高密度城区建筑设计的绿色探索
作者：
施培琰、姜 江、任 婕
摘要：
目前城市化建设方兴未艾，城市高密度建设是土地集约利用发展的必然，但同时也为生态环境与建筑健康发展带来了挑战。针对高密度城区的特点与局限性，以上海市副中心某超高层综合体建筑的绿色设计实践为例，从场地生态环境营造、室内舒适品质控制、建筑节能与智能控制等方面探索了高密度大体量建筑实现绿色健康可持续的设计方法。研究结果以期为实现绿色、环保、健康、高效、智慧、可感知的绿色健康建筑设计提供借鉴。
关键词：
高密度城区；大体量建筑；生态环境；绿色建筑设计；绿色可持续发展；综合体建筑
城市高密度建设对生态绿色的影响
随着城市化进程的推进，人口不断向城市集聚，复合多种功能的高层、超高层建筑和大体量综合体建筑不断在城市中涌现。建筑的高密度集聚与功能复合，是城市发展需求所带来的必然，同时能节约用地空间、减少服务设施建设量、缓解交通和碳排放压力，对城市的生态低碳建设也具有积极意义[1]。但是，从人的舒适健康与建筑绿色运行角度看，高密度建设也带来了许多负面影响。一是建筑密度增大改变了区域微环境，大量人工下垫面的建设加剧了城市热岛效应。二是建筑聚集承载了大量的人类活动，大体量、超高层建筑运行能耗巨大。三是人们在人工环境中缺少与自然环境的接触，很多城市病、空调病乃至抑郁、焦虑症等都随之袭来。因此，如何在利用城市高密度发展优势的同时，战胜其对生态、健康、节能带来的挑战，是目前城市建筑设计面临的难题。
高密度城区大体量、超高层建筑的绿色设计困境
目前，城市高密度区域建设的大体量、超高层建筑的绿色设计还面临着许多具体的挑战。首先，高密度开发条件下，场地范围有限，且硬质化铺装比例高、绿化率低[2]。如何在高度人工化的环境下营造高品质的场地生态环境，是高密度开发项目面临的首要难题。其次，在大体量建筑中实现高品质环境，需要消耗大量的人工照明、空调新风能耗[3]。自然通风、自然采光与遮阳等常用被动式技术在超高层、大体量建筑环境中的应用受到大体量大进深、超高层超高风速等条件的制约。因此，如何通过技术创新，在保持较低能耗水平的同时实现室内环境品质提升是大体量综合体建筑要解决的又一难点。再次，绿色建筑发展多年，但使用者对绿色建筑性能、节能水平及环境品质提升的体验感与获得感一直不高。新冠肺炎疫情的爆发，进一步激发了人们对建筑性能获得感的关注。对于人员高度聚集的大体量、超高层建筑，将高效运行与人员感受、体验相结合，是绿色设计中需要解决的重点问题。
某超高层综合体建筑的绿色探索
针对上述问题，结合上海市城市副中心正在设计实施的1 栋超高层大型综合商业办公体建筑的项目实际，探索在高密度城区大体量、超高层综合体中实现生态高效健康运行的设计方法，以期为实现绿色、环保、健康、高效、智慧、可感知的绿色健康建筑设计提供借鉴。
该项目位于上海市城市副中心，由 2 栋超高层办公塔楼（分别高 193 m 和 230 m）和底部 6 F 的大型商业综合体裙房组成，容积率达到 7.0。面对超大体量、超高高度及有限的场地条件，项目团队在详细分析项目特点后，重点从生态环境融合、资源综合利用、室内健康环境品质提升、人文关怀与智能监控等方面提出应对策略。
3.1 融合生态的场地活力提升与环境营造
3.1.1 多层次生态化景观设计
场地环境方面，本项目具有建筑密度高、绿地设置受限等特点。为了弥补场地绿色空间不足的缺憾，项目设计时，一方面通过建筑设计与场地周边区域级的生态廊道相呼应，实现建筑与生态环境的融合营造；另一方面，尽可能增加自然绿植，起到改善场地微气候和微环境的作用[4]。
项目中构建了一个集空中庭院、屋顶绿化和下凹绿地为一体的多层次生态绿化系统，其中，屋顶设置了层层退台的屋顶形式，并设置屋顶绿化。在建筑中部设置边庭，结合垂直绿化、庭院绿化，将绿色景观引入到办公塔楼的多个层面。在裙房屋顶设置屋顶花园，可供人们休憩。此外，项目设计中还将海绵城市建设理念融入其中，通过设置透水地面与下凹绿地，达到有效控制径流总量和径流污染、提高雨水的资源化利用效率和维持水生态环境的目的。
3.1.2 城市中心区场地生态保护与补偿措施
