垂直城市——未来的城市
城市的逐步升级方案与成本
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城市设计

垂直城市是体量巨大,结构复杂的建筑,能够容纳上百万人,数十万家庭,几百万个房间,几万个企事业单位。从技术上看,需要布设几万公里的给排水管道,几万至几十万公里的电力和宽带网络线路,几百万个无线网络接入点,还有对应的通风,照明,消防应急系统,自动物流配送系统,垂直及水平辅助交通系统,等等,非常复杂。

这样一个复杂的系统完全通过人工设计是不可能的,即使使用现在的计算机辅助软件(CAD)设计也不行。必须有更高层,功能更强大的辅助设计软件。或者将城市模块化,不需要一次完成所有细节的设计。

在现代工业中,超大规模集成电路芯片设计的复杂程度可以与垂直城市相比。这些芯片中有几十亿甚至更多个晶体管,需要完成的各项分功能也很多,综合在一起还要考虑设计验证,逻辑综合,等效性,统一时序,布线,物理散热,等等。手工一个一个布置晶体管,甚至一块一块的逻辑电路,都是不可能的。必须使用电路设计自动化(EDA)技术,在行为综合,算法综合,逻辑综合,电路布局等方面自动设计。通过多层次模拟和功能验证确定设计的有效性,再流片生产测试。

还有钢结构的设计。自动设计软件可以根据用户指定的结构形状和受力要求,以及可选择的原材料类型,自动划分钢结构网架,确定每个构件的几何尺寸、连接方式,甚至施工方案,然后通过自动生产设备加工出每一个部件,运输到现场由机器人自动安装。

垂直城市必须有类似的辅助设计软件,在很大程度上,结合工厂和建筑现场,可以完成自动设计,自动分析(功能模拟),自动加工,自动组装全周期的工作。城市设计人员需要做的工作是,根据城市所在地理位置,承担的主要功能,与其他城市的相互关系,设计城市的外形,城市内大功能区如住宅区、商业区、产业区、休闲区的划分,各自的容量,相互依赖关系等。软件将自动根据功能划分,优化地添加必要的设施。比如住宅区中,自动配置适当规模的中小学校,幼儿园,医疗点,公园,文化体育设施。商业区中,自动配置一定数目和布局的快餐店,盥洗室,物流中心。住宅、商业中心、办公区如果综合在一起配置,则需考虑隔音,垂直及水平方向步行距离优化,高净空(低承重)区与高承重区的结构负载均衡等。同时在基础设施层面,如水、电、网、通风、照明、自动物流通道等,统一优化安排。

这样可以大大减少设计工作量。通过模拟验证等手段,也可以大大减少设计失误。

在模块式城市设计中,可以参考现在传统城市的熟地模式。即政府或者基础设施开发商一次提供基础设施完善的一大块空间。

以大方块为例,考虑到城市的纵向空间分段,我们将400米高的城市分成20米高的20段。每段作为一个大层,一次建好所有的基础设施。纵向主电梯直接加接在下一层的上方,完全联通。两大层中间多留出一层服务层,或者叫基础设施层,用来安排上下水、动力电网、信息骨干网,甚至垃圾处理和废水处理等。大层提供20米净空的整100万平方米空间,由次级开发商开发。由于20米是几乎所有民用设施的最高净空,因此这一大层相当于一块目前意义的熟地。

按照现有标准,20米净空足够建设7层住宅,5层商业建筑,两层小公园和包括篮球场、羽毛球场、乒乓球场、儿童游乐场等文体设施,一层足球场、大型公园等。特殊情况下,更大的高度,如40米,也可以提供。

为了解决大层间和大层内的交通,次级开发商需要遵循一些规范,减少大层内的交通需求,缩短出行距离。比如保证大层中有一到两层空中无障碍通道,不需要经过“地面”。一定密度的大层内电梯,等。

渐进的发展方式

垂直城市的规模本身虽然很重要,但是刚开始的时候,不太可能直接建设很大的城市,因为各种技术尚未经过检验,风险大。所以开始的时候,主要是建立全封闭的生活环境,规模不要太大,可以找一些有特点的社区、单位、或者城镇进行尝试。

