基于双碳目标的可持续城市形态设计模式及准则思考*

胡俊辉，刘丹凤，任利剑

引言

气候变化是当前人类面临的重大危机，碳中和、碳达峰在全球已达成共识。城市地区消耗了世界70%的资源是温室气体排放的主要贡献者（联合国，2015），降碳潜力巨大。故城乡规划学科要主动而为，强化规划设计在降碳增汇中的引领作用。城市形态通过影响人类空间行为带来开敞空间丧失、全球气候变化等问题并对自然环境产生额外压力与负担。正因为如此，我们通过研究城市形态与可持续发展的关系，将可持续理念贯穿于城市形态的优化设计之中，实现降碳增汇，这是当前可持续城市设计研究的重要趋势。

1 可持续城市形态是实现“双碳目标”的重要空间手段

1.1 认知可持续城市形态

1.1.1 城市形态与气候变化的关系

形态学最初用于研究植物形状、生长与内在结构关系。20 世纪20 年代被人文地理学引入到城市领域，城市形态学才被正式提出用于研究城市复杂的问题。Howard（1833）是第一个建议考虑城市形态对小气候影响的学者。随着气候变化日益严峻，城市形态与气候变化的关系得到广泛关注，较多学者指出城市形态是能源需求的重要驱动力，与碳排放-碳汇紧密相关[1]，如Lee[2]、Fang[3]分别依据层次结构模型和面板数据研究城市形态与CO2的关系，Makido[4]对日本中小城市、Wang[5]等对中国104 个城市碳排放与形态关系的研究。也有学者从形态模式与土地利用[6]、家庭消费[7]、形态要素配置方式[8]、形态与车辆保有量关系[9]等方面分析城市形态与能源消耗和城市热岛关系。从降低能耗角度，学者们从绿色开敞空间设计[10]、建筑空间组合[11]、建筑密度与通风透气性[12]、形态参数化设计[13]与标准化衡量[14]、街道结构与建筑高度[15]等展开探讨。

由此可知，城市形态是低碳化发展的关键，它通过影响城市各类要素的相互联系，并最终影响人、物质、能源流动的途径[16]。不可持续的城市形态通过作用于土地利用、生态系统、绿地、水体、汽车使用、开放空间、自然下垫面等影响碳排放和碳汇[17]。因此，要重视城市形态在降碳增汇中的作用。

1.1.2 可持续城市形态概念

欧盟在1990 年成立城市环境专家小组并于1993 年开始可持续城市形态研究，旨在恢复城市设计对可持续发展的促进作用。随后，可持续城市形态便成为可持续发展概念中一个被广泛讨论的课题。

可持续城市形态是从形态学角度缓解城市问题而被学者们广泛讨论：多从慢行交通、社会互动紧凑性[18]，混合用途、小地块[19]，多样性、设施可达性[20]、要素可持续衔接[21]、要素良性组合[22]、要素和实践模式[23]等方面进行探讨，并未达成共识，这说明定义可持续城市形态并非易事。但目标是一致的：实现人类社会的可持续发展，促进城市与自然环境协调，在不损害子孙后代前提下设计城市空间并解决环境问题[24]。美国学者Jabareen 基于严峻的气候变化危机，认为它是密度高、多样性充足、混合用地紧凑，以可持续交通、绿化、被动式太阳能为设计基础的城市形态，最突出特征是减少能源使用、污染、汽车使用和保护开放空间、生态系统等适宜居住的人类环境[22]。这一定义暗含着降低能耗，增加碳汇的内涵。

分析文献可知，学者们提出的概念更多是对城市特定时期突出问题的积极回应，具有明显的阶段性。习近平总书记于2020 年9 月联合国大会上郑重承诺我国碳排放力争于2030 年达到峰值、2060 年实现碳中和的“双碳目标”。这是我国应对全球气候危机，着力解决资源环境约束突出问题，实现中华民族永续发展的必然选择。在此背景下，城乡规划学要主动而为，在建筑、交通、生态空间等领域发挥“减碳源、增碳汇”的规划引领作用。故在“双碳目标”语境下，可持续城市形态应以通过优化形态要素空间组合，降低碳消耗和增加碳汇，缓解气候变化危机为出发点。据此，我们认为可持续城市形态是一种碳友好型人类聚居形态，可提供满足适宜规模且多种功能混合的地块、适宜慢行的街道、出行便捷的绿色交通、适应自然设计的紧凑居住区、设计良好和自然要素保护完好的开敞空间，最大程度地降低能耗并同时增加碳汇，以实现“城市，让生活更美好”的愿景。

