生态建筑视角下的高层建筑设计策略

■ 严一凯 YAN Yikai

1 高层建筑的生态转型

首先，人们需要认清一个基本的事实：“高层住宅建筑”这一建筑类型，其本身便是一种与“环保”理念相悖的建筑类型。其原因在于，相比于其他的众多建筑类型，高层建筑在建设、运行以及拆除的“全建筑生命周期”内消耗了数倍于其他建筑类型的能源、材料以及其他的自然资源。这是由“高层建筑”其自身的特点所决定的。

“高层建筑”与“生态环境”之间的矛盾点很大程度上源自于其“高度”。由于高层建筑自身的高度远超其他的建筑类型，这注定了在其“结构体系”的设计和建造中需要更多、更优质的材料来保证“高层建筑”的结构稳定性，以应对随着建筑高度的升高带来的包括“抗震”以及“风荷载”在内的诸多问题。同时，在建造过程中需要消耗大量的额外能源来进行材料和人员输送。这一问题同样也存在于建筑建成之后的运行过程之中，例如大量的电梯能耗等等。

从另一方面来看，也恰恰是由于“高层建筑”其自身的体量特点，使得其具备其他建筑类型所不具备的向绿色建筑转型的潜力。首先，从节约土地资源的角度来讲，高层建筑凭借其高容积率的特点，可以在相对较小的土地上满足更多人的生活需求。同时，“高层建筑”可以在高容积率的基础上实现相对较低的建筑密度，减少了人工环境对于自然环境的影响。配合大体量整合城市交通枢纽，大大稀释了人们城市出行的能耗，等等。

就中国目前的国情而言，高层建筑是解决高速城镇化所带来的人口问题的主要途径，也是今后一段时期必然长期存在的一种状态，而且会呈现出一种逐步增长的态势。因此，寻找一种方法来缓和“高层建筑”对于环境以及生态所产生的负面影响，同时打造适宜人类居住和生活环境，便成为了当代建筑师所面临的一个重要课题。

2 生态建筑的设计内涵

自从人类社会进入现代化的工业社会以来，人类与自然之间的冲突就开始变得日益严峻。大量的人类建设活动使得自然环境遭到严重破坏。近年来，人们已经开始渐渐认识到“生态问题”的严重性，“绿色建筑”以及“城市生态修复”的提出便是建筑学对这一问题所做出的尝试性解答。这对于在建筑设计中平衡建筑与生态环境之间的关系至关重要，并在此基础上又提出了“生态建筑设计”概念。

所谓“生态建筑设计”，可以被简单地理解为一种城市设计以及建筑设计理念，是相对于传统粗犷式设计理念的根本性的转型。而这种转型的基础便是建筑与自然的结合。其主要体现在三个方面：①首先便是技术层面上的“技术转型”，即建筑学需要向建筑环境控制方面投入更多的关注，推动环境控制学与高层建筑研究及设计实践的整合，形成新的“高层建筑生产模式”；②其次便是政府层面上的“政策转型”，通过与“生态保护”相关的立法，以政策导向引导建筑设计向“生态转型”，进而形成“新的政策模式”；③最后便是社会层面上的“意识转型”。无论技术层面还是政策因素，都只能起到引导性的作用，最终取得“环境改善”的是人们对于环保意识以及由意识所决定的生活方式的转变，形成新的“社会生活模式”。

三个层面之间的相互配合与协作，最终目的是形成新的与自然生态系统和谐共存的发展模式。

那么生态建筑设计的内涵又是什么？

广义上建筑可以被理解为一种“人工环境”，其主要目的是为人们提供一种相对稳定且封闭的“空间环境”，借此来保护人们免受外界恶劣环境的影响，并为人们的活动提供必要的条件和场所。但从另一个角度来看，建筑生产的过程又是一种物料的堆积过程，并在这个过程中伴随着不可再生能源的消耗，并在后续的使用过程中对周边环境产生持续的影响。所以，传统意义上建筑与自然之间是存在天然矛盾的，具体表现为，建筑在保障了“人工环境”稳定的同时，也造成“人工环境”与“自然环境”之间的冲突。但如果将“人工环境”与“自然环境”的各个因素之间建立一种深度的整合关系，在保证“人工环境”的基础上实现与“自然环境”之间的平缓过度，那么由建筑所引发的“环境问题”便会迎刃而解。