我们现在已经能够建设同时容纳数万人的摩天大楼。以目前最大面积建筑的规模为例,如果垂直城市为每个人提供一百平方米的生活空间,现在最大的建筑可以生活数万人。垂直城市的规模不宜太小,必须能够包括绝大多数人的日常活动地点。数百万平方米建筑使用的各种技术,以及市民对垂直城市的适应情况,可以在这些小的垂直城市中得到检验。

为了保证城市规模,模块式从下往上逐层建设模式是可行的。每一大层的基础设施独立完备,建成后直接容纳5万左右市民和配套生活办公空间。无缝式逐层往上,一直到设计的规模。

生活社区

刚开始的时候,可以直接以现在的摩天大楼为模板。但是不用盖很高,而是在横向盖大一些,多留公共空间和通道。除了住房,再建设配套的幼儿园、小学、中学、公园、医院、商业中心。这样除了上班之外,基本上不用出楼。

这种楼可以验证垂直城市需要的各种技术,只是规模小一些,也不包括主要的办公空间。功能上,这样一座楼可以代替现在的居住小区,但是比现在的小区功能更丰富,相当于居住小区、商业中心、中小学、医院、小公园、体育馆加在一起的一个综合体。

现在大城市中的大型商业中心已经比较大,提供的服务包括购物、饮食、娱乐休闲等。大型商业中心的体量在百万平方米量级,最大的已经达到四百万平方米(迪拜),离我们小型垂直城市两千万平方米的标准已经不太远。

大型单位

有些平常行动范围小,人员集中的单位,比如大学,也可以用一座大型建筑囊括。大学本来就是一个比较独立的小社会,人数一般有几万,面积数平方公里。每天的日常行动在教室或办公室,食堂,图书馆之间,经常也还需要到运动场或者体育馆锻炼。现在的大学中,由于平常行动的距离需要1公里左右,很多人都使用自行车。大学的相对人口密度大,自行车的密度也非常大,经常导致非机动人流拥堵。

跟机动车类似,大学中的自行车同样占用大量的空间。停靠的自行车需要占用2平方米路面或停车场,移动中的自行车需要更多的道路面积。

大学不需要是一座独立的建筑。一座垂直城市可以容纳多个大学和别的单位。

以北京大学为例。北京大学校本部占地约2平方公里,也就是200万平方米。所有办公楼、宿舍、教室的建筑面积加在一起,不到1.7平方公里(170万平方米),也就是北大的总建筑容积率约为0.85。若平均楼层数为4[1],那么170万平方米建筑约占用42万平方米地面面积,总的可利用面积为200-42+170=328万平方米。一般欧美大城市的道路加停车场面积,占市区面积的30%到60%不等,北大没有统计。但可以那么估算,扣除部分园林(20%左右,40万平方米),其它区域布局与城市相差无几,打个折扣算25%,那么机动车占用的地面面积约为200/4=50万平方米(实际上有部分路面是人与机动车共用的,但是人也好,机动车也好,都不希望发生这种情况)。还有一些空间,如路边的绿化带,建筑物墙根附近,都是不可利用的,应当扣除。这部分的总面积相当大,由于没有统计,可以少算一点,以10%计,即20万平方米。这样,在占用200万平方米地面面积的情况下,北京大学师生们可以利用的空间是328 – 40 – 50 – 10 = 228万平方米。当然,绿地、园林、湖面有观赏价值,全加上的话是268万平方米。

如果在我们的大方块垂直城市中安排北京大学(恐怕没有多少校友会同意),占用其中的5层,总高度为20米。如果每层都按办公室和宿舍配置,总共可用空间是500万平方米(4米净空)。

