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      超高層建筑的自然通風解決方案
      2020-05-13

       

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      隨著2020年初這場突如其來的疫情,健康的公共環(huán)境已經成為時下最重要的焦點議題。近期,RFR就超高層建筑的自然通風開窗問題收到了越來越多業(yè)主的提問和咨詢。

      在此,我們將介紹2019年落成的凱德集團上海北外灘來福士,它作為“亞洲規(guī)模最大的綠色商辦建筑群”,創(chuàng)新性地集中應用了多項綠色建筑規(guī)劃理念和節(jié)能技術,并且是少數采用框架反做幕墻系統的超高層建筑。以此為例,向大家詳細介紹我們的幕墻設計過程,以及對超高層建筑幕墻設計在創(chuàng)新和節(jié)能方面的思考。



      上海北外灘來福士

      Raffles City in the North Bund, Shanghai

      上海北外灘來福士,即原來的星港國際中心,位于虹口區(qū)海門路55號地塊,由佩里·克拉克·佩里設計,包括2幢263米高的現代化超高層城市綜合體、裙房商業(yè)和地下空間。該項目獲得中國綠色建筑三星評價標準、美國LEED金獎、英國BREEAM Outstanding標準等相關榮譽。

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      創(chuàng)新型的項目與擁有創(chuàng)新性的團隊不謀而合。幕墻作為圍護體系具有調節(jié)室內環(huán)境品質、降低建筑能耗方面的作用,設計上需要各種高標準、創(chuàng)新化的思維。RFR作為這對超高層雙子塔的幕墻顧問,負責幕墻設計全過程、特殊結構和工程品控,主要涉及雙子塔樓的立面、塔冠、商業(yè)裙房立面及采光頂等,為這個超高層綠色建筑群打造定制化解決方案。

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      北面視角的雙子塔  Twin Towers from Northern Perspective

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      俯瞰雙子塔  Overlooking the Twin Towers 


      01幕墻通風器整合

      Ventilation Integration


      通常來講,居住在室內的人每小時需求30m3新鮮空氣或居所每小時換氣1次,這是衛(wèi)生通風的基本要求。開窗通風的換氣次數能達到每小時10-30次,這對建筑節(jié)能極為不利。幕墻自然通風器是能夠提供新鮮清潔的自然空氣,并可控的通風裝置,抗風壓、保溫、隔音,有利于人的生理和心理健康。

      建筑幕墻的通風器系統經過優(yōu)化——在塔樓每一層樓面靠近幕墻的地面都裝有“呼吸口”,即通風器系統。經過專業(yè)設計與測試的通風器,采用重力自平衡系統,不僅可以對室內空氣進行調節(jié),還可以在風力荷載急劇升高的情況下自動調節(jié),以達到生態(tài)、環(huán)保、節(jié)能的效果。

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      通風器方案選擇 Ventilator Comparison 

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      本項目幕墻通風器  the Ventilator Selected


      這樣,這座北外灘新地標能夠自主“呼吸”到常人難以觸及的“上層空氣”,整個建筑實現了自然通風效果。在過渡季節(jié),大樓內90%以上的主要功能房間平均自然通風換氣次數不少于每小時2次,在春秋過渡季節(jié)自然通風,甚至不需開空調。

      另外,通風器與大樓立面緊密結合,不是突兀地附著在建筑外立面之上,而是與建筑外框整合一體,這樣的形態(tài)設計,增加了建筑肌理,豐富了立面細節(jié),使建筑在功能和美感上得到了統一與強化。

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      室外角度通風器  Ventilators from Outside View

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      室內角度通風器  Ventilators from Inside View

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      標準層通風器布置圖  Ventilator Layout


      02框架反做系統

      Reverted Unitized System


      在本項目中,建筑師在立面在層間的位置設置外挑880mm的水平遮陽百葉,以確保最佳的遮陽節(jié)能效果,同時為了控制眩光,在立柱的外側設置外挑出500mm的豎向百葉??傮w上,這種百葉使立面遮陽系數水平降低21%,垂直降低18%,具有良好的節(jié)能性能。

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      多層遮陽百葉  Multi-layer Decorative Fins

      這種豐富細致的遮陽功能成為一種獨特的裝飾性遮陽裝置,對立面結構和系統設計提出了更高的要求。建筑師最初采用標準的框架幕墻設計模式,RFR團隊結合本項目多層遮陽百葉的特點提出“框架反做”的幕墻系統,將幕墻中通常放置在室內的抗風構件放置在室外,兼作遮陽裝飾構件。

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      最初建筑方案  Initial Fa?ade Plan

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      相比典型的幕墻系統,“框架反做”這一創(chuàng)新性的解決方案在建筑效果和建造成本之間達到有效平衡。首先,使造價節(jié)省10%。此外,因為室內窗臺板構造減少,令實際可使用面積增加。

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      按單層平面周長150米計算,平均每層節(jié)省室內面積約(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.


