只会比谁高？摩天楼的进化

虎嗅注：摩天楼是城市靓丽的风景线，哪座大楼又刷新了高度记录也是人们津津乐道的话题。但是，作为人类智慧的结晶，如今的摩天大楼并不只一味地提升高度。环保、可再生等一系列指标，是如今摩天楼设计更需要追求的东西。

本文作者为唐乐，宾夕法尼亚大学建筑学硕士，美国纽约和加州注册建筑师，美国LEED绿建筑协会认证专家，旧金山ISO ideas建筑事务所合伙人和设计总监。在创立ISO idea事务所之前，唐乐曾任职于SOM旧金山和芝加哥办公室以及Jean Nouvel巴黎办公室，负责和参与了南京鱼嘴新CBD主塔楼（600m），合肥联想新城混合功能开发（塔楼高320m），美国加州蒙特利尔市市政会议中心，卡塔尔国家博物馆等一系列超高层塔楼和重要城市更新项目的设计和建设。

本文转自公众号“彼山（ID:yonderdesign）”，作者：唐乐。

导语

上一篇我们分析了塔楼发展的的‘形式驱动路线’。而形式驱动的改革再反叛经典的同时也不可避免地承受着功能的牺牲以及造价的飙升等代价。而其实在能源价格快速抬升的当代，以及‘高能耗’已经成为一种政治不正确的今天，‘节能环保’正在真正成为摩天楼建构发展的一条主流演进路径。于是，现如今‘LEED’，‘可持续’，‘垂直绿化’等概念纷纷成为作为能耗大户摩天楼用来提升形象的利器。但是是否各种各样繁杂的节能环保技术手段真的能达到预期的效果呢？亦或是能化繁就简，通过更直截了当的方式来收获更显著的节能成绩单呢？本篇章我们就来为您答疑解惑。

第二篇：绿巨人的进化

近年来可持续建筑(Sustainable Architecture，又称绿建筑 Green Architecture)这一概念已经变成了建筑领域的“政治正确”。不光是塔楼，几乎所有的建筑方案都” 言必称绿”，剖面要标上表示空气流通的红蓝箭头，屋顶要有绿色的树和草坪，表皮要挂上太阳能板，等等等等。其实除去这些符号化的元素，真正的绿建筑概念其实包涵非常广泛，它是指建筑在本身及其使用过程在生命周期中，如选址、设计、建设、营运、维护、翻新、拆除等各阶段皆达成环境友善与资源的有效运用。即一方面关注建筑本身的节能减排， 另一方面也强调在建筑的规划、建设、运营的整个生命周期中来控制环境资源消耗。

Diagram式可持续性建筑，各式箭头图标营造对外行人来说非常节能的感觉。（图片来自网络）

从市场角度来讲，由于绿建筑标准中对建筑室内环境和各种节能措施的严格要求，为了要保证新完成项目的市场竞争力，现阶段的绿建筑指标已经成为塔楼项目开发的一个必要要求。现在中国的新建的高端4A办公塔楼基本均为国标绿建三星，或LEED GOLD标准以上。在一些城市和地区，政府对绿建筑标准更有硬性法规要求。比如美国政府和公立大学系统的任何新建筑都硬性要求必须达到LEED GOLD或以上级别。

美国LEED认证和中国绿色建筑标志

笔者认为值得指出的是，首先我们应该明确的看到建造塔楼本身就不是一件环保的事。塔楼的建设不仅会消耗大量的建材，能源，人工等直接能源。由于现代塔楼工程建设都是从不同工厂单元化定制到施工现场组装，例如一栋美国塔楼的幕墙单元可能漂洋过海来自于中国幕墙工厂，建设中消耗的隐含能源往往更为惊人(Embodied Energy，也可称为“虚拟能源”，是指产品加工、制造、运输等全过程所消耗的总能源，是生产链中直接消耗和间接消耗的能源总和)。另一方面，塔楼在建成之后的使用和维护中也是能耗大户——塔楼中交通主要依赖电梯，动辄数十部的高速电梯的耗能其实非常惊人；而大面积使用玻璃幕墙的结果又使塔楼室内环境非常依赖于大功率机电系统的供暖供热，造成大量能源的消耗。