所以，“生态建筑”便是以将“建筑”通过技术手段与“自然环境”进行整合为目标的设计模式。需要特别指出的是，这里所说的通过技术手段进行的整合，并不意味着对“建筑技术”盲目崇拜。生态设计并不是单纯的“建筑技术”在建筑设计中的应用。现今的“建筑节能技术”研究已经在各个方面取得了一定程度上的突破，并出现了例如太阳能集热器、光伏设备、生物回收系统等不同方面解决建筑所面临的环境问题。但是简单的技术堆砌并不能构成有效的“建筑生态系统”，而是应当将建筑所形成的人工环境，作为一个集成在自然环境中的系统进行“整合设计”，使得“人工环境”与“自然环境”之间产生良性互动。换言之，“生态设计”视野下的建筑设计，不仅仅是为人们提供物质功能的纯粹功能产品，而是应当被看作与自然系统和谐互动并长期共存的“人工环境系统”。

这种设计模式的特点，首先在于建筑与周边环境之间会形成有效的互通关系，这里的互通关系，除了包含传统建筑中“景观”层面上的互通以外，还包含生物层面以及能量层面上的全面互通。其次便是该设计模式所展现出的“系统性”特征。以住宅节能为例，住宅建筑的特点在于单位体量相对较小，且每个住宅单位都有其个性化需求，这也导致了传统的住宅建筑的节能措施往往都是以户为单位的散点式节能方案。而生态住宅则是从环境系统角度出发，多纬度地整合建筑系统与环境之间的关系。

3 高层生态建筑设计的核心问题

3.1 改善物质平衡

就目前而言，用于建筑生产的材料主要以无机物材料为主，而“自然环境系统”的构成则由有机成分和无机成分相互补充、相互协调构成。大量的建造活动正在使得人类所处的生态环境中的“无机物”比例急剧增加，让生态环境越来越显露出无机化倾向。这使得“自然环境”与“人工环境”之间渐渐失衡，并对“整体生态环境”的多样性产生了严重的负面影响。所以，需要通过“生态建筑设计”，平衡“人工环境”与“自然环境”之间的关系。以恰当的方式，提高“人工环境”中的生物多样性，以及建筑与自然之间的“互通性”。

“高层建筑”的特质决定了其必然是一种“无机物”高度集中的建筑形式，所以，针对“高层建筑”设计进行有机物与无机物之间的平衡便显得尤为重要。

3.2 加强系统间的生态联通

改善“人工环境”与“自然环境”之间的“生态联通”，需要从横向和纵向两个方面同时进行。

通过增设开敞空间，为“两个环境系统之间”的互动提供了有效的生态渠道，大大增强了系统之间的活力。从建筑的角度来讲，将更多的“自然因素”引入到建筑空间内部，提高了人们对于环境的适应能力；从自然的角度来讲，也提升了自然物种在不同环境中的生存能力。两者的相互结合保障了生物的多样性，使城市格局更具生态活力。

除了改善建筑环境“水平层面”上的“关联性”之外，生态联系还应当体现在高层建筑内部的垂直空间中。通常的做法是，通过“垂直景观”，在建筑垂直向上的各个空间之间形成有效的整合关系。

建筑与环境之间“生态联通”的意义，是借助自然与建筑的相互渗透，使得建筑的“无机”属性得以向“有机”转化，并通过这种转化，增强“人工环境”在整个“生态系统”中的生命力。

4 高层生态建筑的设计策略

4.1 基地生态环境现状研究

对于建筑场地的分析是一切建筑设计的前提，而“生态设计”的目的，就是为了使“人工环境”可以与场地的“自然环境”产生良性的互动与深度的融合。因此，对于“高层建筑”而言，场地中包含的“生态要素”直接决定了在建筑中解决生态问题的策略导向。

在场地的规划阶段，必须首先了解该地区的“自然环境”特性，然后再在“气候适应性”的基础上对其进行相应的改造工作。每一个场地都有其独特的“自然环境”，可承受的外来压力是有限的，一旦建筑对于“自然环境”所造成的影响超出了场地本身自然环境可以承受的极限，便会造成不可逆的破坏。

那么就需要对场地能够承受“外界干扰”的能力进行相应的分析，这其中主要包括三个方面。首先便是确定该场地的生态结构，能量的主要交互方式，以及对物种的多样性进行分析。继而分析该场地的生态系统的特点，以及该生态系统的脆弱环节。最后，需要对当地生态系统可能造成的影响进行相应的分析。

