高密度城區(qū)建筑設(shè)計(jì)的綠色探索

施培琰，姜 江，任 婕 （.上海海匯房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司， 上海 0005；.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 000）

1 城市高密度建設(shè)對(duì)生態(tài)綠色的影響

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，人口不斷向城市集聚，復(fù)合多種功能的高層、超高層建筑和大體量綜合體建筑不斷在城市中涌現(xiàn)。建筑的高密度集聚與功能復(fù)合，是城市發(fā)展需求所帶來(lái)的必然，同時(shí)能節(jié)約用地空間、減少服務(wù)設(shè)施建設(shè)量、緩解交通和碳排放壓力，對(duì)城市的生態(tài)低碳建設(shè)也具有積極意義[1]。但是，從人的舒適健康與建筑綠色運(yùn)行角度看，高密度建設(shè)也帶來(lái)了許多負(fù)面影響。一是建筑密度增大改變了區(qū)域微環(huán)境，大量人工下墊面的建設(shè)加劇了城市熱島效應(yīng)。二是建筑聚集承載了大量的人類活動(dòng)，大體量、超高層建筑運(yùn)行能耗巨大。三是人們?cè)谌斯きh(huán)境中缺少與自然環(huán)境的接觸，很多城市病、空調(diào)病乃至抑郁、焦慮癥等都隨之襲來(lái)。因此，如何在利用城市高密度發(fā)展優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，戰(zhàn)勝其對(duì)生態(tài)、健康、節(jié)能帶來(lái)的挑戰(zhàn)，是目前城市建筑設(shè)計(jì)面臨的難題。

2 高密度城區(qū)大體量、超高層建筑的綠色設(shè)計(jì)困境

目前，城市高密度區(qū)域建設(shè)的大體量、超高層建筑的綠色設(shè)計(jì)還面臨著許多具體的挑戰(zhàn)。首先，高密度開(kāi)發(fā)條件下，場(chǎng)地范圍有限，且硬質(zhì)化鋪裝比例高、綠化率低[2]。如何在高度人工化的環(huán)境下?tīng)I(yíng)造高品質(zhì)的場(chǎng)地生態(tài)環(huán)境，是高密度開(kāi)發(fā)項(xiàng)目面臨的首要難題。其次，在大體量建筑中實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)環(huán)境，需要消耗大量的人工照明、空調(diào)新風(fēng)能耗[3]。自然通風(fēng)、自然采光與遮陽(yáng)等常用被動(dòng)式技術(shù)在超高層、大體量建筑環(huán)境中的應(yīng)用受到大體量大進(jìn)深、超高層超高風(fēng)速等條件的制約。因此，如何通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，在保持較低能耗水平的同時(shí)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)提升是大體量綜合體建筑要解決的又一難點(diǎn)。再次，綠色建筑發(fā)展多年，但使用者對(duì)綠色建筑性能、節(jié)能水平及環(huán)境品質(zhì)提升的體驗(yàn)感與獲得感一直不高。新冠肺炎疫情的爆發(fā)，進(jìn)一步激發(fā)了人們對(duì)建筑性能獲得感的關(guān)注。對(duì)于人員高度聚集的大體量、超高層建筑，將高效運(yùn)行與人員感受、體驗(yàn)相結(jié)合，是綠色設(shè)計(jì)中需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

3 某超高層綜合體建筑的綠色探索

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合上海市城市副中心正在設(shè)計(jì)實(shí)施的1 棟超高層大型綜合商業(yè)辦公體建筑的項(xiàng)目實(shí)際，探索在高密度城區(qū)大體量、超高層綜合體中實(shí)現(xiàn)生態(tài)高效健康運(yùn)行的設(shè)計(jì)方法，以期為實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、健康、高效、智慧、可感知的綠色健康建筑設(shè)計(jì)提供借鑒。

該項(xiàng)目位于上海市城市副中心，由 2 棟超高層辦公塔樓（分別高 193 m 和 230 m）和底部 6 F 的大型商業(yè)綜合體裙房組成，容積率達(dá)到 7.0。面對(duì)超大體量、超高高度及有限的場(chǎng)地條件，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在詳細(xì)分析項(xiàng)目特點(diǎn)后，重點(diǎn)從生態(tài)環(huán)境融合、資源綜合利用、室內(nèi)健康環(huán)境品質(zhì)提升、人文關(guān)懷與智能監(jiān)控等方面提出應(yīng)對(duì)策略。

3.1 融合生態(tài)的場(chǎng)地活力提升與環(huán)境營(yíng)造

3.1.1 多層次生態(tài)化景觀設(shè)計(jì)