      框架反做單元的設計經過縝密的幕墻設計研究和論證,通過了上海市的幕墻安全專項評審。在常規(guī)四性試驗基礎上,也對幕墻熱工和防結露進行了專題測試,驗證了幕墻熱工性能滿足節(jié)能規(guī)范的要求。

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      幕墻施工現場  Construction


      最終建成的幕墻完美地展現了建筑立面效果,金屬裝飾構件和玻璃面板的組合很好地提升了建筑立面的質感。

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      完成  Completion


      RFR先前已在多個項目中運用框架反做幕墻系統,如與Perkins Eastman合作的上海國際航運中心B13、B17號樓,與智利建筑師Alejadro Aravena(2016年普利茲克獎得主)合作的上海諾華園區(qū)C4等(依次為下圖從左到右)。

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      RFR框架反做項目  Reverted Unitized Projects of RFR


      03設備層立面不加百葉

      Refuge Floor without Louver in Elevation


      本項目采用異形體塊分割,在設備層進行收腰,機電通風百葉借用這一幾何特點,通過吊頂板下方排風,在立面上不設置任何百葉或開洞。

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      設備層不設置百葉  Refuge Floor without Louver

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      局部設備層立面  Partial Elevation of Refuge Floor


      04防水保溫設計

      Water-proof and Thermal Design


      在典型的單元幕墻系統中,使用等壓腔防水,即利用單元板塊之間的型材對插所形成的空腔,構件與室外溝通的空氣等壓腔使雨水不會向室內滲透,同時利用排水孔與排水通道,將進入等壓腔的少量雨水排出。本項目的防水系統也是同樣的機制,由于一部分等壓腔跨越到了室外,部件的裝配接縫和十字縫部分暴露在外部,在橫梁設計了加強的排水構造,阻擋雨水被風吹入空腔內部。

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      橫框豎框細節(jié) Mullion and Transom Detail


      綠建對保溫提出了較高要求,幕墻可視區(qū)K值須達到2.1W/(m2?K)玻璃采用高配置的三銀中空low-E玻璃,結構后置的幕墻框架系統也需要特殊的斷熱設計來保證熱工性能。在國內大部分地區(qū),鋁制幕墻框架都要設置傳熱系數極低的“隔熱層”來避免熱量通過金屬件穿透內外形成冷橋。本項目中采用的穿條式聚酰胺尼龍斷熱材料,隔熱層厚為24mm,與中空玻璃對齊,形成一條筆直連續(xù)的“隔熱線”。


      在幕墻掛接的部位,因為有層間的上下兩道防火和保溫的封閉。局部金屬連接件穿過隔熱線不會對整個幕墻系統造成不利影響,在同樣的材料和外部條件下,我們做了不同幕墻系統的熱分析。方案a是典型幕墻系統。方案b是具有大型裝飾翼的典型幕墻系統,裝飾翼的固定構件穿過“隔熱線”固定在豎框上,大大增加了立面系統的熱傳導系數k。方案c是框架反做系統,熱工性能甚至優(yōu)于同等具有大裝飾翼的常規(guī)單元幕墻的方案b,很好地滿足了LEED認證和國標認證節(jié)能要求。

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      熱分析 Thermal Analysis


      通過甲方、設計單位、顧問公司、施工單位等多方的完美配合,上海北外灘來福士最終實現了可持續(xù)發(fā)展目標,成為全國第一個集中國綠色建筑三星、美國LEED金獎和英國BREEAM Outstanding標準的超高層雙塔項目。

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      建設過程 Construction

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      完成 Completion


      超高層建筑的整體幕墻由于其系統的復雜性和工程規(guī)模的巨大性,對系統的性能、制造精度和成本效益提出了更高的要求。對于充滿想象力和挑戰(zhàn)的項目,我們以樂觀的態(tài)度和扎實的工作作風,希望可以和而不同,發(fā)揮工程師的最大價值,找到創(chuàng)新的解決方案,把愿景變?yōu)楝F實。



      上海北外灘來福士(星港國際中心)

      Raffles City in the North Bund, Shanghai

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      項目信息

      Information

      服務類型:全過程幕墻顧問+特殊結構+工程品控

            業(yè)主:中國金茂+上港集團

         建筑師:佩里·克拉克·佩里

         設計院:上海建筑設計研究院有限公司

      施工單位:沈陽遠大+上海杰思

      功能類型:超塔+辦公

      建筑面積:44.3萬m2

      幕墻面積:13.2萬m2

            高度:263m*2

            獎項:中國綠色建筑三星評價標準

            美國LEED金獎

            英國BREEAM Outstanding標準

      RFR幕墻設計團隊

      Fa?ade Design Team

      項目總監(jiān):于輝、Hemant Thombre

      項目經理:彭曉東、胡向群

      團隊成員:鄒云、王先峰、金長發(fā)、Rico Nano、盧維寧、Florian Rochereau、羅輯、沈志賢、錢妍




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