梳風——基于風環(huán)境問題的生態(tài)摩天樓14159

1、梳風基于風環(huán)境問題的生態(tài)摩天樓.txt不要為舊的悲傷而浪費新的眼淚！現(xiàn)在干什么事都要有經(jīng)驗的，除了老婆。沒有100分的另一半，只有50分的兩個人。 本文由jqy_xm貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 梳風基于風環(huán)境問題的生態(tài)摩天樓 上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)銀行摩天樓綜合體設(shè)計 同濟大學 建筑學 本科四年級 數(shù)字化概念摩天樓課程設(shè)計（8.5 周） 學生：龔思寧 學號：050380 指導老師：孫澄宇 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 設(shè)計說明 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. 對未來城市需求的分析 隨著人口的增長，城市的擴張與土地資源有限性之間

4、的矛盾不斷激化，解決矛盾的有效辦法之一是城市空 間豎向發(fā)展。隨著全球城市化進程的加快，高層建筑的建設(shè)量越來越大，高層建筑帶來的環(huán)境問題也凸顯 出來，比如高能耗，陽光遮擋等，其中風環(huán)境問題尤為突出：一方面高大密集的建筑群，降低了城市的通 風、自凈能力，加劇了在低風速條件下城市的空氣污染和熱島效應；而另一方面在風速較大時，高大建筑 周圍會產(chǎn)生局地強風，影響到行人的舒適與安全，引出行人風環(huán)境(Pedestrian Level Wind Environment) 問題城市中高大建筑物和建筑群會顯著改變城市近地面層風場結(jié)構(gòu)在有較強來流時，建筑物周圍某 些地區(qū)會出現(xiàn)強風；如果這些強風區(qū)出現(xiàn)在建筑物入口、通

5、道、露臺等行人頻繁活動的區(qū)域，則可能使行 人感到不舒適、甚至產(chǎn)生傷害，產(chǎn)生行人風環(huán)境問題。 高層風的形成可以總結(jié)為三個方面：首先，建筑高度及體量造成建筑風影，對下風向建筑及室外空間帶來 一定的負面影響；其次，氣流在高層建筑上部受阻，轉(zhuǎn)而順建筑表面向下運動，到達建筑底部，與地面水 平向氣流混合，底部空間風環(huán)境復雜化；第三，群體建筑空間規(guī)模及布局在建筑外部空間形成狹管流，角 流、穿堂風以及阻塞、尾流等效應，導致局部風速過大、過強，不利于街道上行人活動。 什么樣的摩天樓能夠使城市的風環(huán)境更加美好？ 設(shè)計概念說明 A. 概念形成 我們的基地陸家嘴中心綠地附近就是一個典型的城市不良風環(huán)境場所。中心綠地無

6、人問津，街道風大人少， 都是高層建筑導致的風災。位于綠地西北面，東北邊和東南面的高層建筑是主要的影響因素，尤其是北邊 的一排超高層銀行辦公建筑，冬季盛行西北風穿過建筑夾縫中產(chǎn)生的加速氣流和從高層側(cè)面剝離下沉的氣 流匯集到行人高度上，形成高樓風，夏季又因為并排的建筑群體形成擋風墻，導致氣流在建筑基座處形成 復雜的湍流，阻礙了城市的通風換氣，卻在局部形成令人不適的強下沉氣流。 城市中的風如同長發(fā)，需要細致的梳理才能柔順，摩天樓能否成為風之梳? 如果以城市為母體，摩天樓就 是地面上的梳齒；而建筑上的梳齒又是什么？ 本設(shè)計試圖針對銀行摩天樓，通過計算流體力學（Computational Fluid D

