城市高层建筑形态优化与风能利用的融合研究★

孙晓铭

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

近年来，建筑行业的迅速发展改变了中国城市的面貌和人民的生活方式。城市高层建筑整体布局的优化，有效的节约了建设用地，促使土地能够被高效率利用，高层建筑逐步成为城市现代化水平的标志。科学、系统、合理的进行对高层建筑形态的优化设计是城市整体空间自身特色脉络的有效延续与环境规划布局的重新塑造。城市高层建筑形体的优化设计是城市规划系统中的重要组成部分，对城市整体的外在形象与内在气质的形成有着重要的作用。高层建筑的开发整合了城市的土地资源，促使土地得以高效率利用，高层建筑体量大、造价高、形体明显，对城市整体空间形态影响作用显著。建筑形态优化设计是发挥创造力和体现设计理念的关键之处，是多种学科的交叉融合。城市的高层建筑形体优化设计担负着节能减排、功能布局、设施配套以及对空间形态的有效控制和引导。

1 城市高层建筑形态优化设计研究

1.1 城市高层建筑整体布局优化

现代城市建筑体系功能要求复合化、科学化与合理化，工程实践中已逐步将办公、活动空间、商业购物、社民居住等多功能融为一体，形成一个整体的框架与体系。现代城市各种不同的建筑形式并存，在高度与密度上的设计与排列都在展现着建筑各区域的功能和自身特性，同时在重点地段的高层建筑更是凸显其城市标志与视觉关键点的作用。高层建筑在整体布局的过程中，需要将高层建筑沿着城市道路布置在主要道路或道路转角处，通过加大、拓宽建筑退让距离，进而来减少高层建筑体系对城市道路的严重压迫感。城市高层建筑规划布局要以其特殊的地质环境背景为基础，高层建筑首先要避免建立在地下空间采空区范围内，合理避开地震断裂带，高层建筑之间存在一定的避让距离。城市高层建筑在城市整体规划中应该综合考虑影响城市总体层面上的各种因素，进行建筑体系高度分区，确定高层建筑适宜建设、限制建设以及禁止建设的区域，建设过程中重点分析城市特色区域，强调在高层建筑的规划与设计中在满足城市居民使用功能的同时，满足城市历史文化，城市风土人情以及城市综合特色的着重体现。

1.2 城市高层建筑细部造型的优化设计

城市规划与开发的过程中科学、合理的开发模式、建设模式是整个城市规划设计的第一步，是城市规划与发展的重要理论基础。高层建筑顶部造型设计关系着整个城市的外在形象，高层建筑细部的优化设计是整体形象下对城市内涵的具体阐释。高层建筑细部设计与整体规划布局相结合能够给予城市一种崭新的时代感，映现出整个城市对社会文化的一种内在追求。高层建筑的细部设计相对于建筑整体造型来说，在一定程度上具有独立性、完整性以及个性。高层建筑的整体造型取得的效果是细部对整体形式所做贡献的集合体，消除了建筑形式的单调和乏味。建筑的整体风格是地方性因素结合城市特殊的地理环境产生的建筑细部形式设计。高层建筑顶部造型设计是城市高层建筑体系竖向体量在空中为整个城市营造的终端形象，进行优化设计的过程中，顶部造型不但要考虑其本身形象，考虑顶部设计造型对整个城市景观的影响，而且要考虑主要顶部造型的功能设计。顶部造型自身形象设计与功能设计是整个城市景观与文化特色的重要体现，其可以作为城市建筑的标志、象征，为城市引入醒目的天际轮廓线，对整体形象起着关键作用。现阶段，我国城市的高层建筑立面造型与顶部造型的优化设计已逐步过渡于对整体造型的优化和设计，高层建筑体系顶部造型的优化设计与城市文化与内在气质相融合，顶部造型是城市景观变化和处理的重点之一，在实践中没有充分发挥其重要的功能，需要结合城市环境形态对天际轮廓线的衬托效果进行综合设计引导。在注重高层建筑建设与城市环境风格的融合中，强调顶部造型设计与城市自身地质环境相适应，将可能突发灾害发生后可能承受的荷载以及其他外界因素进行综合考虑，为城市整体景观与建筑功能布局提供好的发展方向。科学合理的细部造型是城市景观与城市空间形态的重要部分，其功能能够有力的宣传城市自身固有的相关特色，是对城市自身的一个重要宣传，能够作为城市高层建筑与城市景观的重要标志与象征，为整个城市提供醒目的天际轮廓线，对城市的整体形象与造型起着关键作用。

