“筑”梦｜折纸明灯——我们的高层设计是这样节能的
原创 吴吉明
建筑的节能是一个贯穿设计始终的全局性策略，高层建筑在相关处置上就更是如此：设计初期引入正确理念、合理的空间分区、紧凑的平面排布以及建筑构造与材料的选择，每一个环节的设计过程中，都应充分考虑节能策略。使建筑减少对设备的依赖，提高建筑本身的节能能力，从设计之初便最大限度的降低未来可能的能耗问题。
望京，这里是北京的办公聚集区，这里也是往来北京首都机场的必经之路。往来机场的人们总会被一组晶莹透明的建筑群所吸引，这组大楼都宛若璀璨的钻石闪闪发光，吸引着每一个人的注目，无论白天还是夜晚......
而这里便是今天我们分享的主角——北京保利国际广场。
这是一座灵感于中国传统的折纸灯笼的地标建筑。通过合理的抽象与组合，我们使传统的精华在建筑中再现。几个错落的内部挑空会随着夜幕中亮起，而这时候建筑就更像一串串亮着的灯笼与立面主题紧紧相扣。
设计构思 图源SOM
建筑的整体性节能源于一体化的设计
1.基于节能的总体布局
设计者再设计中充分考虑了项目周边的城市水体与绿化带。经过计算分析，设计者发现场地西南的城市绿化的水体不仅给场地内的三栋写字楼提供了良好的景观，同时能减轻场地内整个小气候的温度波动，还能因为水体的热稳定性造成昼夜间场地和水体的温差，从而可形成两者之间的空气流动，利于夏季的降温。于是设计者将基地中三栋主楼错动布置，在保证不影响北侧住宅的日照条件下，使建筑散布在场地中。这也使得建筑四周绿化带和城市绿化带融为一体。完全错开的三栋主楼，避免了相互遮挡也分别获得了良好的自然采光和通风的条件。
总平面布置 BIAD
2.紧凑的建筑平面布局
合理的建筑体型能够减少建筑物与外界的热量交换。在其他条件相同时，建筑的体型系数（建筑物与室外空气接触的外表面积与建筑体积的比值）越大，单位建筑面积散热量也越大，能耗也就越大，对节能也就越不利。而这一项目在设计平面时，就是通过对外墙平面长度之和与其所围成的建筑面积之比控制其体型系数已获得到更节能的平面。
在标准平面层的设计中，设计也同样创造了良好的自然采光与通风条件。几个叠落的共享中庭，打破了传统写字楼闭塞昏暗的空间感受，也加大公共空间自然采光和通风的面积。而建筑的表皮外幕墙的设计中，设计者利用双层玻璃幕墙加强改善通风条件，这使得南北办公区的空气通过走道被更好的组织起来，形成穿堂风对流。双层幕墙与共享空间产生了烟囱效应，有利于上下层间的空气流通。这都极大的改善了办公空间的空气质量，也减低了风换气机组与空调机组的运行能耗。
紧凑的核心筒布局 BIAD
3.核心筒布局优化
超高层建筑设计的重点和难点就是核心筒的布置，标准层核心筒每增加一平米，逐层累加后都会是一个可观的数字，因此为了争取最大的有效使用面积，就要和电气、设备、结构各专业紧密配合，把核心筒内的每一个部分都要做到最经济、最合理。在结构合理的前提下，不仅节省了混凝土的用量，而且最大限度的给建筑让出使用空间，达到节能效果。
而各种垂直管线的合并与优化组合，使得最终最终相关部分被分隔为若干相对集中的管井，这一布置既有利于检修方便，也达到了能节省面积的目的；而适度考虑的预留也为建筑后期的可持续发展提供了更多的可能。
4.垂直交通的优化
高层建筑的电梯设计关键在于运用各种局部电梯进行服务，而局部区域间则是由从地面始发层站至局部区域的快速穿梭电梯进行服务。这样就避免了高层建筑常用的电梯布局导致的首层的有效面积瞬时减少，极大提升了建筑的有效使用面积。
在这一综合体的电梯系统由于在底层便对人流进行了分隔，这使得中层区、高层区和低层区的乘客避免了拥挤与干扰。由于减少了客梯的服务层数，缩短了客梯往返的时间，增大了客梯的运输能力，通过整体统筹设计，提高了电梯的运行效率，也节省了人们等待电梯的时间。
5.外围护的节能
表皮是塑造建筑特色的重要表现对象，表皮也是影响室内热舒适度和建筑能耗的重要因素和关键部位。玻璃幕墙随着现代建筑的发展在全世界范围得到普及，而近年来随着世界范围内环境，人们对于玻璃幕墙所造成的能源过度消耗、光污染等问题更加重视。这些问题正随着新材料、新技术的不断出现，而逐步或得解决。双层玻璃幕墙就是建筑逐步走向节能化、智能化的一个体现。
