生態建筑視角下的高層建筑設計策略

■ 嚴一凱 YAN Yikai

1 高層建筑的生態轉型

首先，人們需要認清一個基本的事實：“高層住宅建筑”這一建筑類型，其本身便是一種與“環保”理念相悖的建筑類型。其原因在于，相比于其他的眾多建筑類型，高層建筑在建設、運行以及拆除的“全建筑生命周期”內消耗了數倍于其他建筑類型的能源、材料以及其他的自然資源。這是由“高層建筑”其自身的特點所決定的。

“高層建筑”與“生態環境”之間的矛盾點很大程度上源自于其“高度”。由于高層建筑自身的高度遠超其他的建筑類型，這注定了在其“結構體系”的設計和建造中需要更多、更優質的材料來保證“高層建筑”的結構穩定性，以應對隨著建筑高度的升高帶來的包括“抗震”以及“風荷載”在內的諸多問題。同時，在建造過程中需要消耗大量的額外能源來進行材料和人員輸送。這一問題同樣也存在于建筑建成之后的運行過程之中，例如大量的電梯能耗等等。

從另一方面來看，也恰恰是由于“高層建筑”其自身的體量特點，使得其具備其他建筑類型所不具備的向綠色建筑轉型的潛力。首先，從節約土地資源的角度來講，高層建筑憑借其高容積率的特點，可以在相對較小的土地上滿足更多人的生活需求。同時，“高層建筑”可以在高容積率的基礎上實現相對較低的建筑密度，減少了人工環境對于自然環境的影響。配合大體量整合城市交通樞紐，大大稀釋了人們城市出行的能耗，等等。

就中國目前的國情而言，高層建筑是解決高速城鎮化所帶來的人口問題的主要途徑，也是今后一段時期必然長期存在的一種狀態，而且會呈現出一種逐步增長的態勢。因此，尋找一種方法來緩和“高層建筑”對于環境以及生態所產生的負面影響，同時打造適宜人類居住和生活環境，便成為了當代建筑師所面臨的一個重要課題。

2 生態建筑的設計內涵

自從人類社會進入現代化的工業社會以來，人類與自然之間的沖突就開始變得日益嚴峻。大量的人類建設活動使得自然環境遭到嚴重破壞。近年來，人們已經開始漸漸認識到“生態問題”的嚴重性，“綠色建筑”以及“城市生態修復”的提出便是建筑學對這一問題所做出的嘗試性解答。這對于在建筑設計中平衡建筑與生態環境之間的關系至關重要，并在此基礎上又提出了“生態建筑設計”概念。

所謂“生態建筑設計”，可以被簡單地理解為一種城市設計以及建筑設計理念，是相對于傳統粗獷式設計理念的根本性的轉型。而這種轉型的基礎便是建筑與自然的結合。其主要體現在三個方面：①首先便是技術層面上的“技術轉型”，即建筑學需要向建筑環境控制方面投入更多的關注，推動環境控制學與高層建筑研究及設計實踐的整合，形成新的“高層建筑生產模式”；②其次便是政府層面上的“政策轉型”，通過與“生態保護”相關的立法，以政策導向引導建筑設計向“生態轉型”，進而形成“新的政策模式”；③最后便是社會層面上的“意識轉型”。無論技術層面還是政策因素，都只能起到引導性的作用，最終取得“環境改善”的是人們對于環保意識以及由意識所決定的生活方式的轉變，形成新的“社會生活模式”。

三個層面之間的相互配合與協作，最終目的是形成新的與自然生態系統和諧共存的發展模式。

那么生態建筑設計的內涵又是什么？

廣義上建筑可以被理解為一種“人工環境”，其主要目的是為人們提供一種相對穩定且封閉的“空間環境”，借此來保護人們免受外界惡劣環境的影響，并為人們的活動提供必要的條件和場所。但從另一個角度來看，建筑生產的過程又是一種物料的堆積過程，并在這個過程中伴隨著不可再生能源的消耗，并在后續的使用過程中對周邊環境產生持續的影響。所以，傳統意義上建筑與自然之間是存在天然矛盾的，具體表現為，建筑在保障了“人工環境”穩定的同時，也造成“人工環境”與“自然環境”之間的沖突。但如果將“人工環境”與“自然環境”的各個因素之間建立一種深度的整合關系，在保證“人工環境”的基礎上實現與“自然環境”之間的平緩過度，那么由建筑所引發的“環境問題”便會迎刃而解。