2 城市高层建筑风能利用研究

2.1 城市高层建筑风能利用设计

高层建筑风能利用是现代建筑与能源利用的有效融合，已然成为现代城市综合规划设计的必然趋势。融合过程涉及到多方面的综合技术要素，涵盖建筑物的负载计算、用电量进行估算，进风能收集系统的安装容量等。城市超高层建筑风能设计过程中需要综合建筑物当地的地质环境条件、水文地质条件、气象气候条件，结合超高层建筑外观要求及建筑节能方案的特征，确定风能利用的相关软硬件的安装条件、环境、方位的设置和仪器的型号以及外观的设计，同时保证风能利用系统的转换效率、相关组件的选择和仪器数量的设计、相邻间距的设计、方位的设计、相关组件之间的连接方式设计以及采集器安装节点的设计等。安装和维护强调确保现场安装部位的承受的载荷满足规范要求，综合考虑特殊情况下能够正常使用，保证相关组件的顺利安装，消除一切对建筑形成不利影响，建立设备运行检测、评估与反馈信息系统，对设备的运行情况进行动态监控。风能容易收集的部位与室内通风性能较好的区域需要综合考虑室内的通风需求以及建筑承受能力的影响。城市高层建筑风能利用设计应综合考虑到风能利用系统相关构件的几何形态与建筑表皮设计之间的系统关系，相关构件的几何形态应该与建筑物的整体形象和其功能的需求相结合，把握相关构件与建筑整体比例以及尺度的协调性，进而能够满足协调统一，完成城市高层建筑风能利用设计。

2.2 城市高层建筑与风能利用相融合的发展方向

城市建筑物表皮的材料不断创新是建筑节能设计的最有效、最直接的方式。高层建筑的表皮是风能容易收集的关键部位。风能利用与建筑表皮融合的材料创新涵盖双层建筑外表皮的围护结构层、室内通风、采光及城市环境绿化技术。双层建筑外表皮的围护结构层主要通过相应的调整使得最外层能够保证建筑室内的空间获得正常的通风以及采光条件，进而提高室内居住的舒适度，此时也能降低建筑物能源消耗，同时也不同程度上化解了自然采光与风能利用之间的矛盾。虽然建筑表皮双层结构具有较好的效果，但是从其建筑用材上来看不十分环保，性价比较低。风能发电设备的不断创新为风能与建筑表皮结合和应用提供了有利条件，可以选择在屋顶、建筑外墙等位置进行两者的结合。建筑的屋顶可以将其作为一个安装平台，在上面安装必要的设施以保证风能利用设备具备有力的支撑。建筑外墙具有得天独厚的优势，其结构形式和承载能力，在设备支撑方面无疑是最合适的位置，但是，在外墙上安装技术要求相对较高，要保证设备的正常使用，同时也要确保人们在安全方面不受其影响。室内通风及采光的利用是通过建筑物内外相互连通，保证室内的自然通风，同时综合考虑室内太阳照射程度，为环境建设与资源节约提供重要平台。城市环境绿化技术综合考虑到城市的环境绿化，引入绿化植物、人文生态等因素。利用植物蒸发，降低建筑的外层温度，达到降低能耗的良好效果。向着低碳经济的方向发展，建筑表皮与风能利用的融合也体现了人类与大自然的和谐共处的需求，绿色环保的节能设计将是建筑行业未来发展的主要趋势。

3 总结与建议

城市高层建筑的聚集和分散是城市空间形态中较为主动的力量，引导着城市三维形态特征的演变。高层建筑形体的优化设计要担负其整个城市建筑的功能布局、配套设施、城市交通以及积极的空间形态的有效控制和引导。城市高层建筑的规划布局与配套实施的科学搭配，注重高层建筑顶部造型的规划设计，控制高层建筑的细部设计与规划。高层建筑与风能二者融合有效的实现了城市外在形象的展示与资源的实践共享，全面的推动了城市的综合发展。

［1］谢振宇，杨 讷.改善室外风环境的高层建筑形态优化设计策略［J］.建筑学报，2013(2):76-81.

［2］赵 昕，林祯杉，孙华华.超高层建筑形态空气动力学优化方法应用综述［J］.结构工程师，2011(3):133-139.

［3］徐本营.城市中心区高层建筑布局实证研究及动力机制分析［D］.重庆:重庆大学，2012.

［4］冒亚龙.高层建筑美学价值研究［D］.重庆:重庆大学，2006.

［5］韩继红，范宏武，孙 桦.中国超高层建筑的绿色低碳之路——思考与实践［A］.中国城市科学研究会、中国绿色建筑委员会、北京市住房和城乡建设委员会，2010:6.