基于可持續(xù)理念的城市公共基礎設施設計探究

張蓓蓓 王亞利 王少俊

關鍵詞：可持續(xù) 公共基礎設施 設計原則 設計方法 電動車充電樁

引言

城市公共基礎設施是一個城市文化與經(jīng)濟狀況最直觀的體現(xiàn)，在造型、使用便捷性等方面影響用戶對設施的第一印象。造型新穎，符合公眾審美的公共基礎設施，用戶更樂于對其進行深入的了解。隨著“碳達峰”“碳中和”這些理念的提出，城市公共基礎設施也有了新的目標和要求，在滿足用戶需求多樣化的同時注重對環(huán)境的影響，加入可持續(xù)設計理念，運用“可持續(xù)設計是一種構建可持續(xù)解決方案的共贏設計行為”[1]來指導城市公共基礎設施的設計與施工，讓城市公共基礎設施趨于綠色化，減少對環(huán)境的破壞，做到人—產(chǎn)品—環(huán)境的和諧共生。

一、城市公共基礎設施設計與可持續(xù)設計概述

（一）城市公共基礎設施

城市公共基礎設施是在保障城市生存和發(fā)展的基礎上，滿足居民在生活中順利進行社會活動和經(jīng)濟活動的公共設施總稱。隨著社會的發(fā)展，原有的城市公共基礎設施已經(jīng)無法滿足當下居民的需求。城市公共基礎設施的設計需要與時俱進，滿足居民多樣化需求的同時減少對環(huán)境的破壞。本文將城市公共基礎設施的分類及范疇整合為七大類，如表1。

（二）可持續(xù)設計

可持續(xù)性的定義為“在不損害子孫后代滿足其自身需求的能力的前提下，滿足了當代人的需求的經(jīng)濟發(fā)展”，該定義至今被沿用[2]。可持續(xù)設計一詞來源于可持續(xù)理念，可持續(xù)理念是通過潛移默化改變?nèi)藗兊沫h(huán)保意識和生活觀念。可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略是以促進人類之間及人類與自然之間的和諧[3]為目標，解決人、產(chǎn)品與環(huán)境之間的矛盾?？沙掷m(xù)設計不是對產(chǎn)品外觀進行簡單的設計，而是要對產(chǎn)品的整個生命周期進行優(yōu)化改進。

（三）城市公共基礎設施國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)公共基礎設施的基本功能與人們的實際需求匹配度不高，設計者可以從材料、結構與環(huán)境融合度上進行設計改進。在材料方面，隨著新技術的發(fā)展，天然竹材、生態(tài)木復合材料等環(huán)保材料在設計領域的運用越來越廣泛。在結構方面，涂慧瑾[4]以冬奧會滑雪場公共設施的可持續(xù)利用和發(fā)展為理念進行研究，在有限的空間內(nèi)使室內(nèi)儲物柜與座椅巧妙結合，其折疊式的座椅設計可提高空間利用率。在環(huán)境方面，由于城市發(fā)展較快，且在設計規(guī)劃時未充分考慮與當?shù)丨h(huán)境融合度的問題，導致原有的公共基礎設施與周圍環(huán)境相脫節(jié)，在呂王玉[5]公共交通設施的研究中，針對以上問題結合城市區(qū)域文化特色和用戶人群等因素，通過智能交通信息展示牌與多種類語言的指示標志滿足學生、上班族和游客的不同出行需求。

國外的工業(yè)基礎相較于國內(nèi)發(fā)展比較早，其公共設施設計發(fā)展得也更加全面。楊洪君[6]在公共設施的可持續(xù)設計研究中提到，哥倫比亞的公共設施設計注重對當?shù)刈匀毁Y源的使用，其風能路燈的設計采用竹子和風能這兩種特色資源，使路燈既實用又美觀。舒貝寧[7]在街道家具可持續(xù)設計中提到，佛羅倫薩的街道垃圾桶為地埋式設計，將垃圾箱隱藏于地下，既節(jié)省了街道空間、不影響街道美觀度，同時又增強了協(xié)調(diào)性。

