密集的市中心和分散化的郊區(qū)：城市可持續(xù)發(fā)展的初探研究

安東尼?伍德 | Antony Wood執(zhí)行理事長 | Executive Director世界高層建筑與都市人居學(xué)會 Council on Tall Buildings and Urban Habitat

研究教授 | Research Professor

伊利諾伊理工大學(xué) | Illinois Institute of Technology

高層建筑方向訪問教授 | Visiting Professor of Tall Buildings同濟大學(xué) | Tongji University

芝加哥，美國 | Chicago, USA

安東尼?伍德博士，自2006年起就任世界高層建筑與都市人居學(xué)會執(zhí)行理事長，負(fù)責(zé)學(xué)會的日常運作，學(xué)會總部位于芝加哥。安東尼博士也是伊利諾伊理工大學(xué)建筑學(xué)院建筑研究教授，并負(fù)責(zé)管理多個高層建筑設(shè)計課程。其專業(yè)領(lǐng)域是高層建筑設(shè)計，尤其是高層建筑的可持續(xù)設(shè)計。到芝加哥前，他曾在香港、曼谷、雅加達(dá)、吉隆坡和倫敦等地任建筑師，他的博士論文從多個學(xué)科的角度探討了摩天大樓之間的空中廊橋連接問題。

Dr. Antony Wood has been Executive Director of the Council on Tall Buildings and Urban Habitat since 2006, responsible for the day-to-day running of the Council. Based in Chicago, Antony is also a Research Professor in the College of Architecture at the Illinois Institute of Technology, where he convenes various tall building design studios. His field of speciality is the design, and in particular the sustainable design, of tall buildings. Prior to moving to Chicago, he worked as an architect in Hong Kong, Bangkok, Jakarta, Kuala Lumpur and London. His PhD explored the multi-disciplinary aspects of skybridge connections between tall buildings.

Peng Du |杜鵬學(xué)術(shù)協(xié)調(diào)人 | Academic Coordinator世界高層建筑與都市人居學(xué)會 Council on Tall Buildings and Urban Habitat

訪問助理教授 | Visiting Assistant Professor

伊利諾伊理工大學(xué) | Illinois Institute of Technology

芝加哥，美國 | Chicago, USA

杜鵬博士現(xiàn)任CTBUH學(xué)術(shù)協(xié)調(diào)人和伊利諾伊理工大學(xué)建筑學(xué)院訪問助理教授。他參與過許多與高層建筑和可持續(xù)城市相關(guān)的設(shè)計課程及研討課的教學(xué)和協(xié)調(diào)工作，同時他還一直發(fā)展研究課題申報方案并承擔(dān)正在進行中的研究課題。杜博士還擔(dān)任過多個CTBUH全球設(shè)計與研究基金競賽的評委，同時還擔(dān)任多個高水準(zhǔn)SCI檢索研究期刊的同行評審員，其中包括：《Energies》、《Sustainability》和《Buildings》等。

Dr. Peng Du is currently Academic Coordinator at CTBUH, and Visiting Assistant Professor in the College of Architecture, IIT. He has been involved in teaching and coordinating numerous design studios and seminars on tall buildings and sustainable cities, as well as developing proposed/on-going research projects. Dr. Du has been also serving on the jury of the CTBUH international design and research funding competitions and peer-reviewer of multiple high-quality SCI indexing research journals, such as Energies, Sustainability, Buildings, etc.

| Abstract

本論文呈現(xiàn)的研究初步成果來自于CTBUH資助的開拓性研究項目，該項目為期兩年，基于大量的芝加哥市中心的高層住宅及相對應(yīng)數(shù)量的芝加哥郊區(qū)橡樹公園的低層住宅，通過采集能源賬單和其它真實數(shù)據(jù)，研究人們?nèi)粘Ｉ钪姓鎸嵉奈镔|(zhì)環(huán)境和社交活動的可持續(xù)性發(fā)展。這項研究是開拓性的，因為到目前為止，相似的研究都是基于整個城市能源使用量、大規(guī)模交通模式的擁有超大數(shù)據(jù)集的廣義數(shù)據(jù)，因而容易忽略重要的微觀差別。本研究把真實數(shù)據(jù)的質(zhì)量放在第一位，質(zhì)量優(yōu)先于數(shù)量（本研究所調(diào)查的高層住宅組和低層住宅組各有250個左右的案例）。在城市和郊區(qū)兩組的案例中，綜合評定了下列參數(shù)：(i)家庭運行能源消耗(ii)住房內(nèi)含能源(iii)家庭用水消耗(iv)通勤交通活動(v)城市的/郊區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，以及(vi)生活質(zhì)量。這項開創(chuàng)性的完整研究成果將在2017年出版的《CTBUH研究報告》中呈現(xiàn)。本文的內(nèi)容是介紹這項研究的初步成果（目前未經(jīng)驗證）、研究過程中需要考慮的限制條件以及這項初探研究未來的發(fā)展計劃。

可持續(xù)發(fā)展, 能源, 基礎(chǔ)設(shè)施, 密度, 高層建筑

研究背景：城市化和城市密度的論述

聯(lián)合國統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，城市化使得每天有將近18.7萬的新增城市人口1，在未來35年里還會增加24億?？紤]到地球上人口數(shù)日益增多，這些新增城市人口是一個亟需解決的重要問題。過去的十年里，人們普遍相信每周新增1百萬的城市人口居住在密集的城市中心，比居住在不斷蔓延的低密度郊區(qū)更加可持續(xù)化。在高密度城市中人口集中——分享土地，空間，基礎(chǔ)設(shè)施，公共設(shè)施——比水平擴散的城市能源使用效率更高，后者在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市通勤上需要使用更多的土地，需要消耗更多能源（造成更多污染）。因此人們廣泛認(rèn)為，“垂直城市”比“分散的水平城市”更加可持續(xù)化，這個概念毫無疑問是過去二十年全球高層建筑建設(shè)熱潮中的重要推手，尤其是在發(fā)展中國家（圖1）。

