[高层建筑,环境]浅析高层建筑风环境的控制与利用

浅析高层建筑风环境的控制与利用

层建筑设计中的应用提出相关建议。通过列举实例从改善建筑外形、结构以及TMD阻尼系统安装等方面阐述了解

决风对建筑负面影响的办法。同时基于风能廉价与环保的优势，从自然通风与风力涡轮机的高效使用等角度，介

绍高层建筑设计中对风能合理利用的方法，并认为未来高效利用风能将成为可持续建筑的重要特征。关键词高层建筑风荷载调谐质量阻尼（TMD）风力涡轮机

0 引言

随着建筑不断增高，风力对建筑的影响也会急剧增加。同时风对高层建筑的影响具有两面性。一方面，围绕在摩天大楼上部的风速非常强劲，可能会导致高层建筑的震荡和破坏。如果建筑周围的风速过高也会给行人带来不适。另一方面，建筑内的自然通风却可以为室内提供健康舒适的环境，而且通过风力涡轮机产生的动力还可以节约能源。本文针对控制风带来的负面影响以及高效利用风力的方法提出建议。

1 控制风力对建筑的影响

高层建筑的振动是风力带来的最严重问题，这会使居住者感到十分不适，振幅过大甚至会导致建筑物的倒塌。另一个问题，由于大楼阻碍风的流动而形成向下运动气流，给地面上的行人带来了不良的风环境。这些问题都可以通过建筑形状、结构、阻尼等一系列相关因素的设计来解决。

1.1 建筑的体量与外形

高层建筑的体量与外形在减少风力的影响方面具有重要作用。首先相较于宽立面，当大楼的窄立面朝向盛行风向时，风力会明显减弱。这也意味着，建筑的长轴应与主导风向一致。在风压不变的条件下，风力只受建筑物的尺寸影响。在图1左侧的分析图中，主导风向平行于建筑的长轴，建筑的窄面为迎风面，气流很容易被分离沿着塔楼流动，因此这个建筑物所承受的风力较小。相反，在图1右侧的分析图中风向垂直于建筑长轴，建筑有一个宽大的迎风面，使得气流完全被阻碍，难以通行，产生了更大的风力。

其次，利用光滑曲面可以明显减少高层建筑受到的风力。伦敦的瑞士再保险塔（图2）由诺曼?福斯特事务所设计，于2003完成，可看成由一个圆形平面围绕一个中轴旋转后沿着曲线垂直上升直至建筑顶端的形式构成。相较于矩形框架设计，风很容易沿着弯曲的表面流动，由此减弱了风力（图3）。

另一个例子是鹿特丹的公园港口塔。由于该地区平时风速很高，塔的形状和外层材料不得不慎重地考虑。它的形状是以等边三角形为平面从底部旋转到顶端，并将三角形的各边重组成复合曲线而形成的。因此，建筑可以很容易地以较小的阻力引导强风沿着其曲面流动（图4）。

第三，建筑的锥形形态提供了一个较大的基底使其更稳定，而且狭窄的顶部可以最大限度地减少风荷载。由诺曼?福斯特事务所设计的千年塔便是圆锥形状（图5）。该圆锥形结构体系可以有效地抵御风力，从而有利于该塔达到840m的特殊高度。又如沙特阿拉伯的阿法沙利亚中心（图6），由于其显著的金字塔形，已经成为利雅德的标志性建筑。此塔沿着弓形曲线逐渐向尖端变细，营造出紧绷的视觉效果。建筑顶部是一个拥有四个角柱的开放空间，同时一个内设餐厅的玻璃球也位于此处。高速风在建筑顶部无阻碍地穿过，很大程度上降低了风力对建筑的影响。

高层建筑相较于低层建筑承受更多的横向风荷载。建筑的高度越高，对作用在结构系统上的水平力影响也就越大。提高承受水平荷载的能力，是高层建筑结构设计的首要任务。

高层中最常见的结构体系是中央核心筒与四周柱网结构。现如今外墙面也被开发成抗负载系统，以有效地承受横向力。外墙的对角线连接着柱子和梁的结合处，这使得垂直的支撑件可以更直接地吸收水平荷载，使得荷载分布更均匀。