7、ynamic）分析和參數(shù)化設(shè)計 （ Parametric Design ） 參 數(shù) 的 選 擇 尋 求 一 個 全 新 的 建 筑 解 決 方 案 。 新 方 案 將 利 用 空 氣 動 力 學 （Aerodynamic）知識和生態(tài)技術(shù)，通過建筑群體的布局、單體形態(tài)的調(diào)整和細部構(gòu)造設(shè)計解決建筑的風 環(huán)境問題，綜合利用風能太陽能等生態(tài)能源 ，同時在功能和視覺上完善建筑自下而上的內(nèi)外環(huán)境 ，還市 民一個宜人的綠地公園和底層街道空間。 B. 現(xiàn)狀分析： 風力的增加是風速的平方，一棟超高層使風速增加了 4 倍，行人受到的風力就可能是 16 倍 蒲氏風速等級指標 1 級 無風 <1.5 2 級 輕

8、風 1.63.3 3 級 微風 4 級 和風 3.45.4 5.57.9 5 級 清風 8.010.7 6 級 強風 10.813.8 7 級 疾風 8 級 大風 9 級 烈風 10 級狂風 13.917.1 17.220.7 20.824.4 24.528.4 注：表中風速是指空曠地面上 10m 高度的平均風速 風速舒適性評估準則 Principle of Estimation on Aeolian environment 活動性 慢步 公園 長坐 室外餐廳 適用的區(qū)域 可容忍 不舒適 危險 快步 人行道 站立，坐 公園廣場 6級 7級 8級 5級 6級 8級 4級 5級 8級 3級 4級

9、8級 C. 建筑群體布局的風環(huán)境影響 建筑在場地上的分布 馬劍 陳水福，平面布局對高層建筑群風環(huán)境影響的數(shù)值研究J，浙江大學學報(工學版）第 4l 卷第 9 期，2007.9 (1)當各建筑沿順風向并列布置(并列型)時，風速在通道入口處增加但幅度不大；由于前排建筑的遮蔽 效應，后排建筑周圍氣流較弱，對通風會有一定影響 (2)當來流入口處的建筑橫向間距大于出口間距(如反 Y 型布局)時，出口通道處的風速增加最為顯著， 風環(huán)境較為不利 (3)當入口建筑橫向間距小于出口間距(如正 Y 型、正 U 型、正 V 型布局)時，不利風環(huán)境發(fā)生在入口 通道處，最大風速比與出口處建筑間距有關(guān)，正 V 型與正 Y

10、 型、正 U 型相比稍有改善 (4)當入口建筑橫向間距等于出口間距(如圍合型布局)時，風速最大值出現(xiàn)在入口通道處，但此時最大 值與前兩種情況相比有較明顯的減小 總體而言，圍合型布置風環(huán)境較佳，其次是并列型，正 Y 型、正 U 型和反 Y 型布局時巷道效應和風 速加強現(xiàn)象比較嚴重 D. 建筑單體形態(tài) 利用空氣動力學知識，對建筑截面型線優(yōu)化（圓，橢圓，拋物線截面型線） 風載體型系數(shù)與建筑平面的關(guān)系： 方形 1.4 正八邊形 1.12 圓形 0.7 橢圓形短邊迎風 0.48 拋物線 0.38 A-物體在流場平均運動方向的投 風阻與迎風投影面積的平方成正比 對外流來說：D=1/2 pv2 A Cd 影

11、面積 Cd-減阻系數(shù) 合適的外形型線=理想的壓力分布，但宏觀的流線形態(tài)并不能回答阻力的全部問題 外流方向與物體長軸形成某沖角時，流體會附壁旋轉(zhuǎn)的依據(jù) 大廈表面呈螺旋形，輪廓柔和，扭轉(zhuǎn) 120 度，這種體型可以最大限度地減少風吹造成的建筑搖擺。經(jīng)過測 算，風阻比同樣體量的矩形建筑風阻減少了 24%。 高層建筑在風場中的氣流上下分叉點在迎風面上部 1/3 處旋轉(zhuǎn)后截面最小迎風面高度的依據(jù) E. 地面層防風措施： p-流體密度 v-不受擾動行進流速 鄰棟間通廊蓋頂，用基座使剝離風不會偏下，角部做鋸齒狀處理，墻面凹凸阻擾快速通過的氣流，降低側(cè) 面風速， F. 細節(jié)： 結(jié)構(gòu)框架+遮陽/露臺/風阻片 形成

