湿热气候下高层办公楼气候适应性设计*——以广东交通设计大厦为例

王 静 ，杜 鹏 ，吴中平

引言

近年来，越来越多的学者关注以气候适应性为核心的绿色建筑理念[1-3]。高层办公楼作为能源与资源消耗大户，是绿色建筑设计的重要类型。在2016年之前我国共评出2095项绿色建筑标识的公共建筑，其中高层办公楼是重要类型[4]。本文以高层办公楼作为研究对象，分析湿热气候下绿色建筑气候适应性设计的应用问题。以广东交通设计大厦为例，在设计前期聚焦建筑物理环境，通过合适的软件平台，以简单高效的被动式设计来实现高层办公楼的生态绿色，展现了方案设计阶段的气候适应性设计策略。

1 高层绿色办公楼发展现状

20世纪60年代，由于绿色生态理念出现，建筑师综合考虑高层办公楼环境与空间的相互影响。1966年凯文·罗奇设计的福特基金会大楼，通过通透的边庭空间将建筑与环境联系在一起，拉近与自然的距离。

20世纪90年代，建筑师聚焦高层办公楼对于环境与气候的适应性。例如1992年杨经文设计的马来西亚IBM办公楼，采用圆形平面并在每层设计不同程度的挑空，来实现湿热气候下绿色生态；1997年诺曼·福斯特设计的法兰克福商业银行总部大楼，平面布局为三角形，围绕中庭成螺旋状布置9个空中花园，最大化引入自然光线和通风，减少能耗，改善室内舒适度[5]。

21世纪以来，高层办公楼开始以定量的多技术模拟为支撑，进行以绿色性能为基础的气候适应性设计研究。比如曼哈德·冯·格康等人在设计上海漕河泾现代办公楼时，通过一天之中不同日照角度和舒适度的模拟计算，实现立面采光、遮阳和视野的最优配置[6]；倪阳等人在设计广州天伦控股大厦时，通过平行四边形的标准层平面契合用地形状，获得良好的天然采光与通风，利用参数化软件优化复合表皮，有效遮挡太阳辐射，降低空调能耗[7]；肖毅强等人在设计广州珠江电厂楼时，通过核心筒侧置，骑楼空间和中庭组合，平衡隔热、通风与视线的遮阳表皮，来适应湿热地区气候环境[8]。

2 高层绿色办公楼气候适应性设计重点

2.1 方案设计阶段是绿色设计的重要环节

在高层办公楼早期策划与设计阶段，建筑师所选择的平面布局、立面形式、形体变化、遮阳构造，都会直接或间接影响场地环境、城市空间、所消耗的能源资源以及自然通风、天然采光等物理环境性能。研究表明方案设计阶段有30%以上的节能潜力[9]。而我国建筑的绿色设计往往是滞后于整个设计过程，采用的设计策略是对标准的被动适应[10]。在设计阶段越早考虑环境气候要素，引入气候适应性设计策略，对建筑整体绿色影响程度越高，能以最小的经济和环境代价换取最佳的室内空间品质。

2.2 被动设计是气候适应性的核心方法

在传统建筑中，人们会使用适宜技术手段创造舒适的建筑空间来适应气候环境。建筑气候适应性是指规划布局、平面布置、结构形式和材料使用对气候、地理环境、社会文化等因素的综合适应[11]。在建筑设计中采用自然的设计手法，不使用动力节约能源资源的被动设计是气候适应性的核心方法。分析湿热气候下高层绿色办公楼案例可知（表1），建筑通过朝向、首层架空、采光中庭、形体造型等一系列被动式设计手法来适应高温高湿的气候特征，形成天然采光与通风，营造舒适的室内环境。

表1 湿热地区高层绿色办公楼设计分析

表2 高层办公楼性能空间划分

2.3 高层办公楼兼有绿色与健康的多元需求

高层办公楼功能结构复杂，人员密集，对于自然通风、天然采光、遮阳有较高要求，兼有绿色与健康的多元需求。20世纪70年代以后，为了减少能源利用，高层办公楼设计更为密闭，大量利用空调设备，减少自然通风，引发“病态建筑物综合症”影响办公人员的健康和工作效率[12]。2020年初始，突如其来的新冠病毒肺炎疫情在祖国肆虐，促使人们设计更健康的办公空间。中国建筑学会发布《办公建筑应对“新型冠状病毒”运行管理应急措施指南》，对办公楼空调系统、空气处理等健康系统进行说明，指出加大新风的通风换气量是有效的预防手段之一。