所以，“生態建筑”便是以將“建筑”通過技術手段與“自然環境”進行整合為目標的設計模式。需要特別指出的是，這里所說的通過技術手段進行的整合，并不意味著對“建筑技術”盲目崇拜。生態設計并不是單純的“建筑技術”在建筑設計中的應用。現今的“建筑節能技術”研究已經在各個方面取得了一定程度上的突破，并出現了例如太陽能集熱器、光伏設備、生物回收系統等不同方面解決建筑所面臨的環境問題。但是簡單的技術堆砌并不能構成有效的“建筑生態系統”，而是應當將建筑所形成的人工環境，作為一個集成在自然環境中的系統進行“整合設計”，使得“人工環境”與“自然環境”之間產生良性互動。換言之，“生態設計”視野下的建筑設計，不僅僅是為人們提供物質功能的純粹功能產品，而是應當被看作與自然系統和諧互動并長期共存的“人工環境系統”。

這種設計模式的特點，首先在于建筑與周邊環境之間會形成有效的互通關系，這里的互通關系，除了包含傳統建筑中“景觀”層面上的互通以外，還包含生物層面以及能量層面上的全面互通。其次便是該設計模式所展現出的“系統性”特征。以住宅節能為例，住宅建筑的特點在于單位體量相對較小，且每個住宅單位都有其個性化需求，這也導致了傳統的住宅建筑的節能措施往往都是以戶為單位的散點式節能方案。而生態住宅則是從環境系統角度出發，多緯度地整合建筑系統與環境之間的關系。

3 高層生態建筑設計的核心問題

3.1 改善物質平衡

就目前而言，用于建筑生產的材料主要以無機物材料為主，而“自然環境系統”的構成則由有機成分和無機成分相互補充、相互協調構成。大量的建造活動正在使得人類所處的生態環境中的“無機物”比例急劇增加，讓生態環境越來越顯露出無機化傾向。這使得“自然環境”與“人工環境”之間漸漸失衡，并對“整體生態環境”的多樣性產生了嚴重的負面影響。所以，需要通過“生態建筑設計”，平衡“人工環境”與“自然環境”之間的關系。以恰當的方式，提高“人工環境”中的生物多樣性，以及建筑與自然之間的“互通性”。

“高層建筑”的特質決定了其必然是一種“無機物”高度集中的建筑形式，所以，針對“高層建筑”設計進行有機物與無機物之間的平衡便顯得尤為重要。

3.2 加強系統間的生態聯通

改善“人工環境”與“自然環境”之間的“生態聯通”，需要從橫向和縱向兩個方面同時進行。

通過增設開敞空間，為“兩個環境系統之間”的互動提供了有效的生態渠道，大大增強了系統之間的活力。從建筑的角度來講，將更多的“自然因素”引入到建筑空間內部，提高了人們對于環境的適應能力；從自然的角度來講，也提升了自然物種在不同環境中的生存能力。兩者的相互結合保障了生物的多樣性，使城市格局更具生態活力。

除了改善建筑環境“水平層面”上的“關聯性”之外，生態聯系還應當體現在高層建筑內部的垂直空間中。通常的做法是，通過“垂直景觀”，在建筑垂直向上的各個空間之間形成有效的整合關系。

建筑與環境之間“生態聯通”的意義，是借助自然與建筑的相互滲透，使得建筑的“無機”屬性得以向“有機”轉化，并通過這種轉化，增強“人工環境”在整個“生態系統”中的生命力。

4 高層生態建筑的設計策略

4.1 基地生態環境現狀研究

對于建筑場地的分析是一切建筑設計的前提，而“生態設計”的目的，就是為了使“人工環境”可以與場地的“自然環境”產生良性的互動與深度的融合。因此，對于“高層建筑”而言，場地中包含的“生態要素”直接決定了在建筑中解決生態問題的策略導向。

在場地的規劃階段，必須首先了解該地區的“自然環境”特性，然后再在“氣候適應性”的基礎上對其進行相應的改造工作。每一個場地都有其獨特的“自然環境”，可承受的外來壓力是有限的，一旦建筑對于“自然環境”所造成的影響超出了場地本身自然環境可以承受的極限，便會造成不可逆的破壞。

那么就需要對場地能夠承受“外界干擾”的能力進行相應的分析，這其中主要包括三個方面。首先便是確定該場地的生態結構，能量的主要交互方式，以及對物種的多樣性進行分析。繼而分析該場地的生態系統的特點，以及該生態系統的脆弱環節。最后，需要對當地生態系統可能造成的影響進行相應的分析。