12、的共同表皮 （朝向/荷載/風向的共同作用） 在形體上用各指標關(guān)于高度的函數(shù)加權(quán)優(yōu)化的方法調(diào)整導風百葉的形狀和豎向分布密度 風阻片對降溫的作用（夏季）/太陽能集熱器（冬季） ：利用輻射和對流以及熱交換原理冷熱水上下被動循 環(huán)為室內(nèi)降溫 核心構(gòu)思中數(shù)學關(guān)系的概括性描述 A. 測試： FLUENT FILE 平面布局對高層建筑群風環(huán)境影響的分析，總體而言，圍合型布置風環(huán)境較佳，其次是并列型，正 Y 型、 正 U 型和反 Y 型布局時巷道效應和風速加強現(xiàn)象比較嚴重 ALGOR FILE 通過對 5 種不同形狀截面建筑類型的風速模擬數(shù)值試驗結(jié)果進行分析，得出結(jié)論：橢圓和拋物線截面在不 影響氣流的通過性和

13、對底層（近地面氣流層）的干擾上有比較出色的性能，同時另一個變截面橢圓 旋轉(zhuǎn)體的風速試驗證明底部擴大的基座有將快速氣流集中于中上層的作用。在接下來的導風板特性測試 中， ，證實了導風板對氣流有明顯的減速功能和明顯的引導風向作用。 ECOTECT FILE 建筑不同朝向輻射值 B. 參數(shù)化設(shè)計： 利用已知有利截面和阻風導風形式，結(jié)合環(huán)境參數(shù)，做參數(shù)化的形體設(shè)計，優(yōu)化建筑風環(huán)境性能。 1. 建筑形態(tài)：結(jié)合橢圓/拋物線截面和拋物體的形體特征，對橢圓平面的做不同高度上的位移，旋轉(zhuǎn)， 縮放并 Loft 2. 參數(shù)表：橢圓長軸，長短比例，建筑層數(shù)，建筑層高，頂層最小長寬，總最大旋轉(zhuǎn)角，偏移函數(shù)，最 大偏移值

14、 橢圓截面跟隨陽光軌跡旋轉(zhuǎn) 塔樓主要受光面隨太陽軌跡旋轉(zhuǎn)角 80.8 度 3. 數(shù)學關(guān)系：橢圓長軸與陽光軌跡射線呈法向 下面的擋風作用，中段迎風面積減小使氣流順利通過，上段減小風阻 減少能耗的收分，同時又在頂層規(guī)定保留必要的使用面積 4. 導風遮陽板形態(tài)：在每層建筑樓板外輪廓的 8 個朝向根據(jù)高度和朝向變化不同生成不同長短軸（即不 同出挑和厚度）的橢圓形截面并分別 Loft 5. 參數(shù)表： 上海地區(qū)：不同朝向年平均太陽輻射量，大氣日溫差隨高度變化值，不同朝向平均風頻和風速（風玫 瑰） ，大氣風速隨高度變化值，結(jié)構(gòu)允許最大出挑距離，最大厚度 用 Curve Frame 在 Contour 上取點

15、（8 個朝向） ，分別畫法向橢圓，參數(shù)如下： 6. 數(shù)學關(guān)系： 截面橢圓長軸 朝向加權(quán)：8 個方向的年平均太陽輻射量（1.379.21） 高度加權(quán)：每上升一百米降低 0.6 攝氏度 (25.928) / 變化范圍: 0.46m 截面橢圓短軸 朝向加權(quán)：風玫瑰（28.8174.2） 高度加權(quán)：風速 V/V0=(H/H0)n (n=0.3) (0.5-2.9) 變化范圍: 0.13m 規(guī)則：太陽輻射越多溫度越高，導風遮陽板挑出越多；風速越高，導風遮陽板上下厚度越厚。 大氣日溫差與高度的函數(shù)關(guān)系 建筑設(shè)計 A. 建筑總平面的確定： 1. 建筑軸線和肌理：延續(xù)原地塊城市設(shè)計的肌理陸家嘴內(nèi)外環(huán)路的兩道弧