一些国际主义风格塔楼因为大面积的使用玻璃幕墙，在寒冷的环境中热损耗严重，被戏称为“都市暖气片”。图片为纽约Level House，图片来源于SOM

另一个有趣的现象是，在城市里，不仅有“热岛”，还有二氧化碳和其它污染物所形成的“污染岛”。这些有害物质像穹隆一样笼罩在人类活动密集地区的上空。随着高度的上升，污染物浓度会逐渐下降，这样处在建筑顶端的住户可以享受到更健康的环境，然而，塔楼带来的高密度的开发同时也会降低建筑底部区域的健康指数，使城市街道环境受损。

二氧化碳指数随建筑高度降低而增大

最有效的可持续性环保来自于优秀的城市规划，近年来的各类研究已经指出这是一条宏观上最有效的对策。良好的城市设计是对城市中密度，交通和公共空间等一系列问题给出的综合解答，能从根本上减少一些高耗能或不合理建筑的建设。但如果出于标志性，场地限制，建筑面积密度等要求而不得不修建塔楼时，建筑师们在回答“如何建设一栋环保的塔楼”这一问题上，也在数十年的实践中给出了逐渐进化的答案。

早期的绿色建筑往往直接着眼于“绿”，屋顶和立面都要种上植物，要的是让人一望而知的广告效果。早期的绿色环保塔楼也倾向于直接的表现塔楼的节能特色，并以此作为卖点。笔者将这一类塔楼称为“口号式”环保塔楼。这样建筑追求环保的形式大于最后的效果，追求市场的宣传大于实际效益。

309米广州珠江城大厦立面。图片来源于SOM

广州珠江城大厦是SOM 2013年竣工的办公塔楼项目，方案完成大概在2008年左右，由当时还在芝加哥SOM任职的Adrian Smith领衔设计。在设计初期甲方和设计师就设立了要建设一栋“超绿色”塔楼的目标，并以此为出发点对塔楼进行了一系列的改进。

塔楼的平面和核心筒被设计为长方形，以保证较浅的屋面进深；主要的斜撑剪力结构被放置在塔楼东西两侧短边，使南北方的没有太多结构的遮挡；塔楼南北向的平面布置也不对称，核心筒南部的楼面较大，并随太阳运行轨迹形成一个凹形弧。这些举措都可以使建筑在每一层都最大化的利用自然光采光以减少人工照明用电。而塔楼外立面的遮阳部件也集成了太阳能光伏发电板用以平衡大厦能源消耗。

珠江城大厦典型层平面。图片来源于AIA Chicago

珠江城大厦外立面遮阳部件中集成的太阳能光伏板。图片来源于SOM

但珠江城大厦的最大设计特点还是立面上四个贯通南北的风洞。风洞被布置在塔楼的两个设备层两端，配合弧形的建筑幕墙将塔楼立面上的风压导入，推动其中的风力涡轮机转动，为塔楼提供额外的电力来源。

大厦风洞层概念和其中的风力涡轮发电机。图片来源于SOM

然而通过对建成后塔楼具体运行数据仔细研究，就会发现建筑师往往过于理想。且不说由于幕墙需要向设备层的四个风洞弯曲，塔楼丢失了不少可用楼层面积。而作为整个塔楼设计出发点的四个风力发电涡轮，因为风扇尺寸和安装的限制，不得已采用了荷兰WindSide公司生产的WS-12小型垂直风力发电机组，其发电功率仅为 6-12 MWh每年。

WS-12垂直型发电机组参数，来自WindSide公司官网

即使我们按照已经发布的研究的数据来看，珠江城四组发电机年发电量也只有20万KWh(200MWh)，按17年广州每度电0.61元/KWh来计算，每年能够节约电费12万RMB左右。

数据来自于《绿色节能建筑技术在亚热带地区超高层建筑中的应用》，黄惠菁，马震聪，李继路发表于《建筑学报》2009.9

考虑到这套风力系统的前期投资占珠江城塔楼造价33亿人民币中的0.8%，约2640万人民币，四组发电机只需不吃不喝地满负荷运转220年，即可收回投资。以上的计算还是在理想的情况下所进行，据说实际统计中发现风机性能远低于设计预期——四个涡轮的发电量仅仅足够维持这套风力发电系统自己的日常管理和运行，更遑论向塔楼提供能源了。

