基于碳中和理念的城市空间漂浮设施设计研究

李靖 杨奥茹

（1.韩国国立釜庆大学海洋融合设计工学系，釜山 48513；2.燕京理工学院艺术学院，廊坊 065000）

城市是复杂的生态系统，由物质和空间组成，包括正负空间。公共空间是其中的一部分，由公园、图书馆、娱乐场等构成。根据联合国人居署2015 年的文件[1]，“公共空间”是建筑物之间的公众开放空间，如街道、道路、绿地公园和图书馆等。然而，在城市中，人们很少关注到“负空间”。负空间的性质因城市的城市化程度而异，但当它们被忽视时，可能会给城市带来社会、经济和环境问题[2]，特别是城市中被忽略的水上空间。全球气候变暖导致气温升高和海平面不断上升，影响了全球所有沿海城市的生存空间。水上空间除了景观休闲和航运等使用外，还有大面积的剩余空间可利用。文章从水上空间利用的公共性、城市的地域性和社会性等方面进行探索，以确定在城市水上空间打造漂浮设施的可能性，并从地域性特征、功能与形态、可持续设计等方面综合分析碳中和理念对水上公共设施设计的影响，探讨节能减碳和可持续发展等因素[3]，融入碳中和理念提高城市空间漂浮设施的可持续性效益。在碳中和理念的背景下，展开城市空间漂浮设施设计研究，对于人们生活观念及方式转型来说有重要意义。

1 碳中和理念概述

碳中和的概念起源于20 世纪90 年代的欧洲环保组织[4]。碳中和理念是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过使用低碳能源取代化石燃料、植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对的“零排放”。与零碳理念不同的是，碳中和理念更加务实可行，它强调在减少碳排放的基础上，采取其他措施来抵消未能避免的碳排放。

2 国内外城市空间漂浮设施设计的现状与存在问题

2.1 国内外城市空间漂浮设施设计的现状

2.1.1 国外城市空间漂浮设施设计的现状

全球气候变暖与海平面的上升对于沿海国家和城市的威胁风险与日俱增，于是人们将目光投向水上空间以扩展更大的栖息空间。以荷兰、日本为代表的沿海国家建造水上房屋设施为人们提供了极大的便利，这种设施可以轻松适应海平面的变化。1960年首次提出的漂浮城市概念，以及美国在1974 年先行提出的夏威夷浮城开发计划，表明优质混凝土对于海上大型浮式平台的应用是可接受的和经济的，能够满足设计和质量控制要求与混凝土技术的现状，为漂浮城市的基础设施建设奠定了理论基础[5]，促成了世界范围对漂浮城市的构想和研究，但现阶段为止尚未有成功建造的大规模案例，只有部分国家展开了社区规模的可行性研究，如表1 所示。

表1 国外漂浮城市代表案例

饱受洪水侵扰的荷兰率先进行了大胆的尝试，阿姆斯特丹的大型漂浮住宅项目 Waterbuurt[6]，由100座浮动房屋组成的街区和码头，有效地利用了城市的水面剩余空间；近几年知名的浮动城市项目是建筑师比亚克·英格尔斯（BIG）与联合国人居署以及蓝色科技公司 OCEANIX 合作开发的 Oceanix City[7]，计划在韩国滨海城市釜山建造，该项目计划能源、水食物自给自足和资源可持续循环利用以达到碳中和的目的。

2.1.2 我国城市空间漂浮设施设计的现状

我国的漂浮城市研究还处于起步阶段。围海造地和固定式水上平台是目前沿海水域开发的主要方式，虽然可以创造更大的新空间，但也会对生态环境造成较大的破坏，且难以长期应对海平面上升的威胁。

中国中交第四航务工程勘察设计院有限公司（CCCC-FHDI）与英国（AT Design Office）合作设计了一个海洋生存空间的概念研究——“漂浮的水中城”。在技术层面借鉴了荷兰的漂浮房屋Waterbuurt与港珠澳大桥水下隧道部分的混凝土预制沉管技术，可以确保面积为10 平方公里的浮岛能够漂浮在水面上，具备完善的交通系统和碳中和能源循环利用系统，能够高效地适应环境变化。

