超高层建筑的绿色及可持续性设计策略探寻——以中南科研设计中心概念方案设计为例

吴宇强

谢子为

1 背景分析

1.1 超高层建筑的发展现状

从19 世纪末芝加哥出现的第一幢摩天大楼以来，超高层建筑已成为大都会的标志性象征。近年来随着我国城市化进程的加快，由于经济发达和人口密集城市的更新，促使城市建筑不得不纵向发展以寻求更多的空间解决策略。高密度城市不论是从人口密度上还是从建筑密度上都达到了一定的密集程度，因此形成了高空间密度和高感知密度。如今我国已建成和在建超过150m的高层建筑近800幢，不仅包含单一功能建筑，还有不少多业态综合体。这些高密度区域的土地资源和价值高度集中，超高层建筑鳞次栉比，成为都市风格和文化特征的集中体现（图1）。

1.2 超高层建筑的综合特质

超高层建筑的发展不仅仅具有提高建筑密度、允许混合使用土地和容纳多种建筑类型等特点，还关系到整个城市的纹理脉络和文化传承。超高层无论在设计意图和外观造型，抑或是系统性能和资源利用等方面都会在很大程度上影响到城市的综合品质（图2）。高度集约的城市空间，公共绿地也是高度集约的，这就带来了通过弱化功能分区创造的一种混合城市功能，即在同一个地块中，居住、商业、文化、休闲等功能可以有机共存，同时地下多层空间承载着区域的交通命脉。这种看似混杂无序的功能划分，带来了生活的便捷，步行十分钟的半径之内可以找到超市、餐馆、图书馆、电影院，以及地铁的出入口（图3）。

1.3 超高层建筑的研究方向

在崇尚生态建筑的今天，建筑师们对超高层这一极端高密度建筑的绿色及可持续性设计的探索从未停止过。超高层建筑作为高密度城市大规模、集约化建设的代表，其绿色生态及可持续的发展模式及趋势，也成为了建筑师们深入探讨的行业热点。绿色与生态理念贯穿于超高层建筑设计（图4），将大幅降低建筑的材料消耗、能源消耗、环境影响，因而也将产生巨大的经济和社会效益。超高层建筑的绿色设计不仅仅在于使用了什么可再生能源，堆砌了多少低碳技术，更多地应该是以针对实际建筑物如何实现高效运作和最优品质为目标。然而，超高层建筑因其巨大的体量，仍有许多问题急需开展相关研究。例如：①超高层建筑与城市的联系：如何降低高密度的人员流动与城市区域功能对接，以及与城市公共交通系统的联系成为主要问题；②超高层建筑对环境的压力：超过土地单位面积资源承载力，对周围环境影响大，可能造成交通拥堵；玻璃幕墙容易造成光污染；容易增强热岛效应，恶化区域微气候；③超高层建筑的空间效率：核心筒与标准层的面积比例较高，影响到未来超高层建筑的租用效率和空间质量。

2 绿色及可持续性的超高层建筑设计策略的适应性原则

2.1 超高层建筑与场地环境的物理关系

超高层建筑在设计和选择场地规划和主体形式时，应特别注意对周围环境的影响。这些影响涉及风环境、光环境、热环境和声环境。应基于计算机模拟分析，尽量避免对周边城市敏感区域的不利因素，创造有利条件，对周边的环境促成有益的影响（图5）。

2.2 设计策略的基本目标生成

超高层建筑的绿色及可持续性设计是将设计策略和技术手段运用到建筑设计中，采用形态、空间、能源、材料等手段，达到降低建筑能耗、降低对自然环境不利影响的目的，做到人、建筑与环境的和谐共生。

2.3 设计策略的基本要点综述

做到绿色生态的超高层建筑应满足以下几个基本要点：首先，建筑应与周围环境相协调，不对自然环境造成污染和破坏，不对既有场地的社会环境产生严重的影响，提高超高层建筑的可持续性；其次，在建筑空间的设计和技术手段的应用上应尽量采用被动式基础策略，通过建筑空间的划分、构造措施，充分利用自然通风、天然采光，降低超高层建筑的用能需求；第三，应结合立体绿化等，营造宜人的使用空间，使人们能够充分享受建筑与绿化结合所赋予的愉悦和舒适（图6）。

3 绿色及可持续性的超高层建筑设计策略的实施体系

3.1 形体设计策略

（1）形体收分

图1 立面效果图

图2 夜景效果图

图3 形体及功能设计

图4 空中客厅效果图

图5 基地物理环境

图6 立体公共空间示意图

图7 立体形象设计

图8 空间视觉设计

通过形体收分可以削弱恶劣风力条件对形体的结构荷载，优化自然通风，改善室内环境，最大限度地减少材料的使用和能源的消耗，基于计算机模拟分析及风洞试验可以辅助超高层建筑形体来实现这一目的。建筑的形体均为流线型并锥形上收，并在不同高度设置局部开槽，通过转角曲面柔和处理的角部能够减少超高层建筑对周围环境产生的紊流，营造适宜的室外空间，这种处理还能够减少风压对玻璃幕墙的威胁，从而提高整栋建筑的安全系数。

