基于碳中和理念的城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)研究

李靖 楊奧茹

（1.韓國國立釜慶大學(xué)海洋融合設(shè)計(jì)工學(xué)系，釜山 48513；2.燕京理工學(xué)院藝術(shù)學(xué)院，廊坊 065000）

城市是復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，由物質(zhì)和空間組成，包括正負(fù)空間。公共空間是其中的一部分，由公園、圖書館、娛樂場等構(gòu)成。根據(jù)聯(lián)合國人居署2015 年的文件[1]，“公共空間”是建筑物之間的公眾開放空間，如街道、道路、綠地公園和圖書館等。然而，在城市中，人們很少關(guān)注到“負(fù)空間”。負(fù)空間的性質(zhì)因城市的城市化程度而異，但當(dāng)它們被忽視時，可能會給城市帶來社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題[2]，特別是城市中被忽略的水上空間。全球氣候變暖導(dǎo)致氣溫升高和海平面不斷上升，影響了全球所有沿海城市的生存空間。水上空間除了景觀休閑和航運(yùn)等使用外，還有大面積的剩余空間可利用。文章從水上空間利用的公共性、城市的地域性和社會性等方面進(jìn)行探索，以確定在城市水上空間打造漂浮設(shè)施的可能性，并從地域性特征、功能與形態(tài)、可持續(xù)設(shè)計(jì)等方面綜合分析碳中和理念對水上公共設(shè)施設(shè)計(jì)的影響，探討節(jié)能減碳和可持續(xù)發(fā)展等因素[3]，融入碳中和理念提高城市空間漂浮設(shè)施的可持續(xù)性效益。在碳中和理念的背景下，展開城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)研究，對于人們生活觀念及方式轉(zhuǎn)型來說有重要意義。

1 碳中和理念概述

碳中和的概念起源于20 世紀(jì)90 年代的歐洲環(huán)保組織[4]。碳中和理念是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動或個人在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過使用低碳能源取代化石燃料、植樹造林、節(jié)能減排等形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放量，實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消，達(dá)到相對的“零排放”。與零碳理念不同的是，碳中和理念更加務(wù)實(shí)可行，它強(qiáng)調(diào)在減少碳排放的基礎(chǔ)上，采取其他措施來抵消未能避免的碳排放。

2 國內(nèi)外城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與存在問題

2.1 國內(nèi)外城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

2.1.1 國外城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

全球氣候變暖與海平面的上升對于沿海國家和城市的威脅風(fēng)險與日俱增，于是人們將目光投向水上空間以擴(kuò)展更大的棲息空間。以荷蘭、日本為代表的沿海國家建造水上房屋設(shè)施為人們提供了極大的便利，這種設(shè)施可以輕松適應(yīng)海平面的變化。1960年首次提出的漂浮城市概念，以及美國在1974 年先行提出的夏威夷浮城開發(fā)計(jì)劃，表明優(yōu)質(zhì)混凝土對于海上大型浮式平臺的應(yīng)用是可接受的和經(jīng)濟(jì)的，能夠滿足設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制要求與混凝土技術(shù)的現(xiàn)狀，為漂浮城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)奠定了理論基礎(chǔ)[5]，促成了世界范圍對漂浮城市的構(gòu)想和研究，但現(xiàn)階段為止尚未有成功建造的大規(guī)模案例，只有部分國家展開了社區(qū)規(guī)模的可行性研究，如表1 所示。

表1 國外漂浮城市代表案例

飽受洪水侵?jǐn)_的荷蘭率先進(jìn)行了大膽的嘗試，阿姆斯特丹的大型漂浮住宅項(xiàng)目 Waterbuurt[6]，由100座浮動房屋組成的街區(qū)和碼頭，有效地利用了城市的水面剩余空間；近幾年知名的浮動城市項(xiàng)目是建筑師比亞克·英格爾斯（BIG）與聯(lián)合國人居署以及藍(lán)色科技公司 OCEANIX 合作開發(fā)的 Oceanix City[7]，計(jì)劃在韓國濱海城市釜山建造，該項(xiàng)目計(jì)劃能源、水食物自給自足和資源可持續(xù)循環(huán)利用以達(dá)到碳中和的目的。

2.1.2 我國城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

我國的漂浮城市研究還處于起步階段。圍海造地和固定式水上平臺是目前沿海水域開發(fā)的主要方式，雖然可以創(chuàng)造更大的新空間，但也會對生態(tài)環(huán)境造成較大的破壞，且難以長期應(yīng)對海平面上升的威脅。

