現(xiàn)代高層辦公建筑幕墻通風(fēng)系統(tǒng)在立面外觀及功用上的設(shè)計(jì)探討

劉 行,吳 曉

(1.AECOM艾奕康設(shè)計(jì)與咨詢(深圳)有限公司上海分公司,上海 200000;2.湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院,湖南 常德 415000)

1 引 言

2001年,我國加入世界貿(mào)易組織(WTO),開啟了投資、貿(mào)易和消費(fèi)的新格局,更帶來了城市化建設(shè)的新時(shí)代。20多年來,在以北京、上海、廣州、深圳為首的超大型城市引領(lǐng)下,各區(qū)域、各省份的頭部城市經(jīng)歷了日新月異的城市基礎(chǔ)設(shè)施革新。在各大城市最受矚目的中心商務(wù)商業(yè)區(qū)塊,雨后春筍般出現(xiàn)的高層建筑勾畫出嶄新的天際線,出現(xiàn)了一座座現(xiàn)代化的城市地標(biāo)。辦公建筑,無疑是其中的絕對主角。

高層辦公建筑的設(shè)計(jì)具有相當(dāng)強(qiáng)的專業(yè)性和特殊性,如其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電梯、消防、空調(diào)系統(tǒng)、樓層面積及進(jìn)深等都有著一系列有別于其他建筑類型的要求。尤其超高層辦公建筑,其結(jié)構(gòu)形式、立面材料等都有著較為成熟的設(shè)計(jì)體系。本文要探討的主要就是以簡潔化、輕量化為突出優(yōu)勢的玻璃幕墻體系,主要探討典型的單元式、框架式玻璃幕墻,其通風(fēng)手段及相關(guān)的外立面設(shè)計(jì)效果。

2 基于自然通風(fēng)的立面設(shè)計(jì)手法及效果

2.1 自然通風(fēng)對辦公建筑的意義

自然通風(fēng)是利用建筑內(nèi)外空氣的密度差、熱壓風(fēng)壓來進(jìn)行通風(fēng)換氣的方式,是一項(xiàng)“古老”的技術(shù)。與復(fù)雜、耗能的空調(diào)技術(shù)相比,自然通風(fēng)是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)而成熟的技術(shù)措施[1]。自然通風(fēng)在一般的居住建筑、普通辦公樓、工業(yè)廠房都中有廣泛的應(yīng)用。

一般來說,建筑的通風(fēng)有如下幾大作用[2,3]:(1)提供生產(chǎn)生活所需的新鮮空氣;(2)生理降溫滿足人體舒適度要求;(3)釋放建筑構(gòu)造中存蓄的熱量。根據(jù)JGJ/T 67-2019《辦公建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,國家對辦公建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)都提出了明確要求,如應(yīng)符合《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,辦公、會議空間應(yīng)有與室外空氣直接對流的窗洞、通風(fēng)器,或機(jī)械通風(fēng)設(shè)施。如采用自然通風(fēng),通風(fēng)開口面積不應(yīng)小于房間地面面積的1/20等。

自然通風(fēng)對于辦公建筑的消防、排煙等也具有重要意義。設(shè)于外墻的通風(fēng)窗洞,在滿足相應(yīng)規(guī)范條件要求后,即可同時(shí)服務(wù)于自然排煙,如排煙窗(口)應(yīng)置于儲煙倉以內(nèi),其開啟形式應(yīng)有利于火災(zāi)煙氣的排出等。具體不同的開窗形式,相應(yīng)的排煙有效面積也有不同的換算規(guī)則,這些條件共同影響著立面通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

美學(xué)是建筑設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面,其不僅體現(xiàn)在建筑造型對城市形象、民眾觀瞻的影響,更反映著建筑細(xì)節(jié)在功能性、經(jīng)濟(jì)性上的合理性。從建筑整體造型的“大”設(shè)計(jì)到立面通風(fēng)系統(tǒng)的“小”設(shè)計(jì),是外觀方面最為顯著的美學(xué)表現(xiàn),對建筑品質(zhì)的印象影響極大。

2.2 常規(guī)開窗通風(fēng)系統(tǒng)