通過國內(nèi)外公共設施現(xiàn)狀對比，可以看出公共設施的設計在跟隨時代步伐的過程中更加注重城市文化傳統(tǒng)和人文特色等元素。當代的公共基礎設施針對人們在生產(chǎn)生活方式上的改變，在能源、科技、信息等方面進行革新，做到跟隨社會發(fā)展的同時，促進用戶、公共設施和環(huán)境三者的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)城市公共基礎設施的綠色環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。

二、基于可持續(xù)理念的城市公共基礎設施設計原則

（一）協(xié)調(diào)性原則

需要考慮公共設施與整個城市環(huán)境、人文相統(tǒng)一，創(chuàng)造一種人與人、人與社區(qū)、人與技術、人與自然環(huán)境以及人的內(nèi)在身心之間的和諧關系[8]。將公共設施與周圍建筑物、綠化完美融合，促進兩者的和諧統(tǒng)一，同時將產(chǎn)品外觀與產(chǎn)品的功能、技術、材料等實現(xiàn)統(tǒng)一。由Yong Ju Lee Architecture設計的Root Bench，既是一個標志性建筑，又是一個可以容納多人的公共座椅，能夠滿足用戶躺、坐等不同需求，該設施結合樹木的生長狀態(tài)，使用木材、混凝土及金屬等常見的材料，使其易于維護的同時與周圍的環(huán)境完美融合，又模糊了人為裝飾與生態(tài)環(huán)境之間的范疇，如圖1所示。

（二）易用性原則

易用性是指具備產(chǎn)品屬性的一類公共設施可被用戶有效地使用及方便操作的能力，需要設計者從用戶需求和設施功能方面入手，從整體視角選擇功能，確保功能適度與選材合理，以迎合使用者的習慣和需求，實現(xiàn)城市公共設施的功能共促[9]。在功能方面，如公共垃圾桶的主要功能是供用戶投擲垃圾，將垃圾桶的開口方式變得簡單易投擲的同時，垃圾又不會被雨水浸濕，如圖2所示。由于公共環(huán)境中有許多不可避免的因素會對用戶造成傷害，所以設計者需要考慮公共設施在使用時的安全性，如兒童公共娛樂設施通過三個方向和高低不同的籃筐來滿足不同身高兒童的娛樂感，其合理的尺寸設計有效防范了身高較低的兒童嘗試觸碰過高的籃筐而做出危險動作的可能性。

（三）公平性原則

公平性設計原則應更加注重對不同用戶群體的人性化設計，為用戶提供具有人文關懷與溫暖的公共基礎設施，并且通過公共設施設計引導用戶去追求和建立健康的生活狀態(tài)與理念。公共基礎設施的公平性注重的是用戶在使用時的平等與適用，使不同群體能公平的使用，而不是對特殊群體的“特殊”設計與關照。公平性設計原則是讓產(chǎn)品更加貼近用戶的日常生活和行為習慣，拉近產(chǎn)品、環(huán)境和用戶三者的距離。如我國部分地區(qū)的公交車，在上車口處設置輪椅翻板，為坐輪椅或腿腳不方便的人群提供便利，如圖3所示。公共基礎設施不是冰冷的、單純的產(chǎn)品設計，而是需要為不同的用戶群體提供貼心平等的服務，在無形中給予用戶情感關懷的設計。

三、基于可持續(xù)理念的城市公共基礎設施設計方法

（一）應用環(huán)境友好材料

城市公共基礎設施設計的材料選擇方法主要有材料選擇因素和融入環(huán)境選材兩個方面。

影響選材的因素主要包括技術性、環(huán)保性和美學性。材料的技術性是指材料的物理性能及加工性能，因為公共基礎設施的功能是通過材料的技術性能來實現(xiàn)的，所以材料的表面處理效果或裝飾會對公共基礎設施的外觀造型、質(zhì)感和用戶使用體驗產(chǎn)生直接影響。材料的環(huán)保性指材料在使用前后易于回收和可循環(huán)，如生態(tài)木復合材料，天然竹材，植物纖維等環(huán)保性材料，在回收及循環(huán)后可以減少能源消耗和氣體排放等問題。材料的美學性因素決定著產(chǎn)品本質(zhì)的好壞，如公交車候車亭的外觀造型、色彩和表面肌理可以反映出內(nèi)部信息功能和現(xiàn)代科學技術的先進性。