（2）形体开口

通过分段设置中庭而降低中庭高度，亦或采用中庭的变形，即边庭来实现有效的自然通风空间组织，以提高超高层建筑微气候环境。有效的自然通风组织能够降低建筑制冷能耗，提高建筑内部空间质量，并提供宜人的空中庭院供人们交流休息，削弱超高层建 筑的巨大高度对使用者的心理压力（图7）。

（3）形体转折

通过弱化建筑体转角处的紊流，使建筑各个方向都能够实现较好的自然通风及日照条件。上海中心通过风洞实验及参数化模拟，从多种平面扭转角度中确定120°为最终转折角度。这种扭转可以有效地减少其周围毗邻建筑之间的风阻影响，优化区域微气候，并且这种扭转大大降低了建筑围护结构及上部结构所受到的风荷载，加强了建筑整体稳定性。而中南科研设计中心大厦由两栋为48层和24层的折线高层组成，从低部到顶部角度之差接近15°，通过在不同高度的不同角度扭转，并与360°全开敞阳台相错位而产生独特的城市景观，既实现了对场地的柔美对接和物理环境的积极对话，又实现了内部空间的全方位景致视野（图8）。

3.2 复合表皮设计策略

作为与外部环境接触面积最大的建筑表皮，通过其复合化可实现诸多可持续设计策略，例如双层幕墙系统，光电幕墙，以及种植屋面和集水表皮等。同时，还可实现对场地环境的定向反馈，形成自遮阳、自然采光和自然通风的良性表皮。中南科研设计中心大厦的表皮系统体现了这一设计理念。其幕墙系统的设计可以降低室内的冷热负荷，通过对自然采光及太阳得热之间的平衡，将建筑表皮系统设计成一定的折角，并通过结合光伏系统，形成了具有复合功能的建筑表皮系统。其向上30°的表皮部分设置有光伏电池板，充分利用太阳能，产生的电力足以维持整个建筑内部包括办公空间用电负荷；而其向下15°的表皮部分将直射光的辐射和眩光降至最低，最大化降低建筑空间的冷热负荷。

图9 绿色可持续设计策略一

图10 绿色可持续设计策略二

3.3 高效的能源与资源利用系统

提高超高层建筑自身的被动式低能耗性能的同时，还应尽量提高其能源和资源利用系统的效率，减少其产生的“废物”对环境的影响。这就需要超高层建筑发挥其“生物”属性，开发其“有机体”的特性，形成一个良性的自我新陈代谢的循环圈，可以消化废物并转化成可自身利用的资源，雨水回收和中水利用就是两个典型的方式（图9）。此外，超高层建筑可结合都市农业的发展，形成自我闭环的循环体系，也可以消化自身产生的部分“废物”，而都市农业系统生产出来的食品又可以提供给使用者，节省了对所在区域土地资源的过度开发，减轻食品供给压力，同时还可通过都市农业系统的生物作用来调节区域微气候，改善城市热岛效应（图10）。对于超高层绿色建筑的设计来说，这诸多独立的可持续性建筑技术并不是全部，因为高效的、可持续的超高层建筑往往不只是采取某一个策略或应用某一项技术，而是系统全面的考虑，并有机融合在整个超高层建筑的设计与构思中。

结语

综上所述，超高层绿色及可持续性的建筑设计策略可分为方案设计和技术设计两个阶段，它们考虑问题的方式和范围不同，但却延续和承接着相同的原则和目标。在超高层建筑的方案设计阶段，需要通过设计策略来定位和主导项目的发展方向，以确定是否需要以及需要多大程度的技术支持来补充和提高超高层建筑的可持续性。而在技术设计中，则需要采用多目标综合评价，优化不同的技术方案，统筹考虑各方面的诸多问题。

然而，如果从设计策略的广度来考量，面对当前的环境危机，在解决了高效利用土地之后，如何高效利用所在区域的能源和资源，不对周围环境造成过大的压力和负担，也就自然成为了今后超高层建筑绿色与可持续性设计策略的倚重之处。

（注 本文所用图片选自项目投标概念设计方案文本，文章内容仅涉及对项目设计策略的思考及运用，在此对参与本方案设计团队全体人员的付出表示衷心感谢！）

资料来源：

文中图片均为设计团队自绘。