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香港超高层建筑全生命周期碳排放研究显示，36-55米或10-15层时建筑碳排放抵消交通减排效益。基于1.6万街区与209 TPUs的时空分析，证实超高层建筑在超过临界高度后碳足迹转负，为高密度城市碳中和政策提供量化依据。
Jinglei Li|Phil Jones|Tongping Hao|Weisheng Lu|Weifeng Li|Jianxiang Huang
香港大学城市规划与设计系，中国香港 Pokfulam 路 Knowles 大楼 8 楼
摘要
高层建筑在建造和运营过程中被认为具有较高的碳足迹。然而，它们能够将多个目的地集中在近距离内，从而减少交通产生的碳排放。然而，学术文献中对这种权衡关系的研究还不够充分，政策制定者们仍在争论高层建筑在城市发展中的利弊。本研究旨在通过香港的大量高层建筑案例，探讨建筑高度与生命周期碳足迹之间的关系。研究利用模拟模型和机器学习算法计算了香港 172,530 座建筑的生命周期碳排放，并通过实际能耗数据进行了交叉验证。交通碳排放则是根据出行行为数据和碳审计报告估算的。消费品产生的碳排放则基于官方报告得出。城市环境因素（如人口密度、土地利用、街道网络等）通过地理空间数据库获取；社会人口统计信息则来自人口普查数据，并作为控制变量使用。所有数据被汇总到香港的 1,622 个街区和 209 个三级规划单元中。通过回归分析方法，研究确定了建筑高度与碳排放之间的独立关联。结果表明，总体而言，高层建筑有助于降低人均或单位建筑面积的碳排放。但当建筑高度超过 36-55 米（即 10-15 层）时，这种效益会减弱。超高层建筑虽然减少了交通碳排放，但其自身的高碳排放又抵消了这一优势。在控制了城市环境和社会人口统计因素后，这一结论在街区和三级规划单元两个层面上都得到了验证。本文还讨论了这些发现对低碳政策中关于建筑高度限制的建议。
引言
高层建筑（也称为摩天大楼或超高层塔楼）在其碳足迹问题上存在争议。不同地区对高层建筑的界定标准各不相同：欧洲通常为 5 层[79]，美国为 7 层（NFPA, 2015），而高层建筑与城市居住区委员会（Council on Tall Buildings and Urban Habitat）的定义则为 14 层或 50 米[13]。支持高层建筑的人认为它们是经济繁荣的象征，是构建更绿色、更智能、更可持续城市的解决方案[77]。新世纪以来，全球建造了更多高层建筑，不仅改变了香港、新加坡和迪拜的市中心天际线，也影响了西方城市（如纽约、伦敦和墨尔本）的天际线[15]。反对者则指出高层建筑会导致严重的碳足迹和生态影响，这一观点也反映在近期的一些城市政策中。例如，中国最近将新建建筑的高度上限定为 500 米，对中小城市则分别限制在 250 米和 150 米（MOHURD, 2023），尽管中国的高层建筑数量远超其他国家。同样，近年来中东地区也推迟了多个超高层建筑的建设项目（The Skyscraper Center, 2023）。
学术界对于高层建筑（包括其建造、运营、拆除过程以及使用者出行方式）对碳减排目标的贡献仍存在争议。建筑科学家认为高层建筑的建造和运营过程碳强度较高[24]：它们使用混凝土和钢铁等高碳材料[48]，并且需要更多能源来供暖、制冷、通风和运送人员（2,57）。相比之下，城市规划师认为高层建筑是紧凑型城市的组成部分，可以通过减少汽车使用和提高空间利用率来降低交通碳排放[4,22,55]。他们还将高层建筑视为城市繁荣的象征，例如迪拜、伦敦、墨尔本和纽约的标志性天际线。基于这些观点，经济学家 Edward Glaeser 认为高层建筑是构建更绿色、更智能、更可持续城市的解决方案之一[77]。然而，关于高层建筑碳排放及其对交通减排影响的综合研究仍然较少。一个问题是：高层建筑带来的交通碳排放减少能否抵消其建造和运营过程中的较高碳排放？如果可以，这对高密度城市的低碳政策有何启示？
本文研究了高层建筑对城市生命周期碳排放的影响，权衡了运营碳、固有碳和交通碳之间的得失。研究数据来自香港——根据高层建筑与城市居住区委员会（Council on Tall Buildings and Urban Habitat）的统计，香港是全球高层建筑数量最多的高密度城市[13]。通过模拟模型和机器学习算法计算了香港 172,530 座建筑的运营碳和固有碳排放，并通过实际能耗数据和碳审计报告进行了交叉验证；交通碳排放则基于出行行为数据估算。城市形态特征（如人口密度、土地利用、街道网络等）来自官方地理空间数据库；社会人口统计信息来自人口普查数据。所有数据被汇总到 1,622 个街区和 209 个三级规划单元层面。使用空间回归和非线性回归模型分析了建筑高度与碳排放之间的独立关联。
文献综述
关于城市尺度碳足迹的研究可以分为两个领域：1）建筑科学；2）交通与城市规划。建筑科学研究通常关注单个建筑，主要关注运营碳和固有碳。而交通与城市规划研究则关注整个城市范围，同时考虑建筑和交通的碳足迹。
方法
为了评估高层建筑对香港建筑碳和交通碳的双重影响，本文采用基于物理的模拟模型和机器学习方法分别计算了这两方面的碳排放（图 1）。结果通过已发布的政府和官方数据进行了验证，并在两个不同尺度上进行对比：1）三级规划单元（相当于社区层面）；2）街区层面（类似于人口普查区域）。
结果与讨论
碳排放数据在街区层面进行了空间映射，以可视化其在香港的分布情况。分析结果显示建筑高度与碳排放之间存在显著关联，突显了城市垂直形态对人均碳排放的影响。为确保数据可靠性，对建筑和交通相关的碳排放进行了验证，确认了数据集和分析框架的稳健性。
结论
本文研究了高层建筑与街区层面城市生命周期碳排放之间的关系，权衡了建筑碳和交通碳之间的得失。碳排放数据通过模拟模型和机器学习算法进行评估，并结合了香港政府的官方数据进行了交叉验证。研究对象包括 172,530 座建筑和 1,622 个街区；分析还考虑了人口密度等城市形态特征。
未引用的参考文献
[9,20,23,32,[34], [35], [36],41,42,46,49,58,60,64,82]
CRediT 作者贡献声明
Jinglei Li：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件开发、方法论设计、数据分析、数据整理；Phil Jones：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、概念构思；Tongping Hao：软件开发、方法论设计；Weisheng Lu：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金筹措；Weifeng Li：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调
