梳风——基于风环境问题的生态摩天楼14159

1、梳风基于风环境问题的生态摩天楼.txt不要为旧的悲伤而浪费新的眼泪！现在干什么事都要有经验的，除了老婆。没有100分的另一半，只有50分的两个人。 本文由jqy_xm贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 梳风基于风环境问题的生态摩天楼 上海陆家嘴金融贸易区银行摩天楼综合体设计 同济大学 建筑学 本科四年级 数字化概念摩天楼课程设计（8.5 周） 学生：龚思宁 学号：050380 指导老师：孙澄宇 WindComb: Aerodynamic-Based and Ecology Skyscraper Shanghai Lujiazui Trad

2、ing Zone Bank Skyscraper Complex Design Digital Design Studio for Conceptual Skyscraper (B. Arch. 8.5 weeks) College of Architecture and Urban Planning, Tongji University Student：Sining GONG ID：050380 Supervisor：dr. Chengyu SUN 设计说明 2009 年 4 月 “We disolve the dichotomy between building and city, cir

3、culation and habitation, structure and skin, development and sustainablity by combining programmatic, urban, enviromental & technology aspects of designing, building and living tall.” Neri Oxman，A Lofty Index：The Skyscraper in the Age of the Digital Revolution. 对未来城市需求的分析 随着人口的增长，城市的扩张与土地资源有限性之间

4、的矛盾不断激化，解决矛盾的有效办法之一是城市空 间竖向发展。随着全球城市化进程的加快，高层建筑的建设量越来越大，高层建筑带来的环境问题也凸显 出来，比如高能耗，阳光遮挡等，其中风环境问题尤为突出：一方面高大密集的建筑群，降低了城市的通 风、自净能力，加剧了在低风速条件下城市的空气污染和热岛效应；而另一方面在风速较大时，高大建筑 周围会产生局地强风，影响到行人的舒适与安全，引出行人风环境(Pedestrian Level Wind Environment) 问题城市中高大建筑物和建筑群会显著改变城市近地面层风场结构在有较强来流时，建筑物周围某 些地区会出现强风；如果这些强风区出现在建筑物入口、通

5、道、露台等行人频繁活动的区域，则可能使行 人感到不舒适、甚至产生伤害，产生行人风环境问题。 高层风的形成可以总结为三个方面：首先，建筑高度及体量造成建筑风影，对下风向建筑及室外空间带来 一定的负面影响；其次，气流在高层建筑上部受阻，转而顺建筑表面向下运动，到达建筑底部，与地面水 平向气流混合，底部空间风环境复杂化；第三，群体建筑空间规模及布局在建筑外部空间形成狭管流，角 流、穿堂风以及阻塞、尾流等效应，导致局部风速过大、过强，不利于街道上行人活动。 什么样的摩天楼能够使城市的风环境更加美好？ 设计概念说明 A. 概念形成 我们的基地陆家嘴中心绿地附近就是一个典型的城市不良风环境场所。中心绿地无

6、人问津，街道风大人少， 都是高层建筑导致的风灾。位于绿地西北面，东北边和东南面的高层建筑是主要的影响因素，尤其是北边 的一排超高层银行办公建筑，冬季盛行西北风穿过建筑夹缝中产生的加速气流和从高层侧面剥离下沉的气 流汇集到行人高度上，形成高楼风，夏季又因为并排的建筑群体形成挡风墙，导致气流在建筑基座处形成 复杂的湍流，阻碍了城市的通风换气，却在局部形成令人不适的强下沉气流。 城市中的风如同长发，需要细致的梳理才能柔顺，摩天楼能否成为风之梳? 如果以城市为母体，摩天楼就 是地面上的梳齿；而建筑上的梳齿又是什么？ 本设计试图针对银行摩天楼，通过计算流体力学（Computational Fluid D

7、ynamic）分析和参数化设计 （ Parametric Design ） 参 数 的 选 择 寻 求 一 个 全 新 的 建 筑 解 决 方 案 。 新 方 案 将 利 用 空 气 动 力 学 （Aerodynamic）知识和生态技术，通过建筑群体的布局、单体形态的调整和细部构造设计解决建筑的风 环境问题，综合利用风能太阳能等生态能源 ，同时在功能和视觉上完善建筑自下而上的内外环境 ，还市 民一个宜人的绿地公园和底层街道空间。 B. 现状分析： 风力的增加是风速的平方，一栋超高层使风速增加了 4 倍，行人受到的风力就可能是 16 倍 蒲氏风速等级指标 1 级 无风 <1.5 2 级 轻

