城市地下空間開發(fā)與設(shè)計的探析

摘 要：“上古穴居而野處”，人類從上古時期就開始了對地下空間的利用?，F(xiàn)如今，隨著人類社會高速發(fā)展，人們掀起了城市地下空間開發(fā)與建設(shè)的熱潮，不斷對城市地下空間資源的開發(fā)與利用進(jìn)行探索。本文以此為背景，分別從城市地下空間開發(fā)中易出現(xiàn)的問題缺陷以及地下空間設(shè)計時應(yīng)注意的問題等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，并根據(jù)人類社會發(fā)展的需求對其發(fā)展前景進(jìn)行了研究與展望。

關(guān)鍵詞：城市地下空間；發(fā)展歷史；問題缺陷；合理設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.106

0 引言

隨著社會的發(fā)展，土地資源稀缺、城市熱島效應(yīng)、城市環(huán)境破壞等一系列資源環(huán)境問題接踵而至。在這些問題促使我國城市必須走出一條可持續(xù)發(fā)展道路，造成我們不斷開發(fā)與利用地下空間的趨勢。從城市各個功能方面來講，地下空間的開發(fā)比地面空間有著更顯著的可持續(xù)優(yōu)越性，地下空間的開發(fā)與利用將為城市的發(fā)展帶來新的機(jī)遇，地下空間的設(shè)計與可持續(xù)開發(fā)也不斷為城市建設(shè)者們帶來新的挑戰(zhàn)。

1 地下空間開發(fā)歷史

人類對于地下空間的利用已經(jīng)擁有了幾百萬年的歷史，早在史前原始時期，人類為了防止野獸入侵，抵抗自然災(zāi)害，就開始了對天然洞穴或地穴的利用。1930年發(fā)現(xiàn)于中國北方周口店龍骨山距今約3萬年的舊石器時代晚期智人對于山頂洞穴的利用是可查的人類對于地下空間的最早利用。山頂洞人文化遺址分為洞口、上室、下室和下窨四部分，其中所見約4m×5m北向的洞口為人工開鑿。原始人類利用巖土的天然性質(zhì)將其改造為更適宜居住的洞穴，人類對生存空間的改造逐漸構(gòu)成了原始穴居社會建立的文化的一部分。到了新石器時代，人類開始走出天然洞穴，借助地下挖掘的方法創(chuàng)造更適宜居住的人工場所[1]。中國北方最早的人工洞穴是以黃河流域仰韶文化遺址的豎穴式窯洞為典型代表，整個黃河流域的中下游地區(qū)幾乎都有半地穴式房屋的存在。后來，隨著社會文明的進(jìn)步與原始建設(shè)技術(shù)的初步發(fā)展，人類對于地下空間的利用從簡單借用演變?yōu)閷臻g設(shè)計和改造的萌芽行為，典型代表為中國窯洞、古巴比倫城的地下隧道等[2]。

隨著人類文明的不斷發(fā)展，第一次工業(yè)革命后生產(chǎn)力飛速發(fā)展，導(dǎo)致西方城市化水平提高，城市的供水、排水等市政設(shè)施急需加大建設(shè)，為此人們開啟了近代城市地下空間的開發(fā)與使用。1863年，世界上第一條地鐵在倫敦建成，標(biāo)志著國外地下空間發(fā)展跨入近代發(fā)展的紀(jì)元。

二戰(zhàn)以后隨著社會的發(fā)展，地下空間的開發(fā)與利用進(jìn)入了一個嶄新的時期。隨著城市化進(jìn)程加快，當(dāng)代城市地下空間的開發(fā)與利用主要體現(xiàn)在地下市政、地下交通、地下人防工程、地下商業(yè)設(shè)施四個方面。

2 城市地下空間開發(fā)的問題與缺陷

現(xiàn)代城市地下空間呈現(xiàn)著功能綜合化、豎向深層化、交通立體化、生態(tài)多樣化的發(fā)展趨勢。人們對于地下空間的可持續(xù)開發(fā)愈加看重。

不可忽略的是，地下空間的開發(fā)與建設(shè)中存在一些本質(zhì)特征與不可避免的問題缺陷：

（1）地質(zhì)水文條件等限制地下空間建設(shè)類型、規(guī)模及投資，反過來說，地下空間的開發(fā)也會改變當(dāng)?shù)卦械乃牡刭|(zhì)條件，破壞當(dāng)?shù)卦械纳鷳B(tài)平衡：地下空間的開發(fā)與改造改變了地下水資源的分布形式與賦存狀態(tài)，破壞了原有的生態(tài)環(huán)境，從而影響當(dāng)?shù)氐牡乩須夂驐l件，進(jìn)而影響到地表動植物的生存，為了減小對生態(tài)平衡的破壞，我們必須采取適宜的防止措施并進(jìn)行相關(guān)的研究、改造。

