高層建筑設(shè)計中生態(tài)建筑學(xué)的運(yùn)用探究

柴智琦

作為群眾日常生活與生產(chǎn)中必不可少的部分，高層建筑設(shè)計傳統(tǒng)手段的沿用，不僅造成能源損耗，也難以滿足群眾多樣化需求。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，生態(tài)建筑學(xué)的概念應(yīng)運(yùn)而生。生態(tài)建筑學(xué)不僅注重建筑本身的環(huán)保性能，更著眼于整體生態(tài)系統(tǒng)的平衡與可持續(xù)發(fā)展，其以最小化資源消耗、減少環(huán)境影響為目標(biāo)，通過運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)和創(chuàng)新的設(shè)計策略，將建筑與自然環(huán)境融為一體。為在高層建筑設(shè)計中科學(xué)運(yùn)用生態(tài)建筑學(xué)，以下內(nèi)容將著重闡述幾點(diǎn)應(yīng)用路徑。

1 生態(tài)建筑學(xué)的定義和演變

廣受重視的生態(tài)建筑學(xué)，主要面向建筑規(guī)劃、施工等多個環(huán)節(jié)，要求各個部分都達(dá)到可持續(xù)發(fā)展和利用的目標(biāo)，著重強(qiáng)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，更加關(guān)注建筑與自然環(huán)境的和諧融合，旨在創(chuàng)建健康、高效、環(huán)保的建筑。隨著全球環(huán)境問題的日益嚴(yán)重和人們對可持續(xù)發(fā)展的日益關(guān)注，生態(tài)建筑學(xué)逐漸嶄露頭角，并不斷演變。

最早的生態(tài)建筑學(xué)理念可以追溯到20 世紀(jì)60 年代的環(huán)境主義運(yùn)動，當(dāng)時人們開始認(rèn)識到建筑對環(huán)境造成的影響，并提出了一些簡單的環(huán)保設(shè)計原則。然而，隨著時間的推移，生態(tài)建筑學(xué)變得更加綜合和成熟。

20 世紀(jì)80—90 年代，建筑界出現(xiàn)了更多關(guān)于能源效率、可再生能源利用和材料循環(huán)利用的討論。人們開始研究如何通過設(shè)計和技術(shù)手段來降低建筑的能源消耗和碳排放，以及減少對有限資源的依賴[1]。

21 世紀(jì)初，隨著綠色建筑認(rèn)證系統(tǒng)的興起，生態(tài)建筑學(xué)進(jìn)入一個新的階段。這些認(rèn)證系統(tǒng)，如LEED、BREEAM 和GREENSTAR 等，提供了一套評估標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方針，以促進(jìn)建筑的可持續(xù)發(fā)展。這些標(biāo)準(zhǔn)包括能源效率、水資源管理、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和可持續(xù)材料選擇等方面，推動了建筑行業(yè)對生態(tài)建筑學(xué)的廣泛應(yīng)用。在高層建筑設(shè)計中引入生態(tài)建筑學(xué)的理論，不但實現(xiàn)了資源的可循環(huán)利用，而且又減少了污染物的排放，同時保護(hù)了自然生態(tài)結(jié)構(gòu)，保障了高層建筑經(jīng)濟(jì)效益，最終也提高了居民居住環(huán)境的整體質(zhì)量。如今，生態(tài)建筑學(xué)正面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。隨著科技的進(jìn)步，諸如智能控制系統(tǒng)、可再生能源技術(shù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式等創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，生態(tài)建筑的潛力得到了進(jìn)一步釋放。同時，人們對建筑對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的影響也更加關(guān)注，生態(tài)建筑學(xué)正逐漸與生態(tài)學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科相互交叉，追求更細(xì)致、深入的研究。

2 高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀

高層建筑的發(fā)展一直以來都備受關(guān)注。隨著城市化進(jìn)程的加速和土地資源的稀缺，高層建筑作為一種有效的城市發(fā)展方式和解決方案，正在成為現(xiàn)代城市建設(shè)的重要組成部分。以下是對高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀的分類：

