山地城市因其复杂的地形和生态条件，在城市低碳建设过程中面临着独特的高碳发展困境，因此探寻适用于山地城市的低碳设计体系和方法是值得研究的重要课题。文章从山地城市的高碳发展困境出发，引入适应性理论，针对山形地势、蓝绿空间和能源结构3个高碳环境要素，提出单向依循顺应、双向协同利用和系统统筹融合3种适应性设计模式，以城市设计要素为适应性主体，以高碳环境要素为适应性客体，建立山地城市低碳设计目标和适应性设计模式的有机联系，从减碳源和增碳汇两个方面构建山地城市低碳适应性设计框架，并以贵州凯里市鸭塘片区为例展开低碳适应性设计实践探索，以期为山地城市的低碳建设提供参考。
[关键词] 低碳；山地城市；适应性；城市设计；生态；贵州凯里市
[文章编号] 1006-0022(2023)03-0117-08
[中图分类号] TU984
[文献标识码] B
[引文格式] 尚雪峰，仇保兴，王文静．适应性视角下山地城市低碳设计策略——以贵州凯里市鸭塘片区为例[J]．规划师，2023(3)：117-124．
为了应对全球气候变化，我国在第七十五届联合国大会上提出力争到2030年实现“碳达峰”、到2060年实现“碳中和”的“双碳”目标，将低碳发展上升到了国家战略高度。在我国，城市是碳排放的主要载体，其碳排放量占全国总碳排放量的75％，是实现“双碳”目标的主战场。目前我国的城市减碳探索主要集中在北京、上海、广州、天津等经济较发达地区的平原城市，对于山地城市的低碳规划研究有限，更缺乏理论依据支撑。而我国是一个多山的国家，山地面积占全国陆地面积的69％，山地城镇数量占全国城镇总数量的一半以上，是城市低碳化建设的重要潜力地区。现今，在技术条件和经济发展需求的加持下，“移山建城”成为山地城市发展的常态，山地城市设计也普遍模仿平原城市的设计方法，但这种设计方法忽略了山地城市自身复杂的地形条件和脆弱的生态环境，一味追求高产出和高效益，与低能耗和低污染的低碳发展目标背道而驰。因此，研究适应于山地城市自身条件的低碳设计方法，对助力国家实现“双碳”目标具有重要意义。
“适应性”是生物学界描述有机体在客观环境中为求生存发展而改变自身机能，以顺应外部环境的一种调节机制。作为一种强调系统耦合、协同和共生的思维方式，适应性理论将研究对象与环境看作一个整体，从长期可持续的角度看待系统主体与客体之间的关系，这与山地城市低碳设计目前所需考虑的问题基本一致。因此，本文将适应性理论引入山地城市低碳设计的方法建构中，将山地城市设计要素与高碳环境要素进行关联，探索城市空间特征与高碳发展困境之间的适应性作用规律，构建以山地城市减碳排、增碳汇为目标的低碳适应性设计框架，并以贵州凯里市鸭塘片区为例，对适应性视角下的低碳设计策略展开实践探索，以期为我国山地城市的低碳建设提供参考。
山地城市的复杂性主要源于地形地势、蓝绿空间和能源结构的独特性，这些独特性使得城市在建设过程中增加了许多额外的碳排放，也影响了碳汇效率，给山地城市的低碳发展带来了挑战。
山地城市所处地形环境复杂，受坡度和地质的影响，可建设用地有限且分散，土地难以集约利用。现有的城市设计方法常采用切坡挖地等工程技术手段扩展建设用地，造成了大量额外的碳排放，且开发模式常以深入山体深处的小地块开发为主，形成了大量的城市消极空间。此外，复杂的地形使得山地城市的交通网络不连贯，增加了出行距离，造成了更多的交通碳排放。
山地城市自然基底通常较好，具有丰富的蓝绿空间，但城市扩张和无序建设破坏了原始生态肌理，降低了碳汇储备和碳汇效率。例如，大面积的山体挖方导致山体植被遭到破坏，碳汇储备减少；不透水面增多和河道侵占缩减了自然产流空间，造成水循环紊乱，影响了水系统改善城市微气候的生态功能，同时加速了水生植物多样性减少和河道两岸生态湿地退化，导致碳汇效率降低。