中國中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司（CCCC-FHDI）與英國（AT Design Office）合作設(shè)計(jì)了一個海洋生存空間的概念研究——“漂浮的水中城”。在技術(shù)層面借鑒了荷蘭的漂浮房屋Waterbuurt與港珠澳大橋水下隧道部分的混凝土預(yù)制沉管技術(shù)，可以確保面積為10 平方公里的浮島能夠漂浮在水面上，具備完善的交通系統(tǒng)和碳中和能源循環(huán)利用系統(tǒng)，能夠高效地適應(yīng)環(huán)境變化。

2.2 國內(nèi)外城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)存在的問題

2.2.1 設(shè)計(jì)規(guī)劃不合理

無論是陸地公共設(shè)施還是漂浮設(shè)施，在設(shè)計(jì)建設(shè)之前要合理科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，在不破壞原有城市風(fēng)貌的前提下做好規(guī)劃設(shè)計(jì)。另外，如新老城區(qū)公共設(shè)施建設(shè)的矛盾，老城區(qū)人口密度大，空間資源少，老齡化人口多，新城區(qū)反之，因此公共設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計(jì)都要以人為中心展開實(shí)施，要遵循人口結(jié)構(gòu)性分布和具體需求來設(shè)計(jì)規(guī)劃。區(qū)域針對性不強(qiáng)造成的問題主要有規(guī)劃不合理、功能單一、可持續(xù)利用性差等[8]。

2.2.2 過度化設(shè)計(jì)與功能結(jié)構(gòu)單一

城市中公共設(shè)施的形象，一定程度上代表著一座城市的文化內(nèi)涵及發(fā)展能力水平，近十幾年城市化的飛速發(fā)展，過度的外觀設(shè)計(jì)和超量的建設(shè)布局消耗了大量的空間資源和經(jīng)濟(jì)資源，不合理的設(shè)計(jì)還帶來了環(huán)境問題。這種過度消耗資源和大量的人力、財力、物力投入是不符合可持續(xù)性城市發(fā)展的。

如果城市形態(tài)中的各種元素被精心、合理地設(shè)計(jì)并集中在一起，它們將呈現(xiàn)出集群化的特征，并且會具有觸媒效應(yīng)，從而推動區(qū)域生態(tài)環(huán)境朝著積極的方向發(fā)展。功能結(jié)構(gòu)單一的公共設(shè)施布局在城市中弊端明顯[9]，孤立的存在使得他們難以形成良好的文化區(qū)域圈。

2.2.3 可持續(xù)性考慮不足

傳統(tǒng)公共設(shè)施的可持續(xù)性不足主要表現(xiàn)為：（1）能源消耗量大，不具備清潔能源或者能源自給自足的功能，如一些照明類的公共設(shè)施，在不使用的情況下也依然會產(chǎn)生能源浪費(fèi)；（2）建設(shè)、維護(hù)、更新和回收需要消耗大量的人力物力，沒有將產(chǎn)品的全生命周期考慮其中，在造成資源浪費(fèi)的同時，也使得公共設(shè)施的使用效率低；（3）無法適應(yīng)本地區(qū)的規(guī)劃和碳排放策略，公共設(shè)施的建設(shè)分布不均和更新不平等，導(dǎo)致有些地區(qū)得到過剩的資源和投資，另一些地區(qū)被忽略的情況，無法做到有機(jī)的動態(tài)調(diào)整，這可能會導(dǎo)致城市空間資源利用不合理，使城市的可持續(xù)發(fā)展受到限制。

3 基于碳中和理念的城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)思路

3.1 外觀設(shè)計(jì)

3.1.1 輕量化與簡約設(shè)計(jì)

漂浮設(shè)施的外觀造型融入輕量化與簡約化設(shè)計(jì)的理念不僅體現(xiàn)了自然、質(zhì)樸、簡約的理念，而且與零碳理念相呼應(yīng)[10]。通過輕量化設(shè)計(jì)，材料的選用和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得漂浮設(shè)施在滿足功能的同時減少了重量，降低了能源消耗和碳排放。簡約化設(shè)計(jì)突出了設(shè)施的核心功能，減少無用裝飾構(gòu)件和功能，輕量化與簡約化設(shè)計(jì)不會使產(chǎn)品的實(shí)用性損失，反而能夠更好地實(shí)現(xiàn)環(huán)保和節(jié)約資源的目標(biāo)。

3.1.2 小型化設(shè)計(jì)

