幕墙知识丨No.5 超高层建筑的自然通风解决方案

RFR精选 | 超高层建筑的自然通风解决方案

随着2020年初这场突如其来的疫情,健康的公共环境已经成为时下最重要的焦点议题。近期,RFR就高层建筑的自然通风开窗问题收到了越来越多业主的提问和咨询。

在此,我们将介绍2019年落成的凯德集团上海北外滩来福士,它作为“亚洲规模最大的绿色商办建筑群”,创新性地集中应用了多项绿色建筑规划理念和节能技术,并且是少数采用框架反做幕墙系统的超高层建筑。以此为例,向大家详细介绍我们的幕墙设计过程,以及对超高层建筑幕墙设计在创新和节能方面的思考。

上海北外滩来福士

Raffles City in the North Bund, Shanghai

上海北外滩来福士,即原来的星港国际中心,位于虹口区海门路55号地块,由佩里·克拉克·佩里设计,包括2幢263米高的现代化超高层城市综合体、裙房商业和地下空间。该项目获得中国绿色建筑三星评价标准、美国LEED金奖、英国BREEAM Outstanding标准相关荣誉

创新型的项目与拥有创新性的团队不谋而合。幕墙作为围护体系具有调节室内环境品质、降低建筑能耗方面的作用,设计上需要各种高标准、创新化的思维。RFR作为这对超高层双子塔的幕墙顾问,负责幕墙设计全过程、特殊结构和工程品控,主要涉及双子塔楼的立面、塔冠、商业裙房立面及采光顶等,为这个超高层绿色建筑群打造定制化解决方案。

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北面视角的双子塔  Twin Towers from Northern Perspective

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俯瞰双子塔  Overlooking the Twin Towers 

01

幕墙通风器整合

Ventilation Integration

通常来讲,居住在室内的人每小时需求30m³新鲜空气或居所每小时换气1次,这是卫生通风的基本要求。开窗通风的换气次数能达到每小时10-30次,这对建筑节能极为不利。幕墙自然通风器是能够提供新鲜清洁的自然空气,并可控的通风装置,抗风压、保温、隔音,有利于人的生理和心理健康。

建筑幕墙的通风器系统经过优化——在塔楼每一层楼面靠近幕墙的地面都装有“呼吸口”,即通风器系统。经过专业设计与测试的通风器,采用重力自平衡系统,不仅可以对室内空气进行调节,还可以在风力荷载急剧升高的情况下自动调节,以达到生态、环保、节能的效果。

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通风器方案选择 Ventilator Comparison 

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本项目幕墙通风器  the Ventilator Selected

这样,这座北外滩新地标能够自主“呼吸”到常人难以触及的“上层空气”,整个建筑实现了自然通风效果。在过渡季节,大楼内90%以上的主要功能房间平均自然通风换气次数不少于每小时2次,在春秋过渡季节自然通风,甚至不需开空调。

另外,通风器与大楼立面紧密结合,不是突兀地附着在建筑外立面之上,而是与建筑外框整合一体,这样的形态设计,增加了建筑肌理,丰富了立面细节,使建筑在功能和美感上得到了统一与强化。

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室外角度通风器  Ventilators from Outside View

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室内角度通风器  Ventilators from Inside View

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标准层通风器布置图  Ventilator Layout

02

框架反做系统

Reverted Unitized System

在本项目中,建筑师在立面在层间的位置设置外挑880mm的水平遮阳百叶,以确保最佳的遮阳节能效果,同时为了控制眩光,在立柱的外侧设置外挑出500mm的竖向百叶。总体上,这种百叶使立面遮阳系数水平降低21%,垂直降低18%,具有良好的节能性能。

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多层遮阳百叶  Multi-layer Decorative Fins

这种丰富细致的遮阳功能成为一种独特的装饰性遮阳装置,对立面结构和系统设计提出了更高的要求。建筑师最初采用标准的框架幕墙设计模式,RFR团队结合本项目多层遮阳百叶的特点提出“框架反做”的幕墙系统,将幕墙中通常放置在室内的抗风构件放置在室外,兼作遮阳装饰构件。

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最初建筑方案  Initial Façade Plan

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典型立面

Typical Façade System

立面+装饰条

Typical Façade + Decorative Fin

框架反做系统

Reverted Façade System

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框架反做原理 Principle

相比典型的幕墙系统,“框架反做”这一创新性的解决方案在建筑效果和建造成本之间达到有效平衡。首先,使造价节省10%。此外,因为室内窗台板构造减少,令实际可使用面积增加。

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典型立面框架

Frame of Typical Façade System

框架反做

Reverted Façade System

按单层平面周长150米计算,平均每层节省室内面积约(250毫米-50毫米)*150米,即30平方米。The average perimeter of every floor is about 150m, so 30 m² interior space has been saved for every floor area.

