解決城市中的全球重大挑戰(zhàn)

Andrew Ka-Ching Chan, FREng

Chairman, Arup Group Trusts

解決城市中的全球重大挑戰(zhàn)

Andrew Ka-Ching Chan, FREng

Chairman, Arup Group Trusts

1.引言

在第二屆全球重大挑戰(zhàn)峰會的開幕式中，許多著名的演講者已經(jīng)談?wù)摿宋覀儗⒁媾R的一些問題并提出了可能的解決措施。毫無疑問，我們將會看到各個行業(yè)中的信息通信技術(shù)(ICT)和其他技術(shù)的發(fā)展，也會看到隨之而來的解決重大挑戰(zhàn)的機遇。如果我從自己的研究領(lǐng)域——建筑環(huán)境設(shè)計工程的視角來觀察，那么我也能看到同樣的事情：我們的思維正飛速發(fā)展，其中很多發(fā)展都在交叉學(xué)科的驅(qū)動下完成，遠超出傳統(tǒng)工程和建筑學(xué)的范疇。

下面我想與你們分享一下我們的城市在解決這些重大挑戰(zhàn)時所扮演的角色。

2.我們的城市——我們共同的未來

快速的城市化意味著到2050年地球上將有四分之三的人口在城市居住。從今天(2015年9月15日)算起，每個月都有550萬人口向城市遷移。而且到2050年，地球上有可能會增加20億人口，他們中大多數(shù)都會在城市居住。

人口超過1000萬的超級城市的數(shù)量已經(jīng)由1950年的1個增加到現(xiàn)在的35個，而且世界上人口超過100萬的城市已有560個。大城市的數(shù)量在急劇地上升，而且大部分都集中在發(fā)展中國家。這將是一個巨大的挑戰(zhàn)。

我們知道城市人口消耗了地球60 %的飲用水和75 %的能源，城市的溫室氣體排放量占全球溫室氣體總排放量的80 %，這是一個嚴(yán)峻的問題。大多數(shù)城市在天災(zāi)人禍面前是毫無抵抗力的，更不用說像交通堵塞和空氣污染這些更緊迫的問題。

但是，這也是推進城市發(fā)展的一個好機會。要使我們的城市更安全、更高效、更可持續(xù)、更有彈性，最好的辦法就是通過合作——城市 之間的合作。

例如，我創(chuàng)建的公司在過去幾年一直在參與很多國際合作，如洛克菲勒基金會的“100座最具彈性城市計劃”、聯(lián)合國人類住區(qū)規(guī)劃署(UN-Habitat)和世界經(jīng)濟論壇“CEO氣候領(lǐng)導(dǎo)小組”。 “C40城市氣候領(lǐng)袖群”(C40 Cities Climate Leadership Group)最開始只包括40個城市，現(xiàn)在已經(jīng)增加到63個，這些城市都是世界上最大的城市。這些合作以及其他很多類似的合作都在為我們的美好未來開拓道路。這些國際合作旨在策劃方案并預(yù)測可能成功的結(jié)果，然后向世界上每個城市的政府傳遞城市規(guī)劃建設(shè)的知識和經(jīng)驗。

那些面臨相同挑戰(zhàn)的城市可以互相學(xué)習(xí)和借鑒應(yīng)對措施，不必每次都自己設(shè)計解決方案，例如：

? 新奧爾良和馬尼拉正在建設(shè)抵御災(zāi)害的基礎(chǔ)設(shè)施；

? 洛杉磯和珀斯正在學(xué)習(xí)如何緩解城市擴張；

? 卡塔爾和孟買正在實施新的水資源管理方案；

? 香港和東京正在策劃如何提高能源效率；

? 柏林和倫敦正在改裝它們的基礎(chǔ)設(shè)施，使之在人口密度很高的時候更宜居。

在過去的幾十年內(nèi)，大部分城市在加快步伐應(yīng)對氣候變化，特別是那些參與了“智慧城市行動倡議”的城市[1–3]。

快速城市化也許帶來了很多挑戰(zhàn)，但是城市之間的全球性合作可以加快創(chuàng)新步伐，這樣下一代城市將會更美好。實現(xiàn)城市之間的全球性合作是當(dāng)務(wù)之急。