1）高層建筑的高度不斷刷新紀(jì)錄[2]。迪拜的哈利法塔、中國的上海中心和廣州的廣州塔等標(biāo)志性建筑都超過600 m 的高度，這些超高層建筑不僅成為城市地標(biāo)，還展示了當(dāng)?shù)亟ㄖ夹g(shù)和工程的進(jìn)步。

2）現(xiàn)代高層建筑越來越注重可持續(xù)性設(shè)計。通過使用環(huán)保材料、節(jié)能設(shè)備和綠色技術(shù)，可以減少高層建筑對能源的消耗以及對環(huán)境的影響；綠色建筑認(rèn)證系統(tǒng)的引入，也能夠促使開發(fā)商和設(shè)計師更加關(guān)注建筑的環(huán)境性能。

3）高層建筑以其垂直發(fā)展的特點(diǎn)，有效的提高了土地利用效率，并提供了更多的居住空間、商業(yè)空間和辦公空間，滿足了城市人口增長和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的需求。同時，高層建筑也在某種程度上緩解了城市擴(kuò)張對郊區(qū)土地的需求。

4）高層建筑的抗震安全性是一個重要關(guān)注點(diǎn)。現(xiàn)代高層建筑采用了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)，以提供更強(qiáng)大的抗震能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。地震防護(hù)系統(tǒng)、減震裝置和緊急疏散措施等措施被廣泛采用，以確保建筑在地震等自然災(zāi)害中的安全性。

5）高層建筑越來越多地應(yīng)用智能化技術(shù)。自動化系統(tǒng)、智能照明和智能家居設(shè)備等技術(shù)被集成到建筑中，提供了更便捷、舒適和安全的生活及工作環(huán)境。綜上，高層建筑作為現(xiàn)代城市化進(jìn)程中的一種重要形態(tài)，不斷創(chuàng)新和發(fā)展。未來，隨著科技和設(shè)計的進(jìn)步，高層建筑將繼續(xù)發(fā)展并面臨新的挑戰(zhàn)，如表1 所示。

表1 高層建筑發(fā)展趨勢

3 高層建筑設(shè)計中生態(tài)建筑學(xué)的運(yùn)用路徑分析

3.1 建設(shè)空間生態(tài)

建設(shè)空間生態(tài)是高層建筑設(shè)計中生態(tài)建筑學(xué)的重要運(yùn)用路徑之一，通過合理規(guī)劃和設(shè)計建筑周邊的生態(tài)系統(tǒng)，以實現(xiàn)建筑與自然環(huán)境的和諧共生。比如某地區(qū)高層建筑設(shè)計項目，作為一座地標(biāo)性的高層建筑復(fù)合體，充分利用了建設(shè)空間生態(tài)的概念，通過引入綠化景觀、垂直花園和可持續(xù)設(shè)計元素，創(chuàng)造一個獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境。

設(shè)計者依靠生態(tài)建筑學(xué)概念實施規(guī)劃，具體措施如下：

1）綠化景觀設(shè)計[3]。設(shè)計者在建筑外墻覆蓋了近40000 m2的綠色立面，由數(shù)千種植物構(gòu)成，形成一個垂直的花園，可以提供自然美景和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。其中建筑周邊的公共空間設(shè)計為綠色廣場和花園，為居民和游客提供了休閑和社交的場所。

2）水資源管理。建筑頂部設(shè)置了大型的雨水收集系統(tǒng)，將雨水收集起來，用于植物灌溉和公共景觀水景的供水。通過對雨水的收集和充分利用，減少了對城市供水系統(tǒng)的壓力，同時減少了雨水徑流對當(dāng)?shù)厮w的污染。

3）太陽能和能源效率。在建筑屋頂安裝了大面積的太陽能光伏板，用于滿足公共區(qū)域的電力需求，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴。建筑內(nèi)部采用了高效的能源管理系統(tǒng)和節(jié)能設(shè)備，包括LED 照明、智能控制和高效空調(diào)系統(tǒng)等，減少了能源消耗。設(shè)計者綜合上述設(shè)計手段，最終呈現(xiàn)的效果如表2 所示。

