现代高层办公建筑幕墙通风系统在立面外观及功用上的设计探讨

刘 行,吴 晓

(1.AECOM艾奕康设计与咨询(深圳)有限公司上海分公司,上海 200000;2.湖南文理学院芙蓉学院,湖南 常德 415000)

1 引 言

2001年,我国加入世界贸易组织(WTO),开启了投资、贸易和消费的新格局,更带来了城市化建设的新时代。20多年来,在以北京、上海、广州、深圳为首的超大型城市引领下,各区域、各省份的头部城市经历了日新月异的城市基础设施革新。在各大城市最受瞩目的中心商务商业区块,雨后春笋般出现的高层建筑勾画出崭新的天际线,出现了一座座现代化的城市地标。办公建筑,无疑是其中的绝对主角。

高层办公建筑的设计具有相当强的专业性和特殊性,如其结构系统、电梯、消防、空调系统、楼层面积及进深等都有着一系列有别于其他建筑类型的要求。尤其超高层办公建筑,其结构形式、立面材料等都有着较为成熟的设计体系。本文要探讨的主要就是以简洁化、轻量化为突出优势的玻璃幕墙体系,主要探讨典型的单元式、框架式玻璃幕墙,其通风手段及相关的外立面设计效果。

2 基于自然通风的立面设计手法及效果

2.1 自然通风对办公建筑的意义

自然通风是利用建筑内外空气的密度差、热压风压来进行通风换气的方式,是一项“古老”的技术。与复杂、耗能的空调技术相比,自然通风是一项经济而成熟的技术措施[1]。自然通风在一般的居住建筑、普通办公楼、工业厂房都中有广泛的应用。

一般来说,建筑的通风有如下几大作用[2,3]:(1)提供生产生活所需的新鲜空气;(2)生理降温满足人体舒适度要求;(3)释放建筑构造中存蓄的热量。根据JGJ/T 67-2019《办公建筑设计标准》,国家对办公建筑室内空气质量各项指标都提出了明确要求,如应符合《室内空气质量标准》,办公、会议空间应有与室外空气直接对流的窗洞、通风器,或机械通风设施。如采用自然通风,通风开口面积不应小于房间地面面积的1/20等。

自然通风对于办公建筑的消防、排烟等也具有重要意义。设于外墙的通风窗洞,在满足相应规范条件要求后,即可同时服务于自然排烟,如排烟窗(口)应置于储烟仓以内,其开启形式应有利于火灾烟气的排出等。具体不同的开窗形式,相应的排烟有效面积也有不同的换算规则,这些条件共同影响着立面通风系统的设计。

美学是建筑设计中的一个重要方面,其不仅体现在建筑造型对城市形象、民众观瞻的影响,更反映着建筑细节在功能性、经济性上的合理性。从建筑整体造型的“大”设计到立面通风系统的“小”设计,是外观方面最为显著的美学表现,对建筑品质的印象影响极大。

2.2 常规开窗通风系统

以典型单元式或框架式为主的现代玻璃幕墙办公建筑作为分析对象,其开启扇的常规形式有平开窗、悬窗、平推窗等[2],如图1所示。

(a)平开窗-内平开 (b)悬窗-上悬窗 (c)平推窗

(1)平开窗。最常见的开窗方式之一,其密封性较好,能有效防止雨水、粉尘、噪声等,通风效果良好,应用于高层建筑上有开启角度、构造加强等要求,排烟上的有效面积根据开启方向和形式有折减。

(2)悬窗。按开启方式可分为上悬窗、中悬窗及下悬窗。与平开窗类似,其密封性能、通风性能良好,应用于高层建筑有角度、构造等限制,自然排烟的有效面积根据各种形式有较大差异。

(3)平推窗。采用平行开启铰链,将窗扇沿所在幕墙面法线方向平行开启或关闭,其通风、消防排烟效果也都比较好。需要提出的是,相对于平开窗及悬窗,平推窗的立面表现效果更佳,这是因为开启扇整个平推出去,不像平开窗或悬窗与原立面有一定角度,产生视觉差异(如反光不一致等)。

2.3 进阶立面通风系统

随着城市化建设的发展和项目经验的累积,除了以上常规的开窗通风系统,越来越多精细化的、定制化的立面通风系统不断出现[4]。

这种进阶式的立面通风系统往往是为了达到一定的目的,在此主要归纳为:(1)应建筑立面特殊设计、造型局部变化要求,定制适应性的通风系统;(2)避免开启扇不规律开启对建筑外观的影响,以达到简洁、可控的立面效果;(3)满足特定情况下的自然通风需求,如超高层办公建筑达到一定高度后,因安全因素采用立面无明显开启的通风器,又或因建筑朝向、间距等因素特别定制的通风器。

从主要幕墙构造方法上进行简化的分类,这些通风系统大致可分为竖向通风器、横向通风器2类[5]。另外,随着智能办公的发展,新型的智能升降窗逐步得到发展应用。进阶通风形式如图2所示。