3.加倍建設(shè)世界基礎(chǔ)設(shè)施

為了與國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的增速齊頭并進，我們從2015年到2030年共需要57萬億美元的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金[4]。

這57萬億美元比我們現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的總估值還多。換句話說，我們可能需要在下一個15年內(nèi)使世界基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量翻一番。

因此，這是我們總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)以使城市變得更美好的一個時機，否則再過幾十年我們的城市將會衰落直至消失。

我們都希望看到一個更智能、更可持續(xù)、更美好的未來。為了 建設(shè)這樣的未來，我們的社會、經(jīng)濟和環(huán)境需求都要依存共生，我們也要設(shè)計建造相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。

4.展望未來——建筑、交通和城市形態(tài)

緊湊型城市是發(fā)展中城市的典范。在緊湊型城市中，建設(shè)高密度的超高層綜合大樓能提高能源利用率，同時提高公共交通系統(tǒng)的效率。我們可以從建筑、交通和城市形態(tài)這三個方面來認識這樣的城市。

4.1.建筑

在一個城市中，建筑物對城市總能源消耗和溫室氣體(GHG)排放的貢獻非常大。在一些城市，如香港和紐約，建筑物的耗電量占全市供電總量的90 %甚至更多。

因此，建設(shè)高效能的超高層大樓是非常重要的。這個目標(biāo)不僅能使我們的資源得到更有效的利用，而且也能使城市環(huán)境變得更好。

這種大樓的設(shè)計非常復(fù)雜，它涉及很多不同的專業(yè)知識，如通 風(fēng)設(shè)計、熱舒適度設(shè)計、光伏建筑一體化(BIPV)、人類行為和太陽能等(圖1)。

我們還在舊的設(shè)計理念中加入了新技術(shù)，使各種系統(tǒng)更高效地運行。例如，在中東的阿布扎比酋長國，一幢大樓采用了自動遮陽系統(tǒng)，即建筑物外墻表面的某些部分會隨著太陽的活動而自動開啟或關(guān)閉(圖2)。

圖1.高性能建筑物設(shè)計的整體解決方案。

4.1.1.重新設(shè)計摩天大樓

未來，我們需要重新設(shè)計摩天大樓(圖3)[5]。我們可以想象一下未來的摩天大樓應(yīng)具備如下特點：

? 能適應(yīng)不同用途；

? 生產(chǎn)的能源比自身消耗的多；

? 能改善環(huán)境；

? 能根據(jù)人類活動智能地調(diào)整某些功能；

? 能與城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)融為一體。

4.1.2.多功能大樓

例如，上海正在建設(shè)這種超高層多用途的居民大樓(圖4)。

4.1.3.生態(tài)墻體

圖2.可自動調(diào)節(jié)的建筑物外墻面(阿布扎比酋長國)。

圖3.重新設(shè)計的摩天大樓——未來的城市建筑。

可吸收二氧化碳的海藻正在被用于德國漢堡一片居民區(qū)大樓的外墻上，海藻能夠吸收太陽輻射，降低室內(nèi)溫度，同時通過光合作用合成生物質(zhì)，從而為大樓提供能源(圖5)。

不久的將來，我們就可以采用新材料建設(shè)大樓，如自愈合混凝土、可吸收二氧化碳的膜材料、仿生材料和生物復(fù)合材料等。

事實上，如果仔細研究整個生態(tài)系統(tǒng)，你就會發(fā)現(xiàn)生態(tài)技 術(shù)其實可以被應(yīng)用到水資源管理、城市熱島系統(tǒng)，甚至是整個城市的食品系統(tǒng)中。

4.1.4.生物合 成外墻板

根據(jù)這 些理念，我們正在為人性化的未來打下堅實的基礎(chǔ)，使循環(huán)經(jīng)濟在未來成為可能。然后我們會發(fā)現(xiàn)身邊的所有廢棄物都可以被重新利用(圖6)。

這些都是為了實現(xiàn)未來建筑物達到能量和碳平衡的目標(biāo)的手段。

4.1.5.城市發(fā)展中的脫碳環(huán)節(jié)

圖4.多功能大樓——一個定制公寓。

圖5.利用了海藻的生態(tài)墻體(在德國漢堡建設(shè)的生態(tài)智能住宅，于2013年4月開放)。

我們正在運用能源節(jié)約技術(shù)、智能微電網(wǎng)技術(shù)和分布式能源系統(tǒng)來建設(shè)一個低碳城市，也稱為生態(tài)城市(圖7)。

