零碳超高層建筑設(shè)計(jì)的實(shí)施框架初探

倪江濤

在超高層建筑設(shè)計(jì)過程中，建筑師需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，為推動整個(gè)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境友好型建筑的轉(zhuǎn)型發(fā)揮積極作用。筆者根據(jù)自身多年在超高層建筑設(shè)計(jì)及可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合建筑行業(yè)零碳轉(zhuǎn)型的理念，系統(tǒng)論述實(shí)現(xiàn)零碳超高層建筑的設(shè)計(jì)與技術(shù)路徑，以期為同行業(yè)專業(yè)人士提供指導(dǎo)。

1 零碳超高層建筑的定義

在研究零碳超高層建筑的定義時(shí)，將其分為兩個(gè)核心概念：超高層建筑和零碳建筑。超高層建筑的定義可參考《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50352—2019）。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建筑高度超過100 m 時(shí)，不論住宅或公共建筑均稱為超高層建筑[1]?！督ㄖ阑鹜ㄓ靡?guī)范》（GB 55037—2022）也規(guī)定，建筑高度超過100 m 時(shí)，應(yīng)對結(jié)構(gòu)樓板耐火極限和額外設(shè)置避難層等安全方面有特殊要求[2]。世界高層建筑與都市人居學(xué)會（Council on Tall Buildings and Urban Habitat，CTBUH）認(rèn)為，高度在50 m 以上的建筑可稱為高層建筑，超過300 m 則被稱為超高層建筑，而超過600 m 則被稱為極高層建筑[3]。筆者將超高層建筑定義為高度超過100 m 的建筑。

零碳建筑是指在其整個(gè)生命周期中實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的建筑物[4]。這意味著在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營和拆除階段要盡量減少碳排放。零碳建筑的目標(biāo)是減少對氣候的影響，降低對環(huán)境的影響，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。全過程零碳建筑是指在滿足零碳建筑技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過采用低碳建材、低碳結(jié)構(gòu)形式和材料減量化設(shè)計(jì)，可結(jié)合碳排放權(quán)交易和綠色電力交易等碳抵消方式，建筑建材、建造和運(yùn)行全過程的總碳排放量不大于零的建筑。

綜上，筆者將零碳超高層建筑定義為在其整個(gè)生命周期中凈零碳排放，且高度超過100 m 的建筑。

2 推進(jìn)零碳超高層建筑設(shè)計(jì)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

2.1 機(jī)遇

技術(shù)積累上，我國超高層建筑數(shù)量領(lǐng)先全球，積累了豐富的項(xiàng)目與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)；規(guī)模方面，超高層建筑規(guī)模大、影響廣泛，實(shí)現(xiàn)零碳將對整個(gè)行業(yè)和社會邁向零碳目標(biāo)具有重大影響；政策方面，我國已制定發(fā)布了“3060”雙碳目標(biāo)，近年來也出臺了一系列鼓勵(lì)零碳建筑的政策與法規(guī)；新材料、新技術(shù)方面，人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用已逐漸成熟，為全面系統(tǒng)化的零碳超高層建筑設(shè)計(jì)提供了契機(jī)。

2.2 挑戰(zhàn)

目前，零碳超高層建筑設(shè)計(jì)也面臨巨大挑戰(zhàn)。在成本方面，實(shí)現(xiàn)零碳需要大量前期投入，包括高效節(jié)能設(shè)備、可再生能源設(shè)施和新型建筑材料，短期建設(shè)成本高。在市場和社會認(rèn)知方面，部分開發(fā)商對零碳超高層建筑等相關(guān)概念認(rèn)知不足，例如隱含碳、全生命周期可持續(xù)建筑等，導(dǎo)致這些概念尚未得到市場和社會的廣泛接受，需要加強(qiáng)宣傳和教育才能提升市場認(rèn)可度。

在技術(shù)層面，仍存在一些未克服的難題，如能源存儲和智能系統(tǒng)集成，需要進(jìn)一步研發(fā)和完善。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搭建層面，目前仍缺乏行業(yè)通用的碳計(jì)算數(shù)據(jù)庫，且并未進(jìn)行碳數(shù)據(jù)披露，增加了零碳超高層建筑實(shí)施的底層架構(gòu)不確定性。在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，建筑師缺少系統(tǒng)性的零碳設(shè)計(jì)實(shí)施框架來整合實(shí)現(xiàn)零碳超高層建筑的設(shè)計(jì)。