学校必须有较多的体育设施,而体育设施一般需要比较大的净空。现在北大体育场馆总建筑面积有78633.94平米,其中办公及教学用房2858.93平米,运动场地总使用面积71811平米,又分为室外场地(建筑)面积65247.79平米和室内场地使用面积6563.21平米。一般室内足球场的净高是15米左右,20米的净高(约7层住房高度)应该基本满足所有室外运动的高度需求了。如果我们拿出10万平方米全5层净空作为体育活动空间,其中8万平米20米净空,10000平米10米净空(篮球,排球,羽毛球等大多数活动都够了),10000平方米4米净空(办公,健身,器械等),那么总共会有8+1*2+1*4=14万平方米的可用空间,大约是现在的两倍。实际的使用效率应该还不止两倍,因为气候的原因,大面积的室外场地使用效率很低,而在垂直城市城市中,高净空场地可以在所有时段内使用。考虑开放空间照明的效率很低,甚至照明的费用都可能不会提高。现在大学的室外体育设施中,铺人工草皮的足球场的使用效率是最低的。因为草皮需要养护,使用频率高会破坏草皮。花钱多,而利用率非常低。垂直城市中的足球场没有阳光,完全采用人工照明,可以使用尼龙等材料制作的草皮,大大降低养护成本和提高使用效率。这种技术在发达国家的室内运动场已经普遍使用。室外不能使用化纤草皮的一个重要原因是,在阳光紫外线照射下,化纤材料容易分解老化。

除了体育设施,其实大学的所有空间都可以理解成办公室、宿舍,及少量商业空间(食堂,商店等)。商业办公一般需要较高的净空,比如4米,但普通办公及宿舍不到3米的净空就够了,我们可以选宽裕一点的3.3米,20米内可以安排6层。如果商业设施、以及部分实验室、会议室、教室使用较高的4米净空,安排10万平方米*5层=50万平方米。这已经远远超过现在的面积。剩下还有80万*6层=480万平方米的可用空间,拿出三分之一作为公用通道,小公园,电梯等附属设施空间,还有320万平方米,加上50万平方米高净空空间,超过现有170万平方米总建筑面积的两倍。

总的可利用空间折算成平方米是480+50+14=544万平方米,大于现在包括绿地、园林在内的总使用空间268万平方米的两倍。几乎所有的空间资源都增加了一倍。

与现在的校园占用的200万平方米土地相比,新的北京大学占用的土地资源是100万平方米/20=5万平方米,因为我们只用了100层中的5层。而可以利用的空间资源增加了一倍有余。除此之外,还有下面一些好处:1、校园完全没有机动车,也完全不需要自行车。任意两点间的距离平均缩短为670米。如果根据普通学生三点一线的规律安排,适当配置教室、食堂、及宿舍的位置和数目,并加宽通道,可以消除拥堵的情况,距离还可以缩短。对于一个拥挤的校园,自行车占用的空间资源非常多。甚至每年学生毕业留下的废旧自行车都是一个大问题。如果完全不用自行车,校园环境会改善很多。2、几乎完全可以不使用电梯,完全随机的话,每次出行上下楼层平均仅为两层。如果每层配置食堂,按照同层原则安排院系,那么可以很少需要上下楼。而二维校园由于交通集中在地面,一次活动上下楼层平均为4到5层。比如我的办公室在4楼,上课的教室也在4楼,我需要下三层,再上三层才能到达教室,回来还要重复一次,而在垂直城市的校园中,我完全不需要上下楼。3、由于通道数目大量增加,而且没有瓶颈(红路灯路口等),校园里的普通出行要方便快捷得多,也不会出现拥堵和冲突。出于安全的考虑,即使在学校内部,每个单位,每座办公楼或教学楼都只有一两个出口,这样在上下课或就餐高峰,人流非常集中。垂直城市的安全是内在的(无处不在的监控),不需要有这样的安全措施,既减少了人流的拥堵,也缩短了每个人的出行距离。4、宿舍和办公空间的成倍增加,意味着每个学生都可以有自己的房间。5、教师都可以住在学校,不需要每天上下班奔波。6、当然,没有坏天气,每天都可以锻炼,出门不用换衣服,不用担心安全问题,这些都是垂直城市内在的特征。

还有一些庞大的政府机关,特别是一些本来就有保密性质的单位。封闭的环境除了生活舒适、节能之外,也便于管理。比如美国的国防部五角大楼,中央情报局等,本身就是一座庞大的建筑(但是周边是停车场和道路,单以占地面积计,停车场和道路的面积比大楼办公面积大多了)。

小城镇

还可以考虑规模小一些的城镇。

发达地区的小城镇有资金,有专业人才,也有土地可以开发。垂直城市的主要优点是生活舒适安全,减少不必要的时间精力支出,提供的生活水平高于个人住宅,而且不受气候季节影响。这种生活对富裕地区的人们应该有吸引力。

