建筑技术对超高层造型设计的影响

[摘要]绿色建筑技术在当今超高层建筑设计的作用日益突出，已成为影响超高层建筑造型设计的关键因素之一。通过案例研究及系统分析的方法，归纳出绿色建筑技术在空间布局、造型形态、细节设计、一体化设计以及表皮处理等多方面对超高层造型的影响，并提出将绿色建筑技术与艺术创作完美结合的思路，以达到创作出超高层建筑新造型的目的。

[关键词]超高层；可持续设计；绿色技术；建筑造型；LEED认证

1研究背景

近年来，随着技术进步和经济发展，超高层建筑方兴未艾，在我国进入高速发展时期。目前在建的300m以上超高层全球有125座，其中78座在中国①。530m的广州东塔，632m的上海中心，660m的深圳平安金融中心，中国城市的天际线不断被刷新。一方面，作为地标性建筑，超高层建筑的造型对城市空间的重要性不言而喻。另一方面，随着对可持续设计的日益重视，绿色建筑技术的应用在超高层建筑设计中扮演了越来越重要的作用，已成为影响超高层建筑造型设计的关键要素。分析其对建筑造型的影响，对于更好地理解和把握超高层设计具有现实意义。

2超高层与绿色建筑技术

超高层建筑由于其体量巨大，功能复杂，对绿色建筑技术提出了更高的要求。目前在绿色建筑实践上，国内主要采用中国《绿色建筑评价标准》和美国的LEED认证两大体系，此外在2012年还颁布了《绿色超高层建筑评价技术细则》。《绿色建筑评价标准》将建筑星级标准分为为一星、二星和三星（最高为三星）。采用分数计数法判定级别，具体包括：“节地与室外环境”、“节能与能源利用”、“节水与水资源利用”、“节材与材料资源利用”、“室内环境质量”、“施工管理”以及“运营管理”七大项内容②。LEED评估体系是国际通行的绿色建筑评价体系，它由美国绿色建筑协会（USGBC）于2003年开始运作，被认为是世界上最完善最具影响力的评估标准。LEED评估体系主要分为LEED-NC（新建建筑）、LEED-EB（既有建筑）、LEED-CI（商业装修）、LEED-CS（建筑结构）、LEED-H（住宅）、LEED-ND（社区开发）。其中LEED-NC评估体系是适用于新建商业建筑及改建项目。LEED-NC评估内容主要分为六大部分，分别是可持续性场址、节水、能源与大气、材料与资源、室内环境质量、创新与设计③。上述两大体系虽略有差异，但其主要内容一脉相承。由于超高层建筑使用人数众多，对资源消耗很高，采用绿色建筑技术具有非常重要的意义。