1.2“双碳目标”亟需可持续城市形态设计模式给予引导

环境问题迫切需要改变的不仅是人们的出行行为，重要的是形态要素的可持续设计[16]，设计模式作为对形态要素进行可持续性组合的关键得到学者们深入探讨。对此进行深入研究的Jabareen（2006）提出紧凑城市、生态城市、新城市主义和容纳城市四种模式[22]。之后也有学者提出如城市蔓延、绿色城市、巨型紧凑城市、分散化集中、紧凑—混用、多中心、多核轴向等类型[16]。学者们基于城市形态是影响城市能源消耗的关键，提出较多可持续城市形态模式，但究竟是集中、分散、单中心、多中心抑或是混合式并未达成一致。这也恰恰说明关于可持续城市形态并没有固定的模式，且实现可持续城市形态不应局限于一种模式选择。争论焦点在于不同模式对居民出行行为、交通供应、资源效率、生态保护、社会公平、可达性等的影响。尤其在严峻的气候变化危机下，城市形态如何应对高的能耗，并将由于人类活动导致的高碳排放固化于城市机体显得更为迫切。在这种情况下，我们需要找到主导城市可持续发展的核心力量，打破现有形态模式束缚，设计理想城市形态，从而引导形态要素合理的空间组合以降碳增汇。

1.3 双碳目标与可持续城市形态的关系解析

1.3.1 双碳目标下城市设计应对框架

在落实“双碳目标”过程中，国家要求将“双碳目标”逐级落实到“五级三类”国土空间规划体系中。《国土空间规划城市设计指南》指出城市设计是总规、详规和专项规划的重要技术方法。因此，从城市设计的角度落实“双碳目标”拥有政策上的保障。IPCC 公布的《2006国家温室气体清单》指出碳排放主要集中于能源消耗、工业生产过程、土地利用变化、农林业及废弃物处理等部门。从空间范围上看，能源消耗、工业生产过程和废弃物的碳排放主要发生在建设用地空间，且根据《中华人民共和国气候变化第一次两年更新报告（2016）》，城市能耗的碳排放是主要来源[25]。鉴于工业生产过程和废弃物处理产生的碳排放不是城市设计的关注重点，本文将能源消耗作为碳排放部门进行探讨。众所周知，工业、交通、建筑是城市碳排放大户。工业随着产业结构调整逐步迁出，能耗在降低[25]，即使存在工业园区纳入城市建成区范围情况，工业碳排放主要在生产过程中产生，这并不是城市设计关注的重点，重点在于厂房的设计及绿化布置。因此，“双碳目标”背景下，城市设计应重点从降低建筑和交通能耗，丰富绿地、水系、湿地空间组合来增加碳汇（图1）。

图1 城市设计降碳增汇框架与可持续城市形态内在关系分析图

建筑能耗中采暖和制冷所占比重大，可通过优化风、热环境来降低建筑能耗[26]。建筑密度、布局、朝向、间距、迎风面比例、沿街高度及建筑通风廊道等对碳排放影响较大，实践中通过建筑群空间布局降低影响因素对建筑碳排放的影响实现风、热环境优化。此外建筑照明、家电等耗能也占一定比例，可通过低碳生活行为引导降低此部分碳排放。

交通能耗中交通工具和出行方式受功能布局，居住、就业、商业、路网等密度，服务设施可达性，街区规模等的影响使碳排放比重较大。具体设计中，通过土地混合、划定生活圈、TOD、小街区密路网、提高公共和慢行交通密度与覆盖率、提升公共服务与公共交通站点耦合度[26]、政策引导等实现短距离出行和出行方式的低碳引导，降低交通碳排放。

增碳汇通过绿地、水系等生态空间吸收碳实现。通过构建丰富的生态网络除可固碳外，也可以实现降温、通风改善局地微气候，降低碳排放。

1.3.2 可持续城市形态与城市设计降碳增汇框架内在关系

可持续城市形态作为碳友好型人类聚居形态，具备高密度、紧凑、可持续交通、多样性、土地混合、绿化、被动式太阳能设计、高效环境和城市管理等特征[16]，且与城市设计降碳增汇存在内在关系（图1）。