融入環(huán)境選材的方法包括資源消耗最小化、能耗最小化、污染最小化和健康潛在危險最小化。在選材時需要注重對環(huán)境帶來的影響，材料的選擇是可持續(xù)公共設施設計的前提和關鍵。資源消耗最小化是指在提高材料利用率的同時，選擇可回收及可再生的材料，并且盡量減少和避免對稀有材料的使用。能耗最小化是指材料在運輸、生產(chǎn)，使用和回收、再循環(huán)時所消耗的能量達到最小化，同時降低對環(huán)境帶來的危害。污染最小化即在材料生命周期中對環(huán)境的污染排放量達到最小化，可以選擇自然可降解的材料，這樣可以使材料在后期的回收處理時將污染排放量較到最低。健康潛在危險最小化指材料在加工和使用時，選擇對人體產(chǎn)生危害最小、無毒且對環(huán)境友好的材料。如冬日公園發(fā)熱椅的色彩、材質(zhì)和造型是根據(jù)兒童的生理和心理特點進行設計的，因其主要功能是在冬日供兒童娛樂，所以在此基礎上選擇可摩擦生熱且易回收的材質(zhì)，該設施獨特美觀的造型與簡單的加工工藝技術決定著其娛樂及休息功能，如圖4所示。在進行公共基礎設施的設計時，設計者要根據(jù)設計定位和使用人群，對各種要求做出平衡和分析后選擇最優(yōu)的材料巧妙地融入設計中，同時設計者還應時刻關注對環(huán)境友好新興材料的產(chǎn)生和使用，如太陽能、風能等清潔能源，可以提高資源的利用率，減少污染物的排放。

（二）注重環(huán)境和地域文化協(xié)調(diào)發(fā)展

公共設施與城市環(huán)境的協(xié)調(diào)性關系到整個城市規(guī)劃水平的高低，是城市門面及文化底蘊的體現(xiàn)。城市公共基礎設施與環(huán)境相協(xié)調(diào)中，環(huán)境不僅指公共設施周圍的小環(huán)境，而且代表著地域特色與城市文化這個大環(huán)境，是城市文化精神的傳承。

盡管不同種類的公共設施的性質(zhì)和功能有所不同，但是為了追求與環(huán)境和諧發(fā)展的目的，不同的設施需要做到材料、色彩、形態(tài)與周圍環(huán)境上的統(tǒng)一。首先要先考慮對本土自然資源的選擇，包括本土特色資源、自然地理環(huán)境、氣候因素等，公共基礎設施材料的選取應因地制宜，盡量選用當?shù)氐奶厣Y源，如我國西雙版納地區(qū)竹子產(chǎn)量豐富，當?shù)卮鲎迦嗣癯２捎弥褡幼鳛榉课萁ㄔ旌凸に嚻返牟牧?。其次，我國文化發(fā)展歷史悠久，每個城市都有自己獨特的文化魅力，運用可持續(xù)發(fā)展理念，應根據(jù)各個城市的實際情況，結合用戶的行為習慣和方式設計出符合當?shù)鼐用癍h(huán)境的公共設施，如青島海軍博物館的指示牌設計，運用城市特色元素“海浪”和其代表顏色“藍色”作為設計的創(chuàng)意來源，海浪元素經(jīng)過抽象化處理，既突出城市特色文化，又增添了用戶觀賞的趣味性，做到了城市風格與文化發(fā)展的整體統(tǒng)一，如圖5所示。在對文化傳承的過程中，既要與時俱進，又應適當?shù)嘏c現(xiàn)代科技產(chǎn)品相結合，羅翔[10]在以城市家具為視角的研究中，將城市地標性建筑解放碑元素，通過合理的提取運用在電動汽車充電樁的外觀設計上，既展現(xiàn)出城市的特色文化，又實現(xiàn)了產(chǎn)品的外觀設計與當?shù)靥厣茉聪嘟Y合的創(chuàng)新模式。最后，公共設施所處的環(huán)境場所也會影響公共設施的功能設計，如果所處環(huán)境空間較小，就需要公共設施適應場所的空間尺度，在符合空間尺度的同時，公共設施既要保持自己的獨特性，又要與城市文化環(huán)境相融合，如公園公共座椅、垃圾桶的色彩、形態(tài)和周圍環(huán)境的文化和特色保持協(xié)調(diào)。