2.2 国内外城市空间漂浮设施设计存在的问题

2.2.1 设计规划不合理

无论是陆地公共设施还是漂浮设施，在设计建设之前要合理科学的规划设计，在不破坏原有城市风貌的前提下做好规划设计。另外，如新老城区公共设施建设的矛盾，老城区人口密度大，空间资源少，老龄化人口多，新城区反之，因此公共设施的规划、设计都要以人为中心展开实施，要遵循人口结构性分布和具体需求来设计规划。区域针对性不强造成的问题主要有规划不合理、功能单一、可持续利用性差等[8]。

2.2.2 过度化设计与功能结构单一

城市中公共设施的形象，一定程度上代表着一座城市的文化内涵及发展能力水平，近十几年城市化的飞速发展，过度的外观设计和超量的建设布局消耗了大量的空间资源和经济资源，不合理的设计还带来了环境问题。这种过度消耗资源和大量的人力、财力、物力投入是不符合可持续性城市发展的。

如果城市形态中的各种元素被精心、合理地设计并集中在一起，它们将呈现出集群化的特征，并且会具有触媒效应，从而推动区域生态环境朝着积极的方向发展。功能结构单一的公共设施布局在城市中弊端明显[9]，孤立的存在使得他们难以形成良好的文化区域圈。

2.2.3 可持续性考虑不足

传统公共设施的可持续性不足主要表现为：（1）能源消耗量大，不具备清洁能源或者能源自给自足的功能，如一些照明类的公共设施，在不使用的情况下也依然会产生能源浪费；（2）建设、维护、更新和回收需要消耗大量的人力物力，没有将产品的全生命周期考虑其中，在造成资源浪费的同时，也使得公共设施的使用效率低；（3）无法适应本地区的规划和碳排放策略，公共设施的建设分布不均和更新不平等，导致有些地区得到过剩的资源和投资，另一些地区被忽略的情况，无法做到有机的动态调整，这可能会导致城市空间资源利用不合理，使城市的可持续发展受到限制。

3 基于碳中和理念的城市空间漂浮设施设计思路

3.1 外观设计

3.1.1 轻量化与简约设计

漂浮设施的外观造型融入轻量化与简约化设计的理念不仅体现了自然、质朴、简约的理念，而且与零碳理念相呼应[10]。通过轻量化设计，材料的选用和结构的优化使得漂浮设施在满足功能的同时减少了重量，降低了能源消耗和碳排放。简约化设计突出了设施的核心功能，减少无用装饰构件和功能，轻量化与简约化设计不会使产品的实用性损失，反而能够更好地实现环保和节约资源的目标。

3.1.2 小型化设计

在城市碳排放指标中，运输交通排放占有重要的份额，因此将设施外形的小型化理念应用于漂浮设施具有积极意义。小型化设计有助于降低整体设施的体积和重量，减少运输过程的成本和碳消耗。同时小型化的设施设计在加工制造时也能节省材料加工的成本与施工碳排放，不仅提高了生产效率，还有助于控制碳排放。

3.2 结构设计

3.2.1 加工制造

在设计制造之初，建立零碳发展的设计理念非常重要，漂浮设施寿命的延长能够有效减少资源浪费和碳排放[11]。首先在延长使用寿命方面要考虑设施的可靠性和耐用性；其次要考虑设施的结构部件通用化替换和模块化组装设计，以达到延长使用寿命的目的；最后要考虑整个设施生命周期的回收再利用情况。

3.2.2 结构优化

在结构设计中，优化产品结构是实现零碳理念设计节能减排的重要途径之一。其中，简化结构是优化结构的解决方案之一，需要配合结构优化、装配优化和材料选用等方面进行设计。通过优化内部装配的布局和空间，可以使产品更加轻巧，简化生产流程，降低碳排放量的同时也能减少生产成本。另外，构件的模块化设计应以实用性为主要特征，通过增加产品的使用寿命，减少资源浪费。同时，零部件的通用化设计可以简化维修和装配的可操作性，从而直接或间接减少资源的浪费和碳排放，有效延长产品的使用寿命，提高产品的利用率。

