前沿研究丨合作应对当今城市面临的重大挑战

本文选自Engineering期刊2016年第1期

作者：Andrew Ka-Ching Chan,FREng

来源：Tackling Global Grand Challenges in Our Cities[J].Engineering,2016,2(1):10-15.

本文是英国皇家工程院院士陈嘉正(Andrew Ka Ching Chan)博士，在2015年由中国工程院、美国国家工程院、英国皇家工程院联合主办的第二届“全球重大挑战峰会”上发表的演讲报告。

主要阐释了城市在应对当今世界全球重大挑战中扮演的角色，作者认为，在面对城市建设的众多挑战中，人类可能成功，也可能失败，因此要善于利用各种交叉学科知识推动城市设计工作，尤其是工程师、科学家以及社会学家、艺术家、居民要联合起来共同设计未来的新城市。

文章发表在中国工程院院刊《Engineering》2016年第1期“全球重大挑战”专辑。

  1. 我们的城市——我们共同的未来  

快速的城市化意味着到2050年地球上将有四分之三的人口在城市居住。从今天(2015年9月15日)算起，每个月都有550万人口向城市迁移。而且到2050年，地球上有可能会增加20亿人口，他们中大多数都会在城市居住。

人口超过1000万的超级城市的数量已经由1950年的1个增加到现在的35个，而且世界上人口超过100万的城市已有560个。大城市的数量在急剧地上升，而且大部分都集中在发展中国家。这将是一个巨大的挑战。

我们知道城市人口消耗了地球60%的饮用水和75%的能源，城市的温室气体排放量占全球温室气体总排放量的80%，这是一个严峻的问题。大多数城市在天灾人祸面前是毫无抵抗力的，更不用说像交通堵塞和空气污染这些更紧迫的问题。

但是，这也是推进城市发展的一个好机会。要使我们的城市更安全、更高效、更可持续、更有弹性，最好的办法就是通过合作——城市之间的合作。而那些面临相同挑战的城市可以互相学习和借鉴应对措施，不必每次都自己设计解决方案，例如：

• 新奥尔良和马尼拉正在建设抵御灾害的基础设施；

• 洛杉矶和珀斯正在学习如何缓解城市扩张；

• 卡塔尔和孟买正在实施新的水资源管理方案；

• 香港和东京正在策划如何提高能源效率；

• 柏林和伦敦正在改装它们的基础设施，使之在人口密度很高的时候更宜居。

快速城市化也许带来了很多挑战，但是城市之间的全球性合作可以加快创新步伐，这样下一代城市将会更美好。实现城市之间的全球性合作是当务之急。

  2. 加倍建设世界基础设施  

为了与国内生产总值(GDP)的增速齐头并进，我们从2015年到2030年共需要57万亿美元的基础设施建设资金。这57万亿美元比我们现有基础设施的总估值还多。换句话说，我们可能需要在下一个15年内使世界基础设施数量翻一番。

因此，这是我们总结经验教训以使城市变得更美好的一个时机，否则再过几十年我们的城市将会衰落直至消失。

我们都希望看到一个更智能、更可持续、更美好的未来。为了建设这样的未来，我们的社会、经济和环境需求都要依存共生，我们也要设计建造相应的基础设施。

3. 展望未来——建筑、交通和城市形态

紧凑型城市是发展中城市的典范。在紧凑型城市中，建设高密度的超高层综合大楼能提高能源利用率，同时提高公共交通系统的效率。我们可以从建筑、交通和城市形态这三个方面来认识这样的城市。

3.1 建筑

在一个城市中，建筑物对城市总能源消耗和温室气体(GHG)排放的贡献非常大。在一些城市，如香港和纽约，建筑物的耗电量占全市供电总量的90%甚至更多。

因此，建设高效能的超高层大楼是非常重要的。这个目标不仅能使我们的资源得到更有效的利用，而且也能使城市环境变得更好。

使城市环境变得更好。这种大楼的设计非常复杂，它涉及很多不同的专业知识，如通风设计、热舒适度设计、光伏建筑一体化(BIPV)、人类行为和太阳能等(图1)。

图1.高性能建筑物设计的整体解决方案。

我们还在旧的设计理念中加入了新技术，使各种系统更高效地运行。例如，在中东的阿布扎比酋长国，一幢大楼采用了自动遮阳系统，即建筑物外墙表面的某些部分会随着太阳的活动而自动开启或关闭(图2)。