在城市碳排放指標(biāo)中，運(yùn)輸交通排放占有重要的份額，因此將設(shè)施外形的小型化理念應(yīng)用于漂浮設(shè)施具有積極意義。小型化設(shè)計(jì)有助于降低整體設(shè)施的體積和重量，減少運(yùn)輸過程的成本和碳消耗。同時小型化的設(shè)施設(shè)計(jì)在加工制造時也能節(jié)省材料加工的成本與施工碳排放，不僅提高了生產(chǎn)效率，還有助于控制碳排放。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 加工制造

在設(shè)計(jì)制造之初，建立零碳發(fā)展的設(shè)計(jì)理念非常重要，漂浮設(shè)施壽命的延長能夠有效減少資源浪費(fèi)和碳排放[11]。首先在延長使用壽命方面要考慮設(shè)施的可靠性和耐用性；其次要考慮設(shè)施的結(jié)構(gòu)部件通用化替換和模塊化組裝設(shè)計(jì)，以達(dá)到延長使用壽命的目的；最后要考慮整個設(shè)施生命周期的回收再利用情況。

3.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)零碳理念設(shè)計(jì)節(jié)能減排的重要途徑之一。其中，簡化結(jié)構(gòu)是優(yōu)化結(jié)構(gòu)的解決方案之一，需要配合結(jié)構(gòu)優(yōu)化、裝配優(yōu)化和材料選用等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化內(nèi)部裝配的布局和空間，可以使產(chǎn)品更加輕巧，簡化生產(chǎn)流程，降低碳排放量的同時也能減少生產(chǎn)成本。另外，構(gòu)件的模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)以實(shí)用性為主要特征，通過增加產(chǎn)品的使用壽命，減少資源浪費(fèi)。同時，零部件的通用化設(shè)計(jì)可以簡化維修和裝配的可操作性，從而直接或間接減少資源的浪費(fèi)和碳排放，有效延長產(chǎn)品的使用壽命，提高產(chǎn)品的利用率。

3.3 技術(shù)設(shè)計(jì)

在能源技術(shù)創(chuàng)新和利用上，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境特征采取以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)策略：（1）漂浮設(shè)施的能源輸入應(yīng)以清潔能源為主，充分利用風(fēng)能、太陽能、波浪能和生物質(zhì)能等；（2）漂浮設(shè)施應(yīng)采用零垃圾系統(tǒng)，人造垃圾進(jìn)行分類集中回收處理，有機(jī)垃圾應(yīng)設(shè)置回收處理裝置進(jìn)行循環(huán)回收，轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能；（3）設(shè)施中融入AI 與大數(shù)據(jù)分析，通過外部傳感器感知能源、氣候、城市公共信息等數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整設(shè)施的內(nèi)部配置。

3.4 功能設(shè)計(jì)

漂浮設(shè)施需要考慮城市的水文環(huán)境和人口結(jié)構(gòu)性分布，可利用模塊化設(shè)計(jì)、靈活可移動等特點(diǎn)，根據(jù)氣候變化、人口分布結(jié)構(gòu)、市民文化娛樂需求變化進(jìn)行功能的調(diào)整。同時，漂浮設(shè)施在設(shè)計(jì)規(guī)劃時將文化性、公共性、社會性融入功能設(shè)計(jì)中[12]，利用公共設(shè)施將城市中的水上空間串聯(lián)到一起，完善公共設(shè)施的形式與內(nèi)容，同時彰顯城市的地域特征。

4 基于碳中和理念的城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 項(xiàng)目概況

釜山市土地資源緊張，因此選擇利用市中心水營河段的水上空間進(jìn)行漂浮設(shè)施的建設(shè)試點(diǎn)。水營河連接釜山南部海域，除了碼頭等固定設(shè)施外，還有大面積的水上閑置空間可供開發(fā)使用，同時具備建設(shè)條件，通海河道也便于從港口運(yùn)輸建造材料。因此，漂浮設(shè)施的開發(fā)可以充分利用水上空間解決城市土地資源緊張的問題。盡管該地區(qū)在商業(yè)、文化和城市形象方面具有顯著的地理優(yōu)勢，但土地和空間資源短缺問題也十分嚴(yán)峻。不過，中央水營河水域面積廣闊，提供了可供利用的水上剩余空間。漂浮設(shè)施在這一地區(qū)的應(yīng)用非常適合，不僅可以緩解空間資源緊張的問題，還可以為該地區(qū)增添美麗的水上景觀。

