超高層建筑的綠色及可持續(xù)性設(shè)計策略探尋
——以中南科研設(shè)計中心概念方案設(shè)計為例

吳宇強(qiáng)

謝子為

1 背景分析

1.1 超高層建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

從19 世紀(jì)末芝加哥出現(xiàn)的第一幢摩天大樓以來，超高層建筑已成為大都會的標(biāo)志性象征。近年來隨著我國城市化進(jìn)程的加快，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口密集城市的更新，促使城市建筑不得不縱向發(fā)展以尋求更多的空間解決策略。高密度城市不論是從人口密度上還是從建筑密度上都達(dá)到了一定的密集程度，因此形成了高空間密度和高感知密度。如今我國已建成和在建超過150m的高層建筑近800幢，不僅包含單一功能建筑，還有不少多業(yè)態(tài)綜合體。這些高密度區(qū)域的土地資源和價值高度集中，超高層建筑鱗次櫛比，成為都市風(fēng)格和文化特征的集中體現(xiàn)（圖1）。

1.2 超高層建筑的綜合特質(zhì)

超高層建筑的發(fā)展不僅僅具有提高建筑密度、允許混合使用土地和容納多種建筑類型等特點(diǎn)，還關(guān)系到整個城市的紋理脈絡(luò)和文化傳承。超高層無論在設(shè)計意圖和外觀造型，抑或是系統(tǒng)性能和資源利用等方面都會在很大程度上影響到城市的綜合品質(zhì)（圖2）。高度集約的城市空間，公共綠地也是高度集約的，這就帶來了通過弱化功能分區(qū)創(chuàng)造的一種混合城市功能，即在同一個地塊中，居住、商業(yè)、文化、休閑等功能可以有機(jī)共存，同時地下多層空間承載著區(qū)域的交通命脈。這種看似混雜無序的功能劃分，帶來了生活的便捷，步行十分鐘的半徑之內(nèi)可以找到超市、餐館、圖書館、電影院，以及地鐵的出入口（圖3）。

1.3 超高層建筑的研究方向

在崇尚生態(tài)建筑的今天，建筑師們對超高層這一極端高密度建筑的綠色及可持續(xù)性設(shè)計的探索從未停止過。超高層建筑作為高密度城市大規(guī)模、集約化建設(shè)的代表，其綠色生態(tài)及可持續(xù)的發(fā)展模式及趨勢，也成為了建筑師們深入探討的行業(yè)熱點(diǎn)。綠色與生態(tài)理念貫穿于超高層建筑設(shè)計（圖4），將大幅降低建筑的材料消耗、能源消耗、環(huán)境影響，因而也將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。超高層建筑的綠色設(shè)計不僅僅在于使用了什么可再生能源，堆砌了多少低碳技術(shù)，更多地應(yīng)該是以針對實(shí)際建筑物如何實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作和最優(yōu)品質(zhì)為目標(biāo)。然而，超高層建筑因其巨大的體量，仍有許多問題急需開展相關(guān)研究。例如：①超高層建筑與城市的聯(lián)系：如何降低高密度的人員流動與城市區(qū)域功能對接，以及與城市公共交通系統(tǒng)的聯(lián)系成為主要問題；②超高層建筑對環(huán)境的壓力：超過土地單位面積資源承載力，對周圍環(huán)境影響大，可能造成交通擁堵；玻璃幕墻容易造成光污染；容易增強(qiáng)熱島效應(yīng)，惡化區(qū)域微氣候；③超高層建筑的空間效率：核心筒與標(biāo)準(zhǔn)層的面積比例較高，影響到未來超高層建筑的租用效率和空間質(zhì)量。

2 綠色及可持續(xù)性的超高層建筑設(shè)計策略的適應(yīng)性原則

2.1 超高層建筑與場地環(huán)境的物理關(guān)系

超高層建筑在設(shè)計和選擇場地規(guī)劃和主體形式時，應(yīng)特別注意對周圍環(huán)境的影響。這些影響涉及風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境和聲環(huán)境。應(yīng)基于計算機(jī)模擬分析，盡量避免對周邊城市敏感區(qū)域的不利因素，創(chuàng)造有利條件，對周邊的環(huán)境促成有益的影響（圖5）。