3.3 技术设计

在能源技术创新和利用上，应根据当地的环境特征采取以下几点设计策略：（1）漂浮设施的能源输入应以清洁能源为主，充分利用风能、太阳能、波浪能和生物质能等；（2）漂浮设施应采用零垃圾系统，人造垃圾进行分类集中回收处理，有机垃圾应设置回收处理装置进行循环回收，转化为生物质能；（3）设施中融入AI 与大数据分析，通过外部传感器感知能源、气候、城市公共信息等数据动态调整设施的内部配置。

3.4 功能设计

漂浮设施需要考虑城市的水文环境和人口结构性分布，可利用模块化设计、灵活可移动等特点，根据气候变化、人口分布结构、市民文化娱乐需求变化进行功能的调整。同时，漂浮设施在设计规划时将文化性、公共性、社会性融入功能设计中[12]，利用公共设施将城市中的水上空间串联到一起，完善公共设施的形式与内容，同时彰显城市的地域特征。

4 基于碳中和理念的城市空间漂浮设施设计实践

4.1 项目概况

釜山市土地资源紧张，因此选择利用市中心水营河段的水上空间进行漂浮设施的建设试点。水营河连接釜山南部海域，除了码头等固定设施外，还有大面积的水上闲置空间可供开发使用，同时具备建设条件，通海河道也便于从港口运输建造材料。因此，漂浮设施的开发可以充分利用水上空间解决城市土地资源紧张的问题。尽管该地区在商业、文化和城市形象方面具有显著的地理优势，但土地和空间资源短缺问题也十分严峻。不过，中央水营河水域面积广阔，提供了可供利用的水上剩余空间。漂浮设施在这一地区的应用非常适合，不仅可以缓解空间资源紧张的问题，还可以为该地区增添美丽的水上景观。

4.2 外观设计

漂浮设施的整体外观以轻量化和简约设计理念为主，主体结构使用材料以釜山港废弃的标准型航运集装箱为主，一层采用40ft 标准集装箱改装，二层建筑使用20ft 较小的集装箱改装。整体外观设计在集装箱外立面做基础门窗切割改动，颜色以海蓝色为主（如图1），整体外观以三角形模块为主，使用三角形方便设施间实现各种类型的组合，整体外观设计以简约化为主，同时利用集装箱的结构特点进行合理的排列组合，去除无用的装饰构件[13]，整体构件减重30%，减少材料的浪费和二次污染。

图1 漂浮设施选用的集装箱外观造型

4.3 结构设计

漂浮设施的结构类型主要有半漂浮型结构和全漂浮型结构[14]。半漂浮型结构：多用于长波海况的大型远海平台（如图2a），此类结构使用管柱或者平衡结构构件保持平台在水面之上，如风电平台、钻井平台等需要承受风浪的特种作业设施；全漂浮型结构整个平台结构都漂浮于水面（如图2b），水下不需要刚性固定支撑，这种结构常使用大型浮箱或浮球作为浮体保持浮力支撑，具有较好的稳定性和可移动性，且结构间进行模块化链接可以使稳定性呈比例提升。但该结构无法承受复杂的海况和气象条件，适合在内河、湖泊、避风海湾或港口放置。水营河属于通海内河，水文环境相对稳定，且漂浮设施的使用频率较高，需要进行频繁拆卸和移动，或者需要快速响应紧急情况，因此选用可移动性和灵活性较好、易于安装和拆卸的全漂浮型结构。