場(chǎng)地環(huán)境方面，本項(xiàng)目具有建筑密度高、綠地設(shè)置受限等特點(diǎn)。為了彌補(bǔ)場(chǎng)地綠色空間不足的缺憾，項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，一方面通過(guò)建筑設(shè)計(jì)與場(chǎng)地周邊區(qū)域級(jí)的生態(tài)廊道相呼應(yīng)，實(shí)現(xiàn)建筑與生態(tài)環(huán)境的融合營(yíng)造；另一方面，盡可能增加自然綠植，起到改善場(chǎng)地微氣候和微環(huán)境的作用[4]。

項(xiàng)目中構(gòu)建了一個(gè)集空中庭院、屋頂綠化和下凹綠地為一體的多層次生態(tài)綠化系統(tǒng)，其中，屋頂設(shè)置了層層退臺(tái)的屋頂形式，并設(shè)置屋頂綠化。在建筑中部設(shè)置邊庭，結(jié)合垂直綠化、庭院綠化，將綠色景觀引入到辦公塔樓的多個(gè)層面。在裙房屋頂設(shè)置屋頂花園，可供人們休憩。此外，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中還將海綿城市建設(shè)理念融入其中，通過(guò)設(shè)置透水地面與下凹綠地，達(dá)到有效控制徑流總量和徑流污染、提高雨水的資源化利用效率和維持水生態(tài)環(huán)境的目的。

3.1.2 城市中心區(qū)場(chǎng)地生態(tài)保護(hù)與補(bǔ)償措施

項(xiàng)目設(shè)計(jì)充分考慮城市中心區(qū)的生態(tài)環(huán)境，結(jié)合周邊城市水系與生態(tài)廊道，通過(guò)優(yōu)化場(chǎng)地景觀設(shè)計(jì)，形成生態(tài)景觀上的連通，使場(chǎng)地融入城市公共通廊中，以保護(hù)生物棲息地的貫通、維護(hù)生物多樣性，同時(shí)通過(guò)設(shè)置屋頂綠化以補(bǔ)償場(chǎng)地開(kāi)發(fā)造成的影響。充分保護(hù)原有場(chǎng)地生態(tài)，將場(chǎng)地北側(cè)樹(shù)齡為 500 a 的古銀杏樹(shù)保護(hù)納入設(shè)計(jì)要求，使項(xiàng)目景觀方案與古樹(shù)相得益彰。方案設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)設(shè)置保護(hù)距離、場(chǎng)地排水設(shè)計(jì)和鋪裝類型等，為古樹(shù)生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的條件。施工過(guò)程中，采取搭建圍擋、設(shè)置地下水系統(tǒng)等措施，減少施工對(duì)古樹(shù)生長(zhǎng)的影響。運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)排水設(shè)施維護(hù)、樹(shù)體整形修剪、病蟲(chóng)害防治等，確保古樹(shù)的健康生長(zhǎng)。

3.1.3 三水交匯的多功能融合提升區(qū)域活力

項(xiàng)目以中國(guó)園林小徑的傳統(tǒng)概念進(jìn)行空間規(guī)劃，打造出創(chuàng)新、生態(tài)和文化 3 條貫穿場(chǎng)地的活動(dòng)流線，體現(xiàn)“三水交匯”的設(shè)計(jì)理念。通過(guò)交通流線將項(xiàng)目及其南側(cè)綠廊、北側(cè)河道廣場(chǎng)、地鐵站等環(huán)境元素聯(lián)系在一起。通過(guò)開(kāi)放室內(nèi)空間，模糊室內(nèi)外空間界線，使建筑與城市功能相融合。此外，結(jié)合裙房屋頂、場(chǎng)地廣場(chǎng)與景觀設(shè)計(jì)，設(shè)置室外健身場(chǎng)地、交流場(chǎng)地、兒童活動(dòng)場(chǎng)地與健身步道，并融入遮陰、座椅、衛(wèi)生間等相關(guān)配套服務(wù)，實(shí)現(xiàn)生活、社交、文化、商業(yè)與藝術(shù)功能的結(jié)合，為建筑使用者提供多種戶外活動(dòng)可能，極大提升區(qū)域活力。