山地城市通常具有独特的自然资源和气候条件，因此具有独特的可再生能源结构。传统的城市设计往往忽略了要因地制宜地对当地资源进行整合与利用，不仅造成了资源浪费，增加了不可再生能源的消耗，还增加了能源传输过程中产生的碳排放。
2 适应性理论在山地城市低碳设计中的作用
2.1 适应性理论
“适应性”最早出自达尔文的进化论，用于在生物学领域描述自然界生物体对外部生存环境的单向适应，以求得生存发展的现象。劳伦斯·亨德尔森随后提出，生物体在适应环境的同时，也会改变环境以创造更有利的生存条件，即强调了生物与环境的双向适应。美国地理学家巴罗斯也进一步提出了人与环境的关系存在一种双向适应性。随着复杂适应性系统理论的发展，适应性被更深入地理解为系统内各要素之间彼此作用以达到稳定平衡的过程，该理论强调了有机体与环境的互动性和整体协调性。可以看出，人们对适应性的认知经历了主客体间从单向作用到双向作用再到系统多向作用的过程。对应于这3个过程，瑞士心理学家皮亚杰提出了同化、调节和组织3个适应性层级。结合既有学者的研究，本文将适应性作用分为3种适应模式：第一种是适应性主体对适应性客体的单向依循顺应，即当适应性主体与适应性客体发生矛盾时，适应性主体单方面改变自身状态以顺应适应性客体的适应过程；第二种是双向协同利用，即适应性主体与适应性客体双向作用，相互协同配合以达到双赢的一种适应机制；第三种是系统统筹融合，即适应性主体通过组织调节，有目标地使适应性客体融入自身发展当中，达到一种“天人合一”的适应状态(图1)。
山地城市的高碳发展困境主要受山形地势、蓝绿空间和能源结构3个环境要素的影响，因此城市设计需适应这3个要素，以实现城市低碳目标。在这个过程中，可将城市设计要素作为适应性主体，将3个高碳环境要素看作适应性客体，城市设计针对3个高碳环境要素的灵活性，分别采用3种适应性设计模式(图2)。
山形地势是山地环境的基础，承载着所有生态系统的功能。其灵活性低，动之则伤，不仅影响碳汇，还会增加建设成本，产生额外碳排放。在城市设计过程中，当空间主体与山形地势产生矛盾时，需秉承顺应原始地貌的原则，以“随形就势”的方式进行主体设计，尽量通过改变空间状态和设计手段的方式，在满足功能需求的同时降低对山体地貌的影响。
蓝绿空间是山地环境的脉络，其格局常依托于地形地势形成，但同时在时间和空间上具有一定的灵活性与可适应性。在城市设计过程中，一方面需尊重蓝绿空间的生态本底，保证碳汇效率；另一方面也可利用低影响开发的方式代替传统工程措施，根据客观环境和主观需求对蓝绿空间进行适应性调整，以便利用和发挥其生态与景观价值，满足城市功能需求。
根据山地环境中的能源结构特征，在城市设计过程中需对能源结构进行有组织、有目标的统筹调节，使其融入山地城市低碳发展系统，这是一种更高层次的低碳适应模式。山地城市设计需根据空间发展需求和环境特征，合理利用可再生能源，促进能源循环利用，提高能源利用效率，尽量减少不可再生能源的消耗。
按照城市空间的碳循环活动规律，城市低碳设计可以分为减碳源和增碳汇两种路径，这两种路径作用于不同的城市设计要素。对于山地城市而言，这些城市设计要素的低碳化实现分别受限于3个高碳环境要素，进而与3种适应性设计模式形成了有机关联(图3)。
城市碳源按存在状态可以分为固定碳源、交通碳源和过程碳源。在山地城市设计的视域下，固定碳源指的是城市建设过程中因土地利用变更和建筑能耗而引起的碳排放，涉及的城市设计要素主要包括土地利用和建筑形态；交通碳源指的是交通运输过程中产生的碳排放，城市设计主要通过影响交通需求和出行方式来影响交通碳排放，涉及的城市设计要素主要是各类交通规划；过程碳源指的是物质和能源在城市空间中流通产生的碳排放，涉及的城市设计要素主要包括可再生能源和可持续森林。