（2）進(jìn)行地下空間開發(fā)時的施工過程具有一定的危險性，容易對地面原有建筑物的安全及圍巖的穩(wěn)定性將產(chǎn)生影響：地下巖體工程的開挖將破壞原有地層的應(yīng)力分布，導(dǎo)致應(yīng)力的集中與重分布，影響地層的穩(wěn)定性，對地面原有的建筑物的安全造成威脅；在高地應(yīng)力地區(qū)易產(chǎn)生巖爆、巖芯餅化現(xiàn)象以及巖質(zhì)基坑底部隆起、剝離、回彈錯動等現(xiàn)象，因此，我們應(yīng)不斷完善施工方法、改善圍巖的性質(zhì)及應(yīng)力條件、采取一定的防護(hù)措施、加固圍巖，確保施工的安全性，并減少地下工程的建設(shè)對地面的影響。

（3）地下空間建設(shè)缺乏合理的統(tǒng)籌設(shè)計，與地面建設(shè)不夠協(xié)調(diào)：從城市協(xié)調(diào)發(fā)展的觀點(diǎn)出發(fā)，城市向上發(fā)展的高度越高，向下發(fā)展地下空間開發(fā)的強(qiáng)度越大。但是現(xiàn)有大部分建成的地下空間未考慮地面空間與地下空間的協(xié)調(diào)，缺乏一定的統(tǒng)籌規(guī)劃，從而使原先節(jié)約的空間資源無法達(dá)到最大化的效率，導(dǎo)致整體空間功能布局不合理、空間利用效率低下，限制了地下空間的開發(fā)對城市發(fā)展的積極促進(jìn)作用。

（4）地下空間環(huán)境人性化的缺失：由于地下空間與地面空間的天然隔絕，導(dǎo)致自然采光不足、熱濕度大等缺點(diǎn)突出，加上地下空間的建設(shè)僅考慮功能而容易忽略空間使用者的心理和生理特點(diǎn)，導(dǎo)致大部分地下空間環(huán)境缺乏人性化的設(shè)計考慮。

同時，大型城市地下空間工程的建設(shè)有著投資大、回報晚、工期長、風(fēng)險高等特點(diǎn)。它們對于地面建設(shè)而言不易拆除，其建設(shè)相對不可逆。因此，對于地下空間的開發(fā)建設(shè)應(yīng)做好安全防護(hù)措施與統(tǒng)籌規(guī)劃，綜合考慮資源利用、生態(tài)保護(hù)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面，建立地下空間設(shè)計規(guī)劃的可持續(xù)發(fā)展體系，實(shí)現(xiàn)城市地下空間資源的適度、適時、有序開發(fā)[3]。

3 城市地下空間功能分析與環(huán)境設(shè)計

城市地下空間具有災(zāi)害防御、滿足城市交通的需要、發(fā)展地下商業(yè)設(shè)施等功能，能有效地保護(hù)災(zāi)難發(fā)生時的人身財產(chǎn)安全、減少城市交通擁堵、便利人們的生活。

傳統(tǒng)城市地下空間普遍具有陰暗和潮濕的特性，欲使地下空間變得更適宜人類活動，就應(yīng)在地下和地上空間耦合研究過程中首先充分了解其特性。地下物質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)主要有：高防護(hù)性、熱穩(wěn)定性、氣密閉性、易操控性、低能耗性等。要達(dá)到城市地下與地上空間耦合的需求，首先應(yīng)使地下空間在物質(zhì)環(huán)境上克服自身弊端而滿足可以與地面形成協(xié)調(diào)的基本條件。地下空間設(shè)計的作用是通過針對空間造型、色彩光線等因素進(jìn)行合理的利用與改造，構(gòu)建滿足空間使用者行為要求的地下環(huán)境場所，進(jìn)而達(dá)到城市整體空間的和諧。

要考慮的物質(zhì)基礎(chǔ)主要包括視覺構(gòu)建、聲景設(shè)計、熱濕環(huán)境與空氣品質(zhì)四個方面：

在視覺構(gòu)建方面，需要設(shè)計者地下空間設(shè)計中充分考慮視覺藝術(shù)，從采光、尺度、色彩、標(biāo)志等方面協(xié)同考慮，充分發(fā)揮并改造空間的整體功能與整體氛圍，從視覺上消除空間使用者身處地下的壓抑感，并追求視覺藝術(shù)的最佳效果。