8、风 1.63.3 3 级 微风 4 级 和风 3.45.4 5.57.9 5 级 清风 8.010.7 6 级 强风 10.813.8 7 级 疾风 8 级 大风 9 级 烈风 10 级狂风 13.917.1 17.220.7 20.824.4 24.528.4 注：表中风速是指空旷地面上 10m 高度的平均风速 风速舒适性评估准则 Principle of Estimation on Aeolian environment 活动性 慢步 公园 长坐 室外餐厅 适用的区域 可容忍 不舒适 危险 快步 人行道 站立，坐 公园广场 6级 7级 8级 5级 6级 8级 4级 5级 8级 3级 4级

9、8级 C. 建筑群体布局的风环境影响 建筑在场地上的分布 马剑 陈水福，平面布局对高层建筑群风环境影响的数值研究J，浙江大学学报(工学版）第 4l 卷第 9 期，2007.9 (1)当各建筑沿顺风向并列布置(并列型)时，风速在通道入口处增加但幅度不大；由于前排建筑的遮蔽 效应，后排建筑周围气流较弱，对通风会有一定影响 (2)当来流入口处的建筑横向间距大于出口间距(如反 Y 型布局)时，出口通道处的风速增加最为显著， 风环境较为不利 (3)当入口建筑横向间距小于出口间距(如正 Y 型、正 U 型、正 V 型布局)时，不利风环境发生在入口 通道处，最大风速比与出口处建筑间距有关，正 V 型与正 Y

10、 型、正 U 型相比稍有改善 (4)当入口建筑横向间距等于出口间距(如围合型布局)时，风速最大值出现在入口通道处，但此时最大 值与前两种情况相比有较明显的减小 总体而言，围合型布置风环境较佳，其次是并列型，正 Y 型、正 U 型和反 Y 型布局时巷道效应和风 速加强现象比较严重 D. 建筑单体形态 利用空气动力学知识，对建筑截面型线优化（圆，椭圆，抛物线截面型线） 风载体型系数与建筑平面的关系： 方形 1.4 正八边形 1.12 圆形 0.7 椭圆形短边迎风 0.48 抛物线 0.38 A-物体在流场平均运动方向的投 风阻与迎风投影面积的平方成正比 对外流来说：D=1/2 pv2 A Cd 影

11、面积 Cd-减阻系数 合适的外形型线=理想的压力分布，但宏观的流线形态并不能回答阻力的全部问题 外流方向与物体长轴形成某冲角时，流体会附壁旋转的依据 大厦表面呈螺旋形，轮廓柔和，扭转 120 度，这种体型可以最大限度地减少风吹造成的建筑摇摆。经过测 算，风阻比同样体量的矩形建筑风阻减少了 24%。 高层建筑在风场中的气流上下分叉点在迎风面上部 1/3 处旋转后截面最小迎风面高度的依据 E. 地面层防风措施： p-流体密度 v-不受扰动行进流速 邻栋间通廊盖顶，用基座使剥离风不会偏下，角部做锯齿状处理，墙面凹凸阻扰快速通过的气流，降低侧 面风速， F. 细节： 结构框架+遮阳/露台/风阻片 形成

12、的共同表皮 （朝向/荷载/风向的共同作用） 在形体上用各指标关于高度的函数加权优化的方法调整导风百叶的形状和竖向分布密度 风阻片对降温的作用（夏季）/太阳能集热器（冬季） ：利用辐射和对流以及热交换原理冷热水上下被动循 环为室内降温 核心构思中数学关系的概括性描述 A. 测试： FLUENT FILE 平面布局对高层建筑群风环境影响的分析，总体而言，围合型布置风环境较佳，其次是并列型，正 Y 型、 正 U 型和反 Y 型布局时巷道效应和风速加强现象比较严重 ALGOR FILE 通过对 5 种不同形状截面建筑类型的风速模拟数值试验结果进行分析，得出结论：椭圆和抛物线截面在不 影响气流的通过性和