正是因为垂直城市良好的人工环境,对于很多在地理气候条件恶劣的地区生活的人们,比如西部常有大风沙,北部很长的时间内寒冷刺骨,东部很多地区夏天闷热潮湿,高原地区寒冷并且阳光刺目,风调雨顺的平原地区有可能是飓风的肆虐区域,等等,垂直城市都是一种好的选择。这些城市不太大,大约生活数万人,需要数几百万平方米的城市空间,如果开始不考虑盖很高,大约需要几百亩土地,能够节约几万亩原来的城市建设用地。

在自然条件恶劣的地区,正因为条件的恶劣,经济发展有很大的困难。人们不得不花大量人力物力对付恶劣的自然条件。垂直城市能够将任何地区改造成人类生活天堂。

垂直城市体积很大,内部环境完全独立,水资源完全依靠自身循环,或者少量取自外部。如果应用防震技术,垂直城市对地理位置和自然条件都不敏感,可以在自然生态条件恶劣的地区如荒漠、山地等地建设。这样可以节约宝贵的生态环境用地、工农业用地。

其实规模稍小的类似建筑已经大量存在,很多购物中心、商务中心、交通枢纽、大型文化设施、大型酒店,都是封闭的人造空间。所以可以说造小型垂直城市的技术已经完全成熟了,需要的只是规划和投资。

中国的东部经济比较发达,但是气候条件并不好。冬天阴冷,夏天炎热高温,春天梅雨连绵。2013年夏天,长江中下游发生了长达一个多月的高温,多地气温连续多日超过40℃,最高达44.1℃,最低气温也连续超过30℃,不但严重影响人们的日常生活,也造成农作物大面积枯萎。这些地区有能力也有必要建设垂直城市。

大城市的逐步升级方案

大城市的三维化要麻烦一些,主要是现有土地使用已经非常紧张,原有楼宇的投资很大,拆迁困难。

大城市的三维化,可以从老旧城区改造,或者新小区建设等方面着手。

现有的生活小区,以同样的占地面积,建成封闭的垂直城市,可以容纳更多的人,提供更舒适的生活空间,节约能源,减少外出。即使按照现有的商业运营模式,也是可操作、并且有利可图的。需要的只是修改现有的建筑规范,改进关于容积率、绿化率、商业用途、住宅用途等方面的规定,法律上允许修建功能齐全的垂直城市。

这种三维小区规模不宜太小,即使开始的时候,也应该能容纳5万到10万人。我们前面说过垂直城市设计为:所有的部分,包括建筑结构,都可以从内部维修更新。垂直城市一旦建成,基本上是永久的,不太可能大规模拆除。小区规模过小意味着全城需要很多的小区,这样整个城市范围内交通节点太多,影响小区间公共交通的效率。因此在开发三维小区的时候,规模应当适度超前。

纵向模块式设计的垂直城市,开始的投入要大一些,因为基础部分的规模比较大。如果我们把这部分叫做城市基础,那么城市基础的建设可以在经济低迷的时候用来调节经济周期。

按照现在的小区开发模式,只需要土地区块略微大一些。目前城市小区,使用土地大概在数百亩到数千亩。1平方公里等于1500亩,所以稍微大一些的商业或者住宅小区用地,就可以建设三维小区。如果以非常宽裕的标准建设一个容纳5万人的生活小区,每人平均空间200平方米,总共需要1000万平方米建筑面积,是我们上面提到大方块的十分之一。这样一个小区可以在300亩的土地上盖200米高(50层)的垂直城市实现,如果以现在传统城市的空间标准,每个人100平方米,可以盖到100米,25层。300亩等于0.2平方公里,可以是长500米,宽400米的地块,基本上是现在城市小区的典型大小,但一般的新建小区可能要大一些。

在垂直城市大量修建之前,刚修好的三维小区中,大部分人仍然需要到外面去上班,由于教育资源、学校好坏的原因,很多孩子也还需要出去上学,因此除了商业购物、休闲、运动基本不用出楼之外,还是有很多的外部交通,有很多私家车,需要很大的停车场。同时,由于人口密度大的原因,周边交通的压力仍然会比较大。特别是在城市建设,以及人口开始迁入的过程中,由于材料运输,搬家等的流量非常大,都会造成周边拥堵。即使入住基本结束,在城市投入使用的早期,搬入的居民仍然有很大的外部交通量,因为单位和学校都在外面。但是随着三维小区的逐渐成熟,除了部分外部上班上学之外,普通的日常活动不用出楼,才可以大幅减少外部交通量。

