浅析法兰克福银行的建筑结构

摘要:通过对世界建筑大师诺曼福斯特的著名作品法兰克福银行大厦进行分析,从中学习新技术条件下建筑的功能,结构,材料以及这些新技术给人们带来的优越性。

关键词: 技术 结构 材料 功能

DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.10.064

德意志商业银行总部大楼坐落在德国法兰克福,是由诺曼・福斯特爵士创办的弗斯特联合事务所在1994年设计,结构由英国的阿如普公司配合,并于1997年竣工。这座高300米的三角形高塔是世界上第一座高层生态建筑,也是目前欧洲最高的办公楼。

一. 结构分析

法兰克福银行的结构设计属于巨型结构,也叫做超级框架结构,有意识的通过处理给人以超常的尺度感。从而营造出宏伟,挺拔的建筑形式。建筑结构使用巨型空间桁架、巨型柱以及它们与子结构之间的有机组合在建筑空间形象上充分表现了“力”在结构中的传递。平面为三角形, 三角形的曲线形边使空间率达到最大值,也就是说三角形略微外鼓获得了更多的室内面积。由于内部空间从水平力的负担中解放出来,只对垂直荷载进行处理就可以了,所以空间使用率提高。通过八层楼高的钢框架为“巨型梁”连接而围成的巨型筒体系。具有极好的整体效应和抗推刚度,其中“巨型梁”产生了巨大的“螺旋箍”效应。选择三角形形状也是为了克服已存在的 Commerzbank 塔楼的位置限制。该大楼具有“生态之塔”的美称。49层高的塔楼采用弧线围成的三角形平面,三个核构成的三个巨型柱布置在三个角上,巨型柱之间架设空腹拱梁,形成三条无柱办公空间,其间围合出的三角形中庭。

法兰克福银行大厦是高层绿色建筑的一次成功的尝试。在福斯特的设计理念下,传统的办公塔楼进行了内外环境的重新配置,他将传统位于塔楼中央的公共交通等核心(电梯,步梯,洗手间等)分散在建筑三角形平面的三个角,而解放出中部较大的空间来重新设计,每2个交通核之间的梯形部分则是建筑的主要办公部分,三个梯形又围合出一个空透的三角形中庭。福斯特的过人之处是在这些梯形部分每隔8层就安排了1个高达4层(约14米)的空中花园,而且花园是错落上升设置的,这让每层的办公室都可以接触到花园般的景色。同时,中庭和空中花园的设置使得在全年的大多数工作时间里,该大厦仅靠自然通风和采光手段已经满足内部通风和采光的需要。二. 建筑材料及应用的分析

法兰克福银行是一座高层生态建筑。建筑外皮双层设计手法同样增加了该高层建筑的绿色性,外层是固定的单层玻璃,而内层是可调节的双层中空玻璃,两层之间是165毫米厚的中空部分,室外的新鲜空气可进入到此空间,当内层可调节玻璃窗打开时,室内不新鲜的空气也进入到这一中空部分,完成空气交换。在中空部分还附设了可通过室内调节角度的百页窗帘,炎热季节通过它可以阻挡阳光的直射,寒冷季节又可以反射更多的阳光到室内。中庭被细分为每十二层一段, 每一段包括三个四层楼高的空中花园,它们绕塔楼成120度转角。这个空中花园, 好像给塔楼外墙增加了一层“皮肤”,同时促进了日光和新鲜的空气通过三面的花园到达具有建筑整个高度的中庭以获得自然通风效果。风洞分析预知这个系统将会造成中庭如外面的空间一样,伴随着高频率的空气改变。L;j0x此外,法兰克福商业银行中心大楼采用了经过陶瓷化耐火处理的钢材,而不是钢筋混凝土。如果遇上大的火灾,至少可以坚持2小时不会坍塌,有足够的时间营救与撤离。

图2 commerzbank

三.建筑施工中的通风采光及建筑设备的分析

建筑使用者们通过调节开口大小来控制空气在办公室中的流动。但是,如果室内变得太多风、太热或太冷, 建筑管理系统将会关闭空气进入建筑物个别区段的流程。不同的区段合起来被称为‘村落组团’。藉由分别回应每个村庄团的气候状况, BMS 工作得如同一个微调系统。每个花园都有一个将适当的数据传送到BMS 的气象台监视器, 它使得系统能够主动与塔楼高度各处的天气式样的变化相配合。举例来说, 空气可能是相对静止的。除非在极少数的严寒或酷暑天气中,整栋大楼全部采用自然通风和温度调节,将运行能耗降到最低,同时也最大程度的减少了空气调节设备对大气的污染。建筑管理中控系统(BMS Control)在法兰克福商业银行总部大厦中得到了应用,但这次福斯特并非追求将高新技术设备充分暴露,而是利用它们来创造更节能,更舒适的建筑空间。大厦的室内感光感温系统全部采用自动化,具体到每个办公室均由一个中心调控系统控制,室内的光照,温度,通风等均通过自动感应器得到相应的调整,以确保办公空间适当的光照和空气质量,上述种种自然通风,采光方法,以及智能控制技术等在法兰克福商业银行总部大厦中的综合应用,使得该建筑自然通风量达60%,这在高层建筑中是非常难得的,大厦也成为欧洲最节能的高层建筑之一。

早期的研究显示:可实现的最有效果的节能措施就是减少建筑物冷却所需的能源。参考传统的设计,且法兰克福在夏天的温度按能达到35℃计算, 得出建筑物预计在正常情况下一年中有77%的时间处于冷却模式。减少冷却的能源需求的最有效的方法是将建筑的自然通风最佳化。然而,由于技术的限制,人们认为一年里100%的时间提供自然通风是的一个不切实际的目标。结果,解决的办法是一个混合产物或者说是一个‘混合模态'系统, 目标是实现一年中65%的时间可以自然通风,空调系统将会在尽可能短的时间内随即打开。当外界环境的温度超过 23℃的时候将会出现间歇的时间段,这时窗户将会被关闭而扇子将会被打开来操作冷却天花板。除此之外, 位于地板的中央地域的走廊地域, ,将会需要长备空调。

所有的调查研究都显示该建筑幕墙设计使开窗的时数达到最优化。分析各种不同的类型的 Klimafassade是为了确定哪一个类型会是对 Commerzbank位置上的气候情况最适当的。通过 Klimafassade复杂和精明的设计,塔楼内每份能源需求将会被减到最少。建立内部开口与外表面最有效联系来提高间接的自然通风的目标,许多的模式化的测试将此解决得像一个好的热阻。采用一个在某种情况下高水平运行的系统是有可能的,但是当情况不一致的时候它可能不太有效。因此,需要在夏季降温和冬季保温之间做出一个平衡的安排。

空气在每层楼通过Klimafassade 的开囗进入一个 200毫米的洞内之后,被加热上升经过洞的顶端排出, Klimafassade充当了一个热烟囱系统。 Klimafassade 的构造 (见图4) 是由12毫米厚的上过釉的外表面组成的,而外表面上有一层特殊涂料可以吸收外部百叶上的雷达信号。它还加入了一个自动化铝遮阳板系统来提供一个好的阴影系数 , 而且low-E材料做的双层釉面内墙具有较低廉的价格。建筑外表面的排气口长期开着,同时内部区域允许空气通过自动化的倾斜且翻转的开口布置。

参考文献:

窦以德:《诺曼福斯特》,中国建筑工业出版社,1997罗小未:《外国近现代建筑史》,中国建筑工业出版社