图2.可自动调节的建筑物外墙面(阿布扎比酋长国)。

3.1.1.重新设计摩天大楼

未来，我们需要重新设计摩天大楼(图3)。

图3.重新设计的摩天大楼——未来的城市建筑。

我们可以想象一下未来的摩天大楼应具备如下特点：

• 能适应不同用途；

• 生产的能源比自身消耗的多；

• 能改善环境；

• 能根据人类活动智能地调整某些功能；

• 能与城市基础设施系统融为一体。

3.1.2.多功能大楼

例如，上海正在建设这种超高层多用途的居民大楼(图4)。

图4.多功能大楼——一个定制公寓。

3.1.3.生态墙体

可吸收二氧化碳的海藻正在被用于德国汉堡一片居民区大楼的外墙上，海藻能够吸收太阳辐射，降低室内温度，同时通过光合作用合成生物质，从而为大楼提供能源(图5)。

图5.利用了海藻的生态墙体(在德国汉堡建设的生态智能住宅，于2013年4月开放)。

不久的将来，我们就可以采用新材料建设大楼，如自愈合混凝土、可吸收二氧化碳的膜材料、仿生材料和生物复合材料等。

事实上，如果仔细研究整个生态系统，你就会发现生态技术其实可以被应用到水资源管理、城市热岛系统，甚至是整个城市的食品系统中。

3.1.4.生物合成外墙板

根据这些理念，我们正在为人性化的未来打下坚实的基础，使循环经济在未来成为可能。然后我们会发现身边的所有废弃物都可以被重新利用(图6)。

图6.利用天然纤维与树脂(农业废弃物)制备的生物合成外墙板。

这些都是为了实现未来建筑物达到能量和碳平衡的目标的手段。

3.1.5.城市发展中的脱碳环节

我们正在运用能源节约技术、智能微电网技术和分布式能源系统来建设一个低碳城市，也称为生态城市(图7)。

图7.城市发展中的脱碳环节。

3.2 交通

3.2.1.可持续交通

如果把目光转向可持续交通，我们就会发现世界上许多城市正致力于此目标。这些城市互相学习如何治理交通堵塞和空气污染等问题。

拼车和其他共享交通工具的形式说明人们正在转变汽车的使用观念。

当然，我们还是希望人们多乘坐公共交通工具，如快速公交系统(BRT)。

中国是带头使用电动公共汽车的国家，很多城市已拥有上千辆电动公共汽车；而像英国米尔顿凯恩斯和韩国等国家和地区，它们正在使用无线感应充电技术。这意味着除非需要维修，否则公共汽车不需要返回停车场(图8)。

图8.无线感应充电的电动公共汽车(英国米尔顿凯恩斯)。

当然，如果将来无人驾驶汽车能够被推广使用，那么我们对运输这个概念的理解又会有很大的变化。这些都对城市基础设施的设计有重要影响。

3.2.2.综合建筑环境

如今，我们的大楼和基础设施的设计通常采用众包的方式。事实上，香港正在建设的一个7层的地铁站是世界上最繁忙、最复杂的地铁站之一。地铁站的设计将采用4轨互换以满足每天上百万乘客的出行需求。科学家创建了数字3D合成环境用于计算乘客从一个站台到另一个站台所用的时间。许多乘客都参与到这个项目中，帮助优化地铁站引导标识和安全设计。这种众包方式保证了地铁开通的第一天就能高效运行(图9和图10)。

图9.复杂的建成环境(包含7层的地铁站，4轨互换，每天客流量达100万)。

图10.利用实时合成环境模拟记录乘客的行进路线。

3.3 城市形态

公共运输系统对城市的发展有着深远的影响。城市发展的可持续形式之一就是公交导向发展(TOD)策略的应用，根据该策略在每个人流量巨大的地方建设中转站。香港就是一个成功的典范(图11)。

 图11.香港公交导向发展(TOD)策略的应用。

还有一个应用TOD策略的例子是中国(华南)的佛山市。涉及的地铁线路有2条，共有52个地铁站，预计将有数百万乘客乘坐。像这些应用智能基础设施系统的城市，我相信它们会成为未来城市发展的典范。

现在科学家正在研究一种新型数字设备。所有关于运输基础设施、地形、微气候、人类行为和楼房的数据都将被存储到该设备中，然后以可视化3D的形式呈现出来。这种方式可以使市民参与到城市设计当中(图12)。

图12.沉浸式虚拟现实(VR)。

在图13的例子中，我们的目标是通过改变景观设计和微气候环境使商业区的客流量实现最大化(图13)。

图13.城市综合体设计(以人为本)。

(a)热岛效应图；(b)植被覆盖效果图。

  4. 城市综合系统  

为了最终达到弹性和可持续性的目标，我们最好将城市作为一个系统或一个由不同子系统构成的综合系统(图14)来设计。这是因为城市基础设施中每个部分的设计和操作都是相互关联的，如能源消耗(图15)。因此，我们应采用全面、综合的思路设计城市，这样也能给商业和经济的发展带来机遇。

图14.城市综合系统。

图15.城市系统中的综合资源管理。

  5.充实生活  

城市设计的最终目标不能仅满足于生存或基础水平。我们建设的城市环境必须要使其中的居民感到开阔、舒适和有亲和力(图16)。

图16.充实生活——娱乐、教育、公民自豪感和灵感。

 6.拓宽知识基础 

显然，我们可以用多种方式来设计城市，使它更美好、更安全、更高效、更宜居。我们需要加快创新的步伐，同时也要借鉴世界上其他城市优秀的设计。只有这样，我们才能确保城市基础设施建设和设计的方式是正确的。我们的设计和建设必须更智能化，也就是说我们要不断创新，采用现代新技术使我们建设的城市更高产、更高效、更人性化。

总之，本文的重点：

• 在设计建造时应利用各种交叉学科的知识；

• 我们的工程师、科学家以及社会学家、艺术家、居民要联合起来共同设计新城市；

• 未来的设计师当然也应该提升他们的技能和专业知识；

• 需要专业工程知识的教育，这样人们才能掌握必要的技能以解决现实世界的问题和挑战；

• 需要进行具体学科的创新，在全球各个地区共享知识；

• 设计建造城市应先着眼于全球再到具体地区，集思广益，应着眼于全世界的各个国家，而不应仅局限于中国、英国或美国；

• 需要新的思维方式，采用新的科学技术；

• 还需要从局部创新转变到整体创新。

改编原文：

Andrew Ka-Ching Chan, FREng.Tackling Global Grand Challenges in Our Cities[J].Engineering,2016,2(1):10-15.

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