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摘要：当前的绿色建筑设计过程大多集中在初步设计和施工图阶段。超高层建筑多选用玻璃幕墙造型，存在节能不好、自然通风不均匀、眩光污染较多的情况，需要从规划方案阶段进行正向设计，本文以合肥市高新区声谷产业园项目二期A1研发楼（以下简称声谷A1）为例，从层高进深比、外窗可开启比例、立面造型分割、建筑节能方案比选、自然采光正向设计和自然通风正向设计6个方向探讨规划和方案阶段的绿色建筑设计点，为以后的超高层设计提供参考。

关键词：超高层；绿色建筑；正向设计

1.超高层绿色建筑需要从规划阶段正向设计

按住建部文件要求，超高层建筑绿色建筑需要满足三星级绿色建筑标准。当前绿色建筑设计大多开始于初步设计和施工图阶段，布局和造型基本确定，规划和方案流程已走完，导致有瑕疵的规划方案难以矫正。一星、二星的绿色建筑，可通过后期措施搭配满足绿标要求。超高层建筑受成本限制，多选用玻璃幕墙造型减轻自重荷载，导致节能效果不好、自然通风不均匀、眩光污染容易超标的情况，仅施工图阶段措施补偿无法满足三星级绿标，需要从规划方案阶段进行正向设计。以满足在玻璃幕墙不利造型的基础上达到绿色建筑三星级的高标准要求。本文以合肥市高新区声谷产业园项目二期A1研发楼（以下简称声谷A1）为例，对规划和方案阶段的绿色正向设计点进行梳理。

2.规划阶段超高层设计绿色建筑性能的交叉指标控制

超高层建筑的绿建性能包括节能采光通风等多个维度，方案设计时一些指标同时影响多方面性能，需要协调处理多指标之间的关系。标准层指标耦合关系如下：

标准层面积、层高、窗面积影响建筑被动节能；标面积、层高、开启扇影响自然通风效果；面积、窗面积、进深影响自然采光。规划设计时，需注意以下内容：

2.1层高进深比例关系

层高进深比同时影响采光和建筑节能，若未处理好会导致深化阶段难以同时满足优良采光和优良节能的要求。规划阶段可控制体型系数、窗墙比和窗地比。按DB34/5076-2017标准：公建窗墙比在0.4～0.7之间（东西向不超过0.45、南向0.6，北向0.7）；按GB50033标准：办公建筑采光系数标准值3%，建议窗地比0.2。兼顾采光和能耗，窗墙比和窗地比均需在规范区间内。设房间开间a、进深b、层高h、窗面积Aw，则Aw/a*h=0.4～0.7、Aw/a*b=0.2，推导出房间进深b=（2～3.5）*层高h。以声谷A1为例，层高4.2m，窗墙比低的东西立面，最大进深不超过2.5倍层高10.5m，窗墙比高的南北立面，最大进深不超过3.5倍层高12.7m。

2.2外窗可开启比例

外窗可开启比例同时影响采光通风。处理不好容易导致深化阶段自然通风较差。规划阶段可控制窗地比、开地比、外窗开启形式。按GB50352标准要求：主要功能房间开地比的规范值为5%；结合GB50033建议办公建筑窗地比0.2；兼顾采光和通风，窗地比和开地比均需满足规范要求。设房间面积S、窗面积Aw、开启扇面积Sw、开启扇换气面积比c，则Aw/S=0.2、Sw*c/S=0.05，推导开启扇面积Sw=0.25*窗面积Aw/开启扇换气面积比c。

以声谷A1多层立面区域为例，在方案阶段预设采用30°上悬窗，开启扇换气面积比取110%；考虑到采用玻璃幕墙+内衬墙的造型形式，窗面积Aw=S玻璃幕墙*平均窗地比0.5；则开启扇占玻璃幕墙的比例为10%。

2.3立面造型分割

超高层规划层面上一般定位是城市窗口，又常常有减轻自重节约结构成本的需求，玻璃幕墙造型占比非常高，容易导致光污染超标情况。规划阶段需考虑立面分割和外部构件的优化设计以减少光污染。GB∕T18091标准要求：玻璃幕墙可见光反射比不大于0.30；快速路、主干道、立交桥、高架桥两侧建筑20m以下及一般路段10m以下可见光反射比不大于0.16。以声谷A1为例，规划阶段在10m高度分割立面造型，10m以下采用高透光玻璃，反射比不大于0.16；10m以上采用中透光玻璃，反射比不大于0.30。

