李靖 楊奧茹

（1.韓國國立釜慶大學海洋融合設計工學系，釜山 48513；2.燕京理工學院藝術學院，廊坊 065000）

城市是復雜的生態(tài)系統(tǒng)，由物質和空間組成，包括正負空間。公共空間是其中的一部分，由公園、圖書館、娛樂場等構成。根據聯(lián)合國人居署2015 年的文件[1]，“公共空間”是建筑物之間的公眾開放空間，如街道、道路、綠地公園和圖書館等。然而，在城市中，人們很少關注到“負空間”。負空間的性質因城市的城市化程度而異，但當它們被忽視時，可能會給城市帶來社會、經濟和環(huán)境問題[2]，特別是城市中被忽略的水上空間。全球氣候變暖導致氣溫升高和海平面不斷上升，影響了全球所有沿海城市的生存空間。水上空間除了景觀休閑和航運等使用外，還有大面積的剩余空間可利用。文章從水上空間利用的公共性、城市的地域性和社會性等方面進行探索，以確定在城市水上空間打造漂浮設施的可能性，并從地域性特征、功能與形態(tài)、可持續(xù)設計等方面綜合分析碳中和理念對水上公共設施設計的影響，探討節(jié)能減碳和可持續(xù)發(fā)展等因素[3]，融入碳中和理念提高城市空間漂浮設施的可持續(xù)性效益。在碳中和理念的背景下，展開城市空間漂浮設施設計研究，對于人們生活觀念及方式轉型來說有重要意義。

1 碳中和理念概述

碳中和的概念起源于20 世紀90 年代的歐洲環(huán)保組織[4]。碳中和理念是指國家、企業(yè)、產品、活動或個人在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過使用低碳能源取代化石燃料、植樹造林、節(jié)能減排等形式，以抵消自身產生的二氧化碳或溫室氣體排放量，實現正負抵消，達到相對的“零排放”。與零碳理念不同的是，碳中和理念更加務實可行，它強調在減少碳排放的基礎上，采取其他措施來抵消未能避免的碳排放。

2 國內外城市空間漂浮設施設計的現狀與存在問題

2.1 國內外城市空間漂浮設施設計的現狀

2.1.1 國外城市空間漂浮設施設計的現狀

全球氣候變暖與海平面的上升對于沿海國家和城市的威脅風險與日俱增，于是人們將目光投向水上空間以擴展更大的棲息空間。以荷蘭、日本為代表的沿海國家建造水上房屋設施為人們提供了極大的便利，這種設施可以輕松適應海平面的變化。1960年首次提出的漂浮城市概念，以及美國在1974 年先行提出的夏威夷浮城開發(fā)計劃，表明優(yōu)質混凝土對于海上大型浮式平臺的應用是可接受的和經濟的，能夠滿足設計和質量控制要求與混凝土技術的現狀，為漂浮城市的基礎設施建設奠定了理論基礎[5]，促成了世界范圍對漂浮城市的構想和研究，但現階段為止尚未有成功建造的大規(guī)模案例，只有部分國家展開了社區(qū)規(guī)模的可行性研究，如表1 所示。

表1 國外漂浮城市代表案例

飽受洪水侵擾的荷蘭率先進行了大膽的嘗試，阿姆斯特丹的大型漂浮住宅項目 Waterbuurt[6]，由100座浮動房屋組成的街區(qū)和碼頭，有效地利用了城市的水面剩余空間；近幾年知名的浮動城市項目是建筑師比亞克·英格爾斯（BIG）與聯(lián)合國人居署以及藍色科技公司 OCEANIX 合作開發(fā)的 Oceanix City[7]，計劃在韓國濱海城市釜山建造，該項目計劃能源、水食物自給自足和資源可持續(xù)循環(huán)利用以達到碳中和的目的。

2.1.2 我國城市空間漂浮設施設計的現狀

我國的漂浮城市研究還處于起步階段。圍海造地和固定式水上平臺是目前沿海水域開發(fā)的主要方式，雖然可以創(chuàng)造更大的新空間，但也會對生態(tài)環(huán)境造成較大的破壞，且難以長期應對海平面上升的威脅。

中國中交第四航務工程勘察設計院有限公司（CCCC-FHDI）與英國（AT Design Office）合作設計了一個海洋生存空間的概念研究——“漂浮的水中城”。在技術層面借鑒了荷蘭的漂浮房屋Waterbuurt與港珠澳大橋水下隧道部分的混凝土預制沉管技術，可以確保面積為10 平方公里的浮島能夠漂浮在水面上，具備完善的交通系統(tǒng)和碳中和能源循環(huán)利用系統(tǒng)，能夠高效地適應環(huán)境變化。

