基于可持续理念的城市公共基础设施设计探究

张蓓蓓 王亚利 王少俊

关键词：可持续 公共基础设施 设计原则 设计方法 电动车充电桩

引言

城市公共基础设施是一个城市文化与经济状况最直观的体现，在造型、使用便捷性等方面影响用户对设施的第一印象。造型新颖，符合公众审美的公共基础设施，用户更乐于对其进行深入的了解。随着“碳达峰”“碳中和”这些理念的提出，城市公共基础设施也有了新的目标和要求，在满足用户需求多样化的同时注重对环境的影响，加入可持续设计理念，运用“可持续设计是一种构建可持续解决方案的共赢设计行为”[1]来指导城市公共基础设施的设计与施工，让城市公共基础设施趋于绿色化，减少对环境的破坏，做到人—产品—环境的和谐共生。

一、城市公共基础设施设计与可持续设计概述

（一）城市公共基础设施

城市公共基础设施是在保障城市生存和发展的基础上，满足居民在生活中顺利进行社会活动和经济活动的公共设施总称。随着社会的发展，原有的城市公共基础设施已经无法满足当下居民的需求。城市公共基础设施的设计需要与时俱进，满足居民多样化需求的同时减少对环境的破坏。本文将城市公共基础设施的分类及范畴整合为七大类，如表1。

（二）可持续设计

可持续性的定义为“在不损害子孙后代满足其自身需求的能力的前提下，满足了当代人的需求的经济发展”，该定义至今被沿用[2]。可持续设计一词来源于可持续理念，可持续理念是通过潜移默化改变人们的环保意识和生活观念。可持续发展的战略是以促进人类之间及人类与自然之间的和谐[3]为目标，解决人、产品与环境之间的矛盾。可持续设计不是对产品外观进行简单的设计，而是要对产品的整个生命周期进行优化改进。

（三）城市公共基础设施国内外研究现状

通过调研发现，国内公共基础设施的基本功能与人们的实际需求匹配度不高，设计者可以从材料、结构与环境融合度上进行设计改进。在材料方面，随着新技术的发展，天然竹材、生态木复合材料等环保材料在设计领域的运用越来越广泛。在结构方面，涂慧瑾[4]以冬奥会滑雪场公共设施的可持续利用和发展为理念进行研究，在有限的空间内使室内储物柜与座椅巧妙结合，其折叠式的座椅设计可提高空间利用率。在环境方面，由于城市发展较快，且在设计规划时未充分考虑与当地环境融合度的问题，导致原有的公共基础设施与周围环境相脱节，在吕王玉[5]公共交通设施的研究中，针对以上问题结合城市区域文化特色和用户人群等因素，通过智能交通信息展示牌与多种类语言的指示标志满足学生、上班族和游客的不同出行需求。

国外的工业基础相较于国內发展比较早，其公共设施设计发展得也更加全面。杨洪君[6]在公共设施的可持续设计研究中提到，哥伦比亚的公共设施设计注重对当地自然资源的使用，其风能路灯的设计采用竹子和风能这两种特色资源，使路灯既实用又美观。舒贝宁[7]在街道家具可持续设计中提到，佛罗伦萨的街道垃圾桶为地埋式设计，将垃圾箱隐藏于地下，既节省了街道空间、不影响街道美观度，同时又增强了协调性。

通过国内外公共设施现状对比，可以看出公共设施的设计在跟随时代步伐的过程中更加注重城市文化传统和人文特色等元素。当代的公共基础设施针对人们在生产生活方式上的改变，在能源、科技、信息等方面进行革新，做到跟随社会发展的同时，促进用户、公共设施和环境三者的协调，实现城市公共基础设施的绿色环保与可持续发展。

二、基于可持续理念的城市公共基础设施设计原则

（一）协调性原则

需要考虑公共设施与整个城市环境、人文相统一，创造一种人与人、人与社区、人与技术、人与自然环境以及人的内在身心之间的和谐关系[8]。将公共设施与周围建筑物、绿化完美融合，促进两者的和谐统一，同时将产品外观与产品的功能、技术、材料等实现统一。由Yong Ju Lee Architecture设计的Root Bench，既是一个标志性建筑，又是一个可以容纳多人的公共座椅，能够满足用户躺、坐等不同需求，该设施结合树木的生长状态，使用木材、混凝土及金属等常见的材料，使其易于维护的同时与周围的环境完美融合，又模糊了人为装饰与生态环境之间的范畴，如图1所示。