4.2.交通

4.2.1.可持續(xù)交通

如果把目光轉(zhuǎn)向可持續(xù)交通，我們就會發(fā)現(xiàn)世界上許多城市正致力于此目標(biāo)。這些城市互相學(xué)習(xí)如何治理交通堵塞和空氣污染等問題。

拼車和其他共享交通工具的形式說明人們正在轉(zhuǎn)變汽車的使用觀念。

當(dāng)然，我們還是希望人們多乘坐公共交通工具，如快速公交系統(tǒng)(BRT)。

中國是帶頭使用電動公共汽車的國家，很多城市已擁有上千輛電動公共汽車；而像英國米爾頓凱恩斯和韓國等國家和地區(qū)，它們正在使用無線感應(yīng)充電技術(shù)。這意味著除非需要維修，否則公共汽車不需要返回停車場(圖8)。

當(dāng)然，如果將來無人駕駛汽車能夠被推廣使用，那么我們對運輸這個概念的理解又會有很大的變化。這些都對城市基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計有重要影響。

圖6.利用天然纖維與樹脂(農(nóng)業(yè)廢棄物)制備的生物合成外墻板。循環(huán)經(jīng)濟。

圖7.城市發(fā)展中的脫碳環(huán)節(jié)。

4.2.2.綜合建筑環(huán)境

如今，我們的大樓和基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計通常采用眾包的方式。事實上，香港正在建設(shè)的一個7層的地鐵站是世界上最繁忙、最復(fù)雜的地鐵站之一。地鐵站的設(shè)計將采用4軌互換以滿足每天上百萬乘客的出行需求?？茖W(xué)家創(chuàng)建了數(shù)字3D合成環(huán)境用于計算乘客從一個站臺到另一個站臺所用的時間。許多乘客都參與到這個項目中，幫助優(yōu)化地鐵站引導(dǎo)標(biāo)識和安全設(shè)計。這種眾包方式保證了地鐵開通的第一天就能高效運行(圖9和圖10)。

4.3.城市形態(tài)

圖8.無線感應(yīng)充電的電動公共汽車(英國米爾頓凱恩斯)。

圖9.復(fù)雜的建成環(huán)境(包含7層的地鐵站，4軌互換，每天客流量達100萬)。

圖10.利用實時合成環(huán)境模擬記錄乘客的行進路線。

公共運輸系統(tǒng)對城市的發(fā)展有著深遠的影響。城市發(fā)展的可持續(xù)形式之一就是公交導(dǎo)向發(fā)展(TOD)策略的應(yīng)用，根據(jù)該策略在每個人流量巨大的地方建設(shè)中轉(zhuǎn)站。香港就是一個成功的典范(圖11)。

還有一個應(yīng)用TOD策略的例子是中國(華南)的佛山市。涉及的地鐵線路有2條，共有52個地鐵站，預(yù)計將有數(shù)百萬乘客乘坐。像這些應(yīng)用智能基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的城市，我相信它們會成為未來城市發(fā)展的典范。

現(xiàn)在科學(xué)家正在研究一種新型數(shù)字設(shè)備。所有關(guān)于運輸基礎(chǔ)設(shè)施、地形、微氣候、人類行為和樓房的數(shù)據(jù)都將被存儲到該設(shè)備中，然后以可視化3D的形式呈現(xiàn)出來。這種方式可以使市民參與到城市設(shè)計當(dāng)中(圖12)。

在圖13的例子中，我們的目標(biāo)是通過改變景觀設(shè)計和微氣候環(huán)境使商業(yè)區(qū)的客流量實現(xiàn)最大化(圖13)。

5.城市綜合系統(tǒng)

為了最終達到彈性和可持續(xù)性的目標(biāo)，我們最好將城市作為一個系統(tǒng)或一個由不同子系統(tǒng)構(gòu)成的綜合系統(tǒng)(圖14)來設(shè)計。 這是因為城市基礎(chǔ)設(shè)施中每個部分的設(shè)計和操作都是相互關(guān)聯(lián)的，如能源消耗(圖15)。因此，我們應(yīng)采用全面、綜合的思路設(shè)計城市，這樣也能給商業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展帶來機遇。

