現代高層辦公建筑幕墻通風系統在立面外觀及功用上的設計探討

劉 行,吳 曉

(1.AECOM艾奕康設計與咨詢(深圳)有限公司上海分公司,上海 200000;2.湖南文理學院芙蓉學院,湖南 常德 415000)

1 引 言

2001年,我國加入世界貿易組織(WTO),開啟了投資、貿易和消費的新格局,更帶來了城市化建設的新時代。20多年來,在以北京、上海、廣州、深圳為首的超大型城市引領下,各區域、各省份的頭部城市經歷了日新月異的城市基礎設施革新。在各大城市最受矚目的中心商務商業區塊,雨后春筍般出現的高層建筑勾畫出嶄新的天際線,出現了一座座現代化的城市地標。辦公建筑,無疑是其中的絕對主角。

高層辦公建筑的設計具有相當強的專業性和特殊性,如其結構系統、電梯、消防、空調系統、樓層面積及進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,其結構形式、立面材料等都有著較為成熟的設計體系。本文要探討的主要就是以簡潔化、輕量化為突出優勢的玻璃幕墻體系,主要探討典型的單元式、框架式玻璃幕墻,其通風手段及相關的外立面設計效果。

2 基于自然通風的立面設計手法及效果

2.1 自然通風對辦公建筑的意義

自然通風是利用建筑內外空氣的密度差、熱壓風壓來進行通風換氣的方式,是一項“古老”的技術。與復雜、耗能的空調技術相比,自然通風是一項經濟而成熟的技術措施[1]。自然通風在一般的居住建筑、普通辦公樓、工業廠房都中有廣泛的應用。

一般來說,建筑的通風有如下幾大作用[2,3]:(1)提供生產生活所需的新鮮空氣;(2)生理降溫滿足人體舒適度要求;(3)釋放建筑構造中存蓄的熱量。根據JGJ/T 67-2019《辦公建筑設計標準》,國家對辦公建筑室內空氣質量各項指標都提出了明確要求,如應符合《室內空氣質量標準》,辦公、會議空間應有與室外空氣直接對流的窗洞、通風器,或機械通風設施。如采用自然通風,通風開口面積不應小于房間地面面積的1/20等。

自然通風對于辦公建筑的消防、排煙等也具有重要意義。設于外墻的通風窗洞,在滿足相應規范條件要求后,即可同時服務于自然排煙,如排煙窗(口)應置于儲煙倉以內,其開啟形式應有利于火災煙氣的排出等。具體不同的開窗形式,相應的排煙有效面積也有不同的換算規則,這些條件共同影響著立面通風系統的設計。

美學是建筑設計中的一個重要方面,其不僅體現在建筑造型對城市形象、民眾觀瞻的影響,更反映著建筑細節在功能性、經濟性上的合理性。從建筑整體造型的“大”設計到立面通風系統的“小”設計,是外觀方面最為顯著的美學表現,對建筑品質的印象影響極大。

2.2 常規開窗通風系統

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

(a)平開窗-內平開 (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,通風效果良好,應用于高層建筑上有開啟角度、構造加強等要求,排煙上的有效面積根據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、通風性能良好,應用于高層建筑有角度、構造等限制,自然排煙的有效面積根據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閉,其通風、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,平推窗的立面表現效果更佳,這是因為開啟扇整個平推出去,不像平開窗或懸窗與原立面有一定角度,產生視覺差異(如反光不一致等)。

2.3 進階立面通風系統

隨著城市化建設的發展和項目經驗的累積,除了以上常規的開窗通風系統,越來越多精細化的、定制化的立面通風系統不斷出現[4]。

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

從主要幕墻構造方法上進行簡化的分類,這些通風系統大致可分為豎向通風器、橫向通風器2類[5]。另外,隨著智能辦公的發展,新型的智能升降窗逐步得到發展應用。進階通風形式如圖2所示。