一个最著名的例子就是芝加哥的约翰?汉考克中心（图7）。这个拥有矩形平面的100层建筑在四个角落分别设有大型角柱，同时在外墙上可以很清楚地看到一个个巨大的X形十字架。如埃菲尔铁塔的框架，较宽的基底使塔稳定，当风荷载传递到柱子和交叉撑杆时，可将风力分布在三个维度中，使之成为一个固有的刚性结构。[51433m高的西尔斯大厦对抵抗风载有着更有效的结构体系（图8），主体为筒状结构，9个筒结构连接起来形成了一个复合结构，比任何一个单一的构架都要牢固可靠。每个筒达到不同的高度：在50层减掉两个，66层又减掉两个，在90层减掉了三个，最后两个筒结构留在了顶部。这就产生了一系列塔楼的递减，同时也减弱了顶部受到的风力。

1.3 减震系统

高层建筑的住户对强风所导致的楼房横向摆动极其敏感。调谐质量阻尼（TMD）可用于削弱高层建筑的摆动，并为住户提供舒适的居住环境。TMD阻尼器将大量的弹簧阻尼系统或液压阻尼系统附接在振动的结构上来达到减振的作用。当建筑物在强风中开始向某个方向偏移时，在大楼上部的阻尼器好比巨大的质量块同时会向另一个方向移动，以此抵消建筑受到的水平作用力，使建筑结构的振荡得到缓解。

第一个采用调谐质量阻尼的高层建筑是纽约市的花旗中心。它的调频质量阻尼器是由一块重达400t的混凝土块组成，安置在建筑的59楼，该阻尼器的刚性由水平放置的弹簧和减震器提供，减少了该楼最高处50%的晃动幅度。另一个例子是台湾的台北金融中心（图9），建成于2004年，是当时世界上最高的建筑。该建筑引入了很多先进的技术，其中之一就是它的减震系统。一个被挂置在88楼作为被动质量阻尼器的巨型钟摆（图10），重达730t，可有效减少塔楼上部的摆动幅度，据估计可消除高达40%的震动幅度。

2 风的利用

2.1 自然通风

风力发电在世界范围内是发展最快的可再生能源技术之一。建筑上部的高速风流除可以用来自然通风之外，还有利用风力涡轮发电的潜质。由于该发电方式不会释放CO，和导致酸雨或酸雾的污染物，还具有良好的环境效益。相比于太阳能发电，风力发电则更经济有效，并且不会占用很大的空间。例如，要产生相同的能量，典型的桅杆发生器可能会比光伏电池板的成本便宜5倍，并占用更少的空间，而光伏电池板则需要10倍以上的空间。风力涡轮机有两种类型，旋转轴平行于地面的水平轴风力发电机（HAWT）和垂直轴风力发电机（VAWT）。相比于垂直轴发电机，拥有两个或三个叶片的水平轴发电机更广泛地应用于高层建筑，能够通过高大的建筑物本身产生大量的所需能量。

3 结论

我们讨论了风对高层建筑的正面与负面影响，也对如何控制风的影响以及对风的利用进行了探讨。在将来，无论高层建筑的外形如何，为减少风带来的负面影响，首先要最小化高层建筑的受风面积，特别是有着高速风流的建筑上部。在此首推锥形建筑外形，如阿法沙利亚中心在建筑顶部有一个开放空间，可以使强风吹过。另一个建议是让风几乎毫无阻力地通过建筑表面。在设计中为达到减小阻力的目的，有着光滑曲面的流线形高楼应被广泛地采用。高层建筑的结构体系是承受风力的关键因素，应设计成能够直接、迅速、有效地将横向荷载转移到主体结构中，然后再传到基底。同时建筑阻尼器可以大大降低建筑物的振动幅度，也作为首选。

在利用风方面，通过建筑外形的设计和外墙的开口，可以使建筑内部的横向通风效率得到改善。在未来，风能以其经济和环境效益的优势将被广泛、有效地用于发电。风力涡轮机作为发电机，也将会被融入到高层建筑的设计中，这将会成为未来可持续建筑的特征。高层建筑的外形和结构也可以被设计用来引导气流，增加风力发电机所在位置的风速，从而为建筑物提供更多的能源。