固定碳源与交通碳源中涉及的城市设计要素是城市物质空间的基础，其规模在经济与社会发展需求的引导下不断扩展，但受复杂、敏感的地形和生态环境的限制作用很大，这两种矛盾的碰撞产生了很多额外的碳排放，因此在城市设计过程中可以采用单向依循顺应山形地势的适应性设计方法，对用地结构、建筑形态和城市交通进行优化，以避免开山挖方、降低建筑和交通工具能耗、减少出行距离。过程碳源中涉及的城市设计要素与山地城市的能源结构息息相关，在城市设计过程中，根据山地城市的可再生能源优劣势以及不同时空下城市生产生活过程中的能耗需求，从适应性视角出发对能源结构进行系统统筹融合，是减少过程碳源的有效手段。
碳汇指的是城市绿色空间通过植物的光合作用以及水体和绿地的系统布局来吸收二氧化碳，同时改善城市微气候，降低建筑能耗需求。与山地城市碳汇相关的城市设计要素主要包括水体和绿地，因此在城市设计过程中可以协同山地城市的蓝绿空间，发挥生态系统的循环和调节能力，依照气候和生物规律合理构建绿地系统与循环水系，实现降碳固碳目标。
3 贵州凯里市鸭塘片区低碳适应性设计实践
3.1 现状概况及存在问题
贵州是国内唯一一个域内没有平原的省份，孕育了许多山地城市。“十三五”期间，贵州提出把“低碳”作为全省生态文明建设的重要途径和经济社会发展的重大战略。贵州的碳汇资源丰富，森林覆盖率高达61.61％，绿色经济占比为42％，清洁能源比重达52.9％，低碳发展潜力巨大。然而，贵州的高能耗产业比重也较大，能源利用效率较低，经济增长方式和城市开发模式粗放，低碳发展转型面临很大挑战。鸭塘片区位于贵州黔东南自治州首府凯里市的中部，是典型的喀斯特山地地貌，片区地处凯里市东西发展轴和产业交汇处，辖10个村、2个社区，总面积为79.95 km2，总人口为33 128人，既是凯里市新城建设的桥堡头，也是引领凯里市低碳生态转型发展的核心示范片区。此次设计区域以鸭塘河为中轴，以沪昆高速公路为北边界，以规划快速路为南边界，西至余凯羊高速公路，东至220 kV凯里变电站，规划用地面积约为3.39 km2。
通过实地调研、问卷访谈和资料收集发现，设计区域在山形地势、蓝绿空间和能源结构方面存在很多问题，同时也具备很大的低碳发展潜力。
在山形地势方面，片区平整地块少，地貌类型为侵蚀构造和溶蚀构造类型，山际、山地、中山、低中山地貌占比为42.97％，低山地貌占比为21.72％，低丘至中丘陵地貌占比为34.12％，河沿谷盆地及河流地貌占比为1.19％；片区南部的沪昆高铁、未来大道等工程项目对山体破坏严重，北部的填方区域对地形和植被造成了冲击，部分工程节点在山体内部造成点状干扰，片区水土流失严重；现状建设用地主要沿凯开大道布置，较分散且功能不明确，现状建筑多为农民自建房、保障性住房和工业建筑，建筑风貌混杂，体量不一，空间无序。
在蓝绿空间方面，鸭塘河受污染严重，生态系统功能较差；径流量随季节雨量变化明显，旱涝风险高，且河道两岸的防护性较差；河岸无休闲景观功能，可达性差；已开展的滨河公园规划为了形成大面积水域，设置了4处设坝闸口，会造成水循环系统紊乱，加剧水生态破坏；现状用地中无公园绿地，仅在道路和河道两侧有少量防护绿地；部分填方区域对森林植被造成了严重破坏。
在能源结构方面，凯里市的风能有限，但降雨量大，地热资源丰富；由于地处亚热带常绿阔叶林植被地带，其森林资源丰富；在生活能耗需求中，片区对空调制冷的需求远高于采暖取暖需求；在生产能耗需求中，城市建设对木材的需求量大。