3绿色建筑因素对超高层造型的影响

综合分析上述国际及国内的两个绿色建筑体系，可以看到，绿色建筑技术措施在超高层建筑设计实践的影响上可以大致划分为以下五个方面：①场地的选择；②节水与节能；③材料与资源；④室内环境；⑤管理与创新。这些措施对于超高层建筑的可持续设计非常关键，也往往对其造型相应产生不可避免的影响。这是我们在设计超高层建筑中值得深入思考的。绿色建筑技术因素对超高层造型的影响，从设计实践上看是涵盖多个方面的，所造成的结果也是不尽相同的，但总的来说可以归纳为以下几个方面。（1）对空间布局的影响在可持续建筑设计中，通入引入自然通风、采光、绿色植物等以减低能耗，创造舒适的内部环境，使得建筑生态化，是一种传统而高效的手段，事实上，早在20世纪90年代，在国外已经有不少超高层建筑进行了有益的尝试，比如1997年建成的法兰克福商业银行大楼（CommerzbankTower）（图1）。诺曼•福斯特（NormanFoster）通过创新性地引入中庭以利用自然光和自然通风。大楼主体高298m，共60层，曾经是欧洲最高建筑。建筑平面为等边三角形，边长60m，三角形每边均呈弧形向外突出，电梯、楼梯和服务设施位于三角形角端。其生态策略则主要体现在其中庭的创造性处理上（图2），福斯特打破常规，将60层高的塔楼上下分为5段，三角形平面侧边每八层设置一个四层高的花园，花园在平面上按顺时针方向螺旋式上升轮流设置，使建筑中几乎每一个办公室都有直接采光和良好的自然通风。来自这些花园的新鲜空气通过中部的三角形中庭，输送给周围的办公室。空中花园根据其不同朝向种植不同的植物，绿意盎然，视野良好，为大楼内部提供了宜人的环境。这一巧妙生态构思构成了独特的室内中庭。大楼采用双层玻璃幕墙节能技术，具有良好的保温隔热性能，其幕墙窗户可倾斜打开，窗户外侧另装有玻璃，之间留有空隙以便通风。当外界气候无法保证自然通风时，中央控制系统可关闭所有窗户并启动中央空调系统，中庭成为内部通风井。这一创造性的生态学理念自然而然地奠定了大楼的整体空间布局并形成了大楼独特的造型。（2）对外部形态的影响在炎热地区，如何节省空调等建筑运行能耗、降低炭排放量。以获得较高的LEED认证绿色建筑评分，独具匠心的建筑造型将可以起重要作用。比如2012年建成的位于科威特市的阿尔哈姆拉塔（AlHamraFirdoustower，美国SOM事务所设计）高达412m，是阿拉伯海湾地区的标志性建筑之一，大楼造型独特，与一般超高层摩天楼不同，其造型犹如身披着巨大的阿拉伯长袍矗立在科威特湾④，极具雕塑感（图3）。大楼呈不对称造型，北面以玻璃幕墙为主，可饱览阿拉伯海湾优美景色；南面以实体墙面为主，其目的是为了尽可能地引入海湾景色，同时应对沙漠地区的极端气候，尽可能减少南面日照。建筑北、东和西三面均为玻璃幕墙透明结构，与海湾相呼应，而几乎完全不透明的南侧可以最大限度地阻挡沙漠强烈光照。其整体造型极大地迎合当地的气候条件及周边环境，形成舒适的内部空间，大大减低了建筑能耗。（3）对造型细节的优化超高层建筑为减少自重通常采用全玻璃幕墙建筑形式。但玻璃幕墙易给周边建筑带来光污染。为了达到绿色可持续建筑的目标，减少对周边建筑的不良影响，往往需要对其外部幕墙细节进行优化处理，上海中心大厦（美国Gensler建筑事务所、同济大学建筑设计研究院，2008年，高632m）就是实例之一（图4），为了减少光污染，通过计算机分析平滑式和退台式幕墙并加以比较。结果显示采用退台交错方案可有效减少受影响的敏感目标数量、户数和每户影响时间。为进一步降低幕墙光污染，精心控制幕墙玻璃的反射比。此外还采用被动式幕墙节能设计以提高其节能效率，内外双层幕墙的外幕墙采用夹胶玻璃。内幕墙采用低辐射中空玻璃，内外层幕墙之间的空间为热缓冲区域，以降低传热系数。幕墙采用玻璃自遮阳和水平固定外遮阳以减少辐射。这些建筑细节是绿色建筑技术手段的体现，也最终对其建筑造型细部起到了决定性的作用。（4）一体化设计的影响近20年以来，太阳能与建筑的一体化设计发展非常迅速，而风能由于其不稳定性和噪音污染等问题一直很难与建筑进行较好的结合。但巴林世贸中心（BahrainWorldTradeCenter，2007年，肖恩•奇拉ShaunKilla设计，高240m）的独特设计却成功地将大型风轮机集成到建筑当中，可谓风能建筑一体化的典范之作。