框架反做单元的设计经过缜密的幕墙设计研究和论证,通过了上海市的幕墙安全专项评审。在常规四性试验基础上,也对幕墙热工和防结露进行了专题测试,验证了幕墙热工性能满足节能规范的要求。

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幕墙施工现场  Construction

最终建成的幕墙完美地展现了建筑立面效果,金属装饰构件和玻璃面板的组合很好地提升了建筑立面的质感。

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完成  Completion

RFR先前已在多个项目中运用框架反做幕墙系统,如与Perkins Eastman合作的上海国际航运中心B13、B17号楼,与智利建筑师Alejadro Aravena(2016年普利兹克奖得主)合作的上海诺华园区C4等(依次为下图从左到右)。

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RFR框架反做项目  Reverted Unitized Projects of RFR

03

设备层立面不加百叶

Refuge Floor without Louver in Elevation

本项目采用异形体块分割,在设备层进行收腰,机电通风百叶借用这一几何特点,通过吊顶板下方排风,在立面上不设置任何百叶或开洞。

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设备层不设置百叶  Refuge Floor without Louver

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局部设备层立面  Partial Elevation of Refuge Floor

04

防水保温设计

Water-proof and Thermal Design

在典型的单元幕墙系统中,使用等压腔防水,即利用单元板块之间的型材对插所形成的空腔,构件与室外沟通的空气等压腔使雨水不会向室内渗透,同时利用排水孔与排水通道,将进入等压腔的少量雨水排出。本项目的防水系统也是同样的机制,由于一部分等压腔跨越到了室外,部件的装配接缝和十字缝部分暴露在外部,在横梁设计了加强的排水构造,阻挡雨水被风吹入空腔内部。

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横框竖框细节 Mullion and Transom Detail

绿建对保温提出了较高要求,幕墙可视区K值须达到2.1W/(m²∙K)玻璃采用高配置的三银中空low-E玻璃,结构后置的幕墙框架系统也需要特殊的断热设计来保证热工性能。在国内大部分地区,铝制幕墙框架都要设置传热系数极低的“隔热层”来避免热量通过金属件穿透内外形成冷桥。本项目中采用的穿条式聚酰胺尼龙断热材料,隔热层厚为24mm,与中空玻璃对齐,形成一条笔直连续的“隔热线”。

在幕墙挂接的部位,因为有层间的上下两道防火和保温的封闭。局部金属连接件穿过隔热线不会对整个幕墙系统造成不利影响,在同样的材料和外部条件下,我们做了不同幕墙系统的热分析。方案a是典型幕墙系统。方案b是具有大型装饰翼的典型幕墙系统,装饰翼的固定构件穿过“隔热线”固定在竖框上,大大增加了立面系统的热传导系数k。方案c是框架反做系统,热工性能甚至优于同等具有大装饰翼的常规单元幕墙的方案b,很好地满足了LEED认证和国标认证节能要求。

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热分析 Thermal Analysis

通过甲方、设计单位、顾问公司、施工单位等多方的完美配合,上海北外滩来福士最终实现了可持续发展目标,成为全国第一个集中国绿色建筑三星、美国LEED金奖和英国BREEAM Outstanding标准的超高层双塔项目。

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建设过程 Construction

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完成 Completion

超高层建筑的整体幕墙由于其系统的复杂性和工程规模的巨大性,对系统的性能、制造精度和成本效益提出了更高的要求。对于充满想象力和挑战的项目,我们以乐观的态度和扎实的工作作风,希望可以和而不同,发挥工程师的最大价值,找到创新的解决方案,把愿景变为现实。

上海北外滩来福士(星港国际中心)

Raffles City in the North Bund, Shanghai

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项目信息

Information

服务类型:

业主:

建筑师:

设计院:

施工单位:

功能类型:

建筑面积:

幕墙面积:

高度:

奖项:

全过程幕墙顾问+特殊结构+工程品控

中国金茂+上港集团

佩里·克拉克·佩里

上海建筑设计研究院有限公司

沈阳远大+上海杰思

超塔+办公

44.3万m²

13.2万m²

263m*2

中国绿色建筑三星评价标准
美国LEED金奖
英国BREEAM Outstanding标准

RFR幕墙设计团队

Façade Design Team

项目总监:

项目经理:

团队成员:

于辉、Hemant Thombre

彭晓东、胡向群

邹云、王先峰、金长发、Rico Nano、卢维宁、Florian Rochereau、罗辑、沈志贤、钱妍

FacadeBIM

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