鸭塘片区低碳适应性设计的关键在于尊重当地的山形地势、蓝绿空间和能源结构，选取相应的适应性设计模式，从减碳源和增碳汇两个低碳目标出发，对土地利用、建筑形态、交通规划、可再生能源、可持续森林、绿地、水体等要素进行适应性调整。
3.2.1 单向依循顺应山形地势：减少固定碳源和交通碳源
将固定碳源涉及的土地利用、建筑形态与交通碳源涉及的道路交通作为适应性主体，单向依循顺应不同尺度和维度的山形地势特征，基于多维度用地评价、地形地质评估和空间连通度分析等结果，进行土地利用布局优化、多样化建筑形态设计和多层级低碳交通网络构建等，从而实现减碳源目标(图4)。
(1)优化土地利用布局，提高用地复合度。
设计通过山形结构分析和多维度用地评价，将范围内的地形分为高山区、丘陵区、缓坡区和平整区(图5)。高山区地势连绵起伏，森林资源丰富，不宜进行城市建设，应作为重要的碳汇资源，并打造城市景观的远景天际线；丘陵区地势相对平缓但平均海拔较高，断续间隔分布于高山之间，可适度开发为休闲游玩的公共活动场所，尽量保持其自然基底和绿色生态；缓坡区地势起伏小，适宜开发建设，在建设中需进行微地形处理，充分尊重山体，减少不必要的开采；平整区是设计范围内已通过开山挖方而形成的平面地块，可依据功能需求和区位交通进行开发建设，布局高层住宅或商业建筑，以满足市政指标要求。这一设计方案最大限度地减少了因开山挖方而造成的碳排放，保存了绿植碳汇。此外，在适宜开发建设的丘陵区和平整区可适当提高用地复合度，如赋予同一栋建筑多种功能，或在同一地块内布置多种功能的建筑，如此不仅可以降低因建设重复功能的建筑而带来的固定碳源，还可以在一定程度上减少居民出行距离以降低交通碳源。
(2)优化建筑形态，降低建筑能耗。
山地城市的建筑形态需顺应地形地质和生态条件，依山就势进行设计，以减少因山体挖方而带来的生态破坏和额外碳排放，并利用山地小气候降低建筑能耗。设计依据现状地形条件，将缓坡区和平整区的可建设用地分为缓坡地块、平整地块及破碎地块，不同地块适宜不同的建筑形态设计(图6)。①缓坡地块宜采用台地式建筑，该建筑类型可以减少开采山体，实现土方平衡，与山地环境相合相应。值得注意的是，台地式建筑设计需充分考虑坡度、坡向、光照和风环境等自然气候因素，保证室内环境的舒适度，降低能源消耗。②平整地块的现状开发程度较高，分为已建区和未建区。对于已建区，需根据现有建筑品质来决定是拆除还是更新；对于未建区和拆除区，则需要依据场地条件和功能需求来建设适宜高度的高层建筑，以满足城市市政指标要求。为维护景观天际线，满足木结构建筑标准，高层建筑需限高50 m。③破碎地块多因开山停工、矿山开采等城市建设而形成，是山地城市常面临的地块形式。对于此类地块，可在安全评估后根据现状进行异形建筑设计，不但可以充分利用土地资源，降低因额外开山而带来的碳排放，而且融合现状地形设计的建筑往往会成为一个城市的地标性建筑或城市名片。例如，在设计范围西侧的缓坡区有一条上宽90 m、下宽20 m、高40 m的山体凹槽，是未完工的开山处，设计依据地形现状打造一处天井式会展中心，不仅充分利用了山体的破碎空间，还通过建筑将山体破裂处连接了起来，完善了交通系统，同时天井式设计具有良好的采光性，减少了因照明而造成的能源消耗。
(3)建立多层级的低碳交通网络。