这项工作量非常巨大，通常需要对场地进行全年的观察以及实验才能够得出相关数据，有时甚至需要数年。为了对这项工作进行简化，建筑师可以借助 “筛图技术”（sieve mapping technique）对场地进行分析（图1）。这使得设计师能够以一种相对简单的方式，将环境信息转化为一系列图层来分析研究其生态状况。首先将场地信息以图的形式分层绘制，并将同层进行重叠，通过设置定位点，便可以评估待建地块与土地使用模式之间的相互作用，并通过评估结果来指导建筑设计以及规划。

4.2 建筑运行中的节能系统

建筑运行过程中的能耗问题一直是“建筑技术”领域的研究重点，在建筑的全生命周期，减少对不可再生资源的依赖，是“生态建筑”设计研究的重要课题之一。其核心在于，如何能够在创造出舒适空间环境的前提下减少建筑能耗。解决问题的关键是对于建筑在运行过程中能耗模式的研究。目前大致可以分为“被动节能模式”与“主动节能模式”两种。

图1 筛图技术分析图

4.2.1 被动节能模式

“被动节能模式”是通过结合地域性的气候条件特点，在不使用任何设备的情况下对室内环境进行改善，对建筑内部能源运行以及分配进行优化的模式。在建筑设计中，使用“被动节能模式”的策略包括，根据当地的气候特征调整建筑方位与方向，优化建筑的自然采光与通风，并配合与之相适应的立面设计手法等等。近年来，随着国内“绿色建筑”领域研究的深入，已经日渐走向成熟并在建筑中广泛应用，已经成为了建筑节能领域中的首选策略。

“被动式节能建筑”要求，将“节能理念”与建筑设计，从初期概念到后期细节深化的全设计过程进行深度结合。例如，在建筑规划、形式以及空间组合设计的初期阶段，便要因地制宜地贯彻“被动节能”的理念。

被动式节能建筑的优点在于：首先，由于其体现出针对特定地区的“气候适应性”，这不仅能够使建筑可以利用当地的“气候条件”营造舒适的室内环境，同时还能通过建筑对所在的微环境起到一定的优化作用；其次，由于其不依赖传统能源，这意味着即使是在能源不足的情况之下，依然可以保持相对稳定的室内环境。例如，在高层住宅建筑中，利用电梯核心筒，垂直交通空间和服务管道的位置作为内部空间与外部环境之间的热缓冲区，即使在没有电力或外部能源时，室内环境亦不会让住户无法忍受，并以此来实现建筑的整体节能。

在被动节能的基础上加入“机电系统”参与，并消耗一定的常规能源的建筑运行模式便形成了“半被动节能模式”。有别于传统建筑中所使用的完全依赖机电系统的“全能耗模式”，其目的在于在“被动节能模式”的基础上优化室内环境。例如消耗一定常规能源的拔风系统等等。

4.2.2 主动节能模式

“主动节能模式”的特点在于建筑自身可以实现完整的或部分的能源“自足”，这也是最接近“生态建筑”理念的一种“建筑运行模式”。自然界中的生态系统通常利用太阳能，通过绿色植物的光合作用转化为化学能，驱动生态循环。“产能模式”便可以被视作为通过技术手段来实现能源自给自足的建筑运行模式。例如，太阳能集热器装置系统，以及光伏系统等等。需要指出的是，“主动节能模式”虽然从理论上是相对较为完美的“建筑运行模式”，但受限于技术壁垒，其还是处于一个相对的初级阶段。通常的情况下，要实现建筑的自给自足，需要配合复杂的大型设备，而设备的增加也同样增加了建筑的无机含量，包括常规能源消耗和物质资源的使用，这些都会对环境产生负面影响。

以上仅仅是对建筑中运用的“运行模式”进行简单粗略的介绍，建筑师在实际运用的时候，需要对以上的各种模式加以灵活的组合运用，以达到理想的节能效果。

4.3 绿色材料及绿色组件

建筑材料作为构成建筑的物质载体，同样也是影响建筑“生态性能”的主要因素。在“生态建筑”设计中，要求建筑材料及相关构件具备一定的“可回收性”，这也为今后建筑垃圾的处理提供了条件。

自然系统的运行过程是不存在浪费行为的，一个物种消耗一定的物料与能量，随之排出剩余物料，紧接着这种剩余物料又会被其他物种加以利用，自然界便是以这样的一种方式进行着内部物质以及能量的循环。如果将这一思想加以抽象，并进一步运用于建筑设计理念，那便是对建筑产生的废弃物进行相应的处理，建筑自身的废弃物会被持续地重复利用，并在整个“人工系统”内部形成循环。或是在最终排出建筑人工系统的时候被“自然环境”顺利接纳，在建筑内部和建筑与环境之间形成一个有效的循环系统，从而有效降低建筑中对于材料和能源的浪费，以及提高不可再生能源的利用效率。