這項工作量非常巨大，通常需要對場地進行全年的觀察以及實驗才能夠得出相關數據，有時甚至需要數年。為了對這項工作進行簡化，建筑師可以借助 “篩圖技術”（sieve mapping technique）對場地進行分析（圖1）。這使得設計師能夠以一種相對簡單的方式，將環境信息轉化為一系列圖層來分析研究其生態狀況。首先將場地信息以圖的形式分層繪制，并將同層進行重疊，通過設置定位點，便可以評估待建地塊與土地使用模式之間的相互作用，并通過評估結果來指導建筑設計以及規劃。

4.2 建筑運行中的節能系統

建筑運行過程中的能耗問題一直是“建筑技術”領域的研究重點，在建筑的全生命周期，減少對不可再生資源的依賴，是“生態建筑”設計研究的重要課題之一。其核心在于，如何能夠在創造出舒適空間環境的前提下減少建筑能耗。解決問題的關鍵是對于建筑在運行過程中能耗模式的研究。目前大致可以分為“被動節能模式”與“主動節能模式”兩種。

圖1 篩圖技術分析圖

4.2.1 被動節能模式

“被動節能模式”是通過結合地域性的氣候條件特點，在不使用任何設備的情況下對室內環境進行改善，對建筑內部能源運行以及分配進行優化的模式。在建筑設計中，使用“被動節能模式”的策略包括，根據當地的氣候特征調整建筑方位與方向，優化建筑的自然采光與通風，并配合與之相適應的立面設計手法等等。近年來，隨著國內“綠色建筑”領域研究的深入，已經日漸走向成熟并在建筑中廣泛應用，已經成為了建筑節能領域中的首選策略。

“被動式節能建筑”要求，將“節能理念”與建筑設計，從初期概念到后期細節深化的全設計過程進行深度結合。例如，在建筑規劃、形式以及空間組合設計的初期階段，便要因地制宜地貫徹“被動節能”的理念。

被動式節能建筑的優點在于：首先，由于其體現出針對特定地區的“氣候適應性”，這不僅能夠使建筑可以利用當地的“氣候條件”營造舒適的室內環境，同時還能通過建筑對所在的微環境起到一定的優化作用；其次，由于其不依賴傳統能源，這意味著即使是在能源不足的情況之下，依然可以保持相對穩定的室內環境。例如，在高層住宅建筑中，利用電梯核心筒，垂直交通空間和服務管道的位置作為內部空間與外部環境之間的熱緩沖區，即使在沒有電力或外部能源時，室內環境亦不會讓住戶無法忍受，并以此來實現建筑的整體節能。

在被動節能的基礎上加入“機電系統”參與，并消耗一定的常規能源的建筑運行模式便形成了“半被動節能模式”。有別于傳統建筑中所使用的完全依賴機電系統的“全能耗模式”，其目的在于在“被動節能模式”的基礎上優化室內環境。例如消耗一定常規能源的拔風系統等等。

4.2.2 主動節能模式

“主動節能模式”的特點在于建筑自身可以實現完整的或部分的能源“自足”，這也是最接近“生態建筑”理念的一種“建筑運行模式”。自然界中的生態系統通常利用太陽能，通過綠色植物的光合作用轉化為化學能，驅動生態循環。“產能模式”便可以被視作為通過技術手段來實現能源自給自足的建筑運行模式。例如，太陽能集熱器裝置系統，以及光伏系統等等。需要指出的是，“主動節能模式”雖然從理論上是相對較為完美的“建筑運行模式”，但受限于技術壁壘，其還是處于一個相對的初級階段。通常的情況下，要實現建筑的自給自足，需要配合復雜的大型設備，而設備的增加也同樣增加了建筑的無機含量，包括常規能源消耗和物質資源的使用，這些都會對環境產生負面影響。

以上僅僅是對建筑中運用的“運行模式”進行簡單粗略的介紹，建筑師在實際運用的時候，需要對以上的各種模式加以靈活的組合運用，以達到理想的節能效果。

4.3 綠色材料及綠色組件

建筑材料作為構成建筑的物質載體，同樣也是影響建筑“生態性能”的主要因素。在“生態建筑”設計中，要求建筑材料及相關構件具備一定的“可回收性”，這也為今后建筑垃圾的處理提供了條件。

自然系統的運行過程是不存在浪費行為的，一個物種消耗一定的物料與能量，隨之排出剩余物料，緊接著這種剩余物料又會被其他物種加以利用，自然界便是以這樣的一種方式進行著內部物質以及能量的循環。如果將這一思想加以抽象，并進一步運用于建筑設計理念，那便是對建筑產生的廢棄物進行相應的處理，建筑自身的廢棄物會被持續地重復利用，并在整個“人工系統”內部形成循環。或是在最終排出建筑人工系統的時候被“自然環境”順利接納，在建筑內部和建筑與環境之間形成一個有效的循環系統，從而有效降低建筑中對于材料和能源的浪費，以及提高不可再生能源的利用效率。

