零碳超高層建筑設計的實施框架初探

倪江濤

在超高層建筑設計過程中，建筑師需要不斷總結經驗與教訓，為推動整個建筑行業的可持續發展與環境友好型建筑的轉型發揮積極作用。筆者根據自身多年在超高層建筑設計及可持續發展領域的實踐經驗，結合建筑行業零碳轉型的理念，系統論述實現零碳超高層建筑的設計與技術路徑，以期為同行業專業人士提供指導。

1 零碳超高層建筑的定義

在研究零碳超高層建筑的定義時，將其分為兩個核心概念：超高層建筑和零碳建筑。超高層建筑的定義可參考《民用建筑設計統一標準》（GB 50352—2019）。該標準規定，建筑高度超過100 m 時，不論住宅或公共建筑均稱為超高層建筑[1]。《建筑防火通用規范》（GB 55037—2022）也規定，建筑高度超過100 m 時，應對結構樓板耐火極限和額外設置避難層等安全方面有特殊要求[2]。世界高層建筑與都市人居學會（Council on Tall Buildings and Urban Habitat，CTBUH）認為，高度在50 m 以上的建筑可稱為高層建筑，超過300 m 則被稱為超高層建筑，而超過600 m 則被稱為極高層建筑[3]。筆者將超高層建筑定義為高度超過100 m 的建筑。

零碳建筑是指在其整個生命周期中實現凈零碳排放的建筑物[4]。這意味著在設計、建造、運營和拆除階段要盡量減少碳排放。零碳建筑的目標是減少對氣候的影響，降低對環境的影響，促進可持續發展。全過程零碳建筑是指在滿足零碳建筑技術指標的基礎上，通過采用低碳建材、低碳結構形式和材料減量化設計，可結合碳排放權交易和綠色電力交易等碳抵消方式，建筑建材、建造和運行全過程的總碳排放量不大于零的建筑。

綜上，筆者將零碳超高層建筑定義為在其整個生命周期中凈零碳排放，且高度超過100 m 的建筑。

2 推進零碳超高層建筑設計面臨的機遇和挑戰

2.1 機遇

技術積累上，我國超高層建筑數量領先全球，積累了豐富的項目與技術經驗；規模方面，超高層建筑規模大、影響廣泛，實現零碳將對整個行業和社會邁向零碳目標具有重大影響；政策方面，我國已制定發布了“3060”雙碳目標，近年來也出臺了一系列鼓勵零碳建筑的政策與法規；新材料、新技術方面，人工智能、大數據技術的應用已逐漸成熟，為全面系統化的零碳超高層建筑設計提供了契機。

2.2 挑戰

目前，零碳超高層建筑設計也面臨巨大挑戰。在成本方面，實現零碳需要大量前期投入，包括高效節能設備、可再生能源設施和新型建筑材料，短期建設成本高。在市場和社會認知方面，部分開發商對零碳超高層建筑等相關概念認知不足，例如隱含碳、全生命周期可持續建筑等，導致這些概念尚未得到市場和社會的廣泛接受，需要加強宣傳和教育才能提升市場認可度。

在技術層面，仍存在一些未克服的難題，如能源存儲和智能系統集成，需要進一步研發和完善。在基礎數據搭建層面，目前仍缺乏行業通用的碳計算數據庫，且并未進行碳數據披露，增加了零碳超高層建筑實施的底層架構不確定性。在規劃設計方面，建筑師缺少系統性的零碳設計實施框架來整合實現零碳超高層建筑的設計。

3 零碳超高層建筑設計的實施框架

3.1 總體布局與建筑形體設計

從總體布局與建筑形體角度開展零碳超高層建筑的設計是至關重要但又常被忽視的方面。該環節可以使建筑師在項目伊始就在一定程度上實現降低碳排放的目標，為各項目相關方贏得主動。

具體設計實施方法如下：第1，采用被動式的設計策略，優化建筑朝向與布局，并充分利用區域內的自然采光與通風，減少建筑能耗[5]。第2，從結構方面優化超高層建筑的體型設計，降低風荷載，從而為后期結構降碳提供便利條件。第3，優化建筑立面窗墻比，或結合形體設計提供外部遮陽，以有效減少陽光直射，降低空調使用頻率和能耗。第4，如場地內存在既有建筑，應考慮加以利用，新建與改建相結合，以減少資源浪費，降低隱含碳排放[6]。