以典型單元式或框架式為主的現(xiàn)代玻璃幕墻辦公建筑作為分析對象,其開啟扇的常規(guī)形式有平開窗、懸窗、平推窗等[2],如圖1所示。

(a)平開窗-內(nèi)平開 (b)懸窗-上懸窗 (c)平推窗

(1)平開窗。最常見的開窗方式之一,其密封性較好,能有效防止雨水、粉塵、噪聲等,通風(fēng)效果良好,應(yīng)用于高層建筑上有開啟角度、構(gòu)造加強(qiáng)等要求,排煙上的有效面積根據(jù)開啟方向和形式有折減。

(2)懸窗。按開啟方式可分為上懸窗、中懸窗及下懸窗。與平開窗類似,其密封性能、通風(fēng)性能良好,應(yīng)用于高層建筑有角度、構(gòu)造等限制,自然排煙的有效面積根據(jù)各種形式有較大差異。

(3)平推窗。采用平行開啟鉸鏈,將窗扇沿所在幕墻面法線方向平行開啟或關(guān)閉,其通風(fēng)、消防排煙效果也都比較好。需要提出的是,相對于平開窗及懸窗,平推窗的立面表現(xiàn)效果更佳,這是因?yàn)殚_啟扇整個(gè)平推出去,不像平開窗或懸窗與原立面有一定角度,產(chǎn)生視覺差異(如反光不一致等)。

2.3 進(jìn)階立面通風(fēng)系統(tǒng)

隨著城市化建設(shè)的發(fā)展和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的累積,除了以上常規(guī)的開窗通風(fēng)系統(tǒng),越來越多精細(xì)化的、定制化的立面通風(fēng)系統(tǒng)不斷出現(xiàn)[4]。

這種進(jìn)階式的立面通風(fēng)系統(tǒng)往往是為了達(dá)到一定的目的,在此主要?dú)w納為:(1)應(yīng)建筑立面特殊設(shè)計(jì)、造型局部變化要求,定制適應(yīng)性的通風(fēng)系統(tǒng);(2)避免開啟扇不規(guī)律開啟對建筑外觀的影響,以達(dá)到簡潔、可控的立面效果;(3)滿足特定情況下的自然通風(fēng)需求,如超高層辦公建筑達(dá)到一定高度后,因安全因素采用立面無明顯開啟的通風(fēng)器,又或因建筑朝向、間距等因素特別定制的通風(fēng)器。

從主要幕墻構(gòu)造方法上進(jìn)行簡化的分類,這些通風(fēng)系統(tǒng)大致可分為豎向通風(fēng)器、橫向通風(fēng)器2類[5]。另外,隨著智能辦公的發(fā)展,新型的智能升降窗逐步得到發(fā)展應(yīng)用。進(jìn)階通風(fēng)形式如圖2所示。

(a)通風(fēng)器-豎向 (b)通風(fēng)器-橫向 (c)智能滑動窗

(1)豎向通風(fēng)器。契合幕墻受力構(gòu)件邏輯,往往結(jié)合豎梃設(shè)置,形式多樣,其密閉通風(fēng)性能良好,自然排煙的有效面積需具體參照通風(fēng)器的百葉或穿孔板構(gòu)造進(jìn)行換算。這類通風(fēng)器往往會結(jié)合幕墻外表面豎向裝飾條設(shè)計(jì),優(yōu)化整體觀感效果。

(2)橫向通風(fēng)器。契合幕墻受力構(gòu)件邏輯,往往結(jié)合橫檔設(shè)置,很多情況下位于靠近層間部位,或與窗臺、踢腳相關(guān)構(gòu)造一體。其密閉通風(fēng)性能尚可,但一般不具備自然排煙功能。從幕墻外觀看來,這類通風(fēng)器對立面影響最小,效果簡潔干凈,常常也會結(jié)合外立面橫向線條設(shè)置。

(3)智能滑動窗。較新一代的自動化通風(fēng)系統(tǒng),典型的如內(nèi)滑式升降窗,滑動扇打開時(shí)是玻璃欄桿,滿足安全要求,通風(fēng)效率高,理論上自然排煙效率佳;關(guān)閉時(shí)通過變軌技術(shù)與固定扇形成完整立面,密閉性好。該窗已有應(yīng)用于辦公建筑幕墻的實(shí)例,也見于一些高品質(zhì)住宅、大型公建,其智能化程度高,可用固定開關(guān)、遙控器控制,也可用手機(jī)App控制。