在山地城市，可从道路交通、公共交通和慢行交通3个层级建立顺应山形地势的低碳交通网络(图7)。首先，山地城市的道路网需分级别适应地形。对于快速路网，需保证线型流畅及坡度平缓，将坡度控制在3％以内；对于主次干道，需结合地形，保证线型平直，将坡度控制在6％以内；对于支路系统，应依等高线而建，充分尊重地形，将坡度控制在安全范围内。其次，结合山地城市的路网条件和公共交通工具碳排放量与承载量，构建公共交通系统。在通常情况下，低碳公共交通规划提倡发展有轨电车和BRT，因为相较于地铁、公交车等工具而言，这两者的能源消耗低、工程耗时短、造价低。考虑到山地城市复杂的地形条件和短缺的土地资源，设计提出充分利用山地地势高差发展缆车交通，由于无须拆迁征地，不但减少了建设大规模道路基础设施的成本，而且碳排放量更是远低于BRT和轨道交通。同时，12～20公里/小时的运输速度和0.8万～1.5万人次/小时的客流承载量能够保证缆车交通的运输效率。最后，构建由生活步道、景观步道和自行车道组成的慢行交通系统。设计将城市各公共服务设施、居民区、商业区、公园等场所有机串联起来，同时与公共交通站点和停车场串联，打造适宜低碳出行的道路空间。此外，考虑到山地坡度与步行规律的关联性，一般认为平原地区的5分钟步行范围是半径为500 m的圆形区域，在山地地区的5分钟步行范围则根据坡度的大小呈现椭圆形区域，据此设计构建适合山地城市的椭圆形组团服务体系，以提高组团的服务均衡性和步行出行效率，有效缩短居民出行距离，引导居民选择低碳出行方式。
设计以自然碳汇涉及的水体和绿地作为适应性主体，双向协同利用山地城市的蓝绿空间，在保证碳汇总量和碳汇效率的同时营造城市景观风貌，构建休闲游憩体系(图8)。
(1)构建雨水收集与水循环系统，丰富城市水景观。
首先，设计利用山地地形高差将雨水进行汇集传输，经过区域降雨量计算和地表径流模拟(图9)，构建雨水收集与水循环系统(图10)。通过调节水渠和蓄水池，将雨水引向河流以增加河流水量，汲取的雨水在流入河流之前会经过多重水质净化，包括草坡、湿地和台地。草坡是汲水系统的一部分，遍布在城市运河旁和居民花园中，作用是对雨水进行初步净化；湿地的作用是对收集到的雨水进行二次净化，并输出中水；台地的作用是对中水进行三次净化，以增加水中的负氧离子，因为高负氧离子的水环境有利于增加生物多样性。此外，在居民区内设计海绵花园，通过各种过滤器及芦苇等植被的层层过滤，可净化居民排放的生活污水并达到污水处理厂净化的同等效果，节约了从居民区到污水处理厂的污水传输成本，净化后的水进入水传输系统一起排入河流。经计算，通过该系统进入河流的水流量一年内平均每天可达1800 m3，完全能实现大坝建设带来的水景观效果。
其次，设计提出两种水景观营造方案：一是对于片区中心的鸭塘河滨水公园，基于适应性原则，最大限度地保留其生态本底，结合草坡、湿地和台地，实现居民的近水、亲水和乐水，同时融合会展中心、露天剧场等功能性建筑，为居民提供良好的娱乐休憩场所；二是对于遍布于城市中的运河体系，其作为雨水汲取和运输系统的一部分，设计将运河与城市道路结合，融入城市景观当中，既能够增大城市的可见水面积，改善城市小气候，又可以降低景观建设成本和地下管网建设成本(图11)。
(2)优化绿地空间，建立可持续碳汇系统。
绿地空间是山地城市重要的碳汇资源，绿地空间设计既要顺应原始生态格局、保护绿色基底，又要与居民的行为和需求相协调，以保证城市碳汇的可持续性和高效性。在此次项目中，高山区和丘陵区有着丰富的森林资源，设计以生态保育为主，将少数区域开发为郊野公园。在设计范围西侧的缓坡区，由于城市开发造成土地失绿严重，设计在土地复绿的基础上，利用地形地势和原生态格局打造梯田都市农场，探索高效、持续、低耗的新型农业发展模式，从而保护土地、供给优质产品、减少运输成本，同时提升环境质量，促进社会稳定和劳动就业。在城市范围内，设计结合山水格局和居民需求完善公园绿地布局，如在居民区花园中建设20个特色景观花园，在湿地公园中营造不同层级的亲水空间，利用草坡空间打造大量街头绿地，从而提升城市空间的绿化率。
