La urbanización remodela significativamente la forma urbana, afectando la dinámica espacial y cuantitativa del uso del suelo urbano bajo restricciones de carbono. Sin embargo, el papel de la forma urbana a gran escala en la orientación de la expansión urbana de bajo carbono sigue siendo poco explorado. Nuestro estudio introduce un modelo integrado de Autómatas Celulares (CA) para simular patrones de uso del suelo urbano en relación con el objetivo de bajo carbono, centrándose en la optimización de la forma urbana. El modelo emplea una estrategia de arriba hacia abajo para ajustar la demanda futura de suelo urbano equilibrando las necesidades de desarrollo urbano con los objetivos de reducción de emisiones de carbono (CE). La demanda ajustada se utiliza luego para optimizar los parámetros de la forma urbana (es decir, la función en forma de S inversa) para predecir los patrones futuros de uso del suelo urbano y asignar incrementos de suelo dentro de anillos concéntricos. Posteriormente, se aplica una estrategia de abajo hacia arriba que incorpora la conservación del secuestro de carbono (CS) para refinar la conversión del suelo urbano. El modelo CA integra una regla de transformación de máxima probabilidad para asignar el suelo urbano de manera eficiente. Utilizamos el modelo para simular patrones de uso del suelo urbano bajo cuatro escenarios (es decir, Escenario de Desarrollo Urbano de Bajo Carbono (L-UDS), Escenario de Desarrollo Urbano de Aumento (T-UDS), Escenario de Desarrollo Urbano de Abajo hacia Arriba (B-UDS) y Escenario de Desarrollo Urbano con Restricción en Forma de S Inversa (S-UDS)) para la aglomeración urbana de Changsha-Zhuzhou-Xiangtan (CZX) en 2035. Los resultados muestran que el modelo propuesto reconcilia efectivamente el conflicto entre la rápida urbanización y las estrategias de gestión del carbono urbano, como lo demuestra una reducción del 31.25% en las emisiones de carbono en el L-UDS y T-UDS en comparación con el S-UDS y B-UDS. Además, las restricciones de forma urbana promueven el desarrollo de estructuras urbanas compactas y densas, avanzando hacia los objetivos de desarrollo urbano sostenible. Este estudio no solo propone un modelo de simulación capaz de promover efectivamente el desarrollo urbano compacto a nivel teórico, sino que sus hallazgos también ofrecen ideas políticas prácticas para que China aborde la expansión urbana y avance activamente en el desarrollo urbano de bajo carbono.