2.4 立面通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用及效果評判

以上兩種立面通風(fēng)系統(tǒng)的初步分類,不僅是基于構(gòu)造細(xì)節(jié)的復(fù)雜程度,實(shí)際也是基于建筑立面設(shè)計(jì)的純凈與美觀。常規(guī)的通風(fēng)系統(tǒng)往往在外立面效果上有一定的不良影響,而進(jìn)階的通風(fēng)系統(tǒng)在很大程度上改善或消除了這種不利因素,實(shí)現(xiàn)了整體效果的提升。

比如常規(guī)的平開窗或懸窗系統(tǒng),向外開啟時(shí),會因?yàn)槌霈F(xiàn)洞口,或是玻璃位置、反光角度等發(fā)生變化,形成立面效果的局部突變,這在以純凈簡潔為特點(diǎn)的玻璃幕墻上,通常被認(rèn)為是不理想因素[6]。另因建筑各樓層、各房間使用者的需要,實(shí)時(shí)的開窗位置往往呈現(xiàn)一種隨機(jī)的狀態(tài),這更加增添立面的不規(guī)律因素,如圖1(b)所示的懸窗情況。而結(jié)合著幕墻橫、豎向構(gòu)件設(shè)計(jì)的通風(fēng)器,則可通過色彩適配、陰影對比、裝飾條掩藏、與建筑分隔線融合等多種手段,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的立面效果。一般情況下,從遠(yuǎn)距離視角看建筑立面可達(dá)到純粹而整體的外觀,基本看不到任何明顯的開窗部位;但近距離觀看則可發(fā)現(xiàn)一些精巧的細(xì)節(jié),通風(fēng)的實(shí)際效果即是由這些細(xì)節(jié)裝置達(dá)成的。其較理想的設(shè)計(jì)情況可概況為:遠(yuǎn)看簡約,近看卻不簡單。

從經(jīng)濟(jì)性上來說,常規(guī)式開窗系統(tǒng)一般會優(yōu)于進(jìn)階式通風(fēng)系統(tǒng),這從兩者構(gòu)造的復(fù)雜程度上即可見一斑。常規(guī)開窗系統(tǒng)的窗扇構(gòu)造相對簡單直接,進(jìn)階系統(tǒng)則會在幕墻構(gòu)造上增加更多的裝置,如結(jié)合立面裝飾條的通風(fēng)百葉或穿孔板,遮陽板結(jié)合的通風(fēng)槽,再增設(shè)內(nèi)部的開啟扇等[7]。從現(xiàn)今辦公樓宇的發(fā)展趨勢看,核心城市的核心區(qū)塊,辦公品質(zhì)級別較高,一些重大工程項(xiàng)目中越來越多地應(yīng)用進(jìn)階式的通風(fēng)系統(tǒng),甚至是新一代的智能化系統(tǒng);而區(qū)域相對不那么核心、辦公等級在甲級以下的樓宇,則會更多地應(yīng)用常規(guī)開窗。

以上通風(fēng)系統(tǒng)中,向外的開啟形式(平開窗、懸窗、平推窗)的通風(fēng)性能要相對優(yōu)越,且自然排煙的效率最好;而向內(nèi)的開啟形式,其通風(fēng)、排煙性能則稍差,且內(nèi)開扇會占用一定的室內(nèi)面積,可能影響到室內(nèi)辦公設(shè)施、窗簾等(進(jìn)階式通風(fēng)系統(tǒng)一般采用內(nèi)開,或是結(jié)合幕墻構(gòu)造暗開)。但是,外開啟扇清潔不如內(nèi)開啟扇方便,且高樓層外開啟會有墜落的安全問題,因此很多地區(qū)的高層建筑禁止采用外開啟。超高層建筑為防范脫落隱患,一般不采用立面自然通風(fēng)系統(tǒng)。另外,因建筑越高受風(fēng)力影響越大,達(dá)到200m以上高度時(shí)更是會產(chǎn)生明顯的風(fēng)嘯問題(即風(fēng)力達(dá)到一定級別時(shí),快速流動的空氣和建筑外立面各構(gòu)造摩擦而發(fā)出的嘯叫聲),此時(shí)即使采用進(jìn)階式通風(fēng)系統(tǒng)也要充分考慮到這一因素,建筑專業(yè)和幕墻專業(yè)需要密切配合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),避免相關(guān)的一系列問題[8]。