3.2 建筑地下部分的設計

建筑地下部分（如樁基、地下室等）的鋼筋混凝土材料用量較多，優化該部分可以系統性地降低碳排放：第1，結合地基條件、場地幾何形狀、用戶需求，選擇最合理的樁基形式、地下室深度、底板與墻板壁厚等，實現最經濟的地下部分鋼筋混凝土材料用量，減少碳排放。第2，地下室防水至關重要，應在設計階段選用高性能防水材料，增強耐油性和水密性，減少建筑運營階段進行防水修補而產生的碳排放。第3，混凝土是建筑地下部分的主體建材，應該優先選用低碳混凝土，從材料角度可有效降低碳排放。

3.3 結構設計

結構設計是實現零碳超高層建筑的另一核心要點，可通過以下措施最大限度地減少碳排放：第1，選用最經濟的結構系統，最大限度地減少一次鋼材與混凝土的用量，從而極大降低隱含碳排放。第2，優化結構建材（如鋼、混凝土、水泥產品）。例如，使用低碳、高性能鋼材與水泥，可在材料端進一步減少生產與建造過程中的碳排放。第3，創新結構系統，如采用輕鋼結構替代傳統結構，采用預制裝配式結構替代大量現場作業的常規模式[7]。其中，輕鋼結構具有重量輕、強度高、施工速度快的優點，在提高建筑靈活性的同時，也可大量減少材料使用量和施工能耗。預制裝配式結構通過精準控制與工廠批量作業，大量減少了材料本身、運輸過程、施工現場的碳排放，同時，其部件可循環利用，能有效降低建筑碳排放。

此外，不可忽視木結構、竹結構等的使用。雖然國內由于規范限制、社會認知等，該結構目前僅可用于低樓層建筑。但木材作為可再生資源，本身就是一種天然的碳儲存材料，采用木結構可將大量碳固化在建筑中，極大降低碳排放，與傳統鋼混結構和鋼結構相比更具環保性。相信隨著國內外越來越多成功木結構超高層案例的涌現[8]，國內相應規范的更新，木結構超高層建筑將成為極具競爭力的低碳零碳產品。

3.4 高性能幕墻系統

選擇高效隔熱玻璃和適宜的遮陽系統。高效隔熱玻璃具有優異的隔熱性能，可以有效阻擋熱量傳輸，減少冷暖空氣的流失，降低因室內溫度調節所產生的能源消耗。同時，適宜的遮陽系統可以有效地遮擋太陽直射，減少建筑內部的熱量吸收，進一步降低空調系統的負荷，從而減少能源消耗和碳排放[6]。

采用雙層表皮構造。雙層表皮結構在建筑外立面形成一層隔熱空氣層，有效隔離外部氣溫對建筑內部的影響，減少熱傳導，提高建筑的隔熱性能。這種結構設計不僅可以降低建筑的能源消耗，還可以改善室內舒適度，提升建筑的環境質量。

綠植幕墻的應用也是降低能耗和減少碳排放的重要策略。綠植幕墻不僅可以降低室內溫度，還可以有效減少幕墻對太陽能的吸收，減輕空調系統的負荷，進而降低能源消耗和減少碳排放。同時，綠植幕墻還可以改善室內空氣質量，提升建筑的生態效益，為城市增添綠色景觀。

引入自適應可變表皮和自維護建筑表皮技術。自適應可變表皮可以根據季節、天氣和建筑內部需求，自動調節表面的透光率和隔熱性能，最大限度減少能源消耗和碳排放。同時，自維護建筑表皮技術可以減少表面污染和附著物，降低清潔維護成本，提高建筑的經濟性。

3.5 室內空間

在探索室內空間的低碳設計策略時，需要將建筑設計、材料選擇、能源管理和用戶行為等多個方面結合起來，具體為：第1，在進行室內空間設計時，應充分考慮自然通風的可能性。通過煙囪效應，可以將建筑內部的高大空間作為自然通風的通道，促進空氣流動，降低對空調系統的依賴，從而減少能源消耗。這種設計能夠有效利用自然風力，提供更加健康舒適的室內環境。第2，機電系統的選擇對于實現零碳建筑至關重要。利用可持續的低能耗機電系統，如發光二極管（Lighting Emitting Diode，LED）照明和智能控制系統，能夠顯著降低室內能耗。智能系統可以根據室內外環境變化和用戶需求，自動調節照明、溫度和通風，實現能源的最優化使用。第3，做好室內裝修材料的選擇工作。環保、可再生的材料和產品能夠減少裝修過程中的碳排放，還能夠在使用過程中提供更好的環境表現。例如，可選用竹木材料、可降解塑料和生物基材料等。其中，竹木材料是指利用竹子和木材作為原材料加工而成的材料，其使用具有多種環保優勢，可以用于家具、裝飾材料、建筑材料等領域。生物基材料是指以生物質為原料加工制成的材料，具有較高的性能穩定性和耐久性，可應用于塑料制品、紡織品、建筑材料等領域。可降解塑料是指在一定的環境條件下（如高溫、濕度、微生物等）可以被自然降解的塑料。第4，關注用戶行為對室內能耗的影響。鼓勵用戶采取更加節能的生活方式，如關閉不必要的照明和電器、利用自然光照、合理調節室內溫度等，這些行為只要堅持，就會產生顯著的能源節約效果。