垂直城市化也许要经过50年到100年的时间。目前中国的建筑物设计寿命为5060年,但实际平均使用寿命仅为30年。也就说,住宅小区经过30年到50年时间就应该改造。如果提前规划,按照稍微超前的垂直城市方案设计新的生活小区,以及全市的长期改造升级规划,那么可以加速垂直城市时代的到来。

改革开放后30年内修建的各种小区,基本都是混凝土建筑,再过几十年(建筑寿命最多70年),都需要推翻重建。如果采用现有的城市建设规范,受容积率限制,小区改造后不可能提供更多的使用空间。这样,小区改造的巨大人力物力投入,完全不能产生价值。只是旧房子变成了新房子。从住户看,房子要拆迁,拆迁款不能改善住房条件,只是白搬一次家,多装修一次房子。从开发商看,拆了多少房,只能再盖同样多的房子,售房价格原则上不会比拆迁高多少,整个工程不可能盈利。因此,现行的旧城区改造模式,在几十年后,完全不适用于近期新建住宅小区,包括商业物业,的改造。但如果改造成垂直城市,提供的生活空间可以多出几十倍,在降低大幅降低房价的基础上,工程仍然有利可图。因此,下一步的城市改造必然三维化。

现在很多城市内的很多老旧小区无法改造,就是上面说的原因。这些小区多建于上世纪七八十年代,楼房密度高,居住条件差,楼体已经破旧,房屋使用寿命已经达到或者快要达到,但是却因为经济上不合算,无法改造。

大规模安置成本

前面说到,小型或者微型的垂直城市建设已经没有技术困难,而且在世界范围内,这类建筑已经大量存在了。但是我们没有强调的是,这些建筑一般是高档住宅、高档商业区、高档酒店、高档文化设施。造价远高于普通建筑。以普通住房为例,2012年全国建筑安装造价不到2000元,一般的高档商业物业也不过50006000元,而我们在前面列举的那些大楼每平方米造价高达数万元。

这里面有一个原因是,综合的高档大楼一般有很大的空间,地板面积相对小很多,这样平均到以地板面积为计数单位的建筑面积上,造价就非常高。垂直城市有住宅区,商业区和公共空间。住宅和商业区的空间利用率高,地板密度要高很多(也就是空间狭小),而我们前面统计地板面积的时候,是按照每层的总面积统计的,因此造价应该更靠近普通住宅或办公楼。如果按照普通办公楼的建筑成本计算,那么每平方米大约是5000元左右。

每平方米5000元的造价,已经比我们现在的摩天大楼造价低很多了,但是5000亿元建一座城市仍然是一个非常大的投资。如果认为一个人100平方米的空间够用的话,那么安置一个人的成本就是50万元。居住,休闲,办公用空间等加在一起达到每个人200平米,应当相当宽裕了,这时候安置一个人的成本是100万元。比照现在一线城市如北京,上海等地的房价,这不是一个很大的数字。因为垂直城市对地理位置不敏感,城市自身环境独立。开始就可以把城市建在比较偏僻的地方,以避开困扰现在城市建设的拆迁问题。如果结合未来的小区改造,则可以平稳地实现城市三维化。

各种地标性建筑造价高昂,一个重要原因就是它们的“地标”属性。通常它们代表最高端的追求。用最新的技术,最好的材料,最奢华的装饰,处在最繁华的地段,设计建造周期也很长,这些都会使造价大幅攀升。垂直城市主要强调功能,环保,实用,使用大众化的材料,可以大幅降低成本。

垂直城市从小到大,建设越来越多之后,各种技术逐渐成熟,生产效率提高,常用材料、设备生产及工程施工“白菜化”,成本会进一步降低。这是产业发展的自然过程。

虽然与传统城市相比,垂直城市看起来需要更多的材料,但是考虑垂直城市整体运作效率高,很多传统城市必须的基础设施,如公路系统、下水道系统等,在垂直城市里面不需要建设了,因此会节约大量的建筑材料。建设同样数量使用空间的传统城市和垂直城市相比,垂直城市表面积小,没有很多外立面,内部可以用轻材料隔断,不需要考虑保暖承重以及纵向建筑刚度,也会节约大量材料。