控制光污染还有几个途径：1.控制窗墙比在0.4～0.6之间，降低反射面积；2.设置外部遮挡构件，减少反射光密集程度；3.选择表面印刷彩釉的玻璃，降低反射面积。以声谷A1为例，结合造型特征和节能遮阳要求，适当增加竖向构件的凸出深度。使用grasshopper分别分析不做竖向构件控制，和竖向构件凸出的反射眩光密度，控制竖向构件凸出深度是间距的1/5，可减少光污染约12%。

3.方案和初步设计阶段绿色建筑专项设计

3.1建筑被动节能保温遮阳专项

超高层建筑多采用玻璃幕墙造型，空调能耗比常规开窗的建筑高。按住建部（建科〔2021〕76号）文件要求，超高层建筑需满足绿标三星。结合GB50378第3.2.8条要求：三星绿标围护结构热工性能要比GB50189标准提高20%，或空调负荷比GB50189降低15%。

玻璃幕墙建筑被动节能主要有三方面措施：1.压缩窗墙比；2.选用性能更好的外立面玻璃材质；3.综合考虑遮阳措施。

3.1.1窗墙比优化过程

窗墙比越低，节能效果越好。压缩窗墙比可以通过增加热桥梁高，增加内衬墙的方式进行设计。以声谷A1为例，统一预设外墙保温60mm岩棉板，外窗6low-E+12Ar+6，使用grasshopper+Energyplus模拟建筑标准层能效，可知：窗墙比0.8的建筑空调负荷比GB50189额外多10.5%，节能效果很差；窗墙比0.6～0.7之间负荷达到GB50189水平；窗墙比0.4～0.5之间建筑负荷比GB50189降低7.5%，达到一星级绿标水平。声谷A1压缩窗墙比采用三个措施，包括热桥梁高增加到1.4m、南向柱子位置增加1.5m宽内衬墙，东西向柱子位置增加3m宽内衬墙。优化后东西向窗墙比不超0.45，南向不超0.6，北向不超0.7。常规保温方案可达到绿标一星能效水平。

3.1.2外立面玻璃选型

对玻璃幕墙建筑来说，改善玻璃热工性能的节能提升率最大。玻璃的热工性能改善包括降低K值和降低SHGC两个层面，前者包括增加玻璃厚度、增加玻璃层数、玻璃增加保温镀膜等途径；后者包括采用双银镀膜、三银镀膜、低辐射镀膜、内置百叶等途径。考虑到超高层外立面维修困难，容易故障的内置百叶不适用，优先考虑镀膜遮阳。以声谷A1为例，统一预设外墙保温60mm岩棉板，窗墙比0.8，使用grasshopper+Energyplus模拟建筑标准层能效，可知：替换三玻两腔玻璃或双玻单腔双银玻璃都均接近绿标一星要求（降低约5%）；替换三玻两腔双银玻璃、双玻单腔双银保温膜玻璃或三玻两腔三银玻璃均接近绿标二星要求（降低约10%）。

3.1.3遮阳措施优化

外遮阳包括出挑遮阳、百叶遮阳、挡板遮阳等，超高层建筑常见水平百叶和垂直构件2种形式。以声谷A1为例，统一预设外墙保温60mm岩棉板，外窗6low-E+12Ar+6，窗墙比0.8，使用grasshopper+Energyplus模拟建筑标准层能效，可知：采用垂直遮阳，遮阳特征值0.4时，达到绿标一星要求（降低7.1%）；采用水平百叶，遮阳特征值0.5时，接近绿标二星要求（降低8.8%）。对比可知水平遮阳对造型影响较大，节能效果更好。声谷A1结合造型元素，用垂直构件外遮阳设计，竖向出挑深度达到间距的1/4，按 DB34/5076-2017计算，外遮阳系数SD值达到0.87，额外降低13%夏季热负荷。

3.1.4综合措施比选

声谷A1为绿标三星，需满足负荷降低15%。初设阶段使用PKPM energy模拟整体建筑能耗进行多方案比选，挑选出满足负荷降低要求的窗墙比、玻璃选型措施组合方案。其中三玻双银氩气玻璃搭配1.4m热桥梁节能率高的同时对造型影响最小、立面最通透、视野最好，但自重最大，成本最高；订制双玻双银氩气隔热膜玻璃搭配1.4m热桥梁+内衬墙的方式节能率仅次于三玻双银+热桥梁+内衬墙方案，自重也较轻，但内衬实体墙较多、视野不通透。综合比选后，选择订制双玻双银氩气隔热膜玻璃搭配1.4m热桥梁+内衬墙的方式作为建筑节能设计方案。

