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摩天大楼如何设计,才能保证在超强台风中不受损坏?

2017-10-05  大隆龙

最近真是风灾不断,话说高处不胜寒,那么高处更不胜风啊!当台风飓风来袭,地上的人都快要被吹飞,那些耸立到云端的高楼大厦,究竟是怎么做到防风,坚挺得熬过大风天的呢?

这就是建筑师们答疑的时候了!

我们首先了解一下高层建筑风环境的形成机理

风迎面吹来时,高层建筑阻挡了风向流动。

在和高层建筑碰撞时,一部分风越过顶部和侧边,流向建筑后部,形成建筑风影区

另外一部分风向下流动,风速较快,形成迎风面涡流区

高层建筑物较大程度改变了建筑物周围的局地风场,易形成大风。

在高层建筑的设计中,我们可以采取一些形体设计策略,缓解高层风带来的不利影响。

策略Ⅰ : 建筑边角圆润化

建筑边角越圆润光滑,建筑背风向形成的压力越趋于稳定,边角强风影响程度也就越小,越利于削弱强风。

边角圆润的形体能较大降低风荷载,这也是为什么很多高层建筑平面都呈圆形、椭圆形。

诺曼·福斯特设计的小黄瓜瑞士再保险大厦(180m)是一个典型的例子。

福斯特似乎对这种圆润曲线情有独钟,深谙这一原理的防风效果,在很多高层建筑都采用了这一元素,如英国伦敦市政厅、东京千年塔等。

曾是世界最高的摩天大楼,目前仍是世界最高的双塔楼的吉隆坡石油双塔(452m),也采用了圆润边角的原理,削弱强风,降低风荷载,从而达到有效防风。

策略Ⅱ : 形体扭转

扭转的形体可以引导边角气流的走向,使风盘旋上升,从而化解周边风对于建筑的冲击。同时,越是表面圆滑,越是能化解边角强风。

典型案例是上海中心大厦(632m)的形体设计,上海中心位于浦东陆家嘴中心区域,与金茂大厦,环球金融中心相邻。

三者的空间关系形成较大的风压,上海中心的主体部分的扭转,可以减小三者之间的风阻影响。

建筑形成的120°的扭转形态,不仅具有动态的美感,同时与通常方锥体相比,减少了24%的风荷载。

这对上海中心本身化解边角强风,以及周围建筑之间的风环境关系,都是最优的形体选择。

马岩松设计的性感S型曲线的玛丽莲梦露大厦(179.5m / 161.2m),也同样采用了这个原理。

扭转流线型设计,能够引导气流的走向,有效减小了气流。

策略Ⅲ : 切割形体

根据风环境的研究结果显示,折线的切割方式,比直线更能有效的弱化风速。切割形体能使迎面强风折向不同的方向,化解气流的过于集中。同时也具有一定的导风作用,对化解边角强风比较有利。

哈姆拉菲尔杜斯大厦(412m)位于西亚国家科威特,地处科威特半岛中心的黄金地段。

在规划阶段,设计师根据太阳能分析结果表明建筑应切掉西南转角,而风环境的研究结果显示,折线的切割方式能有效地缓和风速,化解强气流的干扰。从而得出适应风环境的最优化设计:在底层平面西南角切除楼板1/4的面积,并渐变至顶层平面的东南角。

策略Ⅳ : 台阶状形体

为了减小上部风受高层建筑界面阻挡后下行,从而对地面及街道造成影响,高层建筑的形体可以随着高度做退台处理。退台处理缓解了高层建筑迎风面气流,下风向能量在退台处风力受阻,进而在街道底部风力有所减弱,化解了街道上不利的风环境状况。

韩国汉城综合贸易中心(228m)是单面台阶体形的实例。

建筑形态设计采用了一侧为阶梯状的设计造型,并将阶梯分为两条。该立面面向城市主干道,从风环境的角度,弱化了高层下冲气流对于主要街道的干扰。

世界第一高楼迪拜哈利法塔(828米)也采用了这种退台形式。

随着建筑不断增高,形体上的退台处理,弱化了街道底部风力,大大减小了建筑对街道形成的压抑感。

策略Ⅴ : 倾斜面形体

斜面处理可以减小高层建筑的体量感,倾斜面体形一般采取下大上小,随着高度的增加逐渐减小平面的特点。整个建筑的形体形成内收特征,这样所形成的建筑物风影区范围也相应的减小,从而可以减小建筑物风影区。同时斜面带来的动感和韵律感,也可以使建筑外观舒展、流畅而富有个性。

横滨地标塔大厦(296m)塔楼由正方形平面在四个边的中间挖槽,切割形成平面上突出的四个角,方形的塔身分三段向中心退台,每段的标准层平面不变,底下一二段的四个凸角向内收进,形成倾斜面。

这一组合减小了建筑的风影区的范围,同时在造型上形成收束的效果,简洁中有变化。

策略Ⅵ : 增加贯通洞口

高层建筑随着高度加大,会受到风振效应等众多不良风环境影响。为避免高层建筑由于过于封闭的形体,而造成强大气流的互相混合,一些高层建筑形体处理上,会预留出贯通整个建筑的洞口,称之为「掏空」的处理,化解从正面各个方向吹来的风力,弱化强风对高层建筑的破坏力。

日本的NEC总部大楼(180m)就采用了这种方式。

方案中最典型之处在于建筑下部体量中部挖出的一个透空门洞。透空处理一方面减小了建筑垂直于迎风面的跨度,减小了体量过大造成的风影区范围。通过建筑底层下部空间的屋顶开洞,还创造了一个有顶光的多层地下大厅,使建筑物地下空间通风更通畅。

策略Ⅶ : 增加半开敞竖向庭院

半开敞竖向庭院作为软质景观引入建筑,形成多方位、多层次的绿化系统。绿化的引入增加高层建筑表面对气流的阻尼,粗糙的建筑表面质感,增加了建筑对气流运动的摩擦阻力,使气流朝各不同方向反射,化解部分迎风面涡流,使风速及风压在室内空间满足需求。

福斯特设计的法兰克福商业银行(298m)平面为三角形,以其竖向绿化的引入和拔风效应,有效化解迎面风,并为整座建筑提供自然通风。

福斯特自称这一设计是「世界上第一座活着的,能自由呼吸的高层建筑」。

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