在聲景設(shè)計方面，整體空間中的聲景環(huán)境由聲音、聽者和環(huán)境空間三部分組成，設(shè)計者應(yīng)從使用者的心理狀態(tài)、場所和時間因素進(jìn)行考慮，充分研究聲音的傳播特點(diǎn)，從社會、文化、歷史的角度對富有地域特點(diǎn)內(nèi)涵的聲音進(jìn)行綜合設(shè)計與運(yùn)用。不應(yīng)一味地減噪，對于主要聲源產(chǎn)生的噪音強(qiáng)度應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，而對于某些特定的聲音應(yīng)通過相應(yīng)設(shè)計使其順利在地下空間與地上空間中傳播。

在熱濕環(huán)境方面，熱濕環(huán)境包括溫度、濕度、空氣流動速度、換

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氣次數(shù)等。地下空間在熱濕環(huán)境上有許多弊端阻礙地下空間環(huán)境的良性循環(huán)，因此在熱濕環(huán)境控制上，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的環(huán)境條件，系統(tǒng)評估地下熱濕狀況，因地制宜地采取防潮除濕技術(shù)，從而建立有良好舒適感的地下綜合環(huán)境，避免地上地下過渡時強(qiáng)烈的溫濕變化。

在空氣品質(zhì)方面，設(shè)計者應(yīng)采取合理的通風(fēng)手段，結(jié)合自然通風(fēng)與器械設(shè)備通風(fēng)的方法，合理設(shè)計通風(fēng)路徑，提高地下空間的空氣質(zhì)量，保護(hù)空間使用者的身體健康[4]。

4 前景分析

現(xiàn)如今，人類在進(jìn)行著全方位資源與空間的開發(fā)和利用，涉及到地下、海洋和宇宙。向地下的開發(fā)內(nèi)容包括地下資源開發(fā)、地下能源開發(fā)和地下空間開發(fā)。地下空間的利用也正向更深、更廣的范圍擴(kuò)展。發(fā)達(dá)國家對于地下空間的利用已進(jìn)入相對成熟階段，外國學(xué)者在研究城市生產(chǎn)總值與地下空間開發(fā)利用的相關(guān)性時得出一個初步結(jié)論：人均生產(chǎn)總值大于3000美元時，城市就具備了開發(fā)利用地下空間的基本條件和需求。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，已經(jīng)有不少城市已經(jīng)滿足這一條件，因此，我國正在掀起城市地下空間開發(fā)與建設(shè)的熱潮，進(jìn)入了城市地下空間資源開發(fā)利用的發(fā)展期[5]。

隨著我國地下空間開發(fā)力度的逐步加大，城市地下空間工程專業(yè)人才短缺的問題也日益突出。普通的土木工程專業(yè)人才并不能充分滿足這些工程的需求，可以說專業(yè)人才培養(yǎng)的供應(yīng)落后于城市地下空間開發(fā)建設(shè)的需要，城市地下空間工程專業(yè)就應(yīng)運(yùn)誕生，為城市地下空間的開發(fā)培養(yǎng)出了一批優(yōu)秀的工程人員與設(shè)計人員，為未來地下工程的建設(shè)描繪了一幅美好藍(lán)圖。

5 結(jié)論

隨著城市資源環(huán)境問題的日益加劇，為了緩解城市容量的擴(kuò)張需求與土地資源供給不足的矛盾，各國除了利用綜合的政治、經(jīng)濟(jì)措施外，也開啟對地下空間的立體化開發(fā)，以擴(kuò)大城市容量。但城市地下空間有效開發(fā)及合理設(shè)計的問題仍然需要城市建設(shè)者不斷探索、解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]邵繼中.城市地下空間設(shè)計[M].東南大學(xué)出版社，2016（09）：94-114.

[2]楊鴻勛.仰韶文化居住建筑發(fā)展問題的探討[J].考古學(xué)報，1975

（01）：39-72.

[3]孫世國.21世紀(jì)土木工程發(fā)展趨勢芻議[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報，

2002（03）：82-85.

[4]邵繼中，胡振宇.城市地下空間與地上空間多重耦合理論研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2017，13（06）：1431-1443.

[5]21世紀(jì)土木工程發(fā)展方向之城市地下空間工程[D].2019/2/12.

作者簡介：米明昊（1998-），女，山東德州人，本科在讀，研究方向：城市地下空間工程相關(guān)專業(yè)。