零碳超高层建筑设计的实施框架初探

倪江涛

在超高层建筑设计过程中，建筑师需要不断总结经验与教训，为推动整个建筑行业的可持续发展与环境友好型建筑的转型发挥积极作用。笔者根据自身多年在超高层建筑设计及可持续发展领域的实践经验，结合建筑行业零碳转型的理念，系统论述实现零碳超高层建筑的设计与技术路径，以期为同行业专业人士提供指导。

1 零碳超高层建筑的定义

在研究零碳超高层建筑的定义时，将其分为两个核心概念：超高层建筑和零碳建筑。超高层建筑的定义可参考《民用建筑设计统一标准》（GB 50352—2019）。该标准规定，建筑高度超过100 m 时，不论住宅或公共建筑均称为超高层建筑[1]。《建筑防火通用规范》（GB 55037—2022）也规定，建筑高度超过100 m 时，应对结构楼板耐火极限和额外设置避难层等安全方面有特殊要求[2]。世界高层建筑与都市人居学会（Council on Tall Buildings and Urban Habitat，CTBUH）认为，高度在50 m 以上的建筑可称为高层建筑，超过300 m 则被称为超高层建筑，而超过600 m 则被称为极高层建筑[3]。笔者将超高层建筑定义为高度超过100 m 的建筑。

零碳建筑是指在其整个生命周期中实现净零碳排放的建筑物[4]。这意味着在设计、建造、运营和拆除阶段要尽量减少碳排放。零碳建筑的目标是减少对气候的影响，降低对环境的影响，促进可持续发展。全过程零碳建筑是指在满足零碳建筑技术指标的基础上，通过采用低碳建材、低碳结构形式和材料减量化设计，可结合碳排放权交易和绿色电力交易等碳抵消方式，建筑建材、建造和运行全过程的总碳排放量不大于零的建筑。

综上，笔者将零碳超高层建筑定义为在其整个生命周期中净零碳排放，且高度超过100 m 的建筑。

2 推进零碳超高层建筑设计面临的机遇和挑战

2.1 机遇

技术积累上，我国超高层建筑数量领先全球，积累了丰富的项目与技术经验；规模方面，超高层建筑规模大、影响广泛，实现零碳将对整个行业和社会迈向零碳目标具有重大影响；政策方面，我国已制定发布了“3060”双碳目标，近年来也出台了一系列鼓励零碳建筑的政策与法规；新材料、新技术方面，人工智能、大数据技术的应用已逐渐成熟，为全面系统化的零碳超高层建筑设计提供了契机。

2.2 挑战

目前，零碳超高层建筑设计也面临巨大挑战。在成本方面，实现零碳需要大量前期投入，包括高效节能设备、可再生能源设施和新型建筑材料，短期建设成本高。在市场和社会认知方面，部分开发商对零碳超高层建筑等相关概念认知不足，例如隐含碳、全生命周期可持续建筑等，导致这些概念尚未得到市场和社会的广泛接受，需要加强宣传和教育才能提升市场认可度。

在技术层面，仍存在一些未克服的难题，如能源存储和智能系统集成，需要进一步研发和完善。在基础数据搭建层面，目前仍缺乏行业通用的碳计算数据库，且并未进行碳数据披露，增加了零碳超高层建筑实施的底层架构不确定性。在规划设计方面，建筑师缺少系统性的零碳设计实施框架来整合实现零碳超高层建筑的设计。

3 零碳超高层建筑设计的实施框架

3.1 总体布局与建筑形体设计

从总体布局与建筑形体角度开展零碳超高层建筑的设计是至关重要但又常被忽视的方面。该环节可以使建筑师在项目伊始就在一定程度上实现降低碳排放的目标，为各项目相关方赢得主动。

具体设计实施方法如下：第1，采用被动式的设计策略，优化建筑朝向与布局，并充分利用区域内的自然采光与通风，减少建筑能耗[5]。第2，从结构方面优化超高层建筑的体型设计，降低风荷载，从而为后期结构降碳提供便利条件。第3，优化建筑立面窗墙比，或结合形体设计提供外部遮阳，以有效减少阳光直射，降低空调使用频率和能耗。第4，如场地内存在既有建筑，应考虑加以利用，新建与改建相结合，以减少资源浪费，降低隐含碳排放[6]。