智能滑動窗作為一種較新的形式,應(yīng)用尚不及其他通風(fēng)系統(tǒng)廣泛,在此暫不展開討論。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用效果實(shí)例

本文以浙江紹興鏡湖新區(qū)金融活力城商辦地塊項(xiàng)目為設(shè)計(jì)實(shí)例,對以上立面通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行初步的闡釋。

3.1 金融中心塔樓常規(guī)高窗系統(tǒng)

金融中心塔樓是此片區(qū)的規(guī)劃最高點(diǎn),建筑高度168m,主要用于中小型企業(yè)辦公,標(biāo)準(zhǔn)層大部分被劃分為面積100m2～300m2的辦公單元。經(jīng)多輪多方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化,基于辦公單元面積的需要、分隔的靈活度、通風(fēng)效率、實(shí)際成本等考量,本塔樓的立面系統(tǒng)于常規(guī)高窗、平推窗及豎向裝飾條結(jié)合通風(fēng)器3個(gè)方案中,最終選取常規(guī)高窗,如圖3(a)所示。

(a)金融中心常規(guī)高窗 (b)銀行總部穿孔板通風(fēng)器 (c)銀行總部穿孔板通風(fēng)器(室內(nèi))

高窗采用上懸外開形式,立面每隔一個(gè)幕墻單元設(shè)置豎向大裝飾條,高窗貼近大裝飾條以盡可能減少不規(guī)則開啟對立面的影響?？刂崎_啟角度為30°,于樓層高度約1.3m～1.5m設(shè)置手動開啟裝置,可作自然排煙窗。高窗因位于辦公房間排煙區(qū)域的頂部,按照《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,處于室內(nèi)凈高度的1/2以上,整體開口面積皆可作為排煙使用,比通高的平推窗、豎向的通風(fēng)器單位效率高。因開窗角度小于70°,其排煙有效面積按最大開啟時(shí)的水平投影面積計(jì)算。

對于金融中心塔樓而言,立面高窗的設(shè)計(jì)對立面效果略有影響,達(dá)不到理想的干凈純粹狀態(tài),但從功能上看,整體自然通風(fēng)效果較好,可貢獻(xiàn)綠色建筑評分項(xiàng),還可減少樓層機(jī)械排煙的成本。

3.2 銀行總部塔樓穿孔板通風(fēng)器系統(tǒng)

銀行總部塔樓在兩個(gè)商辦地塊中共4幢,高度介于90m～96m之間,沿南側(cè)城市主路一字排開。各塔樓將有多家銀行入駐,作為總部辦公使用。4幢銀行塔樓在立面設(shè)計(jì)上采用同一體系,建筑高度及形體上略有變化,既產(chǎn)生一定的韻律動感,又在形象上得到統(tǒng)一的效果。

在作為總部辦公使用情況下,大部分樓層將采用開放式辦公,僅局部空間隔開作為會議室或單間辦公。根據(jù)這種情況,銀行塔樓的大面幕墻采用進(jìn)階式的通風(fēng)方案,即穿孔板配內(nèi)懸窗的系統(tǒng),如圖3(b)及圖3(c)所示。

通風(fēng)器外部的穿孔板結(jié)合立面的豎向線條設(shè)置,寬約0.5m,由玻璃面往外突出約0.25m,因此有一個(gè)正面和兩個(gè)側(cè)面,均為穿孔鋁板,最終實(shí)體樣板穿孔率定為30%。室內(nèi)結(jié)合幕墻豎梃,于距地面約1m處往上設(shè)懸窗,內(nèi)開上懸。內(nèi)外中空部分設(shè)置有內(nèi)部燈光,夜間打亮后從穿孔的圖案縫隙中外泛光,將整個(gè)通風(fēng)器豎向線條表現(xiàn)出來,結(jié)合其他燈光設(shè)置勾勒出建筑夜晚的形體。此通風(fēng)系統(tǒng)的自然排煙效率相對較低,僅上部1/2的穿孔板面積可計(jì)入排煙有效面積,且因懸窗內(nèi)開扇角度限制在30°,排煙有效面積按最大開啟的水平投影計(jì)算,數(shù)值進(jìn)一步減小。