盡管在全世界范圍內(nèi)，關(guān)于可持續(xù)發(fā)展上“高密度”優(yōu)于“分散化”的信條驅(qū)動了很多城市的發(fā)展，但是該理論卻罕有微觀層面定量數(shù)據(jù)的支持。迄今為止的研究大部分是定性分析，基于整個城市能源使用量、大規(guī)模交通模式的擁有超大數(shù)據(jù)集的廣義數(shù)據(jù)。一些研究案例還在引用幾十年前的成果。比如，Newman和Kenworthy在1989年通過研究32個城市總結(jié)出城市發(fā)展密度和石油消耗量之間有強烈的聯(lián)系（Newman和Kenworthy，1989）（圖2）。盡管已經(jīng)過去27年，這份研究至今仍常常被引用。另外，在比較高密度城市和分散式郊區(qū)的生活時，很少研究課題會考慮“生活品質(zhì)”這個參數(shù)。

研究對象和方法

這是本研究項目的關(guān)鍵點。基本目標(biāo)是定量調(diào)查以及比較高層城市住宅和低層郊區(qū)住宅案例中居民日常生活的可持續(xù)度的六項參數(shù)：(i)家庭運行能源消耗，(ii)住宅內(nèi)含能源，(iii)家庭用水消耗，(iv)通勤交通活動，(v)城市的/郊區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，以及(vi)生活質(zhì)量。圖3顯示了研究中包含的影響可持續(xù)度的要素的分析框架。

這種做法盡管需要參考大量已經(jīng)發(fā)表的研究成果，但更重要的是盡可能通過取得的家庭運行能源賬單和用水賬單得出真實的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過出行模式追蹤交通出行活動，通過房屋施工建設(shè)的類型估算房屋內(nèi)含能源，通過調(diào)查找出居民對生活的滿意程度以及社區(qū)歸屬感。

主要的調(diào)查途徑是在線問卷，要求參與者輸入一系列數(shù)據(jù)，包括能源賬單。盡管完成這份問卷需要花費一個多小時，我們?nèi)匀粡?500份被調(diào)查者手里收到了500份問卷。

研究案例的選擇：芝加哥

美國的人口同時經(jīng)歷著城市化和郊區(qū)化。大城市的人口數(shù)量相對于總?cè)丝跀?shù)的比例從1970年的69%，增長到了2000年的80%（Hobbs和Stoops，2002）。但大城市都會區(qū)的人口卻在持續(xù)地向郊區(qū)轉(zhuǎn)移。從1970年到2000年，全美國的郊區(qū)人口幾乎翻了一倍，從5270萬人增長到1.13億人（伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校，2001）。

這種現(xiàn)象在伊利諾伊州的芝加哥市特別顯著，整個20世紀(jì)里，芝加哥市大量人口從市區(qū)遷移到郊區(qū)（圖4）。芝加哥的城市人口（不包括城郊區(qū)域）在1950年達(dá)到峰值的360萬人，其中70%居住在大都會區(qū)。到了2000年，人口總數(shù)為290萬人，其中只有36%生活在大都會區(qū)（伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校，2001），64%人口散布在郊區(qū)。事實上，芝加哥的郊區(qū)擴散化現(xiàn)象比想象中還要嚴(yán)重。2014年美國精明增長聯(lián)盟（SGA）公布了一份報告，分析了221個人口超過20萬的美國大都市統(tǒng)計區(qū)（MSAs）和行政地區(qū)，把這些城市依據(jù)以下四個因素按照“最密集”和“最松散”來排序：發(fā)展的密度，土地使用混合度，活動中心以及街區(qū)可達(dá)性。按密度由高到低排列，芝加哥大都會區(qū)（伊州的 芝加哥、喬利埃特、內(nèi)珀維爾）在221個密度最高的城鎮(zhèn)中排在第26位，甚至排在人們普遍認(rèn)為最松散的城市之一洛杉磯的后面（SGA，2014）。

因此，說到研究密集城市和擴散化城市可持續(xù)度的課題，芝加哥是非常好的研究對象。它是高層建筑的誕生地，在過去的一個多世紀(jì)也是高層建筑最蓬勃的實驗場，另外芝加哥有著同大多數(shù)美國城市一樣至今仍在擴展的郊區(qū)。但是，同世界上很多其他城市一樣，過去的十幾二十年，它同時經(jīng)歷著郊區(qū)化和市中心高密度化，現(xiàn)在越來越多的人們重新燃起在布滿高樓的城市中生活的意愿。

本研究選取的兩組研究案例位于芝加哥的兩個區(qū)域：第一組的市中心高層案例是芝加哥市區(qū)的4棟住宅塔樓，第二組的郊區(qū)低層案例是位于橡樹園的低層住宅。兩者相對地理位置以及相互連接的交通系統(tǒng)如圖表6所示。

第一組研究對象：芝加哥中心區(qū)的高層住宅樓

所有中心區(qū)的四座高層住宅樓坐落在相對高密度的城市區(qū)域，有多種公共交通可以到達(dá)。水紋大廈位于芝加哥洛普區(qū)的邊緣（人口密度約7200人/平方公里），位于千禧公園附近的Legacy大廈也在洛普區(qū)，聯(lián)邦廣場（包含兩座塔樓）位于洛普區(qū)北邊8公里處的湖景區(qū)的邊緣（人口密度約12000人/平方公里）（美國人口普查局，CTBUH）。選擇這四棟高樓的主要原因是它們位置獨特，而且研究團隊與這四棟大樓的業(yè)主/管理運營方關(guān)系較好，這樣能夠獲得較多的問卷反饋。選擇多棟不同種類不同位置的大樓，可以比較高層住宅案例組內(nèi)部的不同，也可以與低層郊區(qū)住宅案例組比較。

圖1：自1968年以來每年完成的200m、300m和600m高度的高層建筑數(shù)量（以及現(xiàn)有高層建筑的總數(shù)）。截止2016年1月，過去十至二十年間前所未有的高層建筑建設(shè)增長，其驅(qū)動力很大程度是人口增長和城市化，以及堅信高密度的高層建筑比分散化的低層建筑在更加可持續(xù)化的觀念。(來源：世界高層建筑與都市人居學(xué)會)