从环境控制的角度来看，需要考虑建筑的组件及其产生的废弃物如何被重复使用和回收。这将决定材料的使用方式、材料种类、材料的生产方式以及建造过程中构件之间的连接方式等等。例如，为了便于重复使用，高层住宅中组件之间的连接使用可重复拆装的连接以便于拆卸，并配合构件的模块化，以便于在适当条件下重新使用。

5 建筑实例——新加坡THE EDITT TOWER（EDITT 大厦）

EDITT大楼是国际著名建筑设计师杨经文的作品（图2）。整体方案的设计初衷是为了满足新加坡国际博览会期间的办公用途，其中还包含了零售区域、展览空间和报告厅，以及更高级别的传统开放办公空间。同时，为了应对博览会结束后的建筑功能转变，其设计允许将来转变为办公室或公寓。

在建筑设计方面，该方案呈现出一个崭新的概念，其通过对竖向空间的塑造，希望可以将原本属于街道的市民生活在竖直方向上得到延伸。同时，该项目探索并演示了高层生态建筑设计的基本原则与策略。由内部空间所展现出来的空间、交通，以及与自然之间的有机结合，完美阐释了“生态建筑”的概念。

在设计中，设计师首先面对的问题便是如何突破高层建筑空间与街道空间之间的隔阂，使两者之间的联通变得顺畅有序。传统高层建筑模式是在一个封闭空间内，通过楼板进行重复性的空间划分。而在本项目中，杨经文先生则更加注重“竖向空间”的打造，通过宽大的景观坡道，将街道生活从水平方向引向竖直方向的延伸。一直延伸至6层的坡道上，有包括摊位、商店、咖啡馆、表演空间和观景台在内的一系列街道空间元素。这样一来，坡道创造了一个从公共逐渐走向私密的连续的流动空间，从而缩短了从街道空间到高层建筑空间之间的感知距离。

图2 EDITT大厦立面图

图3 EDITT大厦雨水收集系统图

新加坡常年处于炎热的气候中，为了加快建筑的冷却，建筑外立面利用大量的植物形成了螺旋状的景观立面。同时，屋顶雨水收集器以及与之相配合的立面雨水收集器，形成了雨水收集和循环系统，配合东立面的遮阳板以及光伏面板，共同形成了该项目极具艺术表现力的外观（图3）。

在项目设计的前期，通过对于该项目所处基地的考察与分析，确认该基地位置已经遭到了严重的生态破坏，原有的地表土层以及动植物都已经不复存在。所以，该项目的建设除了需要满足人们对于建筑功能的需求之外，还需要承担“城市生态修复”的任务。

通过高绿化率的空中露台，以连续景观坡道的形式，从地面一直延伸到屋顶。连续的植被几乎占到了建筑面积一半的体量，这使得整个系统中的自然植被占比非常之高。植被的增加有助于通过植物的蒸腾作用辅助建筑降温，园景坡道与不断变化的形体规划相结合，形成了独特的建筑形式。

除此之外，由于该项目未来将会经过改造以适应其他用途，杨经文先生便通过该项目展示了一个名为“loose-fit”的概念。通过使用可以自由拆装重新组合的隔墙，可以反复使用的模块化构件以及链接构件，保证了建筑材料在未来可以实现重复利用。这将使建筑可以应对变化和在生命周期内具有强大的改造潜力。

该设计方案通过对于“生态设计”的系统把握，全面提升了“高层建筑”的生态性能。除了与雨水的回收利用相关的水循环系统之外，该项目还整合了包括污水回收、太阳能利用、建筑材料回收和再利用，以及自然通风等在内诸多层面的设计。最大限度地平衡了建筑能耗与环境保护之间的关系。

可以说虽然整个方案的概念性较强，但是这标志着人们对生态设计的态度，并为未来项目的发展奠定了基础。

6 结语

在高层建筑设计中融入“生态建筑”的理念，既可以节约能源，保护自然环境，实现城市的生态修复，又可以为城市中的人们创造良好的生活氛围，并将自然融入到城市生活中来，形成城市自身的特色。因此，现时代的建筑设计师们需要建立起良好的生态环保意识，最大限度地将设计弊端排除，使绿色生态建筑发挥其价值，也使城市在这样的高层建筑中更具活力。