3.2建筑自然采光和视野专项

深化阶段自然采光设计主要设计内容为考虑开窗大小和外部遮挡构件对室内采光的影响。正向设计流程为“开窗设计——采光系数模拟——反馈修改”，超高层建筑多采用玻璃幕墙，采光很好，一般计算复核采光系数通过即可。

3.2.1建筑立面外窗设计

外窗设计分为两种情况：1.方案阶段已经考虑窗地比的建筑类型，外窗基本满足采光要求，按窗地比落实外窗位置和大小即可；2.对方案阶段没有考虑窗地比的建筑类型，可以按《建筑采光设计标准》（GB50033-2013）第六章公式Cav=Acￓθ/[Az*（1-ϱj2）]进行推算。以声谷A1为例，截取标准层中一柱跨用公式法复核采光系数，平均反射比ϱj取0.6、该柱跨室内表面积Az为368㎡、窗户透射比ￓ取0.48、垂直遮挡角θ为90°、外窗面积Ac设计为23.8㎡，则房间采光系数为4.4%，满足GB50033规定的办公类3.3%标准。

3.2.2自然采光模拟复核

使用斯维尔采光Dali对标准层采光进行计算分析。主要使用功能区域，全年平均日采光系数达标小时数为5小时，满足GB50378平均日采光系数达标4小时的要求。

3.3建筑自然通风和气流组织专项

深化阶段自然通风专项主要设计内容为立面高层部位的开窗。正向设计流程为“开启扇设计——通风换气模拟——反馈修改”。

3.3.1建筑立面开启扇设计

超高层建筑上方风速很大，按常规多层建筑思路大量开窗容易导致室内部分区域出现4～5级风速，大幅降低室内舒适度。开窗设计需要结合不同高度的风环境来控制开启扇面积。正向设计按照“外立面压力cfd模拟——计算窗孔大小——按外窗开启形式设计开启扇数量和大小”步骤进行：1. 典型工况立面压力模拟，室内风环境和室外风环境的连接纽带为表面压强，参照GB50378条文，以过渡季和夏季典型工况下建筑迎风面压强P迎风和背风面的压强P背风作为条件，设迎风面背风面开窗面积相同，计算外窗通风压力差∆P=（P迎风-P背风）/2。以声谷A1为例，使用phoenics模拟项目过渡季典型工况压力分布，高层迎风面平均压力2Pa，背风面-4Pa，通风压力差∆P为3Pa；2.计算窗孔大小，根据《建筑环境学》（中国建筑工业出版社，2001）中自然通风量公式，已知标准层面积A（㎡）、层高H（m）、换气次数n、窗孔的流量系数μ（常数）、空气密度ρ（常数），根据通风压力∆P计算窗孔面积F，推导公式：F=（n×A×H）/（μ√（2∆P/ρ））。以声谷A1为例，标准层面积1750㎡，层高4.2m，换气次数2次/h，计算窗孔面积3.8㎡。3.按开启扇选型设计开启扇数量，开启扇面积=窗孔面积F/有效通风面积比。以声谷A1为例，外窗为上悬窗，窗宽1500mm高600mm，开启角15°，有效通风面积比约40%，计算需开启扇9.5㎡；考虑可能出现仅有一个立面迎风的情况，设计开启扇面积加倍到19㎡，平均分布在4个立面，每个立面6个开启扇。

3.3.2通风换气模拟复核

使用斯维尔vent对标准层模型过渡季典型工况下进行自然通风进行模拟分析。在有内部核心筒遮挡的情况下，主要功能空间1.5m高度空气龄不大于1800s，换气次数大于2次/小时，满足GB50378的要求。

结语：

超高层建筑要求绿色建筑三星级标准，需要从规划方案阶段进行正向设计。本文以合肥市高新区声谷产业园项目二期A1研发楼为例，从层高进深比、外窗可开启比例、立面造型分割、建筑节能方案比选、采光正向设计和通风正向设计6个方向探讨规划和方案阶段的绿色建筑设计点，为以后的超高层绿建设计提供参考。

参考文献：

[1]《绿色建筑评价标准》（GBT 50378-2019） 中华人民共和国住房城乡建设部

[2]《民用建筑设计统一标准》（GB 50352-2019）中华人民共和国住房城乡建设部

[3]《建筑采光设计标准》（GB50033-2013）

[4]《安徽公共建筑节能设计标准》（DB34/5076-2017）

个人简介：钱炜兴（1984.08-）男，汉族，本科，高级工程师，安徽池州人，专业：建筑学