4.2 外觀設(shè)計(jì)

漂浮設(shè)施的整體外觀以輕量化和簡約設(shè)計(jì)理念為主，主體結(jié)構(gòu)使用材料以釜山港廢棄的標(biāo)準(zhǔn)型航運(yùn)集裝箱為主，一層采用40ft 標(biāo)準(zhǔn)集裝箱改裝，二層建筑使用20ft 較小的集裝箱改裝。整體外觀設(shè)計(jì)在集裝箱外立面做基礎(chǔ)門窗切割改動，顏色以海藍(lán)色為主（如圖1），整體外觀以三角形模塊為主，使用三角形方便設(shè)施間實(shí)現(xiàn)各種類型的組合，整體外觀設(shè)計(jì)以簡約化為主，同時利用集裝箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行合理的排列組合，去除無用的裝飾構(gòu)件[13]，整體構(gòu)件減重30%，減少材料的浪費(fèi)和二次污染。

圖1 漂浮設(shè)施選用的集裝箱外觀造型

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

漂浮設(shè)施的結(jié)構(gòu)類型主要有半漂浮型結(jié)構(gòu)和全漂浮型結(jié)構(gòu)[14]。半漂浮型結(jié)構(gòu)：多用于長波海況的大型遠(yuǎn)海平臺（如圖2a），此類結(jié)構(gòu)使用管柱或者平衡結(jié)構(gòu)構(gòu)件保持平臺在水面之上，如風(fēng)電平臺、鉆井平臺等需要承受風(fēng)浪的特種作業(yè)設(shè)施；全漂浮型結(jié)構(gòu)整個平臺結(jié)構(gòu)都漂浮于水面（如圖2b），水下不需要剛性固定支撐，這種結(jié)構(gòu)常使用大型浮箱或浮球作為浮體保持浮力支撐，具有較好的穩(wěn)定性和可移動性，且結(jié)構(gòu)間進(jìn)行模塊化鏈接可以使穩(wěn)定性呈比例提升。但該結(jié)構(gòu)無法承受復(fù)雜的海況和氣象條件，適合在內(nèi)河、湖泊、避風(fēng)海灣或港口放置。水營河屬于通海內(nèi)河，水文環(huán)境相對穩(wěn)定，且漂浮設(shè)施的使用頻率較高，需要進(jìn)行頻繁拆卸和移動，或者需要快速響應(yīng)緊急情況，因此選用可移動性和靈活性較好、易于安裝和拆卸的全漂浮型結(jié)構(gòu)。

圖2 漂浮設(shè)施的結(jié)構(gòu)類型

漂浮設(shè)施結(jié)構(gòu)上采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)。設(shè)施的主體主要分水上、水中、水下三大部分組成，即上層建筑（主要由集裝箱構(gòu)成）、浮體（混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)浮體）、水下固定錨。上層建筑主要分為兩層，一層的40ft 集裝箱作為主體，二層20ft 集裝箱與一層呈垂直搭建，一二層空間使用樓梯連通，二層空間結(jié)構(gòu)利用集裝箱原有門結(jié)構(gòu)改造的陽臺，既增加了功能又具有美觀性。二層集裝箱頂部同時進(jìn)行了斜頂改造，為適應(yīng)不同太陽角度加裝了太陽能板。上層建筑內(nèi)部可滿足多種使用需求，如居住、餐飲、購物、展覽、商務(wù)活動等。浮體使用混凝土預(yù)制浮筒技術(shù)制作，在滿足承載上層建筑的同時內(nèi)部設(shè)置了廢物循環(huán)系統(tǒng)、水電管路、儲能模塊等保證漂浮設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，浮體上層鋪設(shè)了厚度約30cm 的土壤層，可種植景觀植物，浮體下方設(shè)置了水力發(fā)電裝置，可以利用水營河的水流進(jìn)行飛輪蓄能發(fā)電。漂浮設(shè)施間根據(jù)水文環(huán)境可以選擇采用有間隙和無間隙鏈接（如圖3）。漂浮設(shè)施所有構(gòu)件基本都保留了標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的原始結(jié)構(gòu)件，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件通用化效果。構(gòu)件的模塊化和通用化可以減少材料、能源的浪費(fèi)和運(yùn)維成本，達(dá)到設(shè)施建造的節(jié)能減排和減少成本（如圖4）。

圖3 漂浮設(shè)施模塊間的鏈接結(jié)構(gòu)

圖4 漂浮設(shè)施結(jié)構(gòu)示意

4.4 技術(shù)設(shè)計(jì)