2.2 國內外城市空間漂浮設施設計存在的問題

2.2.1 設計規(guī)劃不合理

無論是陸地公共設施還是漂浮設施，在設計建設之前要合理科學的規(guī)劃設計，在不破壞原有城市風貌的前提下做好規(guī)劃設計。另外，如新老城區(qū)公共設施建設的矛盾，老城區(qū)人口密度大，空間資源少，老齡化人口多，新城區(qū)反之，因此公共設施的規(guī)劃、設計都要以人為中心展開實施，要遵循人口結構性分布和具體需求來設計規(guī)劃。區(qū)域針對性不強造成的問題主要有規(guī)劃不合理、功能單一、可持續(xù)利用性差等[8]。

2.2.2 過度化設計與功能結構單一

城市中公共設施的形象，一定程度上代表著一座城市的文化內涵及發(fā)展能力水平，近十幾年城市化的飛速發(fā)展，過度的外觀設計和超量的建設布局消耗了大量的空間資源和經濟資源，不合理的設計還帶來了環(huán)境問題。這種過度消耗資源和大量的人力、財力、物力投入是不符合可持續(xù)性城市發(fā)展的。

如果城市形態(tài)中的各種元素被精心、合理地設計并集中在一起，它們將呈現出集群化的特征，并且會具有觸媒效應，從而推動區(qū)域生態(tài)環(huán)境朝著積極的方向發(fā)展。功能結構單一的公共設施布局在城市中弊端明顯[9]，孤立的存在使得他們難以形成良好的文化區(qū)域圈。

2.2.3 可持續(xù)性考慮不足

傳統(tǒng)公共設施的可持續(xù)性不足主要表現為：（1）能源消耗量大，不具備清潔能源或者能源自給自足的功能，如一些照明類的公共設施，在不使用的情況下也依然會產生能源浪費；（2）建設、維護、更新和回收需要消耗大量的人力物力，沒有將產品的全生命周期考慮其中，在造成資源浪費的同時，也使得公共設施的使用效率低；（3）無法適應本地區(qū)的規(guī)劃和碳排放策略，公共設施的建設分布不均和更新不平等，導致有些地區(qū)得到過剩的資源和投資，另一些地區(qū)被忽略的情況，無法做到有機的動態(tài)調整，這可能會導致城市空間資源利用不合理，使城市的可持續(xù)發(fā)展受到限制。

3 基于碳中和理念的城市空間漂浮設施設計思路

3.1 外觀設計

3.1.1 輕量化與簡約設計

漂浮設施的外觀造型融入輕量化與簡約化設計的理念不僅體現了自然、質樸、簡約的理念，而且與零碳理念相呼應[10]。通過輕量化設計，材料的選用和結構的優(yōu)化使得漂浮設施在滿足功能的同時減少了重量，降低了能源消耗和碳排放。簡約化設計突出了設施的核心功能，減少無用裝飾構件和功能，輕量化與簡約化設計不會使產品的實用性損失，反而能夠更好地實現環(huán)保和節(jié)約資源的目標。

3.1.2 小型化設計

在城市碳排放指標中，運輸交通排放占有重要的份額，因此將設施外形的小型化理念應用于漂浮設施具有積極意義。小型化設計有助于降低整體設施的體積和重量，減少運輸過程的成本和碳消耗。同時小型化的設施設計在加工制造時也能節(jié)省材料加工的成本與施工碳排放，不僅提高了生產效率，還有助于控制碳排放。

3.2 結構設計

3.2.1 加工制造

在設計制造之初，建立零碳發(fā)展的設計理念非常重要，漂浮設施壽命的延長能夠有效減少資源浪費和碳排放[11]。首先在延長使用壽命方面要考慮設施的可靠性和耐用性；其次要考慮設施的結構部件通用化替換和模塊化組裝設計，以達到延長使用壽命的目的；最后要考慮整個設施生命周期的回收再利用情況。

3.2.2 結構優(yōu)化

在結構設計中，優(yōu)化產品結構是實現零碳理念設計節(jié)能減排的重要途徑之一。其中，簡化結構是優(yōu)化結構的解決方案之一，需要配合結構優(yōu)化、裝配優(yōu)化和材料選用等方面進行設計。通過優(yōu)化內部裝配的布局和空間，可以使產品更加輕巧，簡化生產流程，降低碳排放量的同時也能減少生產成本。另外，構件的模塊化設計應以實用性為主要特征，通過增加產品的使用壽命，減少資源浪費。同時，零部件的通用化設計可以簡化維修和裝配的可操作性，從而直接或間接減少資源的浪費和碳排放，有效延長產品的使用壽命，提高產品的利用率。