高密度通过混合建筑类型和临近就业服务设施，促进职住平衡，土地精细利用，优化建筑群布局，提供良好通风廊道，缩短出行距离降低碳排放[22]。紧凑促进各类功能集中，优化建筑群布局，提供高的服务设施可达性，实现降碳[18]。可持续交通倡导绿色出行，提高低碳交通方式比重，提供高的公共和慢行交通路网密度，缩短出行距离，实现降碳[19]。土地混合促进土地用途多样性，允许兼容土地彼此接近，从而减少出行距离，减少私家车使用等[22]实现降碳。多样性通过土地使用、住房类型差别化组合[20]，有助于建筑群低碳化空间布局，减少机动车交通、促进慢行交通等实现降碳[21]。绿化将自然融入城市，通过丰富的景观设计、多样化的绿地植被和湿地布局等增强碳汇。被动式太阳能设计通过建筑选址、朝向、布局实现对太阳能最大程度利用，促进建筑群空间自然设计，实现建筑低碳化[24]。高效的环境和城市管理是针对建筑、交通、能源、绿化等领域从监管、公共服务平台搭建、政策保障来影响居民居住、出行等低碳生活方式的转变实现降碳。因此，可持续城市形态有助于“降碳增汇”，对实现“双碳目标”发挥着关键的设计引领作用。

2 双碳目标视角下可持续城市形态设计模式构建

形体秩序是城市设计亘古不变的主题，而空间层次性是体现这种秩序的关键组织架构，基于空间层次方能选择适宜的设计手法，保障设计效果科学性[27]。双碳目标下形态设计模式的构建，是对气候变化问题提出的概念性应对逻辑，必然要明确空间层次性，采取针对性的设计准则提升城市“降碳增汇”能力。

2.1 可持续城市形态的空间层次

城市形态一般可分两类：一为外部形态，从地图上看到的城市形状。二为内部形态，建成区内建筑、道路、水系、绿地等物质实体组合的形态空间。从竖向视角上，从空中一定高度向下看：首先看到的是城市外围轮廓，其次是道路、河流水系划分的不同规模的地块，最后是建筑物、人车流量、植被类型等，范围逐步缩小与精细化（表1）。

表1 从竖向面上观察到城市形态特征的变化及“降碳增汇”分析表

综上分析，城市形态不是单一的城市建成区或规划区的边界形状，实际上包含宏观、中观、微观等要素，这有助于更好地了解形态要素的空间分布及相互间的可持续影响。同时，也可看出形态是每个层次中处理要素与环境组合关系的外在表现。从降碳增汇视角看，不同层次通过相应的设计深度达到空间环境与形态要素的和谐相处，最大程度地实现降碳增汇：宏观分析城市与周围山川地形、森林植被、河流水系、区域交通设施等关系，处理好与周围生态环境良好衔接，增强碳汇能力；中观分析地块、道路网、城区内环境要素及各类服务设施的空间部署关系，重点考虑降低交通碳排放，从提高可达性、梳理城市通风廊道、构建慢行交通网、小街区密路网、局部碳汇网络等展开设计；微观分析建筑、公园绿地等单体设计，重点考虑建筑碳排放，从建筑群低碳布局、增大街道高度比、局部微气候改善等展开设计。可持续城市形态是城市形态的高级目标，在“双碳目标”背景下，通过宏观、中观、微观的空间连贯性降碳增汇设计，达到经得起时间检验的形态要素的理性平衡，和谐多姿，实现“倾国宜通体，谁来独赏眉”的持续美。

2.2 适应“降碳增汇”的可持续城市形态设计模式构建

安德烈亚·帕拉第奥曾言“美来源于整体形态的和谐统一，当局部与局部之间，局部与整体之间乃至与外围环境达到和谐统一后，结构才能永久坚韧，各局部要素才能相得益彰”[23]。这个经典论述对形态模式构建具有很强启发性：最高效的城市形态首先必然与周围环境良好衔接，这是自然至上；其次是紧凑复杂的，满足人们日常生活的多样化需求，层层叠加相互融合的形态方能具有高的适应性，这是局部紧凑；第三，具有高可达性，满足不同地区间沟通交流，即整体可达。基于空间层次性，我们构建可持续城市形态设计模式为“微观局部紧凑、中观整体可达、宏观自然优先”。

2.2.1 微观：局部紧凑——降低碳源

局部紧凑来源于比尔·希利尔所著《空间是机器——建筑组构理论》中关于局部与整体关系的论述[28]以及埃尔金在《城市复兴：走向可持续城市发展》[29]中对于紧凑城市模式的改进化建议。局部紧凑不同于紧凑城市，紧凑城市是一个中心区高度开发、土地使用高度混合、城市服务设施齐全的高密度聚落。因体现出的资源保护和废物最小化的可持续要求，在欧洲、美国、澳大利亚等国家得到极力推崇，被认为是可持续的最佳形态。虽具有社会、环境和能源方面优势，但尚未在实践中得以证实，就受到较多质疑[16]。国内学者就紧凑城市在我国城市的适用性进行探讨，如吕斌[30]、仇保兴[31]等，虽然未达成一致意见，但也指出紧凑是实现可持续的关键方法。且Jabareen 指出紧凑是可持续城市形态最重要的特征，有利于实现高密度、土地混合和多样性等其他特征。在一定程度上，紧凑也意味着高密度和多样性，也利于组织可持续交通。事实上，抛开形态模式的无休止争论，关键在于模式优点的借鉴和缺点的规避，及对解决气候变化等环境问题的形态设计是否有启发。为此，我们以紧凑城市为基础，借鉴其优势，规避其劣势，提出局部紧凑模式。