（三）結構低碳化設計

公共設施結構低碳化設計不是把結構復雜化，而是在滿足其功能需求的基礎上將結構簡潔化，使結構零部件在生產(chǎn)、運輸過程中減少對資源的消耗和污染的排放。結構低碳化設計是通過運用盡可能少的材料，在保障功能和安全的前提下實現(xiàn)結構的最優(yōu)化，如城市文化簡介牌的設計，整體框架簡潔方便運輸，在材料方面采用了環(huán)保型金屬、復合木材等材質(zhì)，從整體造型和選材方面實現(xiàn)低碳化的目的，如圖6所示。

實現(xiàn)公共設施結構低碳化設計的方法有模塊化設計、可拆卸設計、集約化設計方法。模塊化設計是將產(chǎn)品分為幾個模塊后，每個模塊都具有獨立功能，在重組和互換后可以創(chuàng)建不同需求的產(chǎn)品，并且結構的模塊化設計能夠在滿足其功能需求的基礎上節(jié)約材料和能源，降低生產(chǎn)成本，減少對公共設施施工時間的投入?？刹鹦对O計是公共設施維修和零部件回收利用的重要條件，是優(yōu)化城市環(huán)境，實現(xiàn)公共設施可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。公共設施的可拆卸設計需要從公共基礎設施的設計規(guī)劃階段進行考慮，主要關注點是公共設施各個零部件結構之間的連接和束縛關系，需要通過對零部件的拆卸順序和連接方式進行優(yōu)化，來實現(xiàn)公共設施拆卸的便捷性和結構的低碳化設計。公共設施本身就是功能的集合體，公共設施通過集約化設計可產(chǎn)生不同的造型和多樣化的功能，在公共設施相組合的過程中，需要考慮結構零部件間的材料融合。通過不同公共設施結構個體之間的相互結合，可形成新的符合用戶多種需求的再生產(chǎn)品，節(jié)約能源的同時減少對空間資源的占用。

四、基于可持續(xù)理念的電動自行車公共基礎設施設計方案

（一）設計背景

隨著科技和信息化時代的到來，電子設備在日常生活中普遍流行。在出行方面，電動車的使用量與日俱增，與此同時，人們對于電動車充電樁的需求量也在逐漸遞增?，F(xiàn)階段，電動車充電樁的使用場景主要有居民小區(qū)、城市街道和寫字樓等電動車停放區(qū)域，這些場所都屬于公共區(qū)域，需要充分考慮到用電的安全性和充電設備的防水性，以及用戶在使用過程中的便捷性。

（二）設計定位

在環(huán)境生活發(fā)生變化的現(xiàn)代社會，公共設施應更好地滿足時代需求，有利于環(huán)境，有利于人類，發(fā)揮其服務作用[11]。電動車充電樁基礎設施是以山東地區(qū)為例，服務于新時代城市居民出行的能源消耗性公共設施，該公共設施有以下幾個特點：

（1）節(jié)能環(huán)保，從能源的角度去規(guī)劃和考慮用戶的實際問題，優(yōu)化現(xiàn)有電動車充電樁的能源來源、線路等，避免對常規(guī)能源不必要的耗用，合理利用太陽能。

（2）集約化，將產(chǎn)品的空間場地進行合理規(guī)劃，把產(chǎn)品與其他輔助性公共設施相結合，可以節(jié)省社會公共空間資源的占用，減少社會矛盾，同時減少集中充電存在的安全隱患。

對城市公共基礎設施的研究現(xiàn)狀進行深入分析，歸納出基于可持續(xù)理念的公共基礎設施設計的基本原則和方法。接下來以電動車充電樁為例進行設計實踐，對歸納出的理論內(nèi)容進行驗證。