第二組研究對象：橡樹園

橡樹園，有52,287位居民居住在內(nèi)（人口密度約4262人/平方公里），距離芝加哥市區(qū)14公里，是本研究的郊區(qū)低層住宅案例組（來源：美國社區(qū)調(diào)查，美國人口普查局）。橡樹園由獨棟住宅和公寓式住宅兩類混合組成，社區(qū)內(nèi)有良好的步行環(huán)境，并且還有芝加哥大區(qū)的公共交通系統(tǒng)（特別是大型交通工具CTA綠線和藍(lán)線，以及主要地鐵線）。

選擇橡樹園這個案例，可能會讓那些熟悉芝加哥城市板塊的人感到驚訝，因為橡樹園在眾多方面被認(rèn)為是一個“可持續(xù)社區(qū)”，特別是同那些更偏遠(yuǎn)的郊區(qū)比如Aurora和Naperville比較而言，如果選用Aurora和Naperville會在交通工具能源的能源消耗和配套基礎(chǔ)設(shè)施上與市中心高層住宅案例組有顯著不同。但是，該研究一個很大的目標(biāo)是要對全球多數(shù)城市適用，因此選用“最佳案例”對比“最差案例”并沒有什么意義。考慮到美國是一個能源揮霍大國，橡樹園這個區(qū)塊作為案例，它的能源消耗類似于歐洲和亞洲的情況，郊區(qū)都有良好的公共交通和配套設(shè)施。

選擇橡樹園作為“郊區(qū)低層住宅”案例還有另外一個重要原因，研究組中的一位成員以及本文的作者均居住在橡樹園。如前文所述，研究的目標(biāo)是要獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，不僅僅是數(shù)量多而已。因此選擇一個有緊密人脈關(guān)系的區(qū)域是很有優(yōu)勢的，對研究項目一定有積極影響。在居住區(qū)和學(xué)區(qū)中，可以利用人際關(guān)系來鼓勵朋友或鄰居參與到研究中，也便于獲得橡樹園管理人員的幫助（市政當(dāng)局）。在郊區(qū)低層住宅案例組的研究中，我們接觸了565戶居民中，有273戶居民完成了調(diào)查問卷（反饋率48%）。

調(diào)查反饋/相關(guān)利益者參與/家庭人口結(jié)構(gòu)

我們一共發(fā)出了1561份問卷，盡管完成所有問題需要一個多小時，高層建筑組和低層建筑組仍共有522份問卷反饋到研究者手上，其中235份問卷反饋是包含完整數(shù)據(jù) 的（見圖4）。反饋率分別為低層建筑組48%，高層建筑組25%，平均值33%。與許多已發(fā)表的研究相比，本研究有很高的反饋率，尤其是考慮到問卷的復(fù)雜程度、投入的時間后更是如此，此外我們還收集了供能供水賬單以及高度個人化的信息，也增加了問卷回收難度。正如前文提到的，高反饋率部分得益于和市政當(dāng)局以及所研究建筑的業(yè)主/開發(fā)商/建筑師的良好關(guān)系，還有研究團隊與當(dāng)?shù)鼐用竦牧己藐P(guān)系。

盡管高層建筑組的反饋率低于低層建筑組，但是兩組的反饋數(shù)量是比較接近的（市中心高層建筑組=249；郊區(qū)低層建筑組=273），得益于研究開始時選定的樣本規(guī)模。從上文的結(jié)果可以看出，高層住宅組和低層住宅組的許多人口學(xué)數(shù)據(jù)是比較接近的（性別，種族，房屋所有權(quán)等等）。差異最大的數(shù)據(jù)是戶均退休人員的占比（市中心20%，郊區(qū)6%），戶均小孩/學(xué)生數(shù)占比（市中心9%，郊區(qū)40%），居住者平均年齡（市中心51歲，郊區(qū)32歲），戶均收入（中心區(qū)23.2萬美元，郊區(qū)18.2萬美元），以及戶均人口（市中心每戶平均1.9人，郊區(qū)平均每戶3.3人）。

圖2：城市密度和汽油使用。(來源：Newman和Kenworthy，1989)a

圖3：研究包含的各個要素組成的分析框架。(來源：作者)

推演這些數(shù)據(jù)，我們可以得到的結(jié)論是這些因素可能都是相互關(guān)聯(lián)的。高層住宅的居民是年齡較大的人群，退休率更高，小孩撫養(yǎng)壓力更低，可支配收入額更高[2]。這些數(shù)據(jù)確認(rèn)了大多數(shù)美國城市中流傳的一個說法，即市中心高層住宅主要是“空巢家庭”居住，與此同時橡樹園這樣的郊區(qū)低層住宅主要是年輕家庭居住。參與本研究的橡樹園家庭中有273個18歲以下的孩子，大約是家庭成員總數(shù)的38%，而市中心高層住宅這一組中只有16個小孩，大約占家庭成員總數(shù)的6%。

家庭成員數(shù)目對本研究的其他很多部分有影響，因為很多數(shù)據(jù)最后會按每一戶，每一人，每一平方米來取單位值。在市中心高層案例組中戶均人數(shù)是1.9人，幾乎是橡樹園中戶均人數(shù)3.3人的一半。我們從表格中可以看出，這一差別影響了平均住宅建筑面積和平均汽車保有量。如大家普遍理解的那樣，戶均建筑面積上郊區(qū)住宅組比高層住宅組多出53%（226m2對應(yīng)147m2），當(dāng)每一戶中的人數(shù)考慮進來以后，郊區(qū)住宅組對比高層住宅組反而有更高的居住效率，郊區(qū)住宅人均居住面積是68.6m2，高層住宅組的人均居住面積是77.4m2。汽車保有量也有相似的情況，郊區(qū)住宅組戶均汽車保有量是1.8輛，高層住宅組是1.2輛，但是按人均來計算，郊區(qū)住宅組只有0.5輛，高層住宅組有0.6輛。