3.2 建筑地下部分的设计

建筑地下部分（如桩基、地下室等）的钢筋混凝土材料用量较多，优化该部分可以系统性地降低碳排放：第1，结合地基条件、场地几何形状、用户需求，选择最合理的桩基形式、地下室深度、底板与墙板壁厚等，实现最经济的地下部分钢筋混凝土材料用量，减少碳排放。第2，地下室防水至关重要，应在设计阶段选用高性能防水材料，增强耐油性和水密性，减少建筑运营阶段进行防水修补而产生的碳排放。第3，混凝土是建筑地下部分的主体建材，应该优先选用低碳混凝土，从材料角度可有效降低碳排放。

3.3 结构设计

结构设计是实现零碳超高层建筑的另一核心要点，可通过以下措施最大限度地减少碳排放：第1，选用最经济的结构系统，最大限度地减少一次钢材与混凝土的用量，从而极大降低隐含碳排放。第2，优化结构建材（如钢、混凝土、水泥产品）。例如，使用低碳、高性能钢材与水泥，可在材料端进一步减少生产与建造过程中的碳排放。第3，创新结构系统，如采用轻钢结构替代传统结构，采用预制装配式结构替代大量现场作业的常规模式[7]。其中，轻钢结构具有重量轻、强度高、施工速度快的优点，在提高建筑灵活性的同时，也可大量减少材料使用量和施工能耗。预制装配式结构通过精准控制与工厂批量作业，大量减少了材料本身、运输过程、施工现场的碳排放，同时，其部件可循环利用，能有效降低建筑碳排放。

此外，不可忽视木结构、竹结构等的使用。虽然国内由于规范限制、社会认知等，该结构目前仅可用于低楼层建筑。但木材作为可再生资源，本身就是一种天然的碳储存材料，采用木结构可将大量碳固化在建筑中，极大降低碳排放，与传统钢混结构和钢结构相比更具环保性。相信随着国内外越来越多成功木结构超高层案例的涌现[8]，国内相应规范的更新，木结构超高层建筑将成为极具竞争力的低碳零碳产品。

3.4 高性能幕墙系统

选择高效隔热玻璃和适宜的遮阳系统。高效隔热玻璃具有优异的隔热性能，可以有效阻挡热量传输，减少冷暖空气的流失，降低因室内温度调节所产生的能源消耗。同时，适宜的遮阳系统可以有效地遮挡太阳直射，减少建筑内部的热量吸收，进一步降低空调系统的负荷，从而减少能源消耗和碳排放[6]。

采用双层表皮构造。双层表皮结构在建筑外立面形成一层隔热空气层，有效隔离外部气温对建筑内部的影响，减少热传导，提高建筑的隔热性能。这种结构设计不仅可以降低建筑的能源消耗，还可以改善室内舒适度，提升建筑的环境质量。

绿植幕墙的应用也是降低能耗和减少碳排放的重要策略。绿植幕墙不仅可以降低室内温度，还可以有效减少幕墙对太阳能的吸收，减轻空调系统的负荷，进而降低能源消耗和减少碳排放。同时，绿植幕墙还可以改善室内空气质量，提升建筑的生态效益，为城市增添绿色景观。

引入自适应可变表皮和自维护建筑表皮技术。自适应可变表皮可以根据季节、天气和建筑内部需求，自动调节表面的透光率和隔热性能，最大限度减少能源消耗和碳排放。同时，自维护建筑表皮技术可以减少表面污染和附着物，降低清洁维护成本，提高建筑的经济性。

3.5 室内空间

在探索室内空间的低碳设计策略时，需要将建筑设计、材料选择、能源管理和用户行为等多个方面结合起来，具体为：第1，在进行室内空间设计时，应充分考虑自然通风的可能性。通过烟囱效应，可以将建筑内部的高大空间作为自然通风的通道，促进空气流动，降低对空调系统的依赖，从而减少能源消耗。这种设计能够有效利用自然风力，提供更加健康舒适的室内环境。第2，机电系统的选择对于实现零碳建筑至关重要。利用可持续的低能耗机电系统，如发光二极管（Lighting Emitting Diode，LED）照明和智能控制系统，能够显著降低室内能耗。智能系统可以根据室内外环境变化和用户需求，自动调节照明、温度和通风，实现能源的最优化使用。第3，做好室内装修材料的选择工作。环保、可再生的材料和产品能够减少装修过程中的碳排放，还能够在使用过程中提供更好的环境表现。例如，可选用竹木材料、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为原材料加工而成的材料，其使用具有多种环保优势，可以用于家具、装饰材料、建筑材料等领域。生物基材料是指以生物质为原料加工制成的材料，具有较高的性能稳定性和耐久性，可应用于塑料制品、纺织品、建筑材料等领域。可降解塑料是指在一定的环境条件下（如高温、湿度、微生物等）可以被自然降解的塑料。第4，关注用户行为对室内能耗的影响。鼓励用户采取更加节能的生活方式，如关闭不必要的照明和电器、利用自然光照、合理调节室内温度等，这些行为只要坚持，就会产生显著的能源节约效果。