3 零碳超高層建筑設(shè)計(jì)的實(shí)施框架

3.1 總體布局與建筑形體設(shè)計(jì)

從總體布局與建筑形體角度開展零碳超高層建筑的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要但又常被忽視的方面。該環(huán)節(jié)可以使建筑師在項(xiàng)目伊始就在一定程度上實(shí)現(xiàn)降低碳排放的目標(biāo)，為各項(xiàng)目相關(guān)方贏得主動。

具體設(shè)計(jì)實(shí)施方法如下：第1，采用被動式的設(shè)計(jì)策略，優(yōu)化建筑朝向與布局，并充分利用區(qū)域內(nèi)的自然采光與通風(fēng)，減少建筑能耗[5]。第2，從結(jié)構(gòu)方面優(yōu)化超高層建筑的體型設(shè)計(jì)，降低風(fēng)荷載，從而為后期結(jié)構(gòu)降碳提供便利條件。第3，優(yōu)化建筑立面窗墻比，或結(jié)合形體設(shè)計(jì)提供外部遮陽，以有效減少陽光直射，降低空調(diào)使用頻率和能耗。第4，如場地內(nèi)存在既有建筑，應(yīng)考慮加以利用，新建與改建相結(jié)合，以減少資源浪費(fèi)，降低隱含碳排放[6]。

3.2 建筑地下部分的設(shè)計(jì)

建筑地下部分（如樁基、地下室等）的鋼筋混凝土材料用量較多，優(yōu)化該部分可以系統(tǒng)性地降低碳排放：第1，結(jié)合地基條件、場地幾何形狀、用戶需求，選擇最合理的樁基形式、地下室深度、底板與墻板壁厚等，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的地下部分鋼筋混凝土材料用量，減少碳排放。第2，地下室防水至關(guān)重要，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段選用高性能防水材料，增強(qiáng)耐油性和水密性，減少建筑運(yùn)營階段進(jìn)行防水修補(bǔ)而產(chǎn)生的碳排放。第3，混凝土是建筑地下部分的主體建材，應(yīng)該優(yōu)先選用低碳混凝土，從材料角度可有效降低碳排放。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)零碳超高層建筑的另一核心要點(diǎn)，可通過以下措施最大限度地減少碳排放：第1，選用最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，最大限度地減少一次鋼材與混凝土的用量，從而極大降低隱含碳排放。第2，優(yōu)化結(jié)構(gòu)建材（如鋼、混凝土、水泥產(chǎn)品）。例如，使用低碳、高性能鋼材與水泥，可在材料端進(jìn)一步減少生產(chǎn)與建造過程中的碳排放。第3，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如采用輕鋼結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)替代大量現(xiàn)場作業(yè)的常規(guī)模式[7]。其中，輕鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕、強(qiáng)度高、施工速度快的優(yōu)點(diǎn)，在提高建筑靈活性的同時(shí)，也可大量減少材料使用量和施工能耗。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)通過精準(zhǔn)控制與工廠批量作業(yè)，大量減少了材料本身、運(yùn)輸過程、施工現(xiàn)場的碳排放，同時(shí)，其部件可循環(huán)利用，能有效降低建筑碳排放。

此外，不可忽視木結(jié)構(gòu)、竹結(jié)構(gòu)等的使用。雖然國內(nèi)由于規(guī)范限制、社會認(rèn)知等，該結(jié)構(gòu)目前僅可用于低樓層建筑。但木材作為可再生資源，本身就是一種天然的碳儲存材料，采用木結(jié)構(gòu)可將大量碳固化在建筑中，極大降低碳排放，與傳統(tǒng)鋼混結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比更具環(huán)保性。相信隨著國內(nèi)外越來越多成功木結(jié)構(gòu)超高層案例的涌現(xiàn)[8]，國內(nèi)相應(yīng)規(guī)范的更新，木結(jié)構(gòu)超高層建筑將成為極具競爭力的低碳零碳產(chǎn)品。

3.4 高性能幕墻系統(tǒng)

選擇高效隔熱玻璃和適宜的遮陽系統(tǒng)。高效隔熱玻璃具有優(yōu)異的隔熱性能，可以有效阻擋熱量傳輸，減少冷暖空氣的流失，降低因室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的能源消耗。同時(shí)，適宜的遮陽系統(tǒng)可以有效地遮擋太陽直射，減少建筑內(nèi)部的熱量吸收，進(jìn)一步降低空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，從而減少能源消耗和碳排放[6]。