從環境控制的角度來看，需要考慮建筑的組件及其產生的廢棄物如何被重復使用和回收。這將決定材料的使用方式、材料種類、材料的生產方式以及建造過程中構件之間的連接方式等等。例如，為了便于重復使用，高層住宅中組件之間的連接使用可重復拆裝的連接以便于拆卸，并配合構件的模塊化，以便于在適當條件下重新使用。

5 建筑實例——新加坡THE EDITT TOWER（EDITT 大廈）

EDITT大樓是國際著名建筑設計師楊經文的作品（圖2）。整體方案的設計初衷是為了滿足新加坡國際博覽會期間的辦公用途，其中還包含了零售區域、展覽空間和報告廳，以及更高級別的傳統開放辦公空間。同時，為了應對博覽會結束后的建筑功能轉變，其設計允許將來轉變為辦公室或公寓。

在建筑設計方面，該方案呈現出一個嶄新的概念，其通過對豎向空間的塑造，希望可以將原本屬于街道的市民生活在豎直方向上得到延伸。同時，該項目探索并演示了高層生態建筑設計的基本原則與策略。由內部空間所展現出來的空間、交通，以及與自然之間的有機結合，完美闡釋了“生態建筑”的概念。

在設計中，設計師首先面對的問題便是如何突破高層建筑空間與街道空間之間的隔閡，使兩者之間的聯通變得順暢有序。傳統高層建筑模式是在一個封閉空間內，通過樓板進行重復性的空間劃分。而在本項目中，楊經文先生則更加注重“豎向空間”的打造，通過寬大的景觀坡道，將街道生活從水平方向引向豎直方向的延伸。一直延伸至6層的坡道上，有包括攤位、商店、咖啡館、表演空間和觀景臺在內的一系列街道空間元素。這樣一來，坡道創造了一個從公共逐漸走向私密的連續的流動空間，從而縮短了從街道空間到高層建筑空間之間的感知距離。

圖2 EDITT大廈立面圖

圖3 EDITT大廈雨水收集系統圖

新加坡常年處于炎熱的氣候中，為了加快建筑的冷卻，建筑外立面利用大量的植物形成了螺旋狀的景觀立面。同時，屋頂雨水收集器以及與之相配合的立面雨水收集器，形成了雨水收集和循環系統，配合東立面的遮陽板以及光伏面板，共同形成了該項目極具藝術表現力的外觀（圖3）。

在項目設計的前期，通過對于該項目所處基地的考察與分析，確認該基地位置已經遭到了嚴重的生態破壞，原有的地表土層以及動植物都已經不復存在。所以，該項目的建設除了需要滿足人們對于建筑功能的需求之外，還需要承擔“城市生態修復”的任務。

通過高綠化率的空中露臺，以連續景觀坡道的形式，從地面一直延伸到屋頂。連續的植被幾乎占到了建筑面積一半的體量，這使得整個系統中的自然植被占比非常之高。植被的增加有助于通過植物的蒸騰作用輔助建筑降溫，園景坡道與不斷變化的形體規劃相結合，形成了獨特的建筑形式。

除此之外，由于該項目未來將會經過改造以適應其他用途，楊經文先生便通過該項目展示了一個名為“loose-fit”的概念。通過使用可以自由拆裝重新組合的隔墻，可以反復使用的模塊化構件以及鏈接構件，保證了建筑材料在未來可以實現重復利用。這將使建筑可以應對變化和在生命周期內具有強大的改造潛力。

該設計方案通過對于“生態設計”的系統把握，全面提升了“高層建筑”的生態性能。除了與雨水的回收利用相關的水循環系統之外，該項目還整合了包括污水回收、太陽能利用、建筑材料回收和再利用，以及自然通風等在內諸多層面的設計。最大限度地平衡了建筑能耗與環境保護之間的關系。

可以說雖然整個方案的概念性較強，但是這標志著人們對生態設計的態度，并為未來項目的發展奠定了基礎。

6 結語

在高層建筑設計中融入“生態建筑”的理念，既可以節約能源，保護自然環境，實現城市的生態修復，又可以為城市中的人們創造良好的生活氛圍，并將自然融入到城市生活中來，形成城市自身的特色。因此，現時代的建筑設計師們需要建立起良好的生態環保意識，最大限度地將設計弊端排除，使綠色生態建筑發揮其價值，也使城市在這樣的高層建筑中更具活力。