（二）易用性原则

易用性是指具备产品属性的一类公共设施可被用户有效地使用及方便操作的能力，需要设计者从用户需求和设施功能方面入手，从整体视角选择功能，确保功能适度与选材合理，以迎合使用者的习惯和需求，实现城市公共设施的功能共促[9]。在功能方面，如公共垃圾桶的主要功能是供用户投掷垃圾，将垃圾桶的开口方式变得简单易投掷的同时，垃圾又不会被雨水浸湿，如图2所示。由于公共环境中有许多不可避免的因素会对用户造成伤害，所以设计者需要考虑公共设施在使用时的安全性，如儿童公共娱乐设施通过三个方向和高低不同的篮筐来满足不同身高儿童的娱乐感，其合理的尺寸设计有效防范了身高较低的儿童尝试触碰过高的篮筐而做出危险动作的可能性。

（三）公平性原则

公平性设计原则应更加注重对不同用户群体的人性化设计，为用户提供具有人文关怀与温暖的公共基础设施，并且通过公共设施设计引导用户去追求和建立健康的生活状态与理念。公共基础设施的公平性注重的是用户在使用时的平等与适用，使不同群体能公平的使用，而不是对特殊群体的“特殊”设计与关照。公平性设计原则是让产品更加贴近用户的日常生活和行为习惯，拉近产品、环境和用户三者的距离。如我国部分地区的公交车，在上车口处设置轮椅翻板，为坐轮椅或腿脚不方便的人群提供便利，如图3所示。公共基础设施不是冰冷的、单纯的产品设计，而是需要为不同的用户群体提供贴心平等的服务，在无形中给予用户情感关怀的设计。

三、基于可持续理念的城市公共基础设施设计方法

（一）应用环境友好材料

城市公共基础设施设计的材料选择方法主要有材料选择因素和融入环境选材两个方面。

影响选材的因素主要包括技术性、环保性和美学性。材料的技术性是指材料的物理性能及加工性能，因为公共基础设施的功能是通过材料的技术性能来实现的，所以材料的表面处理效果或装饰会对公共基础设施的外观造型、质感和用户使用体验产生直接影响。材料的环保性指材料在使用前后易于回收和可循环，如生态木复合材料，天然竹材，植物纤维等环保性材料，在回收及循环后可以减少能源消耗和气体排放等问题。材料的美学性因素决定着产品本质的好坏，如公交车候车亭的外观造型、色彩和表面肌理可以反映出内部信息功能和现代科学技术的先进性。

融入环境选材的方法包括资源消耗最小化、能耗最小化、污染最小化和健康潜在危险最小化。在选材时需要注重对环境带来的影响，材料的选择是可持续公共设施设计的前提和关键。资源消耗最小化是指在提高材料利用率的同时，选择可回收及可再生的材料，并且尽量减少和避免对稀有材料的使用。能耗最小化是指材料在运输、生产，使用和回收、再循环时所消耗的能量达到最小化，同时降低对环境带来的危害。污染最小化即在材料生命周期中对环境的污染排放量达到最小化，可以选择自然可降解的材料，这样可以使材料在后期的回收处理时将污染排放量较到最低。健康潜在危险最小化指材料在加工和使用时，选择对人体产生危害最小、无毒且对环境友好的材料。如冬日公园发热椅的色彩、材质和造型是根据儿童的生理和心理特点进行设计的，因其主要功能是在冬日供儿童娱乐，所以在此基础上选择可摩擦生热且易回收的材质，该设施独特美观的造型与简单的加工工艺技术决定着其娱乐及休息功能，如图4所示。在进行公共基础设施的设计时，设计者要根据设计定位和使用人群，对各种要求做出平衡和分析后选择最优的材料巧妙地融入设计中，同时设计者还应时刻关注对环境友好新兴材料的产生和使用，如太阳能、风能等清洁能源，可以提高资源的利用率，减少污染物的排放。

