就当地情况而言,哪些风的作用是可以利用的.在任何情况下,一栋生物气候设计或生态设计的建筑物的服务核,都应该是自然通风和采光的,同时应尽可能获得向外良好的视野.由于在电梯间能看到室外,这样高层建筑的使用者一走出封闭的电梯箱时,就能

14、获得自然的阳光和空气,从而获得一种更强烈的”场所感”.自然通风对可持续发展的设计而言是有价值28的,因为它能依靠自然的空气流动,并通过减少机械通风和空调的需求,节省那些重要的,不可再生能源的使用.它解决了对建筑的两个基本的要求:即排除室内污浊的空气与湿气;增强人的热舒适感.自然通风只在高层建筑的某些部位适用.在温和与寒冷的气候下,设计的关键是要限制进入室内的空气量,使其能满足人们对新鲜空气的最小需求,同时又不导致室内变冷或过多的热损耗.采用自然通风的高层建筑,应该从形状上最限度的面向所需要的(夏季)风向展开,并设计成进深相对较浅的平面(如外墙到外墙14m进深)使流动的空气易于穿过建筑,形成穿堂

15、风,有效地获得舒适感.风穿过建筑的路径应该是在使用者频繁活动的区域(即楼层以上2m之内).5竖向景观的运用将植物引入高层建筑,有下列3种基本的方法:并置,混杂与整合.植物具有美学,生态学,能源保护等方面的作用,并能对风雨起到有效的气候调节作用.植物能对室内空问与建筑外墙起遮阳作用,同时减少外部的热反射和眩光进入室内.植物的蒸发作用在于其成为立面有效的冷却装置,并改变建筑外表的微气候.在温和气候地区的夏季,立面绿化能使建筑的外表面比街道处的环境温度降低5;冬季的热量损失能减少30%.高层建筑立面外表面积能达到用地面积的4倍5倍.假设整个立面覆以植物,其降温作用将是重大的.它同时对减少城市的热岛效

16、应有着重要的意义.在室外,植物能使其周围的城市温度降低约l;而能遮荫的树木,其树荫下的温度又比周围温度再低2.植物之间的连续性对于物种多样性的获得是重要的.为获得城市建筑”竖向景观”中植物的连续性,系统中植物应该是相互连接的(例如在建筑立面上通过阶梯状的花池形成”连续的植物区”).它们能允许一定范围内植物物种之间的相互作用与迁移,并与地面的生态系统连为一体.另一种方式是将植物分隔地种植在不联系的花池中,但这种方式会导致植物种类的单一性,它需要外部的输入(如人类的经常维护)来保持生态系统的稳定.6空中庭院的创造高层建筑的造型可以在其立面上插入一些过度空问,以提供可用的空中场所.比如:创造一种凹退

17、的阶台状空间或成为”空中花园”,作为室内外的间隙空间.空中庭园本质上就是一种凹进开敞的空间,它有通高的玻璃门可以从室内向此空间敞开.空中庭园具有下列功用:对部分建筑的遮阳作用;可作为紧急疏散区;可用于绿化和景观设计;在允许容积率增加的情况下,可作为未来扩建的灵活间隙空间;可为使用者创造一个更富有人情味的环境,人们可以从封闭的室内空间步入到这些开敞的露天空问,直接感受室外环境和欣赏景观.这些空间的上部是不需要完全遮挡的.它们可以覆以百叶式的屋顶,既可使风流进入,又能使热气排出.这些空间甚至能扩展到整个建筑的高度,作为风洞以利于室内通风.7交通设计高层建筑的交通应是有机和高效的.在水平方向上,其走

18、道长,宽应按规范控制:环形走道对交通和疏散都十分有利;应尽量避免带形走道,否则要在尽端设置辅助疏散设施.在垂直方向上,乘客屯梯应充分考虑合适的数量及布置形式,并宜采用分区方式以提高效率.裙房和主楼应各自配置楼梯而不宜混用.超高层建筑还应设置避难层.标准层规模庞大者还应设置屋顶直升机场.对于双塔或综合体类型的高层建筑来说,可设置”空中走廊”将电梯转换层,避难层等联系起来,从而提高交通效率和有利于相互疏散,还能使建筑造型生动别致.例如:日本东京的圣路加花园大楼,其双塔由底层的共享大厅和”空中走廊”构成连接体.在21世纪,信息,能源技术的发展,以及能源,l建筑与结构设计iarchitecturalandstructuraldesign1资源的危机和环境恶化,人口膨胀等因素,要求建筑师视野开阔并把握全局,从整体,全面,综合的角度出发,创造可持续发展的高