同样的情况也存在于外立面安装的光伏发电板中，由于中国雾霾严重又难以频繁清洗，在安装之后发电能力就直线下降。即使按照理论值来计算，（单晶硅太阳能光电板发电效率约0.1KWh/m2，珠江城工程应用面积约2000m2，年发电量约45万KWh）,每年也仅能节约电费27.5万左右，和巨大前期投资相比较，实在是九牛一毛（数据来自于《绿色节能建筑技术在亚热带地区超高层建筑中的应用》）。

珠江城塔楼造价33亿人民币，其中应用的节能技术成本大约占总投资的8%，达到2.6亿元。从这个角度来看，塔楼上的风力发电机和光伏发电板等设计和甲方的巨大前期投资，更多的成为一个在象征和宣传上具有影响力的实例，而远没有达到预期的实际环保效果。

著名的伦敦“剃须刀”大厦Strata SE1 Tower。148m，建筑师BFLS。图片来源于网络

尽管这样，珠江城大厦还是基于可持续性的功能点发展出一套独特的建筑语言，形式上还算是一次融合得不错的突破。而有些方案则处理则更为简单粗暴，直接在塔楼上做加法，结果往往不伦不类。至于在塔楼上种树种草的方案，笔者还是更倾向于把它们归类为21世纪的新装饰主义，和真正的可持续化建筑并没有太大的关系。

种草式塔楼这几年在地产项目上宣传风靡一时，营造出一派‘摩天山水’的宜人意向。图为碧桂园森林城市效果图

回到笔者之前提出的观点，塔楼本身就不是一种节能的建筑类型。建筑师先摆上一个能耗超高的玻璃盒子，然后再加上一些太阳能板发电风车之类的小部件，最后就声称这个玻璃盒子是环保建筑，这无疑是一件很讽刺和舍本逐末的事情。

实际效用如何暂且不论，剃须刀大厦塔顶风车的科幻意向还是很抓人眼球的

如果说之前市场上的出现的第一批“口号式”可持续性塔楼还有可能是因为是缺乏建成项目数据，无法预知各种系统所能带来的最终环保收益，从而不得不作出的尝试之外。建筑师在有了足够多的项目经验之后，现在再考虑塔楼的可持续性设计，往往会更注重由塔楼内部的系统和功能出发，强调以由内而外的塔楼“内功”来节约塔楼在日常使用中的能源消耗，以实现环保节能。

研究表明，现代塔楼能源消耗前几位分别是空调(制冷制热)，照明和办公用电。其中办公用电建筑师能控制的机会不多。对于照明和空调耗能，现在建筑师和MEP工程师在建筑的进深和外立面玻璃使用的设计中，除了美观和功能性，也力求在建筑采光、日射得热控制，以及和空调系统配合，通过多方面的平衡来提高建筑整体性能。

比如前面提到的珠江城大厦，其整体建筑节能表现其实很不错。但主要节能贡献则来自其高性能的双层玻璃幕墙围护，以及建筑内部的高效辐射型水冷空调系统（Radiant cooling system）。

数据来自于广东省建筑科学研究院集团股份有限公司2017年《珠江城全年能耗分析报告》。引入修正系数后，珠江城的单位建筑面积能耗为54.30kWh/(m2•a)，与国标《民用建筑能耗标准》引导值75kWh/(m2•a)相比下降27.6%。

上图为珠江城大厦外立面幕墙示意图。图中的每一个幕墙玻璃单元都由三层玻璃和两层Low-E涂层组成，双层幕墙共6层玻璃，加上玻璃之间的遮阳构建和空气层，其整体保温隔热性能较普通幕墙高出不少。其缺点为造价昂贵，且内层幕墙难以清洗，图片来源于SOM。

上图为珠江城大厦天花中结合的辐射冷粱Chilled Beam空调系统，用以取代传统的VAV变风盒。其缺点为造价昂贵，对建筑内环境要求高，在华南高湿度气候下容易形成冷凝水。图片来源于SOM

另一个例子是新落成的三藩市的Saleforce大厦，充分利用三藩市特殊的气候。塔楼安装了空调分区变量送风系统，内区由地板送风，外区独立顶送风，在春秋两季可实现全新风运行，进行免费供冷，制冷机运行的时间大大缩短，节省了大量的能源。

