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

吳宇強

謝子為

1 背景分析

1.1 超高層建筑的發展現狀

從19 世紀末芝加哥出現的第一幢摩天大樓以來，超高層建筑已成為大都會的標志性象征。近年來隨著我國城市化進程的加快，由于經濟發達和人口密集城市的更新，促使城市建筑不得不縱向發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，還有不少多業態綜合體。這些高密度區域的土地資源和價值高度集中，超高層建筑鱗次櫛比，成為都市風格和文化特征的集中體現（圖1）。

1.2 超高層建筑的綜合特質

超高層建筑的發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，還關系到整個城市的紋理脈絡和文化傳承。超高層無論在設計意圖和外觀造型，抑或是系統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（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創造的一種混合城市功能，即在同一個地塊中，居住、商業、文化、休閑等功能可以有機共存，同時地下多層空間承載著區域的交通命脈。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性設計的探索從未停止過。超高層建筑作為高密度城市大規模、集約化建設的代表，其綠色生態及可持續的發展模式及趨勢，也成為了建筑師們深入探討的行業熱點。綠色與生態理念貫穿于超高層建筑設計（圖4），將大幅降低建筑的材料消耗、能源消耗、環境影響，因而也將產生巨大的經濟和社會效益。超高層建筑的綠色設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，更多地應該是以針對實際建筑物如何實現高效運作和最優品質為目標。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研究。例如：①超高層建筑與城市的聯系：如何降低高密度的人員流動與城市區域功能對接，以及與城市公共交通系統的聯系成為主要問題；②超高層建筑對環境的壓力：超過土地單位面積資源承載力，對周圍環境影響大，可能造成交通擁堵；玻璃幕墻容易造成光污染；容易增強熱島效應，惡化區域微氣候；③超高層建筑的空間效率：核心筒與標準層的面積比例較高，影響到未來超高層建筑的租用效率和空間質量。

2 綠色及可持續性的超高層建筑設計策略的適應性原則

2.1 超高層建筑與場地環境的物理關系

超高層建筑在設計和選擇場地規劃和主體形式時，應特別注意對周圍環境的影響。這些影響涉及風環境、光環境、熱環境和聲環境。應基于計算機模擬分析，盡量避免對周邊城市敏感區域的不利因素，創造有利條件，對周邊的環境促成有益的影響（圖5）。

2.2 設計策略的基本目標生成

超高層建筑的綠色及可持續性設計是將設計策略和技術手段運用到建筑設計中，采用形態、空間、能源、材料等手段，達到降低建筑能耗、降低對自然環境不利影響的目的，做到人、建筑與環境的和諧共生。

2.3 設計策略的基本要點綜述

做到綠色生態的超高層建筑應滿足以下幾個基本要點：首先，建筑應與周圍環境相協調，不對自然環境造成污染和破壞，不對既有場地的社會環境產生嚴重的影響，提高超高層建筑的可持續性；其次，在建筑空間的設計和技術手段的應用上應盡量采用被動式基礎策略，通過建筑空間的劃分、構造措施，充分利用自然通風、天然采光，降低超高層建筑的用能需求；第三，應結合立體綠化等，營造宜人的使用空間，使人們能夠充分享受建筑與綠化結合所賦予的愉悅和舒適（圖6）。

3 綠色及可持續性的超高層建筑設計策略的實施體系

3.1 形體設計策略

（1）形體收分

圖1 立面效果圖

圖2 夜景效果圖

圖3 形體及功能設計

圖4 空中客廳效果圖

圖5 基地物理環境

圖6 立體公共空間示意圖

圖7 立體形象設計

圖8 空間視覺設計

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

（2）形體開口

通過分段設置中庭而降低中庭高度，亦或采用中庭的變形，即邊庭來實現有效的自然通風空間組織，以提高超高層建筑微氣候環境。有效的自然通風組織能夠降低建筑制冷能耗，提高建筑內部空間質量，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）形體轉折

通過弱化建筑體轉角處的紊流，使建筑各個方向都能夠實現較好的自然通風及日照條件。上海中心通過風洞實驗及參數化模擬，從多種平面扭轉角度中確定120°為最終轉折角度。這種扭轉可以有效地減少其周圍毗鄰建筑之間的風阻影響，優化區域微氣候，并且這種扭轉大大降低了建筑圍護結構及上部結構所受到的風荷載，加強了建筑整體穩定性。而中南科研設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，并與360°全開敞陽臺相錯位而產生獨特的城市景觀，既實現了對場地的柔美對接和物理環境的積極對話，又實現了內部空間的全方位景致視野（圖8）。

3.2 復合表皮設計策略

作為與外部環境接觸面積最大的建筑表皮，通過其復合化可實現諸多可持續設計策略，例如雙層幕墻系統，光電幕墻，以及種植屋面和集水表皮等。同時，還可實現對場地環境的定向反饋，形成自遮陽、自然采光和自然通風的良性表皮。中南科研設計中心大廈的表皮系統體現了這一設計理念。其幕墻系統的設計可以降低室內的冷熱負荷，通過對自然采光及太陽得熱之間的平衡，將建筑表皮系統設計成一定的折角，并通過結合光伏系統，形成了具有復合功能的建筑表皮系統。其向上30°的表皮部分設置有光伏電池板，充分利用太陽能，產生的電力足以維持整個建筑內部包括辦公空間用電負荷；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荷。

圖9 綠色可持續設計策略一

圖10 綠色可持續設計策略二

3.3 高效的能源與資源利用系統

提高超高層建筑自身的被動式低能耗性能的同時，還應盡量提高其能源和資源利用系統的效率，減少其產生的“廢物”對環境的影響。這就需要超高層建筑發揮其“生物”屬性，開發其“有機體”的特性，形成一個良性的自我新陳代謝的循環圈，可以消化廢物并轉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，超高層建筑可結合都市農業的發展，形成自我閉環的循環體系，也可以消化自身產生的部分“廢物”，而都市農業系統生產出來的食品又可以提供給使用者，節省了對所在區域土地資源的過度開發，減輕食品供給壓力，同時還可通過都市農業系統的生物作用來調節區域微氣候，改善城市熱島效應（圖10）。對于超高層綠色建筑的設計來說，這諸多獨立的可持續性建筑技術并不是全部，因為高效的、可持續的超高層建筑往往不只是采取某一個策略或應用某一項技術，而是系統全面的考慮，并有機融合在整個超高層建筑的設計與構思中。

結語

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

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

（注 本文所用圖片選自項目投標概念設計方案文本，文章內容僅涉及對項目設計策略的思考及運用，在此對參與本方案設計團隊全體人員的付出表示衷心感謝！）

資料來源：

文中圖片均為設計團隊自繪。