“五彩珊瑚格构遮阳防风系统”创新设计

“五彩珊瑚格构遮阳防风系统”创新设计

吴隆伟

广东省建筑设计研究院广东.深圳518000

摘要：伴随着国民经济的飞速增长，人们的物质文化需求在日益提高，对建筑使用品质、审美以及绿色环保的综合要求也越来越高，因此如何通过设计创新手段来实现建筑功能与美观的需要已成为很多项目设计中的关键。基于此，本文通过深圳蛇口邮轮中心项目创作“五彩珊瑚格构遮阳防风系统”创新技术，提出了一些创新设计理念。

关键词：创新设计；技术创新；绿色环保

一、建筑方案理念创作：

为打造一座集水陆交通快捷集散、通关服务、商务办公、旅游、休闲观光于一体的口岸联检大型公共建筑新地标，设计充分利用自然海景景观，延续深圳西部滨海休闲观光带的延伸，提供了一条充分利用海景，文化休闲活动丰富的海滨休闲漫步带，让市民可以充分的观赏到城市风景、海景、邮轮繁忙有趣的动态场景，于邮轮中心沿海两侧首层连通四层创造公众开放的观海长廊敞开空间。

建筑设计创作上考虑抗台风作用、观海长廊的舒适度、营造自然光影趣味空间效果、外遮阳绿色节能等因素，立面创意上引入海洋“珊瑚”元素的设计理念，海珊瑚在中国传统文化中代表“幸祥喜兴”，海洋珊瑚的形态呈现给人一种自然优美的形态，以“珊瑚”的相素点所形成的无规则而自然的机理元素在立面上。五彩缤纷的“珊瑚”元素代表了中国的“五行”“五色土”之意，缤纷的色彩象征着旺盛的生命，五彩缤纷的海洋“珊瑚”所形成的几何机理形状使建筑形态极具识别性以及独特性，同时将灵动的建筑造型元素融入到周边景观环境之中，使建筑的形态对蛇口港山海相间的自然生态达到极好呼应。

在深圳的天际线组成中，深圳蛇口邮轮中心将以它纯碎的几何美和颜色组合美凸现出来，富有生命与活力，体现“青春活力”深圳面貌，创建深圳独一无二“海上门户”新地标。

二、绿色节能环保：

目前，我国国民经济发展正逐渐摆脱传统的粗放式发展模式，正向高质量的可持续发展模式转型。降低建筑物在建造及使用过程中的综合能耗以及碳排放，做到绿色、环保、节能已经成为项目开发建设中的一个重要目标。

五彩珊瑚格构利用自然界“风”与“光”的延伸应用，经过仿真的空气流动数值CFD模拟，气流流经五彩珊瑚格构后，孔洞及缝隙内风速会有一定的加速现象，而五彩珊瑚格构下游风速明显减小，五彩珊瑚格构下游一定距离后，平均风速有所降低，从而应证了五彩珊瑚格构能在深圳这个夏热冬暖地区可以快速驱散热气，提高人对自然海风的感受度，提高了观海长廊的舒适度。

五彩珊瑚格构通过一种自然光的投影的作用，经过研究五彩珊瑚格构无规则而自然的机理组合，随着阳光的角度变化而营造出自然灵动的光影效果，创造了观海长廊一种自然的趣味场域，同时在光影的二元与建筑的三元中消解对立，形成一种蒙太奇式的叙事空间。

通过五彩珊瑚格构，形成外遮阳节能效果，并有效的防止了眩光，将直射阳光转换为比较柔和的漫射光，提高了建筑照明质量；通过研究将五彩珊瑚格构窗口比例设计在一个合理的大小，有效控制建筑的采光量和阳光吸纳量，将建筑耗电量每平米减少0.25千瓦时，使建筑能耗减少一个档级。并通过计算，选取出合适的节能材料，在经济与能耗间达到有机的平衡。