2.2 設(shè)計策略的基本目標(biāo)生成

超高層建筑的綠色及可持續(xù)性設(shè)計是將設(shè)計策略和技術(shù)手段運(yùn)用到建筑設(shè)計中，采用形態(tài)、空間、能源、材料等手段，達(dá)到降低建筑能耗、降低對自然環(huán)境不利影響的目的，做到人、建筑與環(huán)境的和諧共生。

2.3 設(shè)計策略的基本要點(diǎn)綜述

做到綠色生態(tài)的超高層建筑應(yīng)滿足以下幾個基本要點(diǎn)：首先，建筑應(yīng)與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，不對自然環(huán)境造成污染和破壞，不對既有場地的社會環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，提高超高層建筑的可持續(xù)性；其次，在建筑空間的設(shè)計和技術(shù)手段的應(yīng)用上應(yīng)盡量采用被動式基礎(chǔ)策略，通過建筑空間的劃分、構(gòu)造措施，充分利用自然通風(fēng)、天然采光，降低超高層建筑的用能需求；第三，應(yīng)結(jié)合立體綠化等，營造宜人的使用空間，使人們能夠充分享受建筑與綠化結(jié)合所賦予的愉悅和舒適（圖6）。

3 綠色及可持續(xù)性的超高層建筑設(shè)計策略的實(shí)施體系

3.1 形體設(shè)計策略

（1）形體收分

圖1 立面效果圖

圖2 夜景效果圖

圖3 形體及功能設(shè)計

圖4 空中客廳效果圖

圖5 基地物理環(huán)境

圖6 立體公共空間示意圖

圖7 立體形象設(shè)計

圖8 空間視覺設(shè)計

通過形體收分可以削弱惡劣風(fēng)力條件對形體的結(jié)構(gòu)荷載，優(yōu)化自然通風(fēng)，改善室內(nèi)環(huán)境，最大限度地減少材料的使用和能源的消耗，基于計算機(jī)模擬分析及風(fēng)洞試驗(yàn)可以輔助超高層建筑形體來實(shí)現(xiàn)這一目的。建筑的形體均為流線型并錐形上收，并在不同高度設(shè)置局部開槽，通過轉(zhuǎn)角曲面柔和處理的角部能夠減少超高層建筑對周圍環(huán)境產(chǎn)生的紊流，營造適宜的室外空間，這種處理還能夠減少風(fēng)壓對玻璃幕墻的威脅，從而提高整棟建筑的安全系數(shù)。

（2）形體開口

通過分段設(shè)置中庭而降低中庭高度，亦或采用中庭的變形，即邊庭來實(shí)現(xiàn)有效的自然通風(fēng)空間組織，以提高超高層建筑微氣候環(huán)境。有效的自然通風(fēng)組織能夠降低建筑制冷能耗，提高建筑內(nèi)部空間質(zhì)量，并提供宜人的空中庭院供人們交流休息，削弱超高層建 筑的巨大高度對使用者的心理壓力（圖7）。

（3）形體轉(zhuǎn)折

通過弱化建筑體轉(zhuǎn)角處的紊流，使建筑各個方向都能夠?qū)崿F(xiàn)較好的自然通風(fēng)及日照條件。上海中心通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及參數(shù)化模擬，從多種平面扭轉(zhuǎn)角度中確定120°為最終轉(zhuǎn)折角度。這種扭轉(zhuǎn)可以有效地減少其周圍毗鄰建筑之間的風(fēng)阻影響，優(yōu)化區(qū)域微氣候，并且這種扭轉(zhuǎn)大大降低了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)所受到的風(fēng)荷載，加強(qiáng)了建筑整體穩(wěn)定性。而中南科研設(shè)計中心大廈由兩棟為48層和24層的折線高層組成，從低部到頂部角度之差接近15°，通過在不同高度的不同角度扭轉(zhuǎn)，并與360°全開敞陽臺相錯位而產(chǎn)生獨(dú)特的城市景觀，既實(shí)現(xiàn)了對場地的柔美對接和物理環(huán)境的積極對話，又實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部空間的全方位景致視野（圖8）。

