空間穿梭建筑
——一種可在地上、地下空間自由轉(zhuǎn)換的建筑概念設(shè)計

陳睿迪，王莉平，張雨晨，余江濤，范浩然

(西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

在傳統(tǒng)的地下空間開發(fā)利用與建筑設(shè)計中，存在著如下問題：1)一直忽視地下空間與地面空間的聯(lián)系。而在城市規(guī)劃與建設(shè)中，實現(xiàn)地下空間與地上空間的多重耦合，有著重要的實際意義與價值。表1示出部分城市核心區(qū)地面與地下功能耦合的價值[1]。我國也有地上、地下空間一體化應(yīng)用成功的實例，如廣州天環(huán)商場。但是從整體看，我國地上、地下空間協(xié)調(diào)性較差。2)地下建筑的獨(dú)特優(yōu)勢未得到充分發(fā)揮，部分短板未得到改進(jìn)。文獻(xiàn)[2-5]對地下空間的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，地下空間的優(yōu)點(diǎn)有恒溫、隔音、抗震、密閉等；缺點(diǎn)有通風(fēng)不暢、無自然光照、影響人的心理等。

表1 部分城市核心區(qū)地面與地下功能耦合的價值[1]

可移動建筑具有體量小、靈活性強(qiáng)、與環(huán)境融合度高、個性化、技術(shù)要求高、可建造于城市閑散空間等特征[6-7]。目前，對于傳統(tǒng)的可移動建筑設(shè)計已有較多研究或應(yīng)用實例，例如：瑞典建筑師詹格法特·彌爾頓規(guī)劃設(shè)計的挪威西部城鎮(zhèn)翁達(dá)爾斯內(nèi)斯[8]。集成理念能夠?qū)⒉煌挛锏膬?yōu)點(diǎn)進(jìn)行整合，陳希[9]對建筑的集成理念與可移動建筑的結(jié)合進(jìn)行了研究。但在傳統(tǒng)設(shè)計中，可移動建筑與集成理念大多僅用于地面建筑而忽略了其在地下空間開發(fā)利用中的優(yōu)勢。因此，本文提出設(shè)想：在未來的城市建設(shè)中，將集成理念、可移動建筑的思想引入到未來地下空間的開發(fā)利用中，以解決傳統(tǒng)地下空間建設(shè)存在的封閉性等問題。基于這種思路，本文對傳統(tǒng)可移動建筑進(jìn)行了改進(jìn)，將其使用范圍由地上擴(kuò)展至地上和地下，提出了空間穿梭建筑的創(chuàng)新性概念設(shè)計。

1 設(shè)計簡介

1.1 設(shè)計概述

對于民用建筑，以住宅樓為例，在理想情況下，其應(yīng)該滿足：1)周邊商業(yè)、文化、體育設(shè)施較多，能夠滿足使用者娛樂、采購物資等需求；2)安靜，適宜休息；3)與城市道路連通便利，方便出行；4)與外界連通較少，安全性好。這樣的住宅樓在目前較難以實現(xiàn)，因為商業(yè)設(shè)施較多的同時環(huán)境會較為嘈雜，與外界連通便利的同時安全性會下降。對于其他建筑，也存在與住宅樓類似的理想與實際不符的問題。仍以住宅樓為例，如果住宅樓白天位于鬧市區(qū)，晚上位于地下，那么就可有效地解決上述問題。

設(shè)計分地上部分與地下部分，并對未來科技進(jìn)行了超前的構(gòu)想，假設(shè)未來借助于某些科技能夠?qū)崿F(xiàn)整棟建筑水平或豎直方向的百米距離移動?；诖?，設(shè)計一口可容納多棟單體建筑的核心豎井，并架設(shè)多座可支撐單體建筑的建筑承載臺，使得建筑既可處于核心豎井，又可位于建筑承載臺，從而使其成為地上、地下的雙形態(tài)建筑，解決引言中提出的問題。

1.2 設(shè)計組成

設(shè)計由核心豎井、單體建筑群、建筑軌道和建筑承載臺4個基本結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。考慮到視覺效果，對圖1中建筑承載臺的尺寸進(jìn)行了放大。單體建筑是使用者的主要活動空間，設(shè)計包含多棟單體建筑，構(gòu)成單體建筑群；核心豎井是地下空間的主體部分；建筑承載臺位于地上，為承載單體建筑的支座；建筑軌道是連接核心豎井與建筑承載臺間的軌道。