造型相对简单的Salesforce Tower （326m），Pelli ClarkePelli设计，2007年竞赛，2018年2月完工。图片来源于salesforce.com

二

单纯的MEP更新更多的可以看做是一种建筑工程技术上的硬件进步，而在在通过设计达到的节能“软进步”上，我们就不得不提近年来逐渐流行并普及的混合功能(mixed-use)塔楼

有别于功能单一的传统塔楼，其整栋建筑都由单一的办公或者住宅功能构成，混合功能塔楼将不同用途空间集中和叠加于同一栋塔楼建筑之中，在剖面上对功能进行隔离和划分，并用高速电梯将各个不同的分区和地面层联系起来。混合功能塔楼往往把办公功能置于塔楼中低部，将酒店或是住宅置于高层，再在最顶部设观光，餐饮等公共活动空间，在各个层次实现对建筑高度的合理利用

图为广州光塔，典型的下部办公上部酒店的剖面功能分区设置。图片来源WILKINSON EYRE

混合功能塔楼带来的优势是显而易见的。对开发商来说，这是一种把鸡蛋放到不同篮子里的做法，在同一建筑项目中引入不同的功能类型有助于平摊单一功能市场起伏带来的潜在危险，比如如果办公空间的租赁市场不甚理想，那么还可以通过塔楼中一部分的住宅或酒店单元来弥补利润。

而对于建筑师和结构工程师来讲，如果塔楼项目追求的目标仅仅是高度(中国地标型塔楼项目一般都有高度硬指标，比如达到600米，或建设华东/华南/华西地区第一高楼等等)，那么住宅或者酒店层比办公层能更有效率的达到既定高度要求：一方面住宅层的楼面进深小，能形成塔楼顶部的缩进，在整个结构上更稳定；另一方面其所需要的电梯数量也远远小于办公层，有利于塔楼核心筒的递减。

世界最高的100座塔楼按功能分类，蓝色为办公塔楼，黄色为住宅塔楼，红色为混合功能塔楼。表格来自于CTBUH 研究：Recent Global Trends in Tall Buildings: Location, Function& Structural Material

根据CTBUH的调查数据，在2000年之前，市场上的高层建筑基本上还是单一的办公塔楼为主，而从2000年至今，混合功能的塔楼建筑逐渐增加，2016年调查时已经占到40%强，基本和单一办公功能塔楼数量持平。这一趋势仍然在持续增长中。

除去上述的各项优点，混合功能塔楼所带来的还有在节能环保方面的优势。

我们上文中提到，现代塔楼能源消耗前两位分别是照明和制冷制热，但幸运的是，如果按照不同建筑功能来细化区分，它们对这两项能源的需求其实是不一样的。塔楼办公层存在大量的内部得热（来自照明和设备），再加上办公层人员密度较高，人员活动强度大，塔楼的空调系统消耗能源一般以制冷为主。而另一方面，在塔楼的住宅或酒店层则正好相反，人员密度相对较低，活动强度弱，照明散热相对较小，还需要大量热水，在冬季则需要额外供热才能保持温度。在某些季节，这一冷一热的能耗区分，就正好为塔楼节能提供了一个很好的突破口。

现在最新的MEP系统正是利用混合功能塔楼中这一能源需求的差异，以水作为热量载体，通过热交换循环的手段来收集办公区产生的热量，通过热泵提升，作为住宅和酒店层的热源。实现能源的回收和再利用，从而大大减少塔楼耗能。

先进的MEP系统就像人体血液系统一样，让能量在建筑体内循环利用起来

相较于前文所提到的”口号式”环保建筑， 新一代塔楼重新审视了节能这一根本目标的实际出发点。建筑师认识到塔楼建筑和涡轮发电风车的不同——现阶段的塔楼依然是一个能源的消费者，而且是一个消费大户，而不是一个能源生产单元。节能的手段更多的从“减少能源消耗”和“能源循环利用”入手，以一种体系化的方式从建筑内部着力，通过建筑中各个系统的更新和整合，最终达到整体节能的目的。

想正经发电？那还是老老实实造风车吧。

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