项目设计充分考虑城市中心区的生态环境，结合周边城市水系与生态廊道，通过优化场地景观设计，形成生态景观上的连通，使场地融入城市公共通廊中，以保护生物栖息地的贯通、维护生物多样性，同时通过设置屋顶绿化以补偿场地开发造成的影响。充分保护原有场地生态，将场地北侧树龄为 500 a 的古银杏树保护纳入设计要求，使项目景观方案与古树相得益彰。方案设计时，通过设置保护距离、场地排水设计和铺装类型等，为古树生长创造适宜的条件。施工过程中，采取搭建围挡、设置地下水系统等措施，减少施工对古树生长的影响。运行过程中，通过排水设施维护、树体整形修剪、病虫害防治等，确保古树的健康生长。
3.1.3 三水交汇的多功能融合提升区域活力
项目以中国园林小径的传统概念进行空间规划，打造出创新、生态和文化 3 条贯穿场地的活动流线，体现“三水交汇”的设计理念。通过交通流线将项目及其南侧绿廊、北侧河道广场、地铁站等环境元素联系在一起。通过开放室内空间，模糊室内外空间界线，使建筑与城市功能相融合。此外，结合裙房屋顶、场地广场与景观设计，设置室外健身场地、交流场地、儿童活动场地与健身步道，并融入遮阴、座椅、卫生间等相关配套服务，实现生活、社交、文化、商业与艺术功能的结合，为建筑使用者提供多种户外活动可能，极大提升区域活力。
3.2 室内环境品质与舒适性的营造与提升
3.2.1 边庭与折线型幕墙自然通风提升策略
对于超高层建筑，利用自然通风节能降耗的同时，还需要考虑超高层部分开窗的安全性，以及高处过强风力对室内环境的影响[5]。本项目方案设计初期就将自然通风纳入了建筑本体设计之中，结合性能化模拟分析，最终选择折线型幕墙设计即在折线内凹处设置开启扇，在引导自然风进入室内的同时，也避免高空过强风直吹的问题。此外，本项目还在2 栋建筑在相对一侧幕墙上设置局部边庭，不仅有效减少了建筑间狭长通道风对幕墙与室内的影响，而且起到了活跃内部空间形式的作用。
在此基础上，结合室内不同办公分隔布局，幕墙外开、内开、上悬、平开等不同开启形式对自然通风的幕墙设计进行分析优化，不同布局与不同开启形式自然通风效果的推敲过程如图 1 所示。最终达到了 2 次/h 室内空间换气要求，实现了舒适通风，解决了超高层建筑通风矛盾，改善内部热环境，减少空调运行时间。
3.2.2 自然采光与遮阳综合改善策略
在权衡整体能耗水平与采光改善程度的基础上，通过性能化分析确定中庭与天窗的尺度，使主要公共空间中至少75% 的面积满足采光标准要求。结合地下商业餐饮功能，设置下沉庭院，为地下空间提供良好的采光环境。
3.3 全过程建筑节能高效设计与运营
3.3.1 性能化分析辅助方案比选与优化
建筑布局、体形及围护结构设计，对建筑机电系统选型及运行能效水平影响显著。本项目在设计前期阶段就引入建筑性能化分析工具，并结合上海市的气候特点设置高性能围护结构，优化玻璃幕墙传热系数与遮阳系数，降低建筑负荷，打造节能基础，从而以最小的成本投入实现最大化的绿色建筑效益。采光能耗等性能化分析优化如图 2 所示。
3.3.2 基于不同运行时段负荷特点的空间布局与机电系统设计
本项目涵盖商务办公、购物中心、餐饮、影院、健身房等多种功能空间，不同功能空间在运行时段、负荷特点以及室内舒适度要求等方面又存在诸多差异。在充分认识上述特点的基础上，本项目机电系统设计在考虑经济性和使用效率的前提下合理布局不同使用功能空间，细化机电系统分区，并设置智能化控制系统，以期实现后期高效运营的目标。
3.3.3 基于用能需求和特点的资源高效利用
针对项目集中热水需求、全年制冷需求等用能需求特点，本项目通过选用高效冷热源机组、照明光源、节能电梯等系统和设备，大幅降低建筑的运营能耗。空调冷热源均采用高效设备，冷水机组能效在现行节能标准基础上提升12% 以上，锅炉效率提高 4%，达到 94%，分体机性能参数满足 1 级能效值要求。
在此基础上，采用可再生能源系统、冷却塔免费制冷技术进一步降低建筑能耗。设置太阳能热水系统为建筑泳池和公共浴室、生活热水供能，太阳能利用率超 45% 。设置雨水调蓄与回用系统，收集屋面与场地雨水，处理后可供项目绿化灌溉、道路、地库冲洗与洗车使用，雨水回用可满足全部室外用水需求，大大降低传统水源消耗。根据过渡季及冬季内区供冷需要，设置冷却塔免费供冷系统，利用螺杆机的冷却水泵和冷冻水泵免费供冷。