3.6 材料選型

在零碳超高層建筑設計中，材料選擇要注意以下幾點：第1，選擇具有環境產品認證（Environmental Product Declaration，EPD）標識的建材產品。EPD 提供了產品整個生命周期的環境性能數據，包括能源消耗、碳排放、污染物排放等。這些標識表明產品已經進行了全面的環境評估，為設計團隊更好地降碳與追蹤碳足跡提供了依據。第2，注重鋼材與水泥（或混凝土）2 種核心建材的應用。在眾多建材中，鋼材與水泥用量較多，也是生產加工過程中釋放最多碳的核心建材。因此，應選擇高性能鋼材與低碳水泥，減少建材用量，降低碳排放。建材生產并非本文關注的要點，但上述2 種建材的生產加工過程中的用煤、用電等，也會產生大量碳排放，值得相關方予以關注。第3，應用新興材料。智能材料、納米材料、新興絕緣材料和生物材料等新型材料具有較低的環境影響和更高的可持續性，可應用于零碳超高層建筑。例如，智能材料可提高建筑能效，納米材料可增強材料性能并減少資源消耗，新興絕緣材料可提高建筑的隔熱性能，生物材料可替代傳統的化石燃料，減少碳排放。上述方式能有效降低建筑的碳足跡，實現零碳超高層建筑設計的目標。

3.7 能源利用

太陽能光伏、風能和地熱能等可再生能源具有巨大潛力。通過在建筑的屋頂、天窗、幕墻或周圍景觀區域安裝太陽能光伏板和風力渦輪機等設備，為建筑提供清潔能源，減少對傳統能源的依賴，降低建筑的碳排放[9]。同時，還要加強地熱能的應用，通過地源熱泵等手段利用地下熱能來供暖和制冷，進一步降低建筑的碳排放。節約用水。能源與水資源之間密切相關，因此有效管理和節約用水至關重要。采用節水設備可以顯著降低建筑的水消耗。例如，可安裝水龍頭和淋浴頭上的節水裝置，限制水流量并降低水的使用量。同時，還可以安裝雙沖式馬桶，根據需要選擇不同的沖水量，進一步減少用水量。此外，利用相關設備收集雨水和引進節水灌溉系統等，可進一步減少對自來水的需求，降低水資源的消耗，實現零碳超高層建筑設計的目標。同時，還要提升水資源利用效率，減少浪費。具體來說，可以引出先進的技術加強污水處理，使水資源實現循環利用。

綜上，在能源角度實現零碳超高層建筑設計，有助于減少建筑的碳排放，提高建筑的能源利用效率和水資源利用效率，實現建筑的可持續發展。

3.8 碳排放計算與碳數據披露

在推進綠色建筑發展的過程中，對建筑全生命周期的碳排放進行準確量化至關重要。這不僅有助于識別和優化高碳排放環節，還能為設計和施工提供數據支持，確保每一步驟都朝著降低碳排放的目標邁進。例如，通過選擇低碳材料、優化建筑設計、提高能效和利用可再生能源等措施，可以顯著減少建筑的碳足跡。

此外，建立公開透明的碳排放數據披露機制對提升行業和公眾的環保意識同樣重要。這不僅能促使消費者做出更加環保的選擇，而且能激勵企業投資于低碳技術和解決方案，推動整個行業的可持續發展。通過這種方式，可以建立起一個積極的反饋循環，其中政策制定者、建筑師、開發商和消費者共同努力，實現零碳建筑的建設。通過精確的碳排放量化和數據公開披露，不僅能提高行業的透明度和可持續性，還能夠提升社會對綠色建筑價值的認識和接受程度。這將為零碳超高層建筑的設計和實施奠定堅實的基礎[10]。

4 結語

本文著重探討了實現零碳超高層建筑設計的關鍵實施框架與技術路徑。雖然我國在超高層建筑領域的技術積累和政策方面具備一定優勢，但實現其零碳目標仍面臨多方面的挑戰，具體表現在成本、市場認知、規劃設計和科學技術應用等。因此，需要加強跨學科合作和提升創新能力以應對這些挑戰。