3.2 室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)與舒適性的營(yíng)造與提升

3.2.1 邊庭與折線型幕墻自然通風(fēng)提升策略

對(duì)于超高層建筑，利用自然通風(fēng)節(jié)能降耗的同時(shí)，還需要考慮超高層部分開(kāi)窗的安全性，以及高處過(guò)強(qiáng)風(fēng)力對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響[5]。本項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)初期就將自然通風(fēng)納入了建筑本體設(shè)計(jì)之中，結(jié)合性能化模擬分析，最終選擇折線型幕墻設(shè)計(jì)即在折線內(nèi)凹處設(shè)置開(kāi)啟扇，在引導(dǎo)自然風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)的同時(shí)，也避免高空過(guò)強(qiáng)風(fēng)直吹的問(wèn)題。此外，本項(xiàng)目還在2 棟建筑在相對(duì)一側(cè)幕墻上設(shè)置局部邊庭，不僅有效減少了建筑間狹長(zhǎng)通道風(fēng)對(duì)幕墻與室內(nèi)的影響，而且起到了活躍內(nèi)部空間形式的作用。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)不同辦公分隔布局，幕墻外開(kāi)、內(nèi)開(kāi)、上懸、平開(kāi)等不同開(kāi)啟形式對(duì)自然通風(fēng)的幕墻設(shè)計(jì)進(jìn)行分析優(yōu)化，不同布局與不同開(kāi)啟形式自然通風(fēng)效果的推敲過(guò)程如圖1 所示。最終達(dá)到了 2 次/h 室內(nèi)空間換氣要求，實(shí)現(xiàn)了舒適通風(fēng)，解決了超高層建筑通風(fēng)矛盾，改善內(nèi)部熱環(huán)境，減少空調(diào)運(yùn)行時(shí)間。

圖1 不同布局與不同開(kāi)啟形式自然通風(fēng)效果的推敲

3.2.2 自然采光與遮陽(yáng)綜合改善策略

在權(quán)衡整體能耗水平與采光改善程度的基礎(chǔ)上，通過(guò)性能化分析確定中庭與天窗的尺度，使主要公共空間中至少75% 的面積滿足采光標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)合地下商業(yè)餐飲功能，設(shè)置下沉庭院，為地下空間提供良好的采光環(huán)境。

3.3 全過(guò)程建筑節(jié)能高效設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)

3.3.1 性能化分析輔助方案比選與優(yōu)化

建筑布局、體形及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)建筑機(jī)電系統(tǒng)選型及運(yùn)行能效水平影響顯著。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)前期階段就引入建筑性能化分析工具，并結(jié)合上海市的氣候特點(diǎn)設(shè)置高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化玻璃幕墻傳熱系數(shù)與遮陽(yáng)系數(shù)，降低建筑負(fù)荷，打造節(jié)能基礎(chǔ)，從而以最小的成本投入實(shí)現(xiàn)最大化的綠色建筑效益。采光能耗等性能化分析優(yōu)化如圖2 所示。

圖2 采光、能耗性能化分析優(yōu)化

3.3.2 基于不同運(yùn)行時(shí)段負(fù)荷特點(diǎn)的空間布局與機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目涵蓋商務(wù)辦公、購(gòu)物中心、餐飲、影院、健身房等多種功能空間，不同功能空間在運(yùn)行時(shí)段、負(fù)荷特點(diǎn)以及室內(nèi)舒適度要求等方面又存在諸多差異。在充分認(rèn)識(shí)上述特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)在考慮經(jīng)濟(jì)性和使用效率的前提下合理布局不同使用功能空間，細(xì)化機(jī)電系統(tǒng)分區(qū)，并設(shè)置智能化控制系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)后期高效運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)。

3.3.3 基于用能需求和特點(diǎn)的資源高效利用

針對(duì)項(xiàng)目集中熱水需求、全年制冷需求等用能需求特點(diǎn)，本項(xiàng)目通過(guò)選用高效冷熱源機(jī)組、照明光源、節(jié)能電梯等系統(tǒng)和設(shè)備，大幅降低建筑的運(yùn)營(yíng)能耗?？照{(diào)冷熱源均采用高效設(shè)備，冷水機(jī)組能效在現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上提升12% 以上，鍋爐效率提高 4%，達(dá)到 94%，分體機(jī)性能參數(shù)滿足 1 級(jí)能效值要求。

在此基礎(chǔ)上，采用可再生能源系統(tǒng)、冷卻塔免費(fèi)制冷技術(shù)進(jìn)一步降低建筑能耗。設(shè)置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)為建筑泳池和公共浴室、生活熱水供能，太陽(yáng)能利用率超 45% 。設(shè)置雨水調(diào)蓄與回用系統(tǒng)，收集屋面與場(chǎng)地雨水，處理后可供項(xiàng)目綠化灌溉、道路、地庫(kù)沖洗與洗車使用，雨水回用可滿足全部室外用水需求，大大降低傳統(tǒng)水源消耗。根據(jù)過(guò)渡季及冬季內(nèi)區(qū)供冷需要，設(shè)置冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)，利用螺桿機(jī)的冷卻水泵和冷凍水泵免費(fèi)供冷。