(a)通风器-竖向 (b)通风器-横向 (c)智能滑动窗

(1)竖向通风器。契合幕墙受力构件逻辑,往往结合竖梃设置,形式多样,其密闭通风性能良好,自然排烟的有效面积需具体参照通风器的百叶或穿孔板构造进行换算。这类通风器往往会结合幕墙外表面竖向装饰条设计,优化整体观感效果。

(2)横向通风器。契合幕墙受力构件逻辑,往往结合横档设置,很多情况下位于靠近层间部位,或与窗台、踢脚相关构造一体。其密闭通风性能尚可,但一般不具备自然排烟功能。从幕墙外观看来,这类通风器对立面影响最小,效果简洁干净,常常也会结合外立面横向线条设置。

(3)智能滑动窗。较新一代的自动化通风系统,典型的如内滑式升降窗,滑动扇打开时是玻璃栏杆,满足安全要求,通风效率高,理论上自然排烟效率佳;关闭时通过变轨技术与固定扇形成完整立面,密闭性好。该窗已有应用于办公建筑幕墙的实例,也见于一些高品质住宅、大型公建,其智能化程度高,可用固定开关、遥控器控制,也可用手机App控制。

2.4 立面通风系统的应用及效果评判

以上两种立面通风系统的初步分类,不仅是基于构造细节的复杂程度,实际也是基于建筑立面设计的纯净与美观。常规的通风系统往往在外立面效果上有一定的不良影响,而进阶的通风系统在很大程度上改善或消除了这种不利因素,实现了整体效果的提升。

比如常规的平开窗或悬窗系统,向外开启时,会因为出现洞口,或是玻璃位置、反光角度等发生变化,形成立面效果的局部突变,这在以纯净简洁为特点的玻璃幕墙上,通常被认为是不理想因素[6]。另因建筑各楼层、各房间使用者的需要,实时的开窗位置往往呈现一种随机的状态,这更加增添立面的不规律因素,如图1(b)所示的悬窗情况。而结合着幕墙横、竖向构件设计的通风器,则可通过色彩适配、阴影对比、装饰条掩藏、与建筑分隔线融合等多种手段,实现优化的立面效果。一般情况下,从远距离视角看建筑立面可达到纯粹而整体的外观,基本看不到任何明显的开窗部位;但近距离观看则可发现一些精巧的细节,通风的实际效果即是由这些细节装置达成的。其较理想的设计情况可概况为:远看简约,近看却不简单。

从经济性上来说,常规式开窗系统一般会优于进阶式通风系统,这从两者构造的复杂程度上即可见一斑。常规开窗系统的窗扇构造相对简单直接,进阶系统则会在幕墙构造上增加更多的装置,如结合立面装饰条的通风百叶或穿孔板,遮阳板结合的通风槽,再增设内部的开启扇等[7]。从现今办公楼宇的发展趋势看,核心城市的核心区块,办公品质级别较高,一些重大工程项目中越来越多地应用进阶式的通风系统,甚至是新一代的智能化系统;而区域相对不那么核心、办公等级在甲级以下的楼宇,则会更多地应用常规开窗。

以上通风系统中,向外的开启形式(平开窗、悬窗、平推窗)的通风性能要相对优越,且自然排烟的效率最好;而向内的开启形式,其通风、排烟性能则稍差,且内开扇会占用一定的室内面积,可能影响到室内办公设施、窗帘等(进阶式通风系统一般采用内开,或是结合幕墙构造暗开)。但是,外开启扇清洁不如内开启扇方便,且高楼层外开启会有坠落的安全问题,因此很多地区的高层建筑禁止采用外开启。超高层建筑为防范脱落隐患,一般不采用立面自然通风系统。另外,因建筑越高受风力影响越大,达到200m以上高度时更是会产生明显的风啸问题(即风力达到一定级别时,快速流动的空气和建筑外立面各构造摩擦而发出的啸叫声),此时即使采用进阶式通风系统也要充分考虑到这一因素,建筑专业和幕墙专业需要密切配合进行优化设计,避免相关的一系列问题[8]。

智能滑动窗作为一种较新的形式,应用尚不及其他通风系统广泛,在此暂不展开讨论。

3 设计应用效果实例

本文以浙江绍兴镜湖新区金融活力城商办地块项目为设计实例,对以上立面通风系统进行初步的阐释。

3.1 金融中心塔楼常规高窗系统

金融中心塔楼是此片区的规划最高点,建筑高度168m,主要用于中小型企业办公,标准层大部分被划分为面积100m2～300m2的办公单元。经多轮多方案的设计优化,基于办公单元面积的需要、分隔的灵活度、通风效率、实际成本等考量,本塔楼的立面系统于常规高窗、平推窗及竖向装饰条结合通风器3个方案中,最终选取常规高窗,如图3(a)所示。

(a)金融中心常规高窗 (b)银行总部穿孔板通风器 (c)银行总部穿孔板通风器(室内)