圖11.香港公交導(dǎo)向發(fā)展(TOD)策略的應(yīng)用。

圖12.沉浸式虛擬現(xiàn)實(VR)。

6.充實生活

城市設(shè)計的最終目標(biāo)不能僅滿足于生存或基礎(chǔ)水平。我們建設(shè)的城市環(huán)境必須要使其中的居民感到開闊、舒適和有親和力(圖16)。

7.拓寬知識基礎(chǔ)

顯然，我們可以用多種方式來設(shè)計城市，使它更美好、更安全、更高效、更宜居。我們需要加快創(chuàng)新的步伐，同時也要借鑒世界上其他城市優(yōu)秀的設(shè)計。只有這樣，我們才能確保城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和設(shè)計的方式是正確的。我們的設(shè)計和建設(shè)必須更智能化，也就是說我們要不斷創(chuàng)新，采用現(xiàn)代新技術(shù)使我們建設(shè)的城市更高產(chǎn)、更高效、更人性化。

現(xiàn)在讓我們回到本文的重點：

? 在面對城市建設(shè)的眾多挑戰(zhàn)中，我們可能成功，也可能失敗，因此我們在設(shè)計建造時應(yīng)利用各種交叉學(xué)科的知識；

圖13.城市綜合體設(shè)計(以人為本)。(a) 熱島效應(yīng)圖；(b) 植被覆蓋效果圖。

圖14.城市綜合系統(tǒng)。

圖15.城市系統(tǒng)中的綜合資源管理。

圖16.充實生活——娛樂、教育、公民自豪感和靈感。

? 我們的工程師、科學(xué)家以及社會學(xué)家、藝術(shù)家、居民要聯(lián)合起來共同設(shè)計新城市；

? 我們未來的設(shè)計師當(dāng)然也應(yīng)該提升他們的技能和專業(yè)知識；

? 我們需要專業(yè)工程知識的教育，這樣人們才能掌握必要的技能以解決現(xiàn)實世界的問題和挑戰(zhàn)；

? 我們需要進行具體學(xué)科的創(chuàng)新，在全球各個地區(qū)共享知識；

? 設(shè)計建造城市應(yīng)先著眼于全球再到具體地區(qū)，集思廣益，應(yīng)著眼于全世界的各個國家，而不應(yīng)僅局限于中國、英國或美國；

? 我們需要新的思維方式，采用新的科學(xué)技術(shù)；

? 我們還需要從局部創(chuàng)新轉(zhuǎn)變到整體創(chuàng)新。

8.結(jié)論

看看當(dāng)今科技的發(fā)展，我相信我們一定能夠做到，我們也一定會去做。

對此我很樂觀，我希望你們也一樣。

致謝

筆者十分感謝奧雅納工程有限公司允許文章使用有關(guān)數(shù)據(jù)信息。

[1] Aggarwala RT, Desai R, Choy B, Fernandez A, Kirk P, Lazar A, et al.Climate action in megacities: C40 cities baseline and opportunities, version 1.0.London: C40 Cities Climate Leadership Group; 2011.

[2] Eichel A, Russell B, Schultz S, Watts M, Yilmaz K, Allison S, et al.Climate action in megacities: C40 cities baseline and opportunities, version 2.0.London: C40 Cities Climate Leadership Group; 2014.

[3] Watts M, Schultz S, Bailey T, Ast E, Russell B, Morris E, et al.Climate action in megacities 3.0: Networking works, there is no global solution without local action.London: C40 Cities Climate Leadership Group; 2015.

[4] Dobbs R, Pohl H, Lin D-Y, Mischke J, Garemo N, Hexter J, et al.Infrastructure productivity: How to save $1 trillion a year [Internet].New York: McKinsey Global Institute; 2013 Jan [cited 2015 Sep 15].Available from: http://www.mckinsey.com/industries/infrastructure/our-insights/infrastructure-productivity.

[5] Hargrave J.It’s alive! Can you imagine the urban building of the future? London: Arup Group; 2013.

本文根據(jù)Andrew Ka-Ching Chan先生在2015年9月15日第二屆全球重大挑戰(zhàn)峰會開幕式上所作的大會報告進行整理。

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(1): 10—15

Andrew Ka-Ching Chan.Tackling Global Grand Challenges in Our Cities.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.003