13、对底层（近地面气流层）的干扰上有比较出色的性能，同时另一个变截面椭圆 旋转体的风速试验证明底部扩大的基座有将快速气流集中于中上层的作用。在接下来的导风板特性测试 中， ，证实了导风板对气流有明显的减速功能和明显的引导风向作用。 ECOTECT FILE 建筑不同朝向辐射值 B. 参数化设计： 利用已知有利截面和阻风导风形式，结合环境参数，做参数化的形体设计，优化建筑风环境性能。 1. 建筑形态：结合椭圆/抛物线截面和抛物体的形体特征，对椭圆平面的做不同高度上的位移，旋转， 缩放并 Loft 2. 参数表：椭圆长轴，长短比例，建筑层数，建筑层高，顶层最小长宽，总最大旋转角，偏移函数，最 大偏移值

14、 椭圆截面跟随阳光轨迹旋转 塔楼主要受光面随太阳轨迹旋转角 80.8 度 3. 数学关系：椭圆长轴与阳光轨迹射线呈法向 下面的挡风作用，中段迎风面积减小使气流顺利通过，上段减小风阻 减少能耗的收分，同时又在顶层规定保留必要的使用面积 4. 导风遮阳板形态：在每层建筑楼板外轮廓的 8 个朝向根据高度和朝向变化不同生成不同长短轴（即不 同出挑和厚度）的椭圆形截面并分别 Loft 5. 参数表： 上海地区：不同朝向年平均太阳辐射量，大气日温差随高度变化值，不同朝向平均风频和风速（风玫 瑰） ，大气风速随高度变化值，结构允许最大出挑距离，最大厚度 用 Curve Frame 在 Contour 上取点

15、（8 个朝向） ，分别画法向椭圆，参数如下： 6. 数学关系： 截面椭圆长轴 朝向加权：8 个方向的年平均太阳辐射量（1.379.21） 高度加权：每上升一百米降低 0.6 摄氏度 (25.928) / 变化范围: 0.46m 截面椭圆短轴 朝向加权：风玫瑰（28.8174.2） 高度加权：风速 V/V0=(H/H0)n (n=0.3) (0.5-2.9) 变化范围: 0.13m 规则：太阳辐射越多温度越高，导风遮阳板挑出越多；风速越高，导风遮阳板上下厚度越厚。 大气日温差与高度的函数关系 建筑设计 A. 建筑总平面的确定： 1. 建筑轴线和肌理：延续原地块城市设计的肌理陆家嘴内外环路的两道弧

16、线，由中心绿地发 散出的四道射线，反转原建筑的布局，优化冬夏两季的风环境。 2. 建筑高度分布：高 180m 至 380m，考虑浦西视角的浦东天际线和陆家嘴中心绿地人视角，基 本遵循原地块容积率。 3. 膜结构的结构支撑位置：voroni 划分出柱点，整个结构分为三部分，每部分的结构网格分别由 六条边梁（索）之间的三组连接梁（索）交错生成，网格之间的 nurbsETFE 4. 5. 膜结构边界：由建筑边界连线后内凹形成 膜结构高度：基地内建筑之间的广场自然形成了三个中心，以南高北底的趋势布置，使冬季的 西北风不会对下面的广场造成影响，而夏季能够适当的通风。银行广场，既要配合上部塔楼的 形态和风

17、特性又要能够实现城市娱乐商业功能和周边绿地的顺利交接和人流密度传递，这就要 求 6. 平面交通系统：地铁出入口的整合与增加，地下车库出入口的分配，步行交通主要出入口，车 行交通（公交与接送车流的停靠） ，广场上人流的疏密（与活动安排的关系） 。 B. 建筑单体： 1. 旋转角度：下段面南，中段为了保持迎风面积最小，核心筒偏心布置（随塔楼旋转在椭圆长轴 上移动） ，提供办公大空间（但是需要第二个疏散出口） 2. 平面布置：标准层面积 1600900 （椭圆长轴为减小风阻和减少表面能耗自下而上呈抛物线 形收分） ，核心筒面积 160 ，包含 8 部电梯，消防电梯 2 部另算（由于长轴方向有可能达到

18、 60 米，需要两个疏散出口，一个直通楼下，另一个通向避难层） ，建筑从 70 层到 40 层不等， 避难层从第 15 层起每 15 层设一层（含设备与结构加强） 。屋顶分为直升机场和屋顶大厅以及绿 化花园。 3. 剖面布置：一层广场为开放性广场，局部有下沉广场和二层露天平台，地下一层涵盖商业与餐 饮业，地下 2 层以下为车库和保险库，银行办公塔楼底层为银行交易大厅，低层为信贷接待等 人员流动较大部门，中层为银行清算账目管理人员办公层，上层为决策管理层办公。 4. 结构：表面交叉钢结构网格 + 核心钢筋混凝土筒体 + 镶嵌式 low-E 镀膜玻璃幕墙 + 钢板混 凝土板 C. 技术细节： 关于