3 湿热气候下高层办公楼气候适应性设计策略

3.1 湿热气候特征分析

以湿热气候的广州为例进行分析。广州位于亚热带季风气候区，辐射量大，温度高，温差小，平均温度约22.2℃。每月相对湿度在60%～80%之间。全年总日照时长1960h，月平均总辐射量为340.6MJ/m2，7～9月接收量较大。夏季主导风向为由热带海洋气流形成的东南风，平均风速1.6m/s～1.9m/s，冬季主导风向为干燥的陆地气流形成的北风，平均风速1.9m/s～2.1m/s，夏季受台风影响较大[13]。气候适应性设计基本原则是缓解高温、高湿、夏季台风对于建筑使用的不利影响。

3.2 气候适应性设计策略总结

隔热、遮阳和通风是湿热气候下建筑气候适应性设计的重点内容[14]。

隔热策略在于减少室外环境向室内空间的热量传递，利用建筑内外之间的过渡空间进行空间隔热是重要手段[1]。过渡空间可以改善气候环境，遮挡夏季较强的太阳热辐射来控制室内温度，营造适宜的室内环境，同时对整体功能布局和人的行为有引导作用，配合主动式设备可以降低建筑能耗。湿热气候下高层办公楼空间隔热策略包括屋顶架空层、尺度较小的休息阳台、空中庭院、底层架空空间。

遮阳策略在于运用材料、构造和空间形式，减少太阳直射对于室内的影响，防止眩光，同时节约空调能耗。湿热气候下高层办公楼可以通过形体变化、双层表皮、引入表皮绿化、整合阳台空间等多种形式进行遮阳防热。

通风策略依靠风压或热压原理，促使建筑室内外空气流动，使功能空间有良好自然通风效果。高层风荷载对于高层办公楼影响较大。一方面，可以优化高层办公楼形体造型，改善高层风荷载，提高办公空间的舒适度。包括曲线形体，气流会平稳圆滑地通过建筑边界，减弱建筑边角强风影响；折线形体，将强风分散，减弱集中气流；扭转形体，可以引导气流依附建筑形体螺旋上升，改变气流走向；引入半开敞庭院，加大建筑表面对于风的阻碍作用[15]。另一方面，可以优化高层办公楼表皮构造改善自然通风，包括双层通风幕墙、翼型导风墙、整体式外挂导风板、导风幕墙龙骨。此外，还可以通过天井、风道及立体庭院，形成适宜自然通风并有效防热的气候空间系统[1]。

节能策略可以通过平面分层次能量空间布置实现。根据空间的能耗消耗水平和性能需求，将高层办公楼空间分为低性能、中性能和高性能空间（表2）。将高性能空间和低性能空间相邻布置实现能量的交替，减少能耗。中性能空间是主要利用空间，应布置在利于气候适应性设计的区域。对通风、采光要求严格的高性能空间布置在平面的最外侧。低性能空间布置在朝向不好的区域[16]。

图1 广东交通设计大厦总平面图和区位图

图2 广东交通设计大厦效果图

图3 广东交通设计大厦绿色设计分析

图4 12层标准层夏季自然通风效果

4 广东交通设计大厦气候适应性设计实践

4.1 项目难点及设计概念

项目位于广州市白云区设计之都启动区西南侧，运城西路延长线以东，空港大道以西，白云三线以北。东南面临接白云山脉，享有得天独厚的景观资源（图1）。总用地面积6200m2，建筑高度99.9m，地上23层，其中1～7层为展厅、餐厅、活动中心等公共空间，8层以上为办公空间，地下4层为停车库（图2）。