与紧凑城市的强中心不同，局部紧凑以局部地区为对象，以打造新型交往、服务的邻里关系为主，不强调形成明显的强力中心，也不排斥形成局部地区中心，强调局部地区结构嵌入到城市整体结构中（图2）。局部紧凑关键在于地块混合开发，带来服务多样性和兼容性、精心设计的混合用途小街区、适宜步行的道路网络、可及的绿化空间和高可达性的公共交通[32]，降低能源消耗，从而形成一个适宜居住的完整区域和创建一种小型、原始、亲密的地区空间，这也是活力复兴的关键[33]。

图2 局部紧凑模式与紧凑城市模式对比图示

局部紧凑也可最大程度地降低城市对小汽车的过度依赖，节约土地资源，优化基础设施结构和投资，最大限度降低对能源、原材料、产品的运输与需求[34]；紧凑意味着地区内公共交通可以更高效的运行，步行或骑行可便捷到达目的地，最大程度减少城市碳足迹。整体来说，局部紧凑融合了紧凑和步行城市优势，也具有适应居民多种生活需求的空间灵活性，提高空间使用效率[35]。同时，局部之间的连接更容易形成区域性的通风廊道。

在“双碳目标”实施的关键时期，我国城市居住人口密度还在不断增长；同时大部分城市面临的基本挑战即是如何提高公共交通便捷性、营造适宜慢行的出行环境、创建多样化的混合用地区和构建丰富的生态空间网络。故处于快速城市化进程中的我国城市如何化解这个基本挑战显得时不我待，这为局部紧凑模式的实施提供良好地区背景，正如詹克斯所言：增量变化（人口增长）最终将导致有价值的可持续性[36]。

2.2.2 中观：整体可达——降低碳源

当前城市不同空间尺度形态要素割裂程度在不断放大，城市面貌孤立分散现象突出，局部地区内部、局部地区之间乃至局部与整体之间协调性差，导致出行距离加大，连接性降低，能源消耗增大。高可达性的道路网设计方法是化解这种困境的良药[23]，通过相容性的镶嵌形式组织地块、湿地、绿地、水系等形态要素，实现高的连续性。

此种道路网设计方法以道路层级遵循逆幂律分布来衡量城市局部与整体之间的协调性，以保持局部之间的高效连接，减少居民在城市内部由于跨地区流动而产生过多旅途，降低能源消耗，这与降低交通碳排放直接相关。因此，萨林加罗斯指出，要打造可持续城市环境就必须在不同空间尺度上建立多个且高效的连接。连接的建立离不开依照复杂衍生过程而进行的人类活动，而人类活动顺利进行以高的可达性为基础[23]。因此，城市局部之间的高效连接最终以整体可达性为衡量依据。

Carmona 也认为整体可达性需要不断增加连接性，这意味着更小的街区，更多的交叉口，创造局部中心场所并提供多种设施[37]。因此，整体可达是在社区、街区、开敞空间等一切可能创造可持续环境的地点实现高度可及性、提供多样化交通出行方式和多样化道路层级系统。局部紧凑虽可提供减少短距离私家车出行的各种服务设施，但也不能忽视，即是存在这样的便捷性，人们在城市系统内也有一定长路程的出行需求，不会完全放弃私家车，从最大可能地降低短途出行而带来的益处可能无法产生全局降碳效应。因此，如果提供了整体可达性，可对便捷出行产生有效帮助，从而最大程度上实现降碳目的。且从国家战略层面上，整体可达也符合2015 年中央城市工作会议所提倡小街区、密路网，鼓励步行、骑行和公共交通等促进可持续发展的举措。