3.2 復(fù)合表皮設(shè)計策略

作為與外部環(huán)境接觸面積最大的建筑表皮，通過其復(fù)合化可實(shí)現(xiàn)諸多可持續(xù)設(shè)計策略，例如雙層幕墻系統(tǒng)，光電幕墻，以及種植屋面和集水表皮等。同時，還可實(shí)現(xiàn)對場地環(huán)境的定向反饋，形成自遮陽、自然采光和自然通風(fēng)的良性表皮。中南科研設(shè)計中心大廈的表皮系統(tǒng)體現(xiàn)了這一設(shè)計理念。其幕墻系統(tǒng)的設(shè)計可以降低室內(nèi)的冷熱負(fù)荷，通過對自然采光及太陽得熱之間的平衡，將建筑表皮系統(tǒng)設(shè)計成一定的折角，并通過結(jié)合光伏系統(tǒng)，形成了具有復(fù)合功能的建筑表皮系統(tǒng)。其向上30°的表皮部分設(shè)置有光伏電池板，充分利用太陽能，產(chǎn)生的電力足以維持整個建筑內(nèi)部包括辦公空間用電負(fù)荷；而其向下15°的表皮部分將直射光的輻射和眩光降至最低，最大化降低建筑空間的冷熱負(fù)荷。

圖9 綠色可持續(xù)設(shè)計策略一

圖10 綠色可持續(xù)設(shè)計策略二

3.3 高效的能源與資源利用系統(tǒng)

提高超高層建筑自身的被動式低能耗性能的同時，還應(yīng)盡量提高其能源和資源利用系統(tǒng)的效率，減少其產(chǎn)生的“廢物”對環(huán)境的影響。這就需要超高層建筑發(fā)揮其“生物”屬性，開發(fā)其“有機(jī)體”的特性，形成一個良性的自我新陳代謝的循環(huán)圈，可以消化廢物并轉(zhuǎn)化成可自身利用的資源，雨水回收和中水利用就是兩個典型的方式（圖9）。此外，超高層建筑可結(jié)合都市農(nóng)業(yè)的發(fā)展，形成自我閉環(huán)的循環(huán)體系，也可以消化自身產(chǎn)生的部分“廢物”，而都市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)出來的食品又可以提供給使用者，節(jié)省了對所在區(qū)域土地資源的過度開發(fā)，減輕食品供給壓力，同時還可通過都市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生物作用來調(diào)節(jié)區(qū)域微氣候，改善城市熱島效應(yīng)（圖10）。對于超高層綠色建筑的設(shè)計來說，這諸多獨(dú)立的可持續(xù)性建筑技術(shù)并不是全部，因?yàn)楦咝У摹⒖沙掷m(xù)的超高層建筑往往不只是采取某一個策略或應(yīng)用某一項技術(shù)，而是系統(tǒng)全面的考慮，并有機(jī)融合在整個超高層建筑的設(shè)計與構(gòu)思中。

結(jié)語

綜上所述，超高層綠色及可持續(xù)性的建筑設(shè)計策略可分為方案設(shè)計和技術(shù)設(shè)計兩個階段，它們考慮問題的方式和范圍不同，但卻延續(xù)和承接著相同的原則和目標(biāo)。在超高層建筑的方案設(shè)計階段，需要通過設(shè)計策略來定位和主導(dǎo)項目的發(fā)展方向，以確定是否需要以及需要多大程度的技術(shù)支持來補(bǔ)充和提高超高層建筑的可持續(xù)性。而在技術(shù)設(shè)計中，則需要采用多目標(biāo)綜合評價，優(yōu)化不同的技術(shù)方案，統(tǒng)籌考慮各方面的諸多問題。

然而，如果從設(shè)計策略的廣度來考量，面對當(dāng)前的環(huán)境危機(jī)，在解決了高效利用土地之后，如何高效利用所在區(qū)域的能源和資源，不對周圍環(huán)境造成過大的壓力和負(fù)擔(dān)，也就自然成為了今后超高層建筑綠色與可持續(xù)性設(shè)計策略的倚重之處。

（注 本文所用圖片選自項目投標(biāo)概念設(shè)計方案文本，文章內(nèi)容僅涉及對項目設(shè)計策略的思考及運(yùn)用，在此對參與本方案設(shè)計團(tuán)隊全體人員的付出表示衷心感謝?。?/p>

資料來源：

文中圖片均為設(shè)計團(tuán)隊自繪。