3.4 可感知的健康綠色智慧控制

3.4.1 高品質(zhì)室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)

大體量建筑的運(yùn)行管理優(yōu)化是提高建筑室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)、降低運(yùn)行能耗的關(guān)鍵因素。通過(guò)智能化控制系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)進(jìn)行智能控制，不僅能優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、保證室內(nèi)環(huán)境的舒適健康，還可以將健康綠色的環(huán)境品質(zhì)直觀地展現(xiàn)給使用者，提升使用者對(duì)建筑品質(zhì)與舒適環(huán)境的感知度與獲得感。本項(xiàng)目在室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)建設(shè)方面采取了如下策略。

（1）根據(jù)空間需求，設(shè)置室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控與展示系統(tǒng)。監(jiān)測(cè) PM10、PM2.5、CO2濃度并設(shè)置越限報(bào)警。通過(guò)公共區(qū)的展示平臺(tái)向公眾實(shí)時(shí)發(fā)布空氣質(zhì)量表觀指數(shù)等空氣質(zhì)量信息。地下車庫(kù)設(shè)置與排風(fēng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)的 CO 濃度監(jiān)測(cè)裝置。

（2）設(shè)置智能照明控制系統(tǒng)，提升光舒適感。公共區(qū)域照明采用集中控制，根據(jù)不同區(qū)域的功能要求，通過(guò)預(yù)編程序，自動(dòng)開(kāi)關(guān)或調(diào)整燈光效果，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的節(jié)能。室外夜景照明控制夜間 0：00 到次日早晨 6：00 自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)使用者光舒適與照明節(jié)能的雙重目標(biāo)。

（3）開(kāi)展新風(fēng)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)，保證使用者的健康。設(shè)置建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)所有辦公區(qū)的新風(fēng)機(jī)組均設(shè)置新風(fēng)流量監(jiān)測(cè)裝置，且當(dāng)新風(fēng)量流量偏離設(shè)計(jì)值 10% 以上時(shí)向 BA系統(tǒng)（Building Automation System, 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)）發(fā)送報(bào)警信號(hào)。設(shè)置水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)生活飲用水、管道直飲水、游泳池水、非傳統(tǒng)水源、空調(diào)冷卻水的水質(zhì)，記錄并保存水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，且能隨時(shí)供用戶查詢。

3.4.2 智能化設(shè)計(jì)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理

大體量建筑通過(guò)對(duì)智能化、信息化技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)施工運(yùn)營(yíng)全過(guò)程的整合，不僅能提升建筑實(shí)施效率與運(yùn)行能效，還能使建筑能效的提升有效可見(jiàn)，增加使用者的獲得感。本項(xiàng)目在智能化設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理方面運(yùn)用了如下技術(shù)。

（1）設(shè)置能源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理平臺(tái)系統(tǒng)。將能耗、水耗均通過(guò)遠(yuǎn)傳計(jì)量系統(tǒng)納入能源管理平臺(tái)，分類、分級(jí)記錄、統(tǒng)計(jì)分析各種用能、用水情況，并通過(guò)用能組成、能流等分析預(yù)測(cè)能耗水平，及時(shí)調(diào)整建筑設(shè)備的運(yùn)行，使建筑達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。各部分能耗可實(shí)時(shí)向用戶展示，使每個(gè)使用者均能直觀地了解各項(xiàng)技術(shù)的真實(shí)運(yùn)行情況。

（2）設(shè)置智能化服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有照明控制、安全報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工作生活服務(wù)等服務(wù)功能并可接入智慧城市（城區(qū)、社區(qū)）的功能，有助于提升建筑自動(dòng)化管理水平。

（3）全生命周期應(yīng)用 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)。本項(xiàng)目在建筑工程的設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)全過(guò)程應(yīng)用 BIM 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各階段、各專業(yè)的協(xié)作配合，在更高層次上充分利用各自資源，有效避免重復(fù)性勞動(dòng)，大大提高整個(gè)工程的質(zhì)量和效率，降低成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)高密度城區(qū)大體量、超高層建筑帶來(lái)的生態(tài)、節(jié)能與健康問(wèn)題，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐，從場(chǎng)地生態(tài)環(huán)境營(yíng)造、室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)提升、建筑節(jié)能設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)和建筑綠色智慧控制 4個(gè)方面，探索了該類建筑的綠色健康設(shè)計(jì)策略。后續(xù)將結(jié)合項(xiàng)目落地，從施工、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程繼續(xù)研究城市高密度建設(shè)地區(qū)建筑的綠色實(shí)踐，為提升城市品質(zhì)、綠色可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。