利用Vent模拟基地5m，50m，99m高度水平面的夏季风环境（图3）。随着高度升高，基地周边遮挡物越来越少，室外风速不断加快，风环境对于建筑影响越大。在50～99.9m高度范围内，建筑东南和东北角会形成风涡流区，东面有迎风面逆风，西面会有风影区涡流。而东面景观效果好，甲方希望设置室外活动空间，所以在设计上要充分考虑通风和防风措施。

优化团队1）通过对环境要素组织和利用，使建筑受夏季太阳辐射、风速影响尽可能小，减少空调的使用降低能耗，实现天然采光和通风。从城市尺度（场地规划、朝向布局）、建筑尺度（平面布局、形体造型、过渡空间）、细部尺度（适应性表皮）三个方面，结合模拟软件进行多尺度的气候适应性设计，提高建筑性能，满足以人为本的空间舒适度需求（图3）。

4.2 基于城市尺度的气候适应性设计

4.2.1 场地规划设计

在基地东北、东南和西南面，夏季室外风速超过5m/s，局部到达8m/s，不适宜做室外人行区，通过高大的树木或构筑物来阻挡夏季风速，同时改善夏季热环境；建筑次入口位置，外车道夏季风速接近于5m/s，将建筑次入口位置靠近东侧布置。在夏季主导风向和主入口布置水体景观，通过气流流动带走热量，调节首层公共空间微气候。

4.2.2 朝向布局设计

优化团队利用Weather Tool模拟分析，广州建筑朝向在南偏西22.5°和南偏东 27.5°之间能减少太阳辐射的影响。研究表明朝向与夏季主导风向成20°～30°角时能改善风环境[17]。为了增强天然采光并减弱高层风速的影响，最终将建筑朝向设计为南偏西20°，与夏季主导风向夹角为25°。

4.3 基于建筑尺度的气候适应性设计

4.3.1 分层次能量空间布置

在减少能耗方面，优化团队将会议室，报告厅等公共空间以及开放式办公空间布置在平面东南方向，将一般办公室和小型会议室布置在平面南侧，将电梯、楼梯、卫生间等服务用房布置在西侧。辅助用房在建筑的西北侧一端，会形成一个针对夏季热辐射、冬季冷风的缓冲层，并且楼梯可天然采光和通风，节省能耗。

在自然通风方面，在平面东南角布置开敞空间，利用开窗引入夏季凉爽的自然风；缩小核心筒面积，加大核心筒与北侧办公室之间廊道距离，使得夏季风自然流通；在西北角布置大面积房间，使通过室内的风速更加均匀，最终实现标准层适宜的自然通风效果（图4）。

4.3.2 凹凸变化形体

图7 广东交通设计大厦27种尺寸的立面单元

在形体上，优化团队选择4种不同的形体处理方式（主要针对夏季东南风），包括曲线、切割、退台、半开敞庭院，利用Vent简化模拟（图5）。条件为广州市夏季2.1m/s的东南向风，地面粗糙度0.28，迭代次数200次。分析可知4种形体变化都一定程度上改善室外风环境，其中形体3退台处理效果显著。最终在建筑东立面进行退台处理，形成凹凸变化的阳台空间，减弱塔楼迎风面气流，达到防风与通风的协调统一。

4.3.3 过渡空间设计

优化团队基于遮阳和通风性能进行过渡空间设计，包括屋顶球场利用立面单元围合；东立面设计凹凸阳台，形成办公空间与外部环境的前庭，由于内外温差，前庭空间形成风斗，将室内的热空气排出，调节微气候，同时外挑阳台会遮挡夏季直射阳光；建筑首层采用架空处理，布置公共活动区，辅助以绿化植被，创造满足人们使用需求的公共空间。

4.4 基于细部尺度的气候适应性设计

4.4.1 天然采光与遮阳设计的复合表皮

优化团队基于天然采光、遮阳和景观性能分析设计适应性表皮。表皮由统一三角形外凸立面单元组成，左侧为三角形穿孔铝板，内设内开窗，右侧为幕墙玻璃，连接处为外凸400mm的穿孔铝板，构成立面的竖向分割（图6）。立面单元通过穿孔铝板减弱风速进行自然通风，并且形成综合遮阳改善热环境。