3.3 技術設計

在能源技術創(chuàng)新和利用上，應根據當地的環(huán)境特征采取以下幾點設計策略：（1）漂浮設施的能源輸入應以清潔能源為主，充分利用風能、太陽能、波浪能和生物質能等；（2）漂浮設施應采用零垃圾系統(tǒng)，人造垃圾進行分類集中回收處理，有機垃圾應設置回收處理裝置進行循環(huán)回收，轉化為生物質能；（3）設施中融入AI 與大數據分析，通過外部傳感器感知能源、氣候、城市公共信息等數據動態(tài)調整設施的內部配置。

3.4 功能設計

漂浮設施需要考慮城市的水文環(huán)境和人口結構性分布，可利用模塊化設計、靈活可移動等特點，根據氣候變化、人口分布結構、市民文化娛樂需求變化進行功能的調整。同時，漂浮設施在設計規(guī)劃時將文化性、公共性、社會性融入功能設計中[12]，利用公共設施將城市中的水上空間串聯(lián)到一起，完善公共設施的形式與內容，同時彰顯城市的地域特征。

4 基于碳中和理念的城市空間漂浮設施設計實踐

4.1 項目概況

釜山市土地資源緊張，因此選擇利用市中心水營河段的水上空間進行漂浮設施的建設試點。水營河連接釜山南部海域，除了碼頭等固定設施外，還有大面積的水上閑置空間可供開發(fā)使用，同時具備建設條件，通海河道也便于從港口運輸建造材料。因此，漂浮設施的開發(fā)可以充分利用水上空間解決城市土地資源緊張的問題。盡管該地區(qū)在商業(yè)、文化和城市形象方面具有顯著的地理優(yōu)勢，但土地和空間資源短缺問題也十分嚴峻。不過，中央水營河水域面積廣闊，提供了可供利用的水上剩余空間。漂浮設施在這一地區(qū)的應用非常適合，不僅可以緩解空間資源緊張的問題，還可以為該地區(qū)增添美麗的水上景觀。

4.2 外觀設計

漂浮設施的整體外觀以輕量化和簡約設計理念為主，主體結構使用材料以釜山港廢棄的標準型航運集裝箱為主，一層采用40ft 標準集裝箱改裝，二層建筑使用20ft 較小的集裝箱改裝。整體外觀設計在集裝箱外立面做基礎門窗切割改動，顏色以海藍色為主（如圖1），整體外觀以三角形模塊為主，使用三角形方便設施間實現各種類型的組合，整體外觀設計以簡約化為主，同時利用集裝箱的結構特點進行合理的排列組合，去除無用的裝飾構件[13]，整體構件減重30%，減少材料的浪費和二次污染。

圖1 漂浮設施選用的集裝箱外觀造型

4.3 結構設計

漂浮設施的結構類型主要有半漂浮型結構和全漂浮型結構[14]。半漂浮型結構：多用于長波海況的大型遠海平臺（如圖2a），此類結構使用管柱或者平衡結構構件保持平臺在水面之上，如風電平臺、鉆井平臺等需要承受風浪的特種作業(yè)設施；全漂浮型結構整個平臺結構都漂浮于水面（如圖2b），水下不需要剛性固定支撐，這種結構常使用大型浮箱或浮球作為浮體保持浮力支撐，具有較好的穩(wěn)定性和可移動性，且結構間進行模塊化鏈接可以使穩(wěn)定性呈比例提升。但該結構無法承受復雜的海況和氣象條件，適合在內河、湖泊、避風海灣或港口放置。水營河屬于通海內河，水文環(huán)境相對穩(wěn)定，且漂浮設施的使用頻率較高，需要進行頻繁拆卸和移動，或者需要快速響應緊急情況，因此選用可移動性和靈活性較好、易于安裝和拆卸的全漂浮型結構。