巴林世贸中心由两座外观完全相同的50层双子塔楼组成，塔楼平面为椭圆形，外观呈帆状，线条流畅，造型优美，深绿宝石色玻璃和白色铝板外皮使大厦与周边的沙漠景观和海上风光交相辉映。建筑师在双塔之间的第16层（61m）、25层（97m）和35层（133m）处分别设置了三座重达75t的跨越桥梁，三个直径达29m的水平轴风力发电机被固定在这三座桥梁之上（图5）。建筑师肖恩•奇拉（ShaunKilla）受传统阿拉伯“风塔”的启发，利用文丘里效应⑤将两座塔楼的平面和剖面设计成椭圆形和帆形，两座塔楼主体如同两片巨型机翼将来自波斯湾海面上经年不息的海风聚拢加速并使其在经过时形成漏斗效应，将风速提高30%，大大提高了风力发电机的工作效率。该项目获得了“大型规划中技术使用最佳奖”和“阿拉伯建筑世界”颁发的“可持续设计奖”。由位于韩国首尔的乐天世界塔（LotteSuperTower123，美国KPF建筑事务所，高556m），是目前在建的世界最高建筑之一。该建筑顶部的设计非常独特，呈含苞待放的花瓣状向建筑顶端逐渐收拢，可以分散风压，减少气流对建筑物的干扰。该顶部安装有风力发电涡轮机，其造型的设计也充分考虑了空气动力学的效能，以便提升掠过建筑顶端的风速，从而大大增加了其绿色再生能源装置的工作效率（图6~7）。（5）建筑“表皮”的影响超高层建筑体量巨大，其“表皮”往往是形成视觉效果的重要因素，而作为建筑内部空间与外部空间的衔接界面，建筑“表皮”也是实现可持续建筑设计的关键。人们日益意识到，超高层建筑的未来可能在于作为一个系统所呈现出来的“智慧”——即对于外部环境的反应。迄今为止，还没有任何建筑“表皮”可以达到生物世界的水平。传统的建筑幕墙是被动而消极的，缺乏对外部环境波动的有效调节能力。未来的建筑“表皮”应当是能够积极有效地帮助建筑本身保持内部小气候的稳定性。LAVA建筑实验室为此提出具有前瞻性的阿布扎比仿生塔（BionicTower）方案（图8），其生态表皮综合了遮阳系统、光伏发电、雨水收集等生态技术并能像真实的皮肤一样感知外界环境，根据外部环境的太阳辐射，温度，气压，湿度等情况进行表皮系统的自动调节（图9）。项目尚处于可行性研究阶段，但是建造具备生物反馈能力的新型“表皮”这一设计思路产生了极具未来感的超高层造型。前述的首尔乐天世界塔的建筑外幕墙安装有光伏电池，这为大楼提供了数量惊人的可再生能源。288m高的英国伦敦尖塔（ThePinnacle，美国KPF事务所）在建筑“表皮”设计中独具匠心。为了让建筑形体看上去没那么巨大，建筑外立面被设计成呈2.5°倾斜逐渐收进的效果。幕墙被分解成为一系列长方形面板，它们逐级后退，该建筑“表皮”由内外两层组成，内外两层的单元面板均具有灵活性并可替换。内部的单元面板用于把建筑空间围合起来，而外部的面板呈现出一种类似于“蛇鳞片”的排布，提供抵御外部气候并实现高效率自然通风。建筑表皮还具备有光伏发电功能（图10）。建筑表皮往往是建筑性能与造型的重要衔接点，正如日本建筑师稹文彦指出：“建筑设计的最主要目标就是达到造型与空间的高度和谐，这种和谐大部分是通过区分内部与外部范围的层——建筑表皮来实现。然而要追求造型跟空间的高度和谐，就必须让建筑表皮扮演一个积极的角色，体现其真实的意义。”⑥事实上，许多前卫性的超高层建筑造型设计往往通过具有新绿色建筑科技含量的“表皮”设计来实现可持续建筑的技术要求，并同时获得了一种全新造型语言。

结语

综合上述，绿色建筑技术已成为建造超高层建筑的重要因素，一方面，日新月异的绿色建筑技术在超高层建筑设计中获得广泛应用并大大提升超高层建筑的品质，减少了碳排放。另一方面，绿色建筑技术在空间布局、造型形态、细节设计、一体化设计以及表皮处理等多方面对超高层造型设计的影响巨大，甚至成为超高层建筑造型设计的决定性因素。超高层建筑是建筑艺术与现代技术的完美交融的结果。其复杂性使得设计具有很大的挑战和难度，从全局上总体把握建筑造型与相关技术的有效协调，把建筑的艺术性与绿色建筑的技术性完美结合起来，才能从一开始就为绿色建筑技术的使用留下足够的空间，并可塑造出属于这个时代的与众不同的超高层建筑新形象。

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作者：许乙弘 单位：王珏