不同尺寸的立面单元有不同的采光、遮阳和景观效果。为了选择较佳的尺寸，改变南立面单元长（水平间隔）、宽（单元顶角距离最长边垂直距离）和角度（穿孔铝板面与最长边的夹角）进行模拟分析。综合用地和立面效果，团队选择长为1500、1800、2100mm，宽为200、400、600 mm的尺寸变化，考虑南立面视线与形体边界的夹角为30°～60°，设置以30°、45°和60°夹角变化，共形成27种立面单元（图7）。

筛选掉穿孔铝板占比过大（影响采光）和过小（遮阳不佳）的单元，剩下13种单元利用Ecotect进行模拟分析。考虑到设计阶段不需要非常精确的结果，湿热地区南立面受光照和辐射影响最大，故采用简化模拟分析。采光性能以900mm高工作面采光系数评价。模拟对象为长9000mm宽4800mm高3400mm的标准会议室，条件为室外全阴天，光照强度13500LUX。遮阳性能以标准层全年接受太阳总辐射量评价。景观性能以标准层玻璃面积占比评价。

13种单元模拟结果如表3所示，以大于9%采光系数，接受太阳总辐射小于280000wh为边界条件，筛除4种效果较好的立面单元（图8）。其中长1800mm宽600mm角度45°～60°尺寸单元综合效果最好，随着角度变大采光性能增强，遮阳性能降低，景观性能变好。建筑裙房外部环境对于室内影响较小，选择长2100mm宽600mm角度45°通透的单元。塔楼不同楼层有不同需求，越高景观越好，最终采用长1800mm宽600mm角度从45°～60°每4层变化5°尺寸单元，从下到上形成渐变效果，达到采光、遮阳与景观的协调统一。

表3 广东交通设计大厦立面单元模拟结果

图8 综合性能较好的4种尺寸立面单元

图9 表皮构造自然通风分析图

4.4.2 自然通风与构造设计的复合表皮

优化团队通过控制立面单元穿孔铝板的孔洞大小和密度，实现置换通风，提高室内空气品质（图9）。为了在夏季使办公室900mm高度工作区域空气干净凉爽，立面单元穿孔铝板从下至上，孔洞由大到小，密度由密到疏，使得室外新鲜空气更多在空间下部区域进入室内。室内排风口布置在顶部。室外空气进入室内时，由于空气凉爽比重较大会在地板层聚集，此时室内设备产生热空气，使地板层的新鲜空气在对流作用下向上流动，带动整个空间的通风换气，向上的混浊空气通过排风口排出。

结语

本文归纳总结湿热气候下绿色高层办公楼在隔热、遮阳、通风等方面的设计策略，并以广东交通设计大厦为例，在方案设计阶段进行多尺度气候适应性设计，从实践角度拓展了高层办公楼的绿色设计范畴。总结以下结论：

（1）高层办公楼绿色设计要从气候参数确定基本设计原则，从场地条件确认环境特点，从建筑类型确定设计目标，考虑主要影响建筑使用的性能要素，扬长避短利用气候因素进行气候适应性设计。

（2）湿热气候下高层办公楼隔热策略减少室外环境向室内空间的热量传递。具体包括屋顶架空层、尺度较小的休息阳台、空中庭院、底层架空空间等。遮阳策略运用材料、构造和空间形式，减少太阳直射对于室内空间的影响。具体包括形体自遮阳、双层表皮遮阳、引入表皮绿化、整合阳台空间等。通风策略依靠风压或热压原理，促使建筑室内外空气流动，使功能空间有良好自然通风效果。具体包括优化高层办公楼形体造型、表皮构造、天井、风道及立体庭院。节能策略可以通过平面分层次能量空间布置实现。

图、表来源

图1、2：项目设计团队绘制。

图3～9：作者绘制。

表1～3：作者绘制，表1、表2中图片来自网络。

注释

1）广东交通设计大厦项目设计及扩初方案团队成员包括何镜堂、吴中平、苏朝浩等，绿色建筑优化及幕墙设计团队成员包括王静、杜鹏、朱光蠡等。