图2 漂浮设施的结构类型

漂浮设施结构上采用模块化、通用化设计。设施的主体主要分水上、水中、水下三大部分组成，即上层建筑（主要由集装箱构成）、浮体（混凝土预制结构浮体）、水下固定锚。上层建筑主要分为两层，一层的40ft 集装箱作为主体，二层20ft 集装箱与一层呈垂直搭建，一二层空间使用楼梯连通，二层空间结构利用集装箱原有门结构改造的阳台，既增加了功能又具有美观性。二层集装箱顶部同时进行了斜顶改造，为适应不同太阳角度加装了太阳能板。上层建筑内部可满足多种使用需求，如居住、餐饮、购物、展览、商务活动等。浮体使用混凝土预制浮筒技术制作，在满足承载上层建筑的同时内部设置了废物循环系统、水电管路、储能模块等保证漂浮设施运转的部件，浮体上层铺设了厚度约30cm 的土壤层，可种植景观植物，浮体下方设置了水力发电装置，可以利用水营河的水流进行飞轮蓄能发电。漂浮设施间根据水文环境可以选择采用有间隙和无间隙链接（如图3）。漂浮设施所有构件基本都保留了标准集装箱的原始结构件，以实现构件通用化效果。构件的模块化和通用化可以减少材料、能源的浪费和运维成本，达到设施建造的节能减排和减少成本（如图4）。

图3 漂浮设施模块间的链接结构

图4 漂浮设施结构示意

4.4 技术设计

作为全球主要港口城市之一，釜山的碳排放量也高居不下，2018 年的釜山排放了1 548 万吨温室气体，釜山的碳中和不是一种选择，而是必然。因此，漂浮设施采取了碳中和设计技术措施。

首先，漂浮设施的能源可以实现自给自足，能够实现多种清洁能源的输入，利用水营河的通海、双向潮汐流动性水文优势，在水下布置双向水流发电机组和飞轮蓄能器，水上布置垂直风力发电机，在设施顶层配置太阳能发电机组，产生的清洁能源足以满足单个设施模块的日常使用。

其次，关于废物的循环利用，漂浮设施的设计将使用零垃圾系统，这是一种将垃圾转化为能源、农业原料和回收材料的闭环过程，以管理和减少“碳足迹”。在设施的浮体下方设置厌氧消化池、收集系统和藻类过滤水循环装置，通过有机肥料堆肥，可以为设施内部的绿植提供养料。

最后，融入AI 与大数据分析技术，在设施内布置能源智能调节系统和城市天气、交通信息显示牌等，可以在城市设施指挥中心实时监控漂浮设施的各项指数，甚至在漂浮设施浮体中可以加装动力装置，在水域内远程控制移动。

4.5 功能设计

为了在城市中实现漂浮设施的可持续发展，它的形式和功能应该定位清晰且具有多元化设计，同时结合实际区域的需求进行丰富扩充，以推动城市区域的有机多元发展。以釜山水营河漂浮设施设计为例，可以看到在设计中充分利用了模块化设计的优势，单体设施模块之间可以相互连接组合形成集群化公共设施群（如图5、图6）。为了解决该区域每年电影节、庆典活动场地过于拥挤、交通容易堵塞等问题，漂浮设施应该划分为多个功能区，例如休闲餐饮、电影节文化体验和公共休息等区域模块。此外，漂浮设施还应充分发挥它机动性强的特点，根据城市文化活动需求进行灵活动态迁移。这不仅可以解决区域空间资源不足的问题，还可以丰富市民的多元化需求。

图5 水营河漂浮设施的模块化、集群式布局组合

图6 水营河漂浮设施布局示意

5 结论

应对全球化所带来的挑战，特别是海平面上升和土地资源稀缺等问题日益突出。在这一背景下，文章强调了城市水上空间漂浮设施设计的重要性，以碳中和理念为指引，探索了低碳理念在城市空间漂浮设施设计中应用的可行性。通过釜山的设计研究案例，将碳中和理念应用于漂浮设施设计，从漂浮设施在水上空间利用的公共性、地域性和社会性等方面因素入手，结合漂浮设施设计的建造生产、外观结构和可持续性设计等要素，提出新的设计思路。这一研究的创新之处在于它将碳中和理念与水上空间开发相融合，强调了漂浮设施在推动城市碳减排和可持续发展方面的重要作用。然而，研究也具有一定的局限性，如在设计实践中研究的特定性及零碳设计在实际应用中的挑战。未来需要设计研究者、生产商和市民共同努力，扩大研究范围，深入分析设计实施细节，进一步探索社会的接受度，推动城市漂浮设施设计的优化，实现城市能源结构向高效碳中和的方向发展。