采用雙層表皮構(gòu)造。雙層表皮結(jié)構(gòu)在建筑外立面形成一層隔熱空氣層，有效隔離外部氣溫對建筑內(nèi)部的影響，減少熱傳導(dǎo)，提高建筑的隔熱性能。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以降低建筑的能源消耗，還可以改善室內(nèi)舒適度，提升建筑的環(huán)境質(zhì)量。

綠植幕墻的應(yīng)用也是降低能耗和減少碳排放的重要策略。綠植幕墻不僅可以降低室內(nèi)溫度，還可以有效減少幕墻對太陽能的吸收，減輕空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，進(jìn)而降低能源消耗和減少碳排放。同時(shí)，綠植幕墻還可以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，提升建筑的生態(tài)效益，為城市增添綠色景觀。

引入自適應(yīng)可變表皮和自維護(hù)建筑表皮技術(shù)。自適應(yīng)可變表皮可以根據(jù)季節(jié)、天氣和建筑內(nèi)部需求，自動調(diào)節(jié)表面的透光率和隔熱性能，最大限度減少能源消耗和碳排放。同時(shí)，自維護(hù)建筑表皮技術(shù)可以減少表面污染和附著物，降低清潔維護(hù)成本，提高建筑的經(jīng)濟(jì)性。

3.5 室內(nèi)空間

在探索室內(nèi)空間的低碳設(shè)計(jì)策略時(shí)，需要將建筑設(shè)計(jì)、材料選擇、能源管理和用戶行為等多個(gè)方面結(jié)合起來，具體為：第1，在進(jìn)行室內(nèi)空間設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮自然通風(fēng)的可能性。通過煙囪效應(yīng)，可以將建筑內(nèi)部的高大空間作為自然通風(fēng)的通道，促進(jìn)空氣流動，降低對空調(diào)系統(tǒng)的依賴，從而減少能源消耗。這種設(shè)計(jì)能夠有效利用自然風(fēng)力，提供更加健康舒適的室內(nèi)環(huán)境。第2，機(jī)電系統(tǒng)的選擇對于實(shí)現(xiàn)零碳建筑至關(guān)重要。利用可持續(xù)的低能耗機(jī)電系統(tǒng)，如發(fā)光二極管（Lighting Emitting Diode，LED）照明和智能控制系統(tǒng)，能夠顯著降低室內(nèi)能耗。智能系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境變化和用戶需求，自動調(diào)節(jié)照明、溫度和通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)化使用。第3，做好室內(nèi)裝修材料的選擇工作。環(huán)保、可再生的材料和產(chǎn)品能夠減少裝修過程中的碳排放，還能夠在使用過程中提供更好的環(huán)境表現(xiàn)。例如，可選用竹木材料、可降解塑料和生物基材料等。其中，竹木材料是指利用竹子和木材作為原材料加工而成的材料，其使用具有多種環(huán)保優(yōu)勢，可以用于家具、裝飾材料、建筑材料等領(lǐng)域。生物基材料是指以生物質(zhì)為原料加工制成的材料，具有較高的性能穩(wěn)定性和耐久性，可應(yīng)用于塑料制品、紡織品、建筑材料等領(lǐng)域?？山到馑芰鲜侵冈谝欢ǖ沫h(huán)境條件下（如高溫、濕度、微生物等）可以被自然降解的塑料。第4，關(guān)注用戶行為對室內(nèi)能耗的影響。鼓勵(lì)用戶采取更加節(jié)能的生活方式，如關(guān)閉不必要的照明和電器、利用自然光照、合理調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度等，這些行為只要堅(jiān)持，就會產(chǎn)生顯著的能源節(jié)約效果。

3.6 材料選型

在零碳超高層建筑設(shè)計(jì)中，材料選擇要注意以下幾點(diǎn)：第1，選擇具有環(huán)境產(chǎn)品認(rèn)證（Environmental Product Declaration，EPD）標(biāo)識的建材產(chǎn)品。EPD 提供了產(chǎn)品整個(gè)生命周期的環(huán)境性能數(shù)據(jù)，包括能源消耗、碳排放、污染物排放等。這些標(biāo)識表明產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行了全面的環(huán)境評估，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更好地降碳與追蹤碳足跡提供了依據(jù)。第2，注重鋼材與水泥（或混凝土）2 種核心建材的應(yīng)用。在眾多建材中，鋼材與水泥用量較多，也是生產(chǎn)加工過程中釋放最多碳的核心建材。因此，應(yīng)選擇高性能鋼材與低碳水泥，減少建材用量，降低碳排放。建材生產(chǎn)并非本文關(guān)注的要點(diǎn)，但上述2 種建材的生產(chǎn)加工過程中的用煤、用電等，也會產(chǎn)生大量碳排放，值得相關(guān)方予以關(guān)注。第3，應(yīng)用新興材料。智能材料、納米材料、新興絕緣材料和生物材料等新型材料具有較低的環(huán)境影響和更高的可持續(xù)性，可應(yīng)用于零碳超高層建筑。例如，智能材料可提高建筑能效，納米材料可增強(qiáng)材料性能并減少資源消耗，新興絕緣材料可提高建筑的隔熱性能，生物材料可替代傳統(tǒng)的化石燃料，減少碳排放。上述方式能有效降低建筑的碳足跡，實(shí)現(xiàn)零碳超高層建筑設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