(a)通風器-豎向 (b)通風器-橫向 (c)智能滑動窗

(1)豎向通風器。契合幕墻受力構件邏輯,往往結合豎梃設置,形式多樣,其密閉通風性能良好,自然排煙的有效面積需具體參照通風器的百葉或穿孔板構造進行換算。這類通風器往往會結合幕墻外表面豎向裝飾條設計,優化整體觀感效果。

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

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

2.4 立面通風系統的應用及效果評判

以上兩種立面通風系統的初步分類,不僅是基于構造細節的復雜程度,實際也是基于建筑立面設計的純凈與美觀。常規的通風系統往往在外立面效果上有一定的不良影響,而進階的通風系統在很大程度上改善或消除了這種不利因素,實現了整體效果的提升。

比如常規的平開窗或懸窗系統,向外開啟時,會因為出現洞口,或是玻璃位置、反光角度等發生變化,形成立面效果的局部突變,這在以純凈簡潔為特點的玻璃幕墻上,通常被認為是不理想因素[6]。另因建筑各樓層、各房間使用者的需要,實時的開窗位置往往呈現一種隨機的狀態,這更加增添立面的不規律因素,如圖1(b)所示的懸窗情況。而結合著幕墻橫、豎向構件設計的通風器,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,實現優化的立面效果。一般情況下,從遠距離視角看建筑立面可達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現一些精巧的細節,通風的實際效果即是由這些細節裝置達成的。其較理想的設計情況可概況為:遠看簡約,近看卻不簡單。

從經濟性上來說,常規式開窗系統一般會優于進階式通風系統,這從兩者構造的復雜程度上即可見一斑。常規開窗系統的窗扇構造相對簡單直接,進階系統則會在幕墻構造上增加更多的裝置,如結合立面裝飾條的通風百葉或穿孔板,遮陽板結合的通風槽,再增設內部的開啟扇等[7]。從現今辦公樓宇的發展趨勢看,核心城市的核心區塊,辦公品質級別較高,一些重大工程項目中越來越多地應用進階式的通風系統,甚至是新一代的智能化系統;而區域相對不那么核心、辦公等級在甲級以下的樓宇,則會更多地應用常規開窗。

以上通風系統中,向外的開啟形式(平開窗、懸窗、平推窗)的通風性能要相對優越,且自然排煙的效率最好;而向內的開啟形式,其通風、排煙性能則稍差,且內開扇會占用一定的室內面積,可能影響到室內辦公設施、窗簾等(進階式通風系統一般采用內開,或是結合幕墻構造暗開)。但是,外開啟扇清潔不如內開啟扇方便,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系統。另外,因建筑越高受風力影響越大,達到200m以上高度時更是會產生明顯的風嘯問題(即風力達到一定級別時,快速流動的空氣和建筑外立面各構造摩擦而發出的嘯叫聲),此時即使采用進階式通風系統也要充分考慮到這一因素,建筑專業和幕墻專業需要密切配合進行優化設計,避免相關的一系列問題[8]。

智能滑動窗作為一種較新的形式,應用尚不及其他通風系統廣泛,在此暫不展開討論。

3 設計應用效果實例

本文以浙江紹興鏡湖新區金融活力城商辦地塊項目為設計實例,對以上立面通風系統進行初步的闡釋。

3.1 金融中心塔樓常規高窗系統

金融中心塔樓是此片區的規劃最高點,建筑高度168m,主要用于中小型企業辦公,標準層大部分被劃分為面積100m2～300m2的辦公單元。經多輪多方案的設計優化,基于辦公單元面積的需要、分隔的靈活度、通風效率、實際成本等考量,本塔樓的立面系統于常規高窗、平推窗及豎向裝飾條結合通風器3個方案中,最終選取常規高窗,如圖3(a)所示。

(a)金融中心常規高窗 (b)銀行總部穿孔板通風器 (c)銀行總部穿孔板通風器(室內)

高窗采用上懸外開形式,立面每隔一個幕墻單元設置豎向大裝飾條,高窗貼近大裝飾條以盡可能減少不規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域的頂部,按照《建筑防煙排煙系統技術標準》,處于室內凈高度的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的水平投影面積計算。