16、線，由中心綠地發(fā) 散出的四道射線，反轉(zhuǎn)原建筑的布局，優(yōu)化冬夏兩季的風環(huán)境。 2. 建筑高度分布：高 180m 至 380m，考慮浦西視角的浦東天際線和陸家嘴中心綠地人視角，基 本遵循原地塊容積率。 3. 膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)支撐位置：voroni 劃分出柱點，整個結(jié)構(gòu)分為三部分，每部分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格分別由 六條邊梁（索）之間的三組連接梁（索）交錯生成，網(wǎng)格之間的 nurbsETFE 4. 5. 膜結(jié)構(gòu)邊界：由建筑邊界連線后內(nèi)凹形成 膜結(jié)構(gòu)高度：基地內(nèi)建筑之間的廣場自然形成了三個中心，以南高北底的趨勢布置，使冬季的 西北風不會對下面的廣場造成影響，而夏季能夠適當?shù)耐L。銀行廣場，既要配合上部塔樓的 形態(tài)和風

17、特性又要能夠?qū)崿F(xiàn)城市娛樂商業(yè)功能和周邊綠地的順利交接和人流密度傳遞，這就要 求 6. 平面交通系統(tǒng)：地鐵出入口的整合與增加，地下車庫出入口的分配，步行交通主要出入口，車 行交通（公交與接送車流的?？浚?，廣場上人流的疏密（與活動安排的關(guān)系） 。 B. 建筑單體： 1. 旋轉(zhuǎn)角度：下段面南，中段為了保持迎風面積最小，核心筒偏心布置（隨塔樓旋轉(zhuǎn)在橢圓長軸 上移動） ，提供辦公大空間（但是需要第二個疏散出口） 2. 平面布置：標準層面積 1600900 （橢圓長軸為減小風阻和減少表面能耗自下而上呈拋物線 形收分） ，核心筒面積 160 ，包含 8 部電梯，消防電梯 2 部另算（由于長軸方向有可能達到

18、 60 米，需要兩個疏散出口，一個直通樓下，另一個通向避難層） ，建筑從 70 層到 40 層不等， 避難層從第 15 層起每 15 層設(shè)一層（含設(shè)備與結(jié)構(gòu)加強） 。屋頂分為直升機場和屋頂大廳以及綠 化花園。 3. 剖面布置：一層廣場為開放性廣場，局部有下沉廣場和二層露天平臺，地下一層涵蓋商業(yè)與餐 飲業(yè)，地下 2 層以下為車庫和保險庫，銀行辦公塔樓底層為銀行交易大廳，低層為信貸接待等 人員流動較大部門，中層為銀行清算賬目管理人員辦公層，上層為決策管理層辦公。 4. 結(jié)構(gòu)：表面交叉鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 + 核心鋼筋混凝土筒體 + 鑲嵌式 low-E 鍍膜玻璃幕墻 + 鋼板混 凝土板 C. 技術(shù)細節(jié)： 關(guān)于

19、導風板遮陽系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)的系統(tǒng)圖，解釋了整個建筑節(jié)能系統(tǒng)的綠色特質(zhì)和實際功效。高空的高 速風對建筑的制冷作用大于陽光的熱輻射作用，因此用水作為熱媒介交換高處和低處的空氣熱量。夏天北 面的冷水制冷，南面導風板排空作為隔熱構(gòu)造，冬天南面的水提供熱量，北面水管排空作為保溫構(gòu)造。南 北兩側(cè)和上下結(jié)合，形成隨季節(jié)和溫度自動調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。 導風遮陽板高空的高速風對建筑的制冷作用大于陽光的熱輻射作用，因此用水作為熱媒介交換高處和 低處的空氣熱量。夏天北面的冷水制冷，南面導風板排空作為隔熱構(gòu)造，冬天南面的水提供熱量，北面水 管排空作為保溫構(gòu)造。形式：截面為類拋物線半橢圓形，以不同朝向太陽輻射量，風玫瑰參數(shù)，不