能源是社会生活的命脉，也是经济运行的血液，关系到国家的安全和社会的发展，因此，必然受到高度重视。在现代营造活动中，对绿色节能的规划以及新技术的应用也成为建造活动的重中之重。而在南方炎热地区建筑的隔热重点—建筑遮阳，也是一种被动式的技术，在满足人们意义增长的精神文化需求与建筑节能的双重标准下，五彩珊瑚格构的设计便应需求而产生。五彩珊瑚格构的设计虽然具有项目的独特性，但此种建造背后产生的技术，是可以推广的；同时适用与其他的营造活动进行串联设计。

三、一种适用于强台风地区大跨度结构的仿生式防风海珊瑚格构设计技术：

对于地处沿海的建筑结构，风荷载是设计主控荷载。近些年来，由于极端天气频繁出现，建筑外立面幕墙、大跨度屋盖屋面围护构件在强风作用下破坏的情况也常常发生。设计过程中通过风洞试验以及CFD模拟分析发现，设置立面珊瑚形的钢格构能够干预屋面结构的风场并对立面幕墙及屋面围护构件具有一定的减风效应。分别通过CFD数值模拟、风洞试验，综合对比对比分析不同孔洞形式、不同透空率珊瑚格构对屋面的减风作用。本项目创新性地将建筑方案创作、幕墙外遮阳格构以及建筑外立面防风格构进行有机结合，提出一种对结构主体具有抗风减风效应的仿生式外遮阳钢格构设计技术，保证了结构的安全性与经济性也实现了建筑美感、满足了建筑使用功能的要求。

3.1、通过CFD数值模拟试验以及刚体测压模型风洞试验的方法，分别对不同孔洞形式以及不同透空率的珊瑚格构的受风特性进行了对比研究；通过风洞试验获得了各种工况下邮轮中心表面的平均风压分布、极值风压分布；通过对比平均风压系数、峰值系数、节点风振响应得到以下几点结论：

3.1.1、设置珊瑚格与否对珊瑚格顶部屋盖的平均风压系数和峰值系数均有一定程度的影响，并且总体而言，设置珊瑚格结构可以有效减小屋盖表面平均风压分布。其中风向角10°~90°和100°~170°范围内影响最为显著；设置珊瑚格可以减低平均风压系数50%左右。

3.1.2、设置珊瑚格与否对珊瑚格顶部屋盖的竖向风振响应在一定的迎风风向角范围下均有一定程度的影响，甚至会发生结构变形方向的变化。以节点1206为例，在风向角80°~120°范围内，未设置珊瑚格时竖向位移风振响应均值为-0.0025m，而设置珊瑚格后为0.002m，振幅幅度绝对值降幅达25%。

3.1.3、由试验数据计算得出等效风荷载，可以看出屋面各节点的等效风荷载在各风向角下都略有减小，减小幅度达10%左右。

3.1.4、对峰值风压的减风效率描述

3.1.5、综合来说，采用60%透空率的珊瑚格减风效应较好，结合建筑方案立面也较为美观、满足使用遮阳的要求，因此最终选择此方案进行设计。

3.2、技术先进性：

蛇口邮轮中心位于海岸边，夏秋季节常受到强台风侵扰，所受风荷载较大，此外由于建筑几何外形特异，因此表面风荷载特性较为复杂。通过结合CFD数值风洞模拟以及风洞试验，对不同孔洞形式、不同透空率的仿生珊瑚钢格构对屋面风荷载的影响进行了对比分析，可以看出珊瑚格构具有一定的减风效应。从模拟、试验的结果来看，该技术的先进性体现在：

3.2.1、建筑造型形态与外遮阳应用结合，珊瑚钢格构能够起到外遮阳系统的作用。当采用60%透空率时，控制建筑的耗电量减少了0.25（kwh/m2）。并有效地防止了眩光，将直射阳光转换为比较柔和的漫射光，从而满足对照明质量的要求，减少日间人工照明的耗能，使建筑能耗减少一个档级。

3.2.2、设置多边形的珊瑚形格栅可能会提高流场的不均匀度，但对格栅下游的平均风速、风压有一定减小作用，同时可以避免格栅上游的形成超高压区，降低对格构的受力性能的要求。