表2 項目設(shè)計效果

3.2 高層建筑外墻生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計

隨著時代的飛速發(fā)展，高層建筑作為生活中經(jīng)?？吹降牟糠?，更是城鎮(zhèn)化發(fā)展中不可缺少的部分。然而，高層建筑的建設(shè)也面臨許多挑戰(zhàn)，包括能源消耗、空氣污染和城市熱島效應(yīng)等問題。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，越來越多的設(shè)計師和城市規(guī)劃者開始關(guān)注高層建筑外墻生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計。高層建筑外墻生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)是將自然元素引入建筑環(huán)境中，創(chuàng)造一個可持續(xù)、宜居的空間[4]。

植物選擇是設(shè)計中的重要考慮因素之一。根據(jù)建筑的地理位置和氣候條件，選擇適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻闹参镏陵P(guān)重要。一些常見的植物選擇包括耐旱植物、適應(yīng)高溫的植物，以及具有良好空氣凈化能力的植物?？梢詫⑦@些植物種植在高層建筑外墻的垂直花園或綠化墻上，以提供綠色覆蓋，凈化空氣，吸收二氧化碳，并改善高層建筑的微氣候。

除此之外，灌溉系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計中的另一個重要方面。由于高層建筑外墻的灌溉通常面臨著供水和排水的限制，設(shè)計師需要考慮采用節(jié)水灌溉系統(tǒng)。例如，利用雨水收集系統(tǒng)和滴灌技術(shù)，將收集到的雨水用于植物的灌溉。還可以考慮使用灌溉水的循環(huán)系統(tǒng)，最大限度減少水的浪費(fèi)。

光照和通風(fēng)是高層建筑外墻生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計中的重要因素。設(shè)計師應(yīng)該合理安排植物的布局，以確保每個植物都能獲得足夠的陽光照射。同時，還需要考慮到通風(fēng)系統(tǒng)，以保持空氣的流通，避免病蟲害的滋生[5]。

3.3 運(yùn)用生態(tài)表皮設(shè)計

生態(tài)表皮設(shè)計是一種以自然生態(tài)系統(tǒng)為靈感的設(shè)計理念，通過運(yùn)用生態(tài)原理和技術(shù)手段，在建筑外立面或屋頂上創(chuàng)造一個具有生態(tài)功能的層面。這種設(shè)計方式旨在將自然環(huán)境與建筑相融合，提供可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好的解決方案。比如某地區(qū)開展的“花冠”大廈項目，以自然植被為主題，通過運(yùn)用生態(tài)表皮設(shè)計，成功地實現(xiàn)生態(tài)功能與建筑美學(xué)的完美結(jié)合?！盎ü凇贝髲B的外立面采用了大面積的玻璃幕墻，為建筑內(nèi)部提供了充足的自然光線。同時，建筑外立面也布滿垂直綠化系統(tǒng)，這是生態(tài)表皮設(shè)計的核心特點(diǎn)之一[5]。垂直綠化系統(tǒng)通過種植各種蔓生植物和攀爬植物，形成一個垂直的生態(tài)景觀，使建筑與自然環(huán)境融為一體。這種生態(tài)表皮設(shè)計不僅美化了建筑外觀，還具有多種環(huán)境效益。

為做好生態(tài)表皮設(shè)計的各類事項，需要注意4 個要點(diǎn)：

1）設(shè)計團(tuán)隊需要對建筑所在的自然環(huán)境進(jìn)行全面的研究和分析，了解氣候條件、植被類型、土壤狀況等因素。

2）根據(jù)研究結(jié)果，確定適合該地區(qū)的植物種類及其生長條件，選擇適合的垂直綠化系統(tǒng)和屋頂花園設(shè)計。

3）在設(shè)計實施階段，需要合理布局垂直綠化系統(tǒng)和屋頂花園，確保植物的生長空間和光線條件；同時，要對植物的養(yǎng)護(hù)和維護(hù)問題進(jìn)行充分考慮，確保其長期、穩(wěn)定地運(yùn)行。

4）設(shè)計團(tuán)隊需要對生態(tài)表皮設(shè)計的效果進(jìn)行監(jiān)測和評估。通過定期監(jiān)測植物生長情況、環(huán)境效益和能源節(jié)約等情況，及時調(diào)整和改進(jìn)設(shè)計方案，以實現(xiàn)最佳的生態(tài)效果。

3.4 建筑遮陽設(shè)計

通過建筑遮陽設(shè)計手段，能夠極大減少建筑物受到太陽直射而產(chǎn)生的熱量，提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，并降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