作為全球主要港口城市之一，釜山的碳排放量也高居不下，2018 年的釜山排放了1 548 萬噸溫室氣體，釜山的碳中和不是一種選擇，而是必然。因此，漂浮設(shè)施采取了碳中和設(shè)計(jì)技術(shù)措施。

首先，漂浮設(shè)施的能源可以實(shí)現(xiàn)自給自足，能夠?qū)崿F(xiàn)多種清潔能源的輸入，利用水營河的通海、雙向潮汐流動性水文優(yōu)勢，在水下布置雙向水流發(fā)電機(jī)組和飛輪蓄能器，水上布置垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在設(shè)施頂層配置太陽能發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生的清潔能源足以滿足單個設(shè)施模塊的日常使用。

其次，關(guān)于廢物的循環(huán)利用，漂浮設(shè)施的設(shè)計(jì)將使用零垃圾系統(tǒng)，這是一種將垃圾轉(zhuǎn)化為能源、農(nóng)業(yè)原料和回收材料的閉環(huán)過程，以管理和減少“碳足跡”。在設(shè)施的浮體下方設(shè)置厭氧消化池、收集系統(tǒng)和藻類過濾水循環(huán)裝置，通過有機(jī)肥料堆肥，可以為設(shè)施內(nèi)部的綠植提供養(yǎng)料。

最后，融入AI 與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在設(shè)施內(nèi)布置能源智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)和城市天氣、交通信息顯示牌等，可以在城市設(shè)施指揮中心實(shí)時監(jiān)控漂浮設(shè)施的各項(xiàng)指數(shù)，甚至在漂浮設(shè)施浮體中可以加裝動力裝置，在水域內(nèi)遠(yuǎn)程控制移動。

4.5 功能設(shè)計(jì)

為了在城市中實(shí)現(xiàn)漂浮設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展，它的形式和功能應(yīng)該定位清晰且具有多元化設(shè)計(jì)，同時結(jié)合實(shí)際區(qū)域的需求進(jìn)行豐富擴(kuò)充，以推動城市區(qū)域的有機(jī)多元發(fā)展。以釜山水營河漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)為例，可以看到在設(shè)計(jì)中充分利用了模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，單體設(shè)施模塊之間可以相互連接組合形成集群化公共設(shè)施群（如圖5、圖6）。為了解決該區(qū)域每年電影節(jié)、慶典活動場地過于擁擠、交通容易堵塞等問題，漂浮設(shè)施應(yīng)該劃分為多個功能區(qū)，例如休閑餐飲、電影節(jié)文化體驗(yàn)和公共休息等區(qū)域模塊。此外，漂浮設(shè)施還應(yīng)充分發(fā)揮它機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)城市文化活動需求進(jìn)行靈活動態(tài)遷移。這不僅可以解決區(qū)域空間資源不足的問題，還可以豐富市民的多元化需求。

圖5 水營河漂浮設(shè)施的模塊化、集群式布局組合

圖6 水營河漂浮設(shè)施布局示意

5 結(jié)論

應(yīng)對全球化所帶來的挑戰(zhàn)，特別是海平面上升和土地資源稀缺等問題日益突出。在這一背景下，文章強(qiáng)調(diào)了城市水上空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)的重要性，以碳中和理念為指引，探索了低碳理念在城市空間漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性。通過釜山的設(shè)計(jì)研究案例，將碳中和理念應(yīng)用于漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)，從漂浮設(shè)施在水上空間利用的公共性、地域性和社會性等方面因素入手，結(jié)合漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)的建造生產(chǎn)、外觀結(jié)構(gòu)和可持續(xù)性設(shè)計(jì)等要素，提出新的設(shè)計(jì)思路。這一研究的創(chuàng)新之處在于它將碳中和理念與水上空間開發(fā)相融合，強(qiáng)調(diào)了漂浮設(shè)施在推動城市碳減排和可持續(xù)發(fā)展方面的重要作用。然而，研究也具有一定的局限性，如在設(shè)計(jì)實(shí)踐中研究的特定性及零碳設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。未來需要設(shè)計(jì)研究者、生產(chǎn)商和市民共同努力，擴(kuò)大研究范圍，深入分析設(shè)計(jì)實(shí)施細(xì)節(jié)，進(jìn)一步探索社會的接受度，推動城市漂浮設(shè)施設(shè)計(jì)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)城市能源結(jié)構(gòu)向高效碳中和的方向發(fā)展。