必須要說明的是，本研究中的人口學(xué)數(shù)據(jù)顯示出一定的傾向性，高層住宅組中主要是富裕的白人退休老年夫妻和老年獨居者，而郊區(qū)住宅組中主要是富裕的白人大家庭，這一點是本研究的局限處。在本文的研究限制與未來研究的章節(jié)有深入探討。同時應(yīng)該注意到另一個影響研究的因素是，老年人可能更愿意回答調(diào)查問卷，因為總的來說老年人有更多時間參與到這項耗時的調(diào)查中。高層建筑組中的年輕人們，常常忙著工作和生活，很難有效地參與到研究中。

家庭運營的末端能耗

該類別包括用于空間加熱與冷卻系統(tǒng)，熱水加熱，照明，烹飪，電器/設(shè)備運營，以及所有其他形式的家庭中使用的末端能源[3]。通過收集和分析12個月期間的實際能源賬單（例如電、氣、高層大廈冷凍水[4]系統(tǒng)的賬單），我們匯總數(shù)據(jù)并將其單位轉(zhuǎn)化為兆焦耳（MJ）/年[5]。在高層大廈中，像大堂、走廊、電梯、機電設(shè)備服務(wù)中心等公共區(qū)域和設(shè)施用電都需要被考慮在內(nèi)，大廈內(nèi)每個住戶依據(jù)其單位面積占總建筑面積的比例，被分配相應(yīng)的份額。相對于個別單元業(yè)主，建筑管理所提供的能源種類和支付形式，在不同的高層環(huán)境中也有所不同。注：由于無法獲取水紋大廈的建筑能源賬單，所以，我們省略了這一部分的案例研究。

能源審計的研究結(jié)果也許有點令人驚訝，因為每平方米的總能耗在高層建筑和低層建筑這兩種情況下大同小異（分別為1258和1202 GJ每年，因此實際在高層建筑中要高出5%）。郊區(qū)住宅的總面積越大，意味著在低層建筑中每個住戶的能源消耗越大，但相反，家庭中居住的人數(shù)越多，意味著在低層建筑中每個人的能源消耗越少。

這個結(jié)果或許令人驚訝，當(dāng)前人們可能會覺得，單戶郊區(qū)住宅，特別是這個研究項目所主要包括的更舊的住宅類型，不僅寬闊，奢華地占據(jù)了大量空間，還存在更多的能源浪費，尤其是表面面積與地板面積比例過高會導(dǎo)致更大的潛在的熱損失/增益，而現(xiàn)代的高層建筑有更多的節(jié)能建造和建筑服務(wù)，并且表面面積與地板面積較低，以及住宅單位之間制熱（甚至冷卻）共享，因此存在潛在的高受益，可以減少潛在的熱損失/增益。不過，雖然這可能在某些環(huán)境下屬實，但在這里并非如此?；蛟S同樣令人驚訝的是，1956年竣工且有著單層玻璃幕墻的聯(lián)邦大廈，與2009年竣工，有著雙層玻璃幕墻和現(xiàn)代化設(shè)施的Legacy大廈，這兩者之間能源比較的差異并沒有更大（新建筑僅比舊的多5%）。

圖4:1900、1950、2005芝加哥已開發(fā)土地。(來源：芝加哥都會規(guī)劃部（CMAP）, 2010, p. 66)

雖然這種異常很大一部分可能與本研究的局限性有關(guān)（即高層建筑方案基本上側(cè)重于為富裕的、半退休的、居住在寬大公寓里的人提供），這樣的能源消費差異確實很奇怪。當(dāng)然在數(shù)據(jù)之后的反思和后續(xù)與居民的討論中，以下兩個因素似乎起到了作用：

盡管在更現(xiàn)代的高層建筑中的那些建造和系統(tǒng)，確實比舊的高層單戶住宅中的更有效率，也擁有更高的服務(wù)水平和設(shè)施水平（例如室內(nèi)泳池，漩渦水療中心，健身中心，圖書館，公共空間等），但也意味著我們要花費更多的能源來運行它們。盡管這樣會對能源使用造成有害影響，但人們會期待它會對人們的生活質(zhì)量帶來積極影響，尤其是對家庭環(huán)境的滿意度。

居民控制似乎是一個非常重要的因素。在單戶住宅中，使用者根據(jù)一小批人（即家人）的偏好，可以直接控制所有運營系統(tǒng)，并且能支配某些系統(tǒng)（比如加熱/制冷）的運行時間。但在一個高層建筑中就不這么靈活了，即使在人們不需要的時候，機電系統(tǒng)也會自行運轉(zhuǎn)著。有些居住者表示在中央制熱（或制冷）的地方，他們會讓窗戶敞開，因為在屋里太熱或太冷了。這方面驗證還需要更多的探索。

家庭內(nèi)含能源

家庭內(nèi)含能源指建造房屋時所有必要活動中所消耗的總能源，包括材料本身的內(nèi)含能耗，承包商/分包商為促進建設(shè)而使用的所有現(xiàn)場和非現(xiàn)場活動的直接能源、預(yù)制、管理及貨物運輸。此外，建筑物在使用期間，內(nèi)含能耗也會因家里維修和翻新過程中所使用的貨物和服務(wù)而不斷增加。

對四座高層建筑及奧克帕克市不同建筑的200多家住宅的內(nèi)含能源進行非常詳細(xì)的計算，超出了本研究項目的范圍。因此，我們接下來收集了關(guān)于高層和低層建筑初始內(nèi)含能源的所有可獲得的公開研究資料（不包括建筑物使用期間的改造與翻新），并且這兩個場景設(shè)置使用了每平方米初始內(nèi)含能源的平均值[6]。雙方設(shè)計建立在100年建筑壽命的基礎(chǔ)上，使得高層建筑設(shè)計每平方米達(dá)到年均0.101GJ的產(chǎn)值，低層建筑設(shè)計大約要少30%，每平方米達(dá)到年均0.068GJ的產(chǎn)值。考慮到高層建筑所配置一些額外系統(tǒng)，以及高空中施加于結(jié)構(gòu)、覆層和環(huán)境服務(wù)的壓力，高層建筑的內(nèi)含能源相對較高或許本來就在意料之中。