建筑材料使用减少了,城市的重量也会下降,这样有助于城市的结构安全,并进一步节约材料。

投资模式

垂直城市最终的建设目的,必然是完全替代原来的城市,但是一次投入非常大,要全面展开建设很难,只能渐进实现。

即使规模比较小的三维小区或者小城镇,也需要总额很大的投资。目前房地产开发商的物业(楼盘)开发规模,一般能达到几十亿到上百亿的资金量。前面提到的5万人三维小区需要250亿到500亿的投资规模,超过了一般物业投资能力。但是项目可不可以投资,不是看有没有那么多钱,而是看投资有没有收益,能不能挣钱。我们可以计算一下,这一假想项目的投资前景。

保守一些,按照现有人均占有综合空间的数字,每人100平方米,也是就是上面250亿的方案。这座楼有500万平方米的高净空建筑面积。假定其中住宅、公共空间、商业及办公用途各占三分之一,那么大约各有170万平方米的住宅和商业办公空间,如果按照每平方米2万的住房价格计算,该三维小区的住宅物业就可以卖到340亿元,商业办公应该也有差不多的收益,所以整个项目按照市场价收益是非常高的。即使考虑财务费用、施工周期等因素,项目仍然收益可观。

单纯从财务上看,该项目收益非常高的一个原因,是土地相对成本很低。按照现在的建筑规范,普通多层住宅小区的容积率只能略大于1,也就是说一平方米的土地只能盖1平方米的房子,而目前一线城市的土地价格很高,每平米要数万元,这样房价就非常高了。这一假想三维小区的容积率,简单计算是25,相当于每平米地价只有1000元左右,只有普通多层住宅小区的几十分之一。其实这正是垂直城市的主要优点之一,土地利用效率大大提高了。现在一线城市的物业开发,土地成本占绝对大头。

我们现在能看到的,类似垂直城市雏形的项目,由于生活条件优越,不受季节影响,都属于高档物业。高档物业的建筑安装和装修的成本会提高不少。由于三维小区项目投资巨大,开发商有理由,也有动力,把项目包装为高档项目,这样会提高建筑的成本,但不会特别大。该三维小区的所有成本可以控制在400亿元人民币以内。

那么,一百多万平方米的住宅和商业办公用房,是一个很大的供应量,市场能不能容纳呢?如果能够以比较便宜的价格(一线城市2万每平方米左右),买到一套不需要空调,不需要取暖,孩子上学,老人看病,锻炼身体日常购物和休闲不用出门,没有空气污染,空气质量总是优,没有风没有雨,没有蚊子苍蝇,没有小偷,安全有保障的房子,消费者愿意不愿意呢?只要技术和管理过硬,这类物业一定会有强大的竞争力。不仅如此,三维小区还能对传统物业产生强大的压力,最终促进传统城市向垂直城市转变。

上面的计算有些粗略,考虑影响房价最大的因素是土地价格,而三维小区将土地价格降到了几乎可以忽略不计的程度,建筑安装、内部装修、各种城市基础设施等,平均到每平方米也不会太高。如果5000元每平方米是一个合理的价格,那么除掉三分之一的公共空间,住宅和商用办公用房的成本只有7500元每平米,加上合理的利润,垂直城市物业的市场价格可以在1万元上下,这在目前的中国,几乎所有地区都可以接受。

由于垂直城市的成本来源只是施工、各种原材料、各种设备、以及财务管理等,规模更大不会导致平均成本上升,而是应该略有下降。这些成本的地域差别也不太大,所以上面的估算,基本上可以适用于各种规模,和所有地方的垂直城市,误差不会很大。



[1]北京大学的建筑楼层普遍偏低,因为北大处于周边建筑高度控制的圆明园南面。办公及科研楼普遍为24层,6层以上很少,提供的楼面空间占比例非常小。尤其是未名湖及周边地区,办公楼为12层为主。新盖的23层办公楼还有一层是地下停车场。学生宿舍普遍为46层。


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