3.6 材料选型

在零碳超高层建筑设计中，材料选择要注意以下几点：第1，选择具有环境产品认证（Environmental Product Declaration，EPD）标识的建材产品。EPD 提供了产品整个生命周期的环境性能数据，包括能源消耗、碳排放、污染物排放等。这些标识表明产品已经进行了全面的环境评估，为设计团队更好地降碳与追踪碳足迹提供了依据。第2，注重钢材与水泥（或混凝土）2 种核心建材的应用。在众多建材中，钢材与水泥用量较多，也是生产加工过程中释放最多碳的核心建材。因此，应选择高性能钢材与低碳水泥，减少建材用量，降低碳排放。建材生产并非本文关注的要点，但上述2 种建材的生产加工过程中的用煤、用电等，也会产生大量碳排放，值得相关方予以关注。第3，应用新兴材料。智能材料、纳米材料、新兴绝缘材料和生物材料等新型材料具有较低的环境影响和更高的可持续性，可应用于零碳超高层建筑。例如，智能材料可提高建筑能效，纳米材料可增强材料性能并减少资源消耗，新兴绝缘材料可提高建筑的隔热性能，生物材料可替代传统的化石燃料，减少碳排放。上述方式能有效降低建筑的碳足迹，实现零碳超高层建筑设计的目标。

3.7 能源利用

太阳能光伏、风能和地热能等可再生能源具有巨大潜力。通过在建筑的屋顶、天窗、幕墙或周围景观区域安装太阳能光伏板和风力涡轮机等设备，为建筑提供清洁能源，减少对传统能源的依赖，降低建筑的碳排放[9]。同时，还要加强地热能的应用，通过地源热泵等手段利用地下热能来供暖和制冷，进一步降低建筑的碳排放。节约用水。能源与水资源之间密切相关，因此有效管理和节约用水至关重要。采用节水设备可以显著降低建筑的水消耗。例如，可安装水龙头和淋浴头上的节水装置，限制水流量并降低水的使用量。同时，还可以安装双冲式马桶，根据需要选择不同的冲水量，进一步减少用水量。此外，利用相关设备收集雨水和引进节水灌溉系统等，可进一步减少对自来水的需求，降低水资源的消耗，实现零碳超高层建筑设计的目标。同时，还要提升水资源利用效率，减少浪费。具体来说，可以引出先进的技术加强污水处理，使水资源实现循环利用。

综上，在能源角度实现零碳超高层建筑设计，有助于减少建筑的碳排放，提高建筑的能源利用效率和水资源利用效率，实现建筑的可持续发展。

3.8 碳排放计算与碳数据披露

在推进绿色建筑发展的过程中，对建筑全生命周期的碳排放进行准确量化至关重要。这不仅有助于识别和优化高碳排放环节，还能为设计和施工提供数据支持，确保每一步骤都朝着降低碳排放的目标迈进。例如，通过选择低碳材料、优化建筑设计、提高能效和利用可再生能源等措施，可以显著减少建筑的碳足迹。

此外，建立公开透明的碳排放数据披露机制对提升行业和公众的环保意识同样重要。这不仅能促使消费者做出更加环保的选择，而且能激励企业投资于低碳技术和解决方案，推动整个行业的可持续发展。通过这种方式，可以建立起一个积极的反馈循环，其中政策制定者、建筑师、开发商和消费者共同努力，实现零碳建筑的建设。通过精确的碳排放量化和数据公开披露，不仅能提高行业的透明度和可持续性，还能够提升社会对绿色建筑价值的认识和接受程度。这将为零碳超高层建筑的设计和实施奠定坚实的基础[10]。

4 结语

本文着重探讨了实现零碳超高层建筑设计的关键实施框架与技术路径。虽然我国在超高层建筑领域的技术积累和政策方面具备一定优势，但实现其零碳目标仍面临多方面的挑战，具体表现在成本、市场认知、规划设计和科学技术应用等。因此，需要加强跨学科合作和提升创新能力以应对这些挑战。