圖2 漂浮設施的結構類型

漂浮設施結構上采用模塊化、通用化設計。設施的主體主要分水上、水中、水下三大部分組成，即上層建筑（主要由集裝箱構成）、浮體（混凝土預制結構浮體）、水下固定錨。上層建筑主要分為兩層，一層的40ft 集裝箱作為主體，二層20ft 集裝箱與一層呈垂直搭建，一二層空間使用樓梯連通，二層空間結構利用集裝箱原有門結構改造的陽臺，既增加了功能又具有美觀性。二層集裝箱頂部同時進行了斜頂改造，為適應不同太陽角度加裝了太陽能板。上層建筑內部可滿足多種使用需求，如居住、餐飲、購物、展覽、商務活動等。浮體使用混凝土預制浮筒技術制作，在滿足承載上層建筑的同時內部設置了廢物循環(huán)系統(tǒng)、水電管路、儲能模塊等保證漂浮設施運轉的部件，浮體上層鋪設了厚度約30cm 的土壤層，可種植景觀植物，浮體下方設置了水力發(fā)電裝置，可以利用水營河的水流進行飛輪蓄能發(fā)電。漂浮設施間根據水文環(huán)境可以選擇采用有間隙和無間隙鏈接（如圖3）。漂浮設施所有構件基本都保留了標準集裝箱的原始結構件，以實現構件通用化效果。構件的模塊化和通用化可以減少材料、能源的浪費和運維成本，達到設施建造的節(jié)能減排和減少成本（如圖4）。

圖3 漂浮設施模塊間的鏈接結構

圖4 漂浮設施結構示意

4.4 技術設計

作為全球主要港口城市之一，釜山的碳排放量也高居不下，2018 年的釜山排放了1 548 萬噸溫室氣體，釜山的碳中和不是一種選擇，而是必然。因此，漂浮設施采取了碳中和設計技術措施。

首先，漂浮設施的能源可以實現自給自足，能夠實現多種清潔能源的輸入，利用水營河的通海、雙向潮汐流動性水文優(yōu)勢，在水下布置雙向水流發(fā)電機組和飛輪蓄能器，水上布置垂直風力發(fā)電機，在設施頂層配置太陽能發(fā)電機組，產生的清潔能源足以滿足單個設施模塊的日常使用。

其次，關于廢物的循環(huán)利用，漂浮設施的設計將使用零垃圾系統(tǒng)，這是一種將垃圾轉化為能源、農業(yè)原料和回收材料的閉環(huán)過程，以管理和減少“碳足跡”。在設施的浮體下方設置厭氧消化池、收集系統(tǒng)和藻類過濾水循環(huán)裝置，通過有機肥料堆肥，可以為設施內部的綠植提供養(yǎng)料。

最后，融入AI 與大數據分析技術，在設施內布置能源智能調節(jié)系統(tǒng)和城市天氣、交通信息顯示牌等，可以在城市設施指揮中心實時監(jiān)控漂浮設施的各項指數，甚至在漂浮設施浮體中可以加裝動力裝置，在水域內遠程控制移動。

4.5 功能設計

為了在城市中實現漂浮設施的可持續(xù)發(fā)展，它的形式和功能應該定位清晰且具有多元化設計，同時結合實際區(qū)域的需求進行豐富擴充，以推動城市區(qū)域的有機多元發(fā)展。以釜山水營河漂浮設施設計為例，可以看到在設計中充分利用了模塊化設計的優(yōu)勢，單體設施模塊之間可以相互連接組合形成集群化公共設施群（如圖5、圖6）。為了解決該區(qū)域每年電影節(jié)、慶典活動場地過于擁擠、交通容易堵塞等問題，漂浮設施應該劃分為多個功能區(qū)，例如休閑餐飲、電影節(jié)文化體驗和公共休息等區(qū)域模塊。此外，漂浮設施還應充分發(fā)揮它機動性強的特點，根據城市文化活動需求進行靈活動態(tài)遷移。這不僅可以解決區(qū)域空間資源不足的問題，還可以豐富市民的多元化需求。

圖5 水營河漂浮設施的模塊化、集群式布局組合

圖6 水營河漂浮設施布局示意

5 結論

應對全球化所帶來的挑戰(zhàn)，特別是海平面上升和土地資源稀缺等問題日益突出。在這一背景下，文章強調了城市水上空間漂浮設施設計的重要性，以碳中和理念為指引，探索了低碳理念在城市空間漂浮設施設計中應用的可行性。通過釜山的設計研究案例，將碳中和理念應用于漂浮設施設計，從漂浮設施在水上空間利用的公共性、地域性和社會性等方面因素入手，結合漂浮設施設計的建造生產、外觀結構和可持續(xù)性設計等要素，提出新的設計思路。這一研究的創(chuàng)新之處在于它將碳中和理念與水上空間開發(fā)相融合，強調了漂浮設施在推動城市碳減排和可持續(xù)發(fā)展方面的重要作用。然而，研究也具有一定的局限性，如在設計實踐中研究的特定性及零碳設計在實際應用中的挑戰(zhàn)。未來需要設計研究者、生產商和市民共同努力，擴大研究范圍，深入分析設計實施細節(jié)，進一步探索社會的接受度，推動城市漂浮設施設計的優(yōu)化，實現城市能源結構向高效碳中和的方向發(fā)展。