19、导风板遮阳系统和热交换系统的系统图，解释了整个建筑节能系统的绿色特质和实际功效。高空的高 速风对建筑的制冷作用大于阳光的热辐射作用，因此用水作为热媒介交换高处和低处的空气热量。夏天北 面的冷水制冷，南面导风板排空作为隔热构造，冬天南面的水提供热量，北面水管排空作为保温构造。南 北两侧和上下结合，形成随季节和温度自动调节的系统。 导风遮阳板高空的高速风对建筑的制冷作用大于阳光的热辐射作用，因此用水作为热媒介交换高处和 低处的空气热量。夏天北面的冷水制冷，南面导风板排空作为隔热构造，冬天南面的水提供热量，北面水 管排空作为保温构造。形式：截面为类抛物线半椭圆形，以不同朝向太阳辐射量，风玫瑰参数，不

20、同高度 大气温度和风速进行出檐和厚度的优化排布，并借以此形成立面上连续肌理变化，材料为钢结构骨架+高 分子合成绝热抗紫外线材料+热交换材料，内部为盘管（内径 15mm）与每层的热交换设备控制中心相连， 冷热水在平层或上下层交换由中心控制系统控制（含热传感器） 。 地面及广场部分由地源热泵进行空气温度调节，一些管子与作为结构的钢管网（直径 300mm）一起进入 地下，同时钢管网组成的筒体为地下提供采光和空气交换，由网架所组成的天棚在顶部有部分网格夏天可 以向上升起，利用文丘里效应拔风更新广场空气，调节温度。 经济技术指标 A. 功能及设计 原建筑群 FAR： 平安银行 5.1 平均值为：4.3

21、B. 新方案建筑面积分配 中国银行办公楼 半长轴 45m 长短比例 0.618 转角 297 cos 值 3.3 最大偏移 13 面 积 共 20.5 万平米 平安银行办公 半长轴 36m 长短比例 0.618 转角 180 cos 值 4 最大偏移 13 面 积 共 13.5 万平米 汇亚 3.3 中银 6.6 交银 3.5 上银 2.5 黄金置地 4.2 A 座 主塔楼 3900810 B 座 副塔楼 2500920 高 384m 96 层 高 320m 80 层 C 座 交通银行与上海银行合用办公 高 232m 58 层 19001025 半长轴 32m 长短比例 0.618 转角 15

22、0 cos 值 2 最大偏移 10 面 积 共 8.5 万平米 D 座 黄金置地公司办公 高 384m 55 层 17001025 半长轴 30m 长短比例 0.618 转角 120 cos 值 4 最大偏移 10 面 积 共 7.5 万平米 E 座 汇亚大厦办公 高 384m 45 层 1500810 半长轴 28m 长短比例 0.618 转角 90 cos 值 1.4 最大偏移 15 面 积 共 4.8 万平米 地下 停车及商业 最深 38.8m C. 总结 基地面积 11.43 万平米 容积率 4.79 局部 9 层 共 18.5 万平米 地上总建筑面积 55.3 万平米，地下共 18.

23、5 万平米 D. 各功能空间 层高 4 米 办公空间 48.1 万平米 商业空间 7.2 万平米 层高 8 米和 6 米 地下商业空间 1.8 万平米 层高 5 米 停车及后勤设备空间 15 万平米 层高 4 米 E. 节能指标？ 参考文献与设计 1 2 3 4 5 6 7 8 9 宋德萱，建筑环境控制学M，东南大学出版社，2003.1 吴志强 李振宇 李翔宁，2005/2006 首届 Holcim 可持续建筑大奖赛获奖作品集，中国建工出版社， 2007 建筑与都市中文版编辑部，塞西尔 巴尓蒙德M，中国电力出版社，2008.1 Actar，Phylogenesis II : foa's ark foreign office arhitectsM，2003.11 陈宝明 张涛，风力集中式建筑物风能密度分布的数值模拟J，能源技术 第 28 卷第 4 期，2007.8 张伯寅，建筑群环境风场的特性及模拟J，力学与实践 第 26 卷第 3 期，2004.6 刘辉志，城市高大建筑群周围风环境研究J，中国科学 D 辑：地球科学 2005，35(增刊 I)，2005 苏国 陈水福，