以过程碳源涉及的可再生能源和可持续森林为适应性主体，系统统筹融合山地城市的能源生产结构和能源消耗结构，通过对可再生能源、森林资源和生产生活能耗需求进行分析，构建能量循环系统，探寻自然能源利用方法，并引入可持续森林管理体系，以期降低不可再生能源消耗、提高能源利用效率并减少能源传输产生的碳排放(图12)。
(1)合理利用可再生能源，构建能量循环系统。
山地城市通常具有丰富而独特的可再生能源，对其可再生能源结构进行分析，并系统统筹融合于城市生产生活中，是提升能源利用效率、降低能耗的有效手段。基于此，设计首先对鸭塘片区的生活能源需求进行分析，发现片区在一年内有一半以上的时间对制冷的需求很大，但对取暖的需求有限，不需要专门的供暖设备，而是需要冷热交换设备，因此可建立一个热水循环系统。在这个循环系统中，有温度的水在混合住区中心循环，回收不同来源的热量，效率比太阳能热水器高两倍，比气体加热系统或辐射热系统高5倍。其次，凯里市的日照资源虽然有限，但是经过计算发现，高楼屋顶由太阳能光伏发电板覆盖，为通风、热泵和照明等电器提供能源，可以满足80％的家庭电力需求，故建议部分建筑采用太阳能发电。最后，建议采用木材和混凝土混合结构建筑，既可以满足承重和保温的需求，又可以减少建筑全生命周期的碳排放。
(2)建立可持续森林管理体系。
可持续森林管理要求每砍伐1棵树，需至少种下2棵树，同时要求在水道岸边划定保护区域，不能砍伐老树，枯木也需留在森林中，以确保木材存储量的增长。例如，从2013年开始，湖南开展了森林可持续经营项目，项目覆盖湖南11个县市区。项目实施至今，湖南新增森林资源面积为12464.60 hm2，林分质量得到改善的森林资源面积为5697.20 hm2，有效增强了项目区森林水源涵养、水土保持的能力并提高了碳储量。凯里市分跨两个植被地区和两个植被小区，森林资源丰富，经计算，如果凯里市的建造木材来自可持续森林，建筑碳排放可以减少40％。在此次设计中，根据建筑面积和建造木料计算得出，如果项目周期为3年，需划定可持续森林面积17 km2；如果项目周期为6年，需划定的可持续森林面积则减少一半(仅针对河两岸的项目中心部分，不考虑大型体育设施、商业设施和学校等)。
针对山地城市低碳设计理论研究不足和方法体系不完善的问题，本文探索了适应性理论指导下的山地城市低碳设计方法。首先，结合当下山地城市高碳发展困境，提出了针对山形地势、蓝绿空间和能源结构3个高碳环境要素的适应性设计模式，以山地城市设计要素为适应性主体，以高碳环境要素为适应性客体，建立了山地城市低碳适应性设计逻辑，以及山地城市减碳源、增碳汇的低碳设计目标与单向依循顺应、双向协同利用、系统统筹融合的适应性设计模式之间的有机联系。其次，结合贵州凯里市鸭塘片区的城市设计案例，构建了针对不同高碳环境要素的低碳适应性设计框架，并对具体的低碳适应性设计策略和内容进行了探讨。本文从适应性视角出发，打破了传统城市低碳建设中自上而下的“构建”思维，转向寻找一种“适应”过程中的设计规则，希望能为“双碳”目标下我国山地城市建设提供方法与路径参考。但是，由于凯里市鸭塘片区低碳适应性设计项目尚未落地，目前还无法准确验证其减碳效益。此外，关于如何建立低碳适应性评估指标，以及如何完善量化体系和提供制度保障，使本文所提方法在指导山地城市低碳建设中更具有普适性，还需要进一步深入研究。
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