这一项目的呼吸式双层幕墙，是建筑节能的亮点，内外幕墙间的区域形成了整合节能设计的关键—通风腔，建筑每隔两层设置独立的“通风腔”，而这些“通风腔”的上、下层的结构楼板延伸至外幕墙周边结构处，起到防火分隔作用。
双层幕墙能够根据外界条件的变化而调节，以达到最大限度的利用自然光照明、取暖、通风，同时可以有效减少过多的热辐射。而本项目也可以有效应对北京的沙尘气候，可以在恶略气候条件下同样完成通风换气，而为超高层创造出舒适健康的室内环境。
寒冷季节，玻璃幕墙可以最大限度的吸收太阳辐射热，通过调节进出风口的大小，可以控制适当的新风换气量，而进入两层玻璃幕墙之间的缓冲空间的空气，已被阳光初步加热，再送入室内时可减少送暖量。炎热夏季，空气可以从下部进风口进入，从上部排风口离开，空间内经常处于空气流动状态，带走了间层中的热量，从而调节室内温度，可以减少空调冷量。春秋季节双层幕墙的开启可以完全打开，室内达到完全自然通风。
呼吸式双层幕墙
双层幕墙每两层作一分隔，这样在同层的东西南北四个方向共用相同的空气缓冲间层，而这在一定程度上避免了冬季的过冷与夏季过热的问题，使得室内空间的空气质量均匀化，提高了整体舒适度。
幕墙研究中的日照分析
幕墙运用空气热压原理和烟囱效应，把新鲜空气吸入室内，同时把室内污浊空气排到室外，并能有效防止灰尘进入室内，实现一年四季，无论刮风下雨，都能实现自然通风，这在一般高层建筑上是做不到的。此外由于中间的空气缓冲层，可以在冬季和夏季都达到相应的节能效果，有效的节约了采暖制冷能源。经测算这一维护体系，比传统单层幕墙超高层建筑每年的运行费用上采暖时节能30～50％，制冷时节能40～60％，有效解决了建筑的能耗问题。
6.建筑材料的节能
高层建筑材料消耗很大，所以如何有效节材也是高层建筑解决能耗问题的一个重要方面，保利国际广场的这一栋高层建筑对装饰装修材料有害物质排放限制非常严格，自设计之初，装修材料的使用上便考虑更多使用有益人体健康的新型材料：如自净化空气材料、微循环材料、调湿材料等。材料使用强调“免维护”，装饰材料以工厂加工现场装配为主，尽可能的减少了现场制做。这不仅提高施工效率和装饰面精度，增加完成度，也为日后维修更换提供方便，极大减少使用过程中的维修管理成本。
基于BIM技术的一体化建造与整合
设计和装修一体化：在施工前装修图纸结合建筑图纸完成，能够减少二次装修造成挖孔、打洞而减少建筑材料的浪费。BIM技术的应用大大减少了施工中因图纸阶段失误而造成的材料及人力浪费。
使用了创新性的钢管混凝土柱交叉网格中筒结构体系。钢管混凝土结构柱具有侧向刚度大、扭转刚度大、建筑空间布置灵活等特点。钢管混凝土作为受压管柱的建筑构件，与钢梁和梁柱节点等共同构成建筑物的框架结构体系，钢管混凝土因其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质，即管柱外部包裹钢管材料，管柱内部充填混凝土材料，因钢管壁对管内混凝土形成的刚性拘束作用，防止了管内混凝土的脆性破坏，同时提高了混凝土的塑性，使其物理性能发生了质的变化，由原来的脆性材料变为塑性材料，正是这种结构力学性质的根本变化，决定了钢管混凝土的超强节材优势。
钢管混凝土柱示意图
钢管混凝土施工现场
建成后的中庭空间
城市中，我们的高层建筑往往都是区域的地标，对于这样的项目它的设计更应在设计初期阶段引入正确的节能设计理念，进行全方位的一体化节能设计，使其尽量减少对设备的依赖，设计出真正具备高效节能的建筑，并使其高效稳定低碳的运行真正达到与环境相协调的可持续发展。
建成后的室外庭院
本文参考文献：
［1］杨金红，吴吉明.折纸明灯：北京保利国际广场节能策略整合[J].建筑技艺，2020（10）.
［2］孙秀荣，金建勇.浅谈高层与超高层建筑的节能设计[J].中国城市经济，2010（12）.
［3］甄伟，盛平，王轶，高昂，赵明.北京保利国际广场主塔楼结构设计[J].建筑结构，2013（17）.
方案设计：美国SOM设计事务所
设计总负责人：陈淑慧 北京市建筑设计研究院
供图：北京市建筑设计研究院有限公司、SOM事务所
摄影：吴吉明、傅兴
本文整理：吴吉明 北京土木建筑学会副秘书长、九三学会中央人口资源环境专委会委员、九三学社北京城建委委员、北京工程师学会理事、北京市建筑设计研究院有限公司创作中心学术主管。