高窗采用上悬外开形式,立面每隔一个幕墙单元设置竖向大装饰条,高窗贴近大装饰条以尽可能减少不规则开启对立面的影响。控制开启角度为30°,于楼层高度约1.3m～1.5m设置手动开启装置,可作自然排烟窗。高窗因位于办公房间排烟区域的顶部,按照《建筑防烟排烟系统技术标准》,处于室内净高度的1/2以上,整体开口面积皆可作为排烟使用,比通高的平推窗、竖向的通风器单位效率高。因开窗角度小于70°,其排烟有效面积按最大开启时的水平投影面积计算。

对于金融中心塔楼而言,立面高窗的设计对立面效果略有影响,达不到理想的干净纯粹状态,但从功能上看,整体自然通风效果较好,可贡献绿色建筑评分项,还可减少楼层机械排烟的成本。

3.2 银行总部塔楼穿孔板通风器系统

银行总部塔楼在两个商办地块中共4幢,高度介于90m～96m之间,沿南侧城市主路一字排开。各塔楼将有多家银行入驻,作为总部办公使用。4幢银行塔楼在立面设计上采用同一体系,建筑高度及形体上略有变化,既产生一定的韵律动感,又在形象上得到统一的效果。

在作为总部办公使用情况下,大部分楼层将采用开放式办公,仅局部空间隔开作为会议室或单间办公。根据这种情况,银行塔楼的大面幕墙采用进阶式的通风方案,即穿孔板配内悬窗的系统,如图3(b)及图3(c)所示。

通风器外部的穿孔板结合立面的竖向线条设置,宽约0.5m,由玻璃面往外突出约0.25m,因此有一个正面和两个侧面,均为穿孔铝板,最终实体样板穿孔率定为30%。室内结合幕墙竖梃,于距地面约1m处往上设悬窗,内开上悬。内外中空部分设置有内部灯光,夜间打亮后从穿孔的图案缝隙中外泛光,将整个通风器竖向线条表现出来,结合其他灯光设置勾勒出建筑夜晚的形体。此通风系统的自然排烟效率相对较低,仅上部1/2的穿孔板面积可计入排烟有效面积,且因悬窗内开扇角度限制在30°,排烟有效面积按最大开启的水平投影计算,数值进一步减小。

从外观效果看来,银行塔楼的通风器设计最大限度地减少了开启扇的视觉影响,达到了较好的整体效果。远看时建筑立面为简单的明暗对比,即偏暗的玻璃面与偏亮的金属竖向线条相间,简单明快,形体鲜明。而近看细节时,又会发现竖向的金属线条有规律地粗细(粗的通风器线条和细的纯装饰条)排列。通风器线条虽尺寸较大,但穿孔板还具有渐变的图案细节,可以进一步引人关注。

3.3 实例小结

在本实例中,简要介绍了幕墙设计的主干,目的在于直接明了地比较两种典型的系统,而实际的设计情况远较以上复杂,如金融中心超高层塔楼避难层设备通风的细节,银行塔楼的局部其他通风方式,以及另几座公寓塔楼的立面通风结合空调设置等,在此不做详述。

对于以上实例中的常规式通风系统和进阶式通风系统,从立面的实施效果看,银行塔楼的外观纯净性要高于金融中心塔楼。从其他条件来说,两者因办公空间通风要求的不同,产生了不同的设计。金融中心办公单元相对较小,对通风的效率和灵活性要求更高,而银行塔楼则可整层统一考虑。另外,金融中心投资后的回收主要来源于未来中小企业入驻后的持续租金,而银行塔楼则会由当地相关方一次性资金回购。从这一角度来看,金融中心的常规系统与银行塔楼的进阶系统,与建筑的成本经济性也是相匹配的。

4 结束语

国家发改委自2020年以来,已多次出台限高令,控制超高层建筑的新建。根据《“十四五”新型城镇化实施方案》,不得新建500m以上建筑,严格限制新建250m以上建筑。这意味着以后各大城市新建的超高层建筑,将以100m～200m高度为主流,这一大方向不仅契合经济、人口基本面的实际需求,也在建筑设计方面体现了效率的最大化,因超高层建筑(尤其达到300m以上)的建设,其成本将随高度的增加显著提升,而各方面使用效率将下降。本文对于立面自然通风系统的粗浅分类,以及相关项目中的系统实例,即主要适用于200m及以下的高层办公建筑,总结如下:

(1)将玻璃幕墙的立面通风系统主要分为两类:常规系统(如平开窗、悬窗、平推窗等)和进阶系统(如横向通风器、竖向通风器、智能系统)。

(2)常规系统经济性相对更好,通风及排烟效率相对较高,但应用于玻璃幕墙可能会对立面效果有一定影响,可通过设计手法优化。

(3)进阶系统的造价相对更高,通风及排烟效率一般不如常规系统,但幕墙外立面效果相对更佳,室内的使用体验和品质相对更好。

(4)两类系统的应用取舍,需综合考虑建筑能级/品质要求及经济造价要求、通风/排烟要求、实际办公者使用需求等各方面因素,达到形式与功能的辩证统一。