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就超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标准等相关荣誉。

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。

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

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。

通风器方案选择 Ventilator Comparison 

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。

室外角度通风器  Ventilators from Outside View

室内角度通风器  Ventilators from Inside View

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。

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。

最初建筑方案  Initial Façade Plan

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。

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。

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。

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）。

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。

设备层不设置百叶  Refuge Floor without Louver

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。

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。

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。

建设过程 Construction

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

项目信息

Information

服务类型：全过程幕墙顾问+特殊结构+工程品控

      业主：中国金茂+上港集团

   建筑师：佩里·克拉克·佩里

   设计院：上海建筑设计研究院有限公司

施工单位：沈阳远大+上海杰思

功能类型：超塔+办公

建筑面积：44.3万m²

幕墙面积：13.2万m²

      高度：263m*2

      奖项：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：于辉、Hemant Thombre

项目经理：彭晓东、胡向群

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