3.7 能源利用

太陽能光伏、風(fēng)能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉淳哂芯薮鬂摿?。通過在建筑的屋頂、天窗、幕墻或周圍景觀區(qū)域安裝太陽能光伏板和風(fēng)力渦輪機(jī)等設(shè)備，為建筑提供清潔能源，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低建筑的碳排放[9]。同時(shí)，還要加強(qiáng)地?zé)崮艿膽?yīng)用，通過地源熱泵等手段利用地下熱能來供暖和制冷，進(jìn)一步降低建筑的碳排放。節(jié)約用水。能源與水資源之間密切相關(guān)，因此有效管理和節(jié)約用水至關(guān)重要。采用節(jié)水設(shè)備可以顯著降低建筑的水消耗。例如，可安裝水龍頭和淋浴頭上的節(jié)水裝置，限制水流量并降低水的使用量。同時(shí)，還可以安裝雙沖式馬桶，根據(jù)需要選擇不同的沖水量，進(jìn)一步減少用水量。此外，利用相關(guān)設(shè)備收集雨水和引進(jìn)節(jié)水灌溉系統(tǒng)等，可進(jìn)一步減少對自來水的需求，降低水資源的消耗，實(shí)現(xiàn)零碳超高層建筑設(shè)計(jì)的目標(biāo)。同時(shí)，還要提升水資源利用效率，減少浪費(fèi)。具體來說，可以引出先進(jìn)的技術(shù)加強(qiáng)污水處理，使水資源實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

綜上，在能源角度實(shí)現(xiàn)零碳超高層建筑設(shè)計(jì)，有助于減少建筑的碳排放，提高建筑的能源利用效率和水資源利用效率，實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展。

3.8 碳排放計(jì)算與碳數(shù)據(jù)披露

在推進(jìn)綠色建筑發(fā)展的過程中，對建筑全生命周期的碳排放進(jìn)行準(zhǔn)確量化至關(guān)重要。這不僅有助于識別和優(yōu)化高碳排放環(huán)節(jié)，還能為設(shè)計(jì)和施工提供數(shù)據(jù)支持，確保每一步驟都朝著降低碳排放的目標(biāo)邁進(jìn)。例如，通過選擇低碳材料、優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)、提高能效和利用可再生能源等措施，可以顯著減少建筑的碳足跡。

此外，建立公開透明的碳排放數(shù)據(jù)披露機(jī)制對提升行業(yè)和公眾的環(huán)保意識同樣重要。這不僅能促使消費(fèi)者做出更加環(huán)保的選擇，而且能激勵(lì)企業(yè)投資于低碳技術(shù)和解決方案，推動整個(gè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。通過這種方式，可以建立起一個(gè)積極的反饋循環(huán)，其中政策制定者、建筑師、開發(fā)商和消費(fèi)者共同努力，實(shí)現(xiàn)零碳建筑的建設(shè)。通過精確的碳排放量化和數(shù)據(jù)公開披露，不僅能提高行業(yè)的透明度和可持續(xù)性，還能夠提升社會對綠色建筑價(jià)值的認(rèn)識和接受程度。這將為零碳超高層建筑的設(shè)計(jì)和實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[10]。

4 結(jié)語

本文著重探討了實(shí)現(xiàn)零碳超高層建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵實(shí)施框架與技術(shù)路徑。雖然我國在超高層建筑領(lǐng)域的技術(shù)積累和政策方面具備一定優(yōu)勢，但實(shí)現(xiàn)其零碳目標(biāo)仍面臨多方面的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在成本、市場認(rèn)知、規(guī)劃設(shè)計(jì)和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用等。因此，需要加強(qiáng)跨學(xué)科合作和提升創(chuàng)新能力以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。