3.4 可感知的健康绿色智慧控制
3.4.1 高品质室内环境控制系统
大体量建筑的运行管理优化是提高建筑室内环境品质、降低运行能耗的关键因素。通过智能化控制系统对室内环境品质进行智能控制，不仅能优化系统运行状态、保证室内环境的舒适健康，还可以将健康绿色的环境品质直观地展现给使用者，提升使用者对建筑品质与舒适环境的感知度与获得感。本项目在室内环境控制系统建设方面采取了如下策略。
（1）根据空间需求，设置室内空气质量监控与展示系统。监测 PM10、PM2.5、CO2 浓度并设置越限报警。通过公共区的展示平台向公众实时发布空气质量表观指数等空气质量信息。地下车库设置与排风设备联动的 CO 浓度监测装置。
（2）设置智能照明控制系统，提升光舒适感。公共区域照明采用集中控制，根据不同区域的功能要求，通过预编程序，自动开关或调整灯光效果，实现照明系统的节能。室外夜景照明控制夜间 0：00 到次日早晨 6：00 自动关闭，实现使用者光舒适与照明节能的双重目标。
（3）开展新风与水质监测，保证使用者的健康。设置建筑设备监控系统，对所有办公区的新风机组均设置新风流量监测装置，且当新风量流量偏离设计值 10% 以上时向 BA系统（Building Automation System, 楼宇自动化系统）发送报警信号。设置水质在线监测系统，监测生活饮用水、管道直饮水、游泳池水、非传统水源、空调冷却水的水质，记录并保存水质监测结果，且能随时供用户查询。
3.4.2 智能化设计建设与运营管理
大体量建筑通过对智能化、信息化技术的综合应用，实现建筑设计施工运营全过程的整合，不仅能提升建筑实施效率与运行能效，还能使建筑能效的提升有效可见，增加使用者的获得感。本项目在智能化设计、建设与运营管理方面运用了如下技术。
（1）设置能源实时监测与管理平台系统。将能耗、水耗均通过远传计量系统纳入能源管理平台，分类、分级记录、统计分析各种用能、用水情况，并通过用能组成、能流等分析预测能耗水平，及时调整建筑设备的运行，使建筑达到最佳运行状态。各部分能耗可实时向用户展示，使每个使用者均能直观地了解各项技术的真实运行情况。
（2）设置智能化服务系统。该系统具有照明控制、安全报警、环境监测、工作生活服务等服务功能并可接入智慧城市（城区、社区）的功能，有助于提升建筑自动化管理水平。
（3）全生命周期应用 BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术。本项目在建筑工程的设计、施工与运营全过程应用 BIM 技术，实现各阶段、各专业的协作配合，在更高层次上充分利用各自资源，有效避免重复性劳动，大大提高整个工程的质量和效率，降低成本。
结 语
针对高密度城区大体量、超高层建筑带来的生态、节能与健康问题，结合项目实践，从场地生态环境营造、室内环境品质提升、建筑节能设计运营和建筑绿色智慧控制 4 个方面，探索了该类建筑的绿色健康设计策略。后续将结合项目落地，从施工、运营全过程继续研究城市高密度建设地区建筑的绿色实践，为提升城市品质、绿色可持续发展贡献力量。
参考文献：
[1] 张帆.城市高密度环境下高层建筑“次级地面”的设计策略研究——以新加坡为例[D].广州:华南理工大学,2018.
[2] 肖畅.江南城市高密度地区绿色公共建筑空间设计策略研究[D].南京:东南大学, 2019.
[3] 王婷.寒冷气候城市高密度地区生态节能设计策略研究[D].天津:天津大学,2015.
[4] 周铁军,王大川,熊健吾.形式、功能与认知:建筑绿化在绿色建筑与生态城市中的角色[J].中国科学:技术科学,2015(9):951-963.
[5] 王梓,尹宝泉.绿色超高层建筑被动式设计策略[J].城市住宅,2016(11):16-20.
作者简介：
施培琰，1984 年生，中级职称，主要研究方向为建筑工程技术，现供职于上海海汇房地产开发有限公司。