2.2.3 宏观：自然优先——增加碳汇

工业时代的标志是机械设计能力的登峰造极，而生态文明时代的标志则是使设计再次回归自然[38]。我国古代优秀的城市设计思想“天人合一”，“象天法地、相土尝水”及《管子》所言“凡立国都非于大山之下，必于广川之上，高毋近早而水用足，下毋近水而沟防省。因天材、就地利，故城郭不必中规矩，道路不必中准绳”等等，透露着重视城市形态与区域自然环境相融合的自然至上的生态智慧。优秀的山水古城平江府、夏良渚水乡古城等，无不揭示城市是在一系列相互联系的自然系统中发展起来的，形态的形成不会脱离赖以生存的自然环境，更不会孤立存在于世。从可持续发展的角度，城市形态在宏观层次上体现自然为先的特征。一方面，它为城市发展提供所需的资源，其形态的外在表现受制于环境基底；另一方面，城市通过建成区的扩张导致外围耕地、河湖水系、森林植被、湿地草地等过度侵占，导致区域生态结构发生重大负面变化，影响人类健康和生态系统稳定[39]。尤其是无序粗暴的蔓延，极大干扰了人工与自然环境间的能源流动，城市热岛效应频率和强度增加。从增加碳汇角度，有必要保护区域自然景观碳汇资源，从而为城市保留一个持续的碳汇地，实现城市“零碳增长”。城市形态的可持续优化离不开城市外围区域的作用，而这种作用也不是偶然的，需要付出有利的作为以使建成区与外围区域自然的良好衔接，为城市形态优化提供良好环境基底。从国土空间规划改革的角度，自然优先也切合我国当前建立国土空间规划体系的核心宗旨。因此，宏观层面应以自然优先为根本，保护自然生态空间，构建生态网络，增加碳汇。

3 设计模式引导下的可持续城市形态设计准则

可持续城市形态设计的关键问题是在模式指引下如何进行设计，尤其是对谁进行设计？城市在不断发展，其规划设计背后的知识与策略也在不断变化。“准则”一词蕴含着时间的变化，为城市设计的动态性铺平道路，将其作为应对城市形态动态变化的规划工具引起较多学者的关注。为此，我们以“形态设计准则”来应对城市形态的动态变化，明确设计对象，将其镶嵌于不同空间层次中，实现城市形态的可持续优化。

3.1 设计对象的确定

在水平视角层面，我们观察到更多的是建成区天际线及外部横断面的变化，而城市内部结构无法把握。规划领域研究更多的是从竖向视角观察的地块、道路及河流水系等结构表现。凯文林奇将城市形态定义为形态要素的重复空间组合，包括自然特征和开放空间及建筑强度和高度的一般模式[40]，包含自然要素和人文空间以及建筑物和开发强度的内在含义，突出形态要素的组合逻辑。现代城市是一个巨大的物质和社会要素综合体，具有层级性。不同层级的地块建筑组合、道路网络和在不同尺度上连接的生活、工作、商贸、教育和休闲等人类活动层层嵌套叠加形成复杂的城市形态，正是这些要素在城市结构内的和谐对可持续发展起着重要作用。基于此，学者Serge Salat 将城市形态分为6 个层次[23]（表2）。

表2 Serge Salat 城市形态层次划分分析表

为便于形态设计，从系统论和主要承载的活动类型方面，上述六个层次可以概括为地块、开敞空间及道路网络等子系统（表3）。城市中人们的各类活动和交流发生在地块之内或者部分发生在道路网中。地块内承载着居住和工作功能及各建筑个体乃至服务设施的空间布局。地块规模和区位也决定着人类活动强度。部分开敞空间也位于特定地块内，将其作为单独系统是因为它可以为居民提供休闲娱乐、集会等交流场所，体现公平性、安全性的目标。

表3 可持续城市形态设计对象界定分析表

从空间层次上分析，地块从居民日常生活角度考虑，属于微观；开敞空间包含城市建成区内外围的自然要素和广场、公园等，属于中、宏观；道路网络是满足居民便捷地到达城市的各个角落，属于中观。需要指出的是，设计对象在空间层次上并没有严格界限，地块也包含满足居民日常生活的小游园、广场和内部出行街道等，关键在于明确设计模式的核心引导对象，建立与空间层次对应的设计准则。

3.2 形态设计准则

形态设计准则是一种通过调控形态要素来实现可持续发展的动态管控手段[41]。作为改善城市建成区环境的新工具，我们以设计模式为基础，形态要素为设计对象，提出形态设计准则，以塑造可持续城市形态（表4）。

表4 可持续城市形态设计准则

结语

可持续城市形态作为城市研究的新领域，设计模式及准则还未进行深入探讨。当前面临的严峻挑战之一是在全球气候变暖危机下，如何促使城市形态在双碳目标下实现对美好生活的积极贡献，可持续形态设计将承担重要角色。同时，人们对居住环境的重视已然超越历史上任何时期，而这正是当前城市研究者所应当解决的首要问题，最好的解决途径便是基于形态的可持续设计开展对当前城市的良好干预与管理。