通過實地調(diào)研和資料收集，歸納出現(xiàn)有的電動車充電樁的分類，如表2所示。

（三）設計實踐

設計者需要從能源的角度去規(guī)劃和考慮用戶的實際問題，優(yōu)化現(xiàn)有電動車充電樁的能源來源、線路等，合理利用太陽能，還要將電動自行車的空間場地進行合理規(guī)劃，把電動自行車公共基礎設施與其他輔助性公共設施相結合，節(jié)省社會公共空間資源的占用。

1.歷史文化和城市元素的體現(xiàn)：本次設計首先從整體的角度出發(fā)，充分考慮電動車充電設施區(qū)域與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性，融入現(xiàn)代化的元素，增加公共設施的設計感。在設計實踐中，宣傳欄的設計體現(xiàn)出對地域文化的尊重，造型提取了山東本地區(qū)典型的文化元素竹簡和圓月，使歷史文化與現(xiàn)代都市元素在電動車充電設施設計中得到合理的體現(xiàn)。通過對宣傳欄造型的重構體現(xiàn)城市文化特色與底蘊，同時增加了文化與城市環(huán)境的協(xié)調(diào)性，如圖7所示。

2.充電方式優(yōu)化：電動車充電樁在功能設計方面融入人文關懷，針對不同年齡段的使用人群對充電和付款方式進行優(yōu)化。中老年人群（50-65歲）可以通過刷卡的方式進行充電和付款，青壯年（20-49歲）和少年（本文特指16-20歲）群體采用掃碼的方式充電和付費。考慮到不同人群的需求，增加了語音提示功能和燈光提示，使用戶感知充電或斷電。從充電與付款方式上滿足不同年齡段群體的切實需求，在充電功能的易用原則上體現(xiàn)對使用人群的公平性設計原則，如圖8、9所示。

3.車棚結構簡約化，材質(zhì)環(huán)保化：太陽能車棚結構簡單，生產(chǎn)和供貨周期較短，零部件規(guī)整，包裝運輸方便，運輸時可最大化地利用集裝箱空間，使材料在運輸和維修時所消耗的能量達到最小化。太陽能板依附于車棚造型進行合理鋪設，太陽能板的結構模塊化及安裝程序的簡化，使每個安裝程序互不沖突，并且易于維修和回收。立柱框架材料使用耐腐蝕，強度高，絕緣絕熱的碳纖維玻璃鋼，這種材料加工工藝簡單，可設計性強，成本較低，外層采用環(huán)保的環(huán)氧樹脂涂料作為加強劑，使整個車棚在使用時不會產(chǎn)生有害的化學物質(zhì)，使材料在加工、使用和回收的過程中達到健康潛在危險最小化原則。車棚框架如圖10所示。

4.太陽能供電和常規(guī)供電內(nèi)循環(huán)：太陽能車棚不僅可以提供電能，而且保護車輛免于日曬雨淋，提升車輛的安全性，增加使用壽命。在陰雨天能源不夠用時，可以切換為市電繼續(xù)為電動車進行充電，陽光充足時能源供求會過盛，此時可以把電賣給小區(qū)或電力公司，這樣可最大效率地使用太陽能，節(jié)約能源，從環(huán)保理念角度上真正實現(xiàn)了建筑節(jié)能一體化，如圖11所示。

5.合理的空間布局：公共設施整體造型在產(chǎn)品空間規(guī)劃上與宣傳欄相結合，可作為廣告宣傳位，在一定有限的空間內(nèi)增加更多實用的功能，合理體現(xiàn)集約化的設計思想，不僅實現(xiàn)了綠色化發(fā)電需求，而且達到土地資源最優(yōu)化利用，如圖12所示。

總結

在可持續(xù)理念快速發(fā)展的影響下，城市公共基礎設施也隨之發(fā)生了改變。本課題通過對國內(nèi)外公共基礎設施的發(fā)展狀態(tài)和代表性案例的分析，歸納出相關設計原則和方法，并以電動車充電樁基礎設施為例進行設計優(yōu)化，通過設計方案驗證理論研究成果，為城市公共基礎設施的發(fā)展提供了指導性的理論借鑒。