用水量

通過匯總和分析12個月 期間的實際水費賬單，我們收集了用水量的數(shù)據(jù)[7]。在市中心的高層建筑中，個人住戶用水量并沒有被測量，無法獲得個人的水費賬單，因此從建筑管理處收集到的水費單包含了整座大廈的總用水量，包括室內(nèi)和室外活動。這樣，按照單位面積占總建筑面積的比例計算出了住戶用水量的分配。

研究發(fā)現(xiàn)，市中心的高層建筑平均每年消耗34,320加侖的水量，僅是郊區(qū)低層住戶用水量（87,523加侖）的39%。這可能是由于郊區(qū)環(huán)境里私人花園占主導(dǎo)地位，當(dāng)然，郊區(qū)每戶家庭中的人數(shù)也更多。隨后我們證實了人數(shù)基準(zhǔn)的假設(shè)。市中心高層建筑每人平均每年用水量為17,652加侖，這個數(shù)字更具可比性，是郊區(qū)低層建筑家庭每人耗水量（24,266加侖）的73%。

出行和交通

通過問卷調(diào)查，我們對每個家庭中每人每周出行的典型情況進行了評估，并由此推測出每月和每年的數(shù)據(jù)進行比較。所有的交通方式都參與了評估，包括：步行、自行車、汽車，以及3種形式的公共交通——公交、CTA列車（即芝加哥高架鐵路與地鐵結(jié)合的城市軌道交通系統(tǒng)）、區(qū)域地鐵（類似于Amtrak，一種提供中、長距離的城際鐵路服務(wù)）。此外，所有典型的出行都包含在內(nèi)，包括：工作，上學(xué)，購物，餐飲娛樂，會見親友及“其他”（指定如果適用）。

到達(dá)每個主要目的地的旅程都計入了兩個模型：一次旅行模型和二次旅行模型。在每一個模型中，頻率（次/周），旅行時間（分鐘），和距離（英里）通過在這個旅程中所涉及的每一種模式進行了核對。對于旅行方式的選擇包括步行、自行車、汽車、公共汽車、火車、CTA列車、地鐵和“其他”（指定如果適用）。因此，舉個例子，問卷允許被調(diào)查者這樣回答：一周中三天是先步行10分鐘，再坐30分鐘的火車去上班，另外兩天是先騎5分鐘自行車，再坐40分鐘公交。此外，私家車主和車的類型都參與了調(diào)查。

居住在橡樹公園的家庭每周出行次數(shù)幾乎是居住在市中心家庭的2.5倍（市中心287公里 vs. 郊區(qū)700公里），其出行中57%為私人小汽車、37%為公共交通、6%為步行/自行車/“其它”。相反地，居住在市中心的家庭中有65%通過使用小汽車出行、16%通過公共交通、19%通過步行/自行車/“其它”。居住在市中心家庭使用小汽車更多而使用公共交通更少的情況，可能和我們直覺的認(rèn)知是相反的。但我們必須記住的是，市中心住戶使用小汽車的出行距離比郊區(qū)住戶近得多。居住在市中心的住戶小汽車出行主要是用于購物、探訪城市之外的地方（而不是工作/娛樂）；而更多的步行/自行車出行距離則意味著郊區(qū)住戶通過公共交通才能實現(xiàn)的行程，市區(qū)住戶通過步行就可以實現(xiàn)了。

在所有情況下，汽車是每戶總路程最重要的貢獻(xiàn)者。市中心高層住宅家庭平均每周出行的公里數(shù)是185.6，約橡樹園家庭的46%（399.3公里）。在四個住宅樓中，Legacy 大廈家庭最少依賴汽車出行（131.8公里），也許是因為他們更靠近芝加哥市中心的公共設(shè)施。市中心高層住戶以步行、自行車和公交出行的平均里程都大于橡樹園住戶，但通過CTA列車，尤其是地鐵的平均出行里程，橡樹園住戶比市中心的家庭要多得多，大概因為這是從郊區(qū)到市區(qū)工作的重要通勤方式。在市中心的四棟住宅樓中，聯(lián)邦廣場的家庭出行最依賴步行、自行車和公交（可能是因為他們離CTA /地鐵更遠(yuǎn)），Legacy大廈家庭卻最依賴后兩種旅行方式（由于完全相反的原因）。

城市/郊區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施

城市/郊區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施，包括所有需要支持人居的網(wǎng)絡(luò)和組成；道路、交通、供水、污水處理、電力、照明等。這是這項研究迄今為止最難評估的一部分，一部分原因是在任何城市或郊區(qū)方案中所包含的不同基礎(chǔ)設(shè)施的切損量，還有部分原因是對基礎(chǔ)設(shè)施所包含能源的評估方法論相對處于嬰兒期，缺乏早先發(fā)表的研究。要獲得市中心和郊區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施相對數(shù)量和密度的評估，我們標(biāo)記了兩地特定基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的位置。此外，還把兩地之間網(wǎng)絡(luò)運行和供應(yīng)點之間的供給包含在內(nèi)。

圖5：兩組研究案例位置與芝加哥市區(qū)的關(guān)系以及主要的交通系統(tǒng)（橡樹園是郊區(qū)的低層住宅，洛普區(qū)的水紋大廈和Legacy大廈以及湖景區(qū)的聯(lián)邦大廈）。(來源：作者。)

圖6：市中心高層住宅案例組的建筑（由左至右）：水紋大廈，Legacy大廈和兩棟聯(lián)邦廣場大廈。來源：作者。(圖像來源：CTBUH)