（二）注重环境和地域文化协调发展

公共设施与城市环境的协调性关系到整个城市规划水平的高低，是城市门面及文化底蕴的体现。城市公共基础设施与环境相协调中，环境不仅指公共设施周围的小环境，而且代表着地域特色与城市文化这个大环境，是城市文化精神的传承。

尽管不同种类的公共设施的性质和功能有所不同，但是为了追求与环境和谐发展的目的，不同的设施需要做到材料、色彩、形态与周围环境上的统一。首先要先考虑对本土自然资源的选择，包括本土特色资源、自然地理环境、气候因素等，公共基础设施材料的选取应因地制宜，尽量选用当地的特色资源，如我国西双版纳地区竹子产量丰富，当地傣族人民常采用竹子作为房屋建造和工艺品的材料。其次，我国文化发展历史悠久，每个城市都有自己独特的文化魅力，运用可持续发展理念，应根据各个城市的实际情况，结合用户的行为习惯和方式设计出符合当地居民环境的公共设施，如青岛海军博物馆的指示牌设计，运用城市特色元素“海浪”和其代表颜色“蓝色”作为设计的创意来源，海浪元素经过抽象化处理，既突出城市特色文化，又增添了用户观赏的趣味性，做到了城市风格与文化发展的整体统一，如图5所示。在对文化传承的过程中，既要与时俱进，又应适当地与现代科技产品相结合，罗翔[10]在以城市家具为视角的研究中，将城市地标性建筑解放碑元素，通过合理的提取运用在电动汽车充电桩的外观设计上，既展现出城市的特色文化，又实现了产品的外观设计与当地特色能源相结合的创新模式。最后，公共设施所处的环境场所也会影响公共设施的功能设计，如果所处环境空间较小，就需要公共设施适应场所的空间尺度，在符合空间尺度的同时，公共设施既要保持自己的独特性，又要与城市文化环境相融合，如公园公共座椅、垃圾桶的色彩、形态和周围环境的文化和特色保持协调。

（三）结构低碳化设计

公共设施结构低碳化设计不是把结构复杂化，而是在满足其功能需求的基础上将结构简洁化，使结构零部件在生产、运输过程中减少对资源的消耗和污染的排放。结构低碳化设计是通过运用尽可能少的材料，在保障功能和安全的前提下实现结构的最优化，如城市文化简介牌的设计，整体框架简洁方便运输，在材料方面采用了环保型金属、复合木材等材质，从整体造型和选材方面实现低碳化的目的，如图6所示。

实现公共设施结构低碳化设计的方法有模块化设计、可拆卸设计、集约化设计方法。模块化设计是将产品分为几个模块后，每个模块都具有独立功能，在重组和互换后可以创建不同需求的产品，并且结构的模块化设计能够在满足其功能需求的基础上节约材料和能源，降低生产成本，减少对公共设施施工时间的投入。可拆卸设计是公共设施维修和零部件回收利用的重要条件，是优化城市环境，实现公共设施可持续发展的重要环节。公共设施的可拆卸设计需要从公共基础设施的设计规划阶段进行考虑，主要关注点是公共设施各个零部件结构之间的连接和束缚关系，需要通过对零部件的拆卸顺序和连接方式进行优化，来实现公共设施拆卸的便捷性和结构的低碳化设计。公共设施本身就是功能的集合体，公共设施通过集约化设计可产生不同的造型和多样化的功能，在公共设施相组合的过程中，需要考虑结构零部件间的材料融合。通过不同公共设施结构个体之间的相互结合，可形成新的符合用户多种需求的再生产品，节约能源的同时减少对空间资源的占用。

四、基于可持续理念的电动自行车公共基础设施设计方案

（一）设计背景

随着科技和信息化时代的到来，电子设备在日常生活中普遍流行。在出行方面，电动车的使用量与日俱增，与此同时，人们对于电动车充电桩的需求量也在逐渐递增。现阶段，电动车充电桩的使用场景主要有居民小区、城市街道和写字楼等电动车停放区域，这些场所都属于公共区域，需要充分考虑到用电的安全性和充电设备的防水性，以及用户在使用过程中的便捷性。