3.2.3、通过合理设置钢格构透空率60%，珊瑚钢格构能够改善屋面风环境，特别是对屋面边沿风力较大区域的减风效应显著。利用防风格构干扰屋盖边缘风场的漩涡，有效改善了三角形造型、顶部前高后低的钢结构屋盖的风压分布和竖向风振响应；顶部区域峰值风吸力降低效率达40%，两翼区域峰值风压力降低效率达50%，竖向风振降幅达25%，有效地缓解了屋盖在强台风极端天气下的结构安全问题。

四、一种基于双向约束释放连接方式的大体量钢格构和主体结构一体化设计技术：

根据建筑立面五彩珊瑚格构的创新设计理念，在首层以上两个直角三角形立面需设置大体量的五彩珊瑚钢格构，珊瑚格构直角边尺寸为200mx57.8m；海珊瑚外钢格构距离主体结构约1.2m，通过悬杆支承在结构外排框架柱或屋面桁架上，外排斜向框架柱柱距约8.5m。由于三面临海、钢格构体量大，存在风荷载、温度作用较大的特点。在本项目的大体量珊瑚形钢格构的设计中，解决了以下关键问题：

4.1.1、由于建筑体型的不规则及格构设置部位、杆件布置不均匀，可能带来一定程度的刚度突变和偏心，对大体量的外部钢格构亦可能对结构主体提供额外的刚度。

4.1.2、格构支座与主体结构之间采用何种连接方式以保证结构、格构的安全可靠。

本项目对钢格构杆件的布置、外格构与主体结构不同连接方式进行了计算比较，提出了一种基于双向约束释放连接方式的大体量钢格构和主体结构一体化设计技术。钢格构底部坐落于主体结构传递格构竖向荷载，高度方向上依附于主体结构提供抗风计算和格构稳定支点，支点连接采用链杆式的异向双销轴支座，释放格构和主体结构之间的双向相对水平位移和转角变形，最大程度弱化偏心布置的大体量钢格构对主体结构的影响，二者相互依存而又相对独立。

4.2、技术的先进性：

本项目建筑立面有大体量钢结构格构。通过计算对比分析的手段，对格构的设计及其与主体的连接方式展开研究，研制出一种大体量外钢格构设计及其与主体结构连接的双向约束释放支座技术。

4.2.1、建筑外格构与主体结构各为独立的体系，主体结构仅对格构提供侧向支点及底部支座。简化了原本复杂体系的传力路径，减小了格构与主体间的相互影响。避免因为格构杆件布置上的不均匀造成结构的不规则程度加剧，降低了结构对建筑造型布置形式的干预度。

4.2.2、提出一种新型的适用于格构的支座形式，该支座能够释放两个方向的平动约束，使得格构在温度作用下的膨胀、收缩变形能够得到释放，避免产生较大的支座约束力，减小了主体结构受到的内力的同时也降低了对支座的受力要求。既保证了安全性，又有良好的经济性，且构造简单易于施工。

五、结束语

五彩珊瑚格构遮阳防风系统创新设计，通过建筑方案理念创新创作、绿色节能环保设计、一种适用于强台风地区大跨度结构的仿生式防风海珊瑚格构设计技术、一种基于双向约束释放连接方式的大体量钢格构和主体结构一体化设计技术，形成一套科技创新设计技术，在研究及工程应用中可见以上新技术各具独创性及优越性，获得的成果可在建筑行业提供参考，并得到更广泛的应用，创造可观的社会及经济效益。

参考文献：

[1]深圳蛇口邮轮中心相关设计资料.广东省建筑设计研究院.

[2]深圳蛇口邮轮中心结构设计若干关键技术研究报告.广东省建筑设计研究院.

[3]深圳蛇口邮轮中心风洞实验研究报告.汕头大学土木与环境工程系.

[4]深圳蛇口邮轮中心CFD分析研究报告.汕头大学土木与环境工程系.

[5]郗永军、张竟辉、沈小虎、周奇.珊瑚格对蛇口邮轮中心表面风压影响的试验研究报告.