研究的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)包括（一）道路（表面）；（二）供電（供應(yīng)網(wǎng)長度）；（三）供氣（供應(yīng)網(wǎng)長度）；（四）供水（供應(yīng)網(wǎng)長度）。在所有情況下，根據(jù)地區(qū)總?cè)丝趯W(wǎng)絡(luò)進行評估，包括白天由于工作模式切換人口的增益/損失這一因素，來源是公布的人口普查數(shù)據(jù)（基本上白天在市中心高層的人口增加，白天在郊區(qū)的人口減少）。也許不出所料，這個基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)的評估體現(xiàn)出了城市和郊區(qū)之間最大的差異。城市基礎(chǔ)設(shè)施人均供應(yīng)在比郊區(qū)低得多，這是由于市中心更集中的地理區(qū)域，以及更多的人使用基礎(chǔ)設(shè)施造成的。例如，郊區(qū)到城市基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)的每一個網(wǎng)絡(luò)上以每戶為基礎(chǔ)上，比例近似如下：（一）道路面積：+2088%；（二）供電網(wǎng)絡(luò)：+ 917%；（三）供氣網(wǎng)絡(luò)：+978%；（四）供水網(wǎng)絡(luò)：+980%。

這一領(lǐng)域的研究目前仍在進行并審閱中。這些復(fù)雜的評估和上述數(shù)據(jù)中，產(chǎn)生了諸多重要假設(shè)和解釋。

生活質(zhì)量

這部分的研究主要依靠定性，而不是定量和數(shù)據(jù)，結(jié)合問卷調(diào)查，通過眾多問題，聚焦于評估生活滿意度（SWLS）和社區(qū)意識指數(shù)（SCI）。采用人文科學(xué)領(lǐng)域已發(fā)表的方法論，包括引入回歸分析和其他統(tǒng)計工具，以獲得盡可能接近可比結(jié)果。調(diào)查問卷還包括了其它滿意度類別，比如交通、可達(dá)性、社會交往、安全和總體居住環(huán)境。

也許這并不奇怪，因為參與研究的主要是高層住宅中的富人、白人、半退休的人和富人、白人、郊區(qū)的中產(chǎn)階級家庭，兩者都選擇生活在他們居住的地方，兩部分人的生活質(zhì)量指標(biāo)都較高。那些生活在高層建筑有一個SWLS評分更高（4.18比4.01，滿分5），而那些生活在郊區(qū)的社區(qū)感得分更高（3.90比3.6，滿分5）。然而，控制人口的差異時，研究發(fā)現(xiàn)，居住型（城市和郊區(qū)）并不一定顯示出相關(guān)的社區(qū)意識。相關(guān)顯示社區(qū)意識的因素是家庭規(guī)模的研究樣本（即，更多的家庭成員數(shù)量，更強的社區(qū)意識）。

結(jié)果總結(jié)

這項研究的關(guān)鍵性結(jié)果，在所有的主要參數(shù)中重點關(guān)注郊區(qū)與城市的價值比例。建筑運營能與內(nèi)含能以GJ/平方米建筑面積為單位衡量。鑒于所有其他指標(biāo)都是建立在人均的基礎(chǔ)上的，這樣避免了因為房屋實際規(guī)模，或者說每個家庭的人數(shù)不同而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差。

正如論文相關(guān)部分所述，按照每平方米的能量計算，建筑運營能在高層建筑與低層建筑情形下幾乎相同。然而低層建筑的建筑內(nèi)含能大約高層建筑不到。郊區(qū)建筑耗水量比市中心建筑大約多出三分之一。住在郊區(qū)的人在通勤時間上只比市中心住戶多出8%，但實際里程數(shù)多出了41%。橡樹園的住戶的自行車行/步行距離是市中心住戶的46%，但其機動車?yán)锍虜?shù)是后者的305%，公共交通里程數(shù)是后者的323%。考察城市-郊區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施供給的四個方面（即：道路面積，電纜長度，燃?xì)夤?yīng)管與給水管），郊區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的人均擁有量比城市基礎(chǔ)設(shè)施多出714%。生活質(zhì)量量表可以在兩種情形間作出比較：在市中心， “生活滿意度”與“整體居住滿意度”都有稍高于郊區(qū)的分值；而在郊區(qū)，“社區(qū)歸屬感”一項有稍高于市中心的分值。

這些結(jié)論可能正如預(yù)期一樣，相比之下兩個案例中運營所耗能源的對比結(jié)果也許是最令人意外的了。鑒于橡樹園的很多家庭居住建筑破舊，其圍護結(jié)構(gòu)的隔絕性想必也不如人意，不過令人驚訝的是它們每平方米消耗的能源竟然和現(xiàn)代化高層建筑一樣多。這種現(xiàn)象部分歸因于高層建筑中大量中央設(shè)備以及便利設(shè)施。一些居民指出的對家居環(huán)境缺乏直接控制（過冷/過熱）也會給高層建筑能耗帶來有害的影響。

到目前為止，城市和郊區(qū)“可持續(xù)化”的最大區(qū)別，就城市基礎(chǔ)設(shè)施方面的投資而言，城市大概是郊區(qū)的七分之一，這也許并不令人驚訝。然而這部分工作最難查明，且相關(guān)計算遠(yuǎn)非一門精確的科學(xué)，為了更好的理解基礎(chǔ)設(shè)施供給的運營能耗和內(nèi)含能耗，以及如何在一個集中的城市環(huán)境中將其最大化，研究表明未來可能要在這個領(lǐng)域開展最多的工作。在這個試驗性研究中最有用的結(jié)語可能是：所有的建筑都需要盡最大努力減少在材料，以及在它們建造、運營時消耗的能源，但未來可持續(xù)化城市最大的受益點也許來自集中與共享的土地利用和基礎(chǔ)設(shè)施。

研究的局限性和未來的研究

總體而言，本初步研究提供了芝加哥市區(qū)高層和郊區(qū)低層生活的一個定量比較、可持續(xù)發(fā)展的研究結(jié)果，根據(jù)收集的真實數(shù)據(jù)和最佳可用的數(shù)據(jù)，在以下幾個方面著手研究：(i)家庭運行能源消耗，(ii)住房內(nèi)含能源，(iii)家庭用水消耗，(iv)通勤交通活動，(v)城市的/郊區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，以及(vi)生活質(zhì)量。它以芝加哥，伊利諾伊州及其周邊地區(qū)的實際案例為基礎(chǔ)，通過研究人類、建筑和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模，提供了一個人居生活方式可持續(xù)發(fā)展的初步理解。