合理的建筑遮陽設(shè)計，一來可以實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，二來能賦予建筑獨(dú)特的外觀和功能，建筑遮陽設(shè)計具體方法：

1）選擇合適的建筑立面材料。淺色或反射性較高的材料可以減少對太陽輻射的吸收，從而降低建筑表面溫度。此外，設(shè)計師還可以使用具有遮陽功能的特殊涂層或涂料，將部分太陽光線反射，以減少建筑物對熱量的吸收。在此過程中，為優(yōu)化太陽光的照射角度與強(qiáng)度，設(shè)計師可以從建筑形狀、立面凹凸、懸挑、擋風(fēng)墻等特點(diǎn)出發(fā)，如常見的增加凹槽或挑檐，可以實現(xiàn)部分遮擋作用，避免直射陽光進(jìn)入室內(nèi)。建筑的外部構(gòu)造還可以考慮利用自然通風(fēng)和自然采光的原理，以減少機(jī)械通風(fēng)和照明系統(tǒng)的使用。

2）運(yùn)用合適的遮陽裝置。例如，可以在建筑立面安裝遮陽百葉、遮陽簾、遮陽網(wǎng)等，根據(jù)太陽軌跡的變化進(jìn)行手動或自動調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳的遮陽效果。在施工現(xiàn)場允許的情況下，設(shè)計師還可以考慮在建筑周圍種植高大的樹木或植被，形成自然的遮陰，為建筑物提供遮陽保護(hù)。

3）充分利用被動式住宅（Passivhaus）原則。Passivhaus 是一種能源節(jié)約建筑標(biāo)準(zhǔn)，核心思想是通過優(yōu)化建筑外圍結(jié)構(gòu)，最大限度減少能源損耗。在建筑遮陽設(shè)計中，可運(yùn)用Passivhaus 的原則，如合理設(shè)置窗戶和開口的位置及大小，利用可調(diào)節(jié)的外部遮陽裝置，控制室內(nèi)的光線和熱量輸入，實現(xiàn)節(jié)能和舒適性的平衡。

4 結(jié)語

當(dāng)前，面對激烈的市場競爭環(huán)境，企業(yè)要想始終保持穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢，做好高層建筑設(shè)計工作很有必要。鑒于傳統(tǒng)設(shè)計方法帶來的諸多弊端，為實現(xiàn)能源的有效利用及保護(hù)生態(tài)環(huán)境的設(shè)計目標(biāo)，合理應(yīng)用極為緊迫。

本文探究了高層建筑設(shè)計中生態(tài)建筑學(xué)的運(yùn)用，旨在揭示其對建筑可持續(xù)性利用和對環(huán)境影響的積極作用。通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)和案例研究的分析，我們發(fā)現(xiàn)在高層建筑設(shè)計中應(yīng)用生態(tài)建筑學(xué)有多方面的好處。首先，它提供了一種可持續(xù)的建筑模式，通過最大限度地減少能源消耗和環(huán)境污染，實現(xiàn)對環(huán)境的最大保護(hù)。其次，基于施工現(xiàn)場情況，科學(xué)選用適合的可再生能源物質(zhì)，確保施工過程中能源利用率的有效提高，也能夠盡量減少污染物的排放，這對于應(yīng)對全球變暖和氣候變化具有重要意義。加上運(yùn)用綠色屋頂、立體綠化和自然通風(fēng)等技術(shù)手段，高層建筑可以在城市環(huán)境中創(chuàng)造宜居的綠色空間，為群眾提供更好的生活質(zhì)量和空氣質(zhì)量。將生態(tài)建筑學(xué)引入高層建筑設(shè)計，這將是對高層建筑設(shè)計的一項重大突破，其在改善人居環(huán)境同時，實現(xiàn)人與自然和諧統(tǒng)一，又進(jìn)一步拓展了高層建筑設(shè)計的發(fā)展空間。生態(tài)建筑理論的發(fā)展將導(dǎo)致建筑科學(xué)技術(shù)內(nèi)容的極大豐富與建筑藝術(shù)創(chuàng)造的相應(yīng)發(fā)展，從而不斷推動整個建筑學(xué)不斷向前發(fā)展。