對于金融中心塔樓而言,立面高窗的設計對立面效果略有影響,達不到理想的干凈純粹狀態,但從功能上看,整體自然通風效果較好,可貢獻綠色建筑評分項,還可減少樓層機械排煙的成本。

3.2 銀行總部塔樓穿孔板通風器系統

銀行總部塔樓在兩個商辦地塊中共4幢,高度介于90m～96m之間,沿南側城市主路一字排開。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計上采用同一體系,建筑高度及形體上略有變化,既產生一定的韻律動感,又在形象上得到統一的效果。

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。根據這種情況,銀行塔樓的大面幕墻采用進階式的通風方案,即穿孔板配內懸窗的系統,如圖3(b)及圖3(c)所示。

通風器外部的穿孔板結合立面的豎向線條設置,寬約0.5m,由玻璃面往外突出約0.25m,因此有一個正面和兩個側面,均為穿孔鋁板,最終實體樣板穿孔率定為30%。室內結合幕墻豎梃,于距地面約1m處往上設懸窗,內開上懸。內外中空部分設置有內部燈光,夜間打亮后從穿孔的圖案縫隙中外泛光,將整個通風器豎向線條表現出來,結合其他燈光設置勾勒出建筑夜晚的形體。此通風系統的自然排煙效率相對較低,僅上部1/2的穿孔板面積可計入排煙有效面積,且因懸窗內開扇角度限制在30°,排煙有效面積按最大開啟的水平投影計算,數值進一步減小。

從外觀效果看來,銀行塔樓的通風器設計最大限度地減少了開啟扇的視覺影響,達到了較好的整體效果。遠看時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。而近看細節時,又會發現豎向的金屬線條有規律地粗細(粗的通風器線條和細的純裝飾條)排列。通風器線條雖尺寸較大,但穿孔板還具有漸變的圖案細節,可以進一步引人關注。

3.3 實例小結

在本實例中,簡要介紹了幕墻設計的主干,目的在于直接明了地比較兩種典型的系統,而實際的設計情況遠較以上復雜,如金融中心超高層塔樓避難層設備通風的細節,銀行塔樓的局部其他通風方式,以及另幾座公寓塔樓的立面通風結合空調設置等,在此不做詳述。

對于以上實例中的常規式通風系統和進階式通風系統,從立面的實施效果看,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要求的不同,產生了不同的設計。金融中心辦公單元相對較小,對通風的效率和靈活性要求更高,而銀行塔樓則可整層統一考慮。另外,金融中心投資后的回收主要來源于未來中小企業入駐后的持續租金,而銀行塔樓則會由當地相關方一次性資金回購。從這一角度來看,金融中心的常規系統與銀行塔樓的進階系統,與建筑的成本經濟性也是相匹配的。

4 結束語

國家發改委自2020年以來,已多次出臺限高令,控制超高層建筑的新建。根據《“十四五”新型城鎮化實施方案》,不得新建500m以上建筑,嚴格限制新建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濟、人口基本面的實際需求,也在建筑設計方面體現了效率的最大化,因超高層建筑(尤其達到300m以上)的建設,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系統的粗淺分類,以及相關項目中的系統實例,即主要適用于200m及以下的高層辦公建筑,總結如下:

(1)將玻璃幕墻的立面通風系統主要分為兩類:常規系統(如平開窗、懸窗、平推窗等)和進階系統(如橫向通風器、豎向通風器、智能系統)。

(2)常規系統經濟性相對更好,通風及排煙效率相對較高,但應用于玻璃幕墻可能會對立面效果有一定影響,可通過設計手法優化。

(3)進階系統的造價相對更高,通風及排煙效率一般不如常規系統,但幕墻外立面效果相對更佳,室內的使用體驗和品質相對更好。

(4)兩類系統的應用取舍,需綜合考慮建筑能級/品質要求及經濟造價要求、通風/排煙要求、實際辦公者使用需求等各方面因素,達到形式與功能的辯證統一。