在該初步研究的進行過程中我們學(xué)到了很多，同時，為了驗證研究結(jié)果，并于2017年初在CTBUH研究報告上發(fā)表，工作仍在繼續(xù)（圖7）。更重要的第二階段研究被賦予了更廣泛的思考，將囊括更多的建筑類型、家庭、社會經(jīng)濟團體，以及最理想的是，城市/地點/文化。這項研究的范圍很大程度上取決于可獲得的外部研究經(jīng)費。

無論如何，以下因素被公認(rèn)為迄今為止的研究中重大的局限性，需要在任何后續(xù)的研究中加以解決：

局限1：人口特征

抽樣調(diào)查不代表在芝加哥的城市和郊區(qū)的真實人口。如論證的第4部分中，大多數(shù)城市和郊區(qū)居民是白人（例如，超過87%的居民在這兩種情況中都是白人）和富人（例如，超過87%的家庭年收入在這兩種情況中都高于芝加哥大都會區(qū)的平均家庭收入，在2013年約60，000美元），所以不反映真實的人口差異。這種局限可能會很大程度影響這項研究中的結(jié)果/結(jié)論。例如，富人可能會消耗更多的能源，并對他們的生活更感到滿意，無論住在哪里。

此外，城市和郊區(qū)的人口特征差異很大。這些變量包括年齡（例如，市區(qū)居民的平均年齡為51.1歲，比橡樹園居民大將近20歲），就業(yè)狀況（例如，更多的退休人員生活在市中心區(qū)，約20%，在橡樹園只有6%），居住時間（例如，市中心家庭的平均居住時間為7.1年，但在橡樹園，這一數(shù)字是10.2年），和家庭規(guī)模（例如，市中心家庭的平均家庭規(guī)模為1.9人，但在橡樹園，這一數(shù)字是3.3人）。此局限也可能高度影響這項研究中的結(jié)果/結(jié)論。例如，有一小部分人在市中心的高層建筑居住一個單元，導(dǎo)致了人均面積更大（例如，77m2芝加哥高層和69m2橡樹園低層），這進一步造成了人均運行能耗的研究結(jié)果更大。 當(dāng)然影響本研究的其中一項最大的偏差是在任何轉(zhuǎn)化成以人均為基礎(chǔ)的郊區(qū)案例中的孩子/家庭的所占比例過高（市中心的住戶人口中孩子所占的比例為6%，而橡樹園這一比例為38%）。更多的孩子人數(shù)，相應(yīng)地導(dǎo)致了郊區(qū)案例的戶均人口，這一定程度上影響了最終的比較結(jié)果。 未來任何的研究都需要確保在這兩種城市形態(tài)中的人口特征達(dá)到更好的平衡。

局限2：住宅區(qū)位

橡樹園離芝加哥市中心僅11-16公里，構(gòu)成了一個相對密集的單戶住宅和公寓樓居住區(qū)，有步行環(huán)境，并多方位加入到多芝加哥的公共交通系統(tǒng)中，如第4部分論證的。因此，橡樹園并不代表典型的美國郊區(qū)。一個不太密集的偏遠(yuǎn)郊區(qū)如奧羅拉或內(nèi)珀維爾，在運輸能源的意義及基礎(chǔ)配套設(shè)施方面可能會表現(xiàn)出更明顯的對比。

局限3：高層建筑類型

這項研究中的四個住宅樓，特別是水紋大廈和Legacy大廈，比典型的高層建筑更高。具體而言，無論是水紋大廈（262米高，86層）和Legacy大廈（250米高，73層），幾乎都可以歸類到超高型[8]，這可能會比普通的高層建筑消耗更多的能量用于電梯、水泵運行系統(tǒng)。此外，水紋大廈和Legacy大廈被認(rèn)為是芝加哥的豪華住宅建筑，提供了眾多高品質(zhì)的現(xiàn)場管理服務(wù)和設(shè)施，這當(dāng)然需要比普通住宅樓更多的運行能源。

局限4：能源數(shù)據(jù)可用性

由于內(nèi)含能源（EE）的必要信息（即建筑材料的數(shù)量規(guī)格）無法獲得，這項研究并沒有著手進行完整詳細(xì)的實際建筑EE評估，而是廣泛參考了已經(jīng)出版的建筑EE研究。然而，在已發(fā)表一些高層建筑研究中，幾乎沒有住宅，更不幸的是沒有一個位于美國。雖然這項研究結(jié)果提供了一個完整的市中心高層和郊區(qū)低層建筑物EE的合理理解，但如果有市區(qū)四個住宅樓基于實際的建筑材料數(shù)量和規(guī)格的詳細(xì)EE數(shù)據(jù)，結(jié)果會更準(zhǔn)確。

另外，水紋大廈不幸被排除在OE分析之外。原因是從建筑管理方面收集到的能源使用數(shù)據(jù)太有限，無法進行合理的OE分析。因此，高層OE結(jié)果不代表所有研究的四棟住宅樓。

局限5：生活質(zhì)量指標(biāo)

在衡量生活滿意度和社區(qū)意識中，只對有限的變量進行了調(diào)查和控制。在研究中包含了性別、年齡、收入、家庭規(guī)模等人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但其他變量也可能影響居民的生活滿意度，如個性、健康狀況、婚姻狀況等，在研究中并未考慮和控制。因此，控制這些有限變量所得出的結(jié)果表明市中心高層的居民生活滿意度更高，但如果考慮并控制更多的變量，結(jié)果可能有很大不同。雖然隨機分配居住類型是不實際的或可能涉及到道德倫理，不過為了進一步控制居住類型對生活滿意度的影響，我們可以采用更嚴(yán)格的研究方法，如案例控制設(shè)計和數(shù)據(jù)匹配。

后續(xù)研究

有興趣參與本研究的后續(xù)階段（包括提供基金支持），請發(fā)郵件與執(zhí)行理事長安東尼·伍德聯(lián)系：awood@ ctbuh.org.