20、同高度 大氣溫度和風速進行出檐和厚度的優(yōu)化排布，并借以此形成立面上連續(xù)肌理變化，材料為鋼結(jié)構(gòu)骨架+高 分子合成絕熱抗紫外線材料+熱交換材料，內(nèi)部為盤管（內(nèi)徑 15mm）與每層的熱交換設(shè)備控制中心相連， 冷熱水在平層或上下層交換由中心控制系統(tǒng)控制（含熱傳感器） 。 地面及廣場部分由地源熱泵進行空氣溫度調(diào)節(jié)，一些管子與作為結(jié)構(gòu)的鋼管網(wǎng)（直徑 300mm）一起進入 地下，同時鋼管網(wǎng)組成的筒體為地下提供采光和空氣交換，由網(wǎng)架所組成的天棚在頂部有部分網(wǎng)格夏天可 以向上升起，利用文丘里效應拔風更新廣場空氣，調(diào)節(jié)溫度。 經(jīng)濟技術(shù)指標 A. 功能及設(shè)計 原建筑群 FAR： 平安銀行 5.1 平均值為：4.3

21、B. 新方案建筑面積分配 中國銀行辦公樓 半長軸 45m 長短比例 0.618 轉(zhuǎn)角 297 cos 值 3.3 最大偏移 13 面 積 共 20.5 萬平米 平安銀行辦公 半長軸 36m 長短比例 0.618 轉(zhuǎn)角 180 cos 值 4 最大偏移 13 面 積 共 13.5 萬平米 匯亞 3.3 中銀 6.6 交銀 3.5 上銀 2.5 黃金置地 4.2 A 座 主塔樓 3900810 B 座 副塔樓 2500920 高 384m 96 層 高 320m 80 層 C 座 交通銀行與上海銀行合用辦公 高 232m 58 層 19001025 半長軸 32m 長短比例 0.618 轉(zhuǎn)角 15

22、0 cos 值 2 最大偏移 10 面 積 共 8.5 萬平米 D 座 黃金置地公司辦公 高 384m 55 層 17001025 半長軸 30m 長短比例 0.618 轉(zhuǎn)角 120 cos 值 4 最大偏移 10 面 積 共 7.5 萬平米 E 座 匯亞大廈辦公 高 384m 45 層 1500810 半長軸 28m 長短比例 0.618 轉(zhuǎn)角 90 cos 值 1.4 最大偏移 15 面 積 共 4.8 萬平米 地下 停車及商業(yè) 最深 38.8m C. 總結(jié) 基地面積 11.43 萬平米 容積率 4.79 局部 9 層 共 18.5 萬平米 地上總建筑面積 55.3 萬平米，地下共 18.

23、5 萬平米 D. 各功能空間 層高 4 米 辦公空間 48.1 萬平米 商業(yè)空間 7.2 萬平米 層高 8 米和 6 米 地下商業(yè)空間 1.8 萬平米 層高 5 米 停車及后勤設(shè)備空間 15 萬平米 層高 4 米 E. 節(jié)能指標？ 參考文獻與設(shè)計 1 2 3 4 5 6 7 8 9 宋德萱，建筑環(huán)境控制學M，東南大學出版社，2003.1 吳志強 李振宇 李翔寧，2005/2006 首屆 Holcim 可持續(xù)建筑大獎賽獲獎作品集，中國建工出版社， 2007 建筑與都市中文版編輯部，塞西爾 巴尓蒙德M，中國電力出版社，2008.1 Actar，Phylogenesis II : foa's ark foreign office arhitectsM，2003.11 陳寶明 張濤，風力集中式建筑物風能密度分布的數(shù)值模擬J，能源技術(shù) 第 28 卷第 4 期，2007.8 張伯寅，建筑群環(huán)境風場的特性及模擬J，力學與實踐 第 26 卷第 3 期，2004.6 劉輝志，城市高大建筑群周圍風環(huán)境研究J，中國科學 D 輯：地球科學 2005，35(增刊 I)，2005 蘇國 陳水福，