（二）设计定位

在环境生活發生变化的现代社会，公共设施应更好地满足时代需求，有利于环境，有利于人类，发挥其服务作用[11]。电动车充电桩基础设施是以山东地区为例，服务于新时代城市居民出行的能源消耗性公共设施，该公共设施有以下几个特点：

（1）节能环保，从能源的角度去规划和考虑用户的实际问题，优化现有电动车充电桩的能源来源、线路等，避免对常规能源不必要的耗用，合理利用太阳能。

（2）集约化，将产品的空间场地进行合理规划，把产品与其他辅助性公共设施相结合，可以节省社会公共空间资源的占用，減少社会矛盾，同时减少集中充电存在的安全隐患。

对城市公共基础设施的研究现状进行深入分析，归纳出基于可持续理念的公共基础设施设计的基本原则和方法。接下来以电动车充电桩为例进行设计实践，对归纳出的理论内容进行验证。

通过实地调研和资料收集，归纳出现有的电动车充电桩的分类，如表2所示。

（三）设计实践

设计者需要从能源的角度去规划和考虑用户的实际问题，优化现有电动车充电桩的能源来源、线路等，合理利用太阳能，还要将电动自行车的空间场地进行合理规划，把电动自行车公共基础设施与其他辅助性公共设施相结合，节省社会公共空间资源的占用。

1.历史文化和城市元素的体现：本次设计首先从整体的角度出发，充分考虑电动车充电设施区域与周围环境的协调性，融入现代化的元素，增加公共设施的设计感。在设计实践中，宣传栏的设计体现出对地域文化的尊重，造型提取了山东本地区典型的文化元素竹简和圆月，使历史文化与现代都市元素在电动车充电设施设计中得到合理的体现。通过对宣传栏造型的重构体现城市文化特色与底蕴，同时增加了文化与城市环境的协调性，如图7所示。

2.充电方式优化：电动车充电桩在功能设计方面融入人文关怀，针对不同年龄段的使用人群对充电和付款方式进行优化。中老年人群（50-65岁）可以通过刷卡的方式进行充电和付款，青壮年（20-49岁）和少年（本文特指16-20岁）群体采用扫码的方式充电和付费。考虑到不同人群的需求，增加了语音提示功能和灯光提示，使用户感知充电或断电。从充电与付款方式上满足不同年龄段群体的切实需求，在充电功能的易用原则上体现对使用人群的公平性设计原则，如图8、9所示。

3.车棚结构简约化，材质环保化：太阳能车棚结构简单，生产和供货周期较短，零部件规整，包装运输方便，运输时可最大化地利用集装箱空间，使材料在运输和维修时所消耗的能量达到最小化。太阳能板依附于车棚造型进行合理铺设，太阳能板的结构模块化及安装程序的简化，使每个安装程序互不冲突，并且易于维修和回收。立柱框架材料使用耐腐蚀，强度高，绝缘绝热的碳纤维玻璃钢，这种材料加工工艺简单，可设计性强，成本较低，外层采用环保的环氧树脂涂料作为加强剂，使整个车棚在使用时不会产生有害的化学物质，使材料在加工、使用和回收的过程中达到健康潜在危险最小化原则。车棚框架如图10所示。

4.太阳能供电和常规供电内循环：太阳能车棚不仅可以提供电能，而且保护车辆免于日晒雨淋，提升车辆的安全性，增加使用寿命。在阴雨天能源不够用时，可以切换为市电继续为电动车进行充电，阳光充足时能源供求会过盛，此时可以把电卖给小区或电力公司，这样可最大效率地使用太阳能，节约能源，从环保理念角度上真正实现了建筑节能一体化，如图11所示。

5.合理的空间布局：公共设施整体造型在产品空间规划上与宣传栏相结合，可作为广告宣传位，在一定有限的空间内增加更多实用的功能，合理体现集约化的设计思想，不仅实现了绿色化发电需求，而且达到土地资源最优化利用，如图12所示。

总结

在可持续理念快速发展的影响下，城市公共基础设施也随之发生了改变。本课题通过对国内外公共基础设施的发展状态和代表性案例的分析，归纳出相关设计原则和方法，并以电动车充电桩基础设施为例进行设计优化，通过设计方案验证理论研究成果，为城市公共基础设施的发展提供了指导性的理论借鉴。