注釋| Notes:

1: 城市化有三大主要因素：（i）總?cè)丝谠鲩L，聯(lián)合國公布全球人口將從2014年的72億增長到2050年的96億；（ii）人向往更好的經(jīng)濟機會和更高的生活品質(zhì)，從鄉(xiāng)村流向城市；（iii）城市中出生人口更多。最新的聯(lián)合國報告測算出全球人口每年增長約6830萬，也就是說每周增加約130萬，每天增加約18.7萬。到2050年全球城市增加的總?cè)丝谑?4億。來源：聯(lián)合國經(jīng)濟及社會理事會人口事務(wù)部（2015）。全球城市化發(fā)展報告，2014修訂版：提綱。網(wǎng)址：https://esa.un.org/unpd/wup/ Publications/Files/WUP2014-Highlights.pdf[2016.6.24訪問]

2: 實際上高層住宅組和低層住宅組都表現(xiàn)出高收入的特征，兩種年家庭收入分別是23.2萬美元和18.2萬美元——對比芝加哥都市區(qū)的平均收入僅有60,564美元。來源：美國社區(qū)調(diào)查，美國人口普查局，2013.

3:末端耗能通常被視為用電表測量的設(shè)施所直接消耗的能源（即建筑物在其位置上直接消耗的能源）。有些研究看重“源能耗”，即設(shè)施消耗的總能源，以及提取、轉(zhuǎn)換和運輸對設(shè)施有用的能源所需的能源(Deru等，2007)。使用氣體加熱/冷卻或電加熱/冷卻的建筑物之間的源能差異是非常高的。因此，由于本研究的主要關(guān)注具有不同能源使用系統(tǒng)的建筑類型之間的比較，而不是對這些系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展的述評，因此本研究中所有能源消耗數(shù)據(jù)以“末端耗能”為基準(zhǔn)。

4: Legacy大廈的冷卻水由市區(qū)冷凍水系統(tǒng)“芝加哥加熱”所提供，它服務(wù)于全市范圍內(nèi)超過100個建筑。該系統(tǒng)是世上最先進、可靠、有效的冷凍系統(tǒng)之一，包括有五個冷卻水發(fā)電廠，服務(wù)于環(huán)、西環(huán)路、南環(huán)路、北河地區(qū)。聯(lián)邦廣場自身擁有制冷機，因此沒有芝加哥加熱的冷凍水費用。

5: 通過結(jié)合水電費中的數(shù)據(jù)并利用已發(fā)表的轉(zhuǎn)換因子（ASHRAE，2013），消費的所有末端能耗轉(zhuǎn)化為兆焦耳（MJ）或吉焦耳（GJ），以便于在不同能源類型與建筑之間進行數(shù)據(jù)比較。因此，關(guān)于用電量，通過使用公式：MJ =kWh×3.6 MJ /kWh，“千瓦時（kWh）”轉(zhuǎn)化為了兆焦耳（MJ）。關(guān)于燃?xì)饬?，通過使用公式：MJ =therm×105.5 MJ / therm，“熱（therm）”轉(zhuǎn)換為兆焦耳（MJ）。關(guān)于冷凍水供應(yīng)，通過使用公式：MJ =ton-hour×12.66 MJ /ton-hour）6.1，“噸小時（tonhour）”轉(zhuǎn)換為兆焦耳（MJ）。6.1這個數(shù)字是對于熱芝加哥市中心的冷凍水回路所使用的電動機驅(qū)動的離心式冷水機組所估計的性能系數(shù)（COP）。可惜的是，無法獲取冷水機組的準(zhǔn)確性能系數(shù)；之所以采用6.1的保守估計，是因為據(jù)ASHRAE 90.1-2007所示，它是基線離心式冷水機組的性能系數(shù)（COP）。

6: 內(nèi)含能源的研究僅基于發(fā)表在同行評審的論文中的研究（27幢低層住宅建筑案例，及16幢高層建筑案例）。

7: 請注意，由于缺少水紋大廈建筑管理的水費單，此部分研究無法將該建筑包括在內(nèi)。

8: 世界高層建筑與都市人居學(xué)會（CTBUH）將高度300米（984英尺）及以上的建筑定義為“超高層建筑”。Legacy大廈在芝加哥所有高層建筑中排名第13，住宅型建筑中位列第一。水紋大廈在所有高層建筑中排名第10，多功能高層建筑中排名第5。來源：CTBUH

注：因為受本論文集的篇幅所限，這里的參考文獻(xiàn)并沒有列出所有的參考資料。完整的參考文獻(xiàn)請參見即將在2017年出版的CTBUH研究報告。

Dense Downtown vs. Suburban Dispersed: A Pilot Study on Urban Sustainability

Sustainability, Energy, Infrastructure, Density, High-Rise Buildings

This paper presents the initial findings of a ground-breaking two-year CTBUH-funded research project investigating the real environmental and social sustainability of people’s lifestyles in a number of high-rise residential towers in downtown Chicago, and a comparable number of low rise homes in suburban Oak Park, Chicago – based on actual energy bills and other real data. The study is ground-breaking because, to date, similar studies have been mostly based on very large data sets of generalized data regarding whole-city energy consumption, or large-scale transport patterns, which often misses important nuances. This study has thus prioritized quality of real data (based on around 250 households in both high rise and low rise case studies), over quantity. In both urban and suburban cases, the following factors have been assessed: (i) home operational energy use, (ii) embodied energy of the dwelling, (iii) home water consumption, (iv) mobility and transport movements, (v) urban/suburban Infrastructure, and (vi) quality of life. The full results of this seminal study will be published in the form of a CTBUH Research Report publication in 2017. Presented below is an overview of the initial (and, currently, unverified) findings of the research, together with the limitations of the study that should be taken into account, as well as future plans for developing this important pilot study.