從外觀效果看來,銀行塔樓的通風(fēng)器設(shè)計(jì)最大限度地減少了開啟扇的視覺影響,達(dá)到了較好的整體效果。遠(yuǎn)看時(shí)建筑立面為簡單的明暗對比,即偏暗的玻璃面與偏亮的金屬豎向線條相間,簡單明快,形體鮮明。而近看細(xì)節(jié)時(shí),又會發(fā)現(xiàn)豎向的金屬線條有規(guī)律地粗細(xì)(粗的通風(fēng)器線條和細(xì)的純裝飾條)排列。通風(fēng)器線條雖尺寸較大,但穿孔板還具有漸變的圖案細(xì)節(jié),可以進(jìn)一步引人關(guān)注。

3.3 實(shí)例小結(jié)

在本實(shí)例中,簡要介紹了幕墻設(shè)計(jì)的主干,目的在于直接明了地比較兩種典型的系統(tǒng),而實(shí)際的設(shè)計(jì)情況遠(yuǎn)較以上復(fù)雜,如金融中心超高層塔樓避難層設(shè)備通風(fēng)的細(xì)節(jié),銀行塔樓的局部其他通風(fēng)方式,以及另幾座公寓塔樓的立面通風(fēng)結(jié)合空調(diào)設(shè)置等,在此不做詳述。

對于以上實(shí)例中的常規(guī)式通風(fēng)系統(tǒng)和進(jìn)階式通風(fēng)系統(tǒng),從立面的實(shí)施效果看,銀行塔樓的外觀純凈性要高于金融中心塔樓。從其他條件來說,兩者因辦公空間通風(fēng)要求的不同,產(chǎn)生了不同的設(shè)計(jì)。金融中心辦公單元相對較小,對通風(fēng)的效率和靈活性要求更高,而銀行塔樓則可整層統(tǒng)一考慮。另外,金融中心投資后的回收主要來源于未來中小企業(yè)入駐后的持續(xù)租金,而銀行塔樓則會由當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)方一次性資金回購。從這一角度來看,金融中心的常規(guī)系統(tǒng)與銀行塔樓的進(jìn)階系統(tǒng),與建筑的成本經(jīng)濟(jì)性也是相匹配的。

4 結(jié)束語

國家發(fā)改委自2020年以來,已多次出臺限高令,控制超高層建筑的新建。根據(jù)《“十四五”新型城鎮(zhèn)化實(shí)施方案》,不得新建500m以上建筑,嚴(yán)格限制新建250m以上建筑。這意味著以后各大城市新建的超高層建筑,將以100m～200m高度為主流,這一大方向不僅契合經(jīng)濟(jì)、人口基本面的實(shí)際需求,也在建筑設(shè)計(jì)方面體現(xiàn)了效率的最大化,因超高層建筑(尤其達(dá)到300m以上)的建設(shè),其成本將隨高度的增加顯著提升,而各方面使用效率將下降。本文對于立面自然通風(fēng)系統(tǒng)的粗淺分類,以及相關(guān)項(xiàng)目中的系統(tǒng)實(shí)例,即主要適用于200m及以下的高層辦公建筑,總結(jié)如下:

(1)將玻璃幕墻的立面通風(fēng)系統(tǒng)主要分為兩類:常規(guī)系統(tǒng)(如平開窗、懸窗、平推窗等)和進(jìn)階系統(tǒng)(如橫向通風(fēng)器、豎向通風(fēng)器、智能系統(tǒng))。

(2)常規(guī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性相對更好,通風(fēng)及排煙效率相對較高,但應(yīng)用于玻璃幕墻可能會對立面效果有一定影響,可通過設(shè)計(jì)手法優(yōu)化。

(3)進(jìn)階系統(tǒng)的造價(jià)相對更高,通風(fēng)及排煙效率一般不如常規(guī)系統(tǒng),但幕墻外立面效果相對更佳,室內(nèi)的使用體驗(yàn)和品質(zhì)相對更好。

(4)兩類系統(tǒng)的應(yīng)用取舍,需綜合考慮建筑能級/品質(zhì)要求及經(jīng)濟(jì)造價(jià)要求、通風(fēng)/排煙要求、實(shí)際辦公者使用需求等各方面因素,達(dá)到形式與功能的辯證統(tǒng)一。