圖1 設(shè)計效果圖

1.2.1 核心豎井設(shè)計

核心豎井內(nèi)主要構(gòu)件有中央承重柱、復(fù)合多功能支護(hù)、動態(tài)內(nèi)支撐，如圖2所示。中央承重柱為核心豎井的核心構(gòu)件，主要功能為承載單體建筑、維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其內(nèi)部裝有提升裝置，可推動單體建筑出入井。復(fù)合多功能支護(hù)的基本職能有：1)承載水土壓力；2)連通井內(nèi)與井外的出入通道；3)開辟部分空間供防災(zāi)或人防工程使用。動態(tài)內(nèi)支撐隨單體建筑的移動有不同的形態(tài)，當(dāng)單體建筑在核心豎井內(nèi)上下移動時，內(nèi)支撐部分打開，不影響單體建筑的移動；單體建筑位置不變時，動態(tài)內(nèi)支撐與普通基坑的內(nèi)支撐作用相同。

圖2 核心豎井示意圖

1.2.2 單體建筑設(shè)計

單體建筑為空心柱形體，內(nèi)徑略大于中央承重柱，如圖3所示(未畫出建筑外墻)。其內(nèi)壁設(shè)有一定數(shù)量的卡槽，能夠使得單體建筑與中央承重柱緊密結(jié)合。單體建筑底部為新式轉(zhuǎn)換層，其內(nèi)含短期建筑設(shè)備系統(tǒng)、大型滾輪和臨時支架。在單體建筑移動過程中，由短期建筑設(shè)備系統(tǒng)代替常規(guī)建筑設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行工作；大型滾輪能使單體建筑沿軌道滑動；臨時支架可暫時支撐單體建筑。

圖3 單體建筑示意圖

1.2.3 建筑承載臺與建筑軌道設(shè)計

建筑承載臺能夠承載單體建筑，在單體建筑位于建筑承載臺時，建筑承載臺與單體建筑的結(jié)合體為框支結(jié)構(gòu)，可維持建筑的穩(wěn)定性。建筑軌道能夠?qū)⒔ㄖ休d臺與核心豎井連接或者將建筑承載臺之間連接，使得單體建筑能夠沿水平方向移動。建筑承載臺可分為多層，故而單體建筑可進(jìn)行上下拼接，使得多個單體建筑結(jié)合為一座整體建筑，類似于可移動建筑、裝配式建筑。建筑承載臺與建筑軌道的高度可根據(jù)適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌或者合理處理與周邊建筑物、設(shè)施之間的關(guān)系的要求進(jìn)行選取，例如：架設(shè)于城市道路之上，不額外占用地面空間。

1.3 使用方法

1.3.1 單體建筑移動

將單體建筑從核心豎井移動至建筑承載臺的過程定義為出井，從建筑承載臺移動至核心豎井的過程定義為入井。

出井開始時，所有單體建筑位于核心豎井井口之下，中央承重柱與復(fù)合多功能襯砌共同承載單體建筑的總質(zhì)量。出井具體步驟如下：1)啟動新型提升設(shè)備，單體建筑沿中央承重柱上移，最接近井口的單體建筑(下文簡稱1號單體建筑)完全離開核心豎井。2)大型滾輪從單體建筑新式轉(zhuǎn)換層中伸出，并滑至建筑軌道。3)1號單體建筑沿建筑軌道不斷滑動，直至建筑承載臺中心。4)臨時支架打開，大型滾輪收入單體建筑新式轉(zhuǎn)換層。5)臨時支架緩慢收起，單體建筑下降，當(dāng)臨時支架全部收起時，單體建筑下部緊貼建筑承載臺。6)重復(fù)1)—4)。7)臨時支架緩慢收起，單體建筑下降，當(dāng)臨時支架全部收起時，單體建筑下部緊貼1號單體建筑。2號單體建筑架設(shè)于1號單體建筑上方。1、2號單體建筑出井過程完成。8)重復(fù)1)—7)，直至所有單體建筑出井完成。出井全過程如圖4所示。

(a)原狀

入井開始前，所有單體建筑位于建筑承載臺上，入井過程為出井的逆過程。

1.3.2 設(shè)備管網(wǎng)連接

單體建筑有2套設(shè)備系統(tǒng)，一套為主設(shè)備系統(tǒng)，一套為臨時設(shè)備系統(tǒng)。臨時設(shè)備管網(wǎng)位于新式轉(zhuǎn)換層內(nèi)，可在主設(shè)備管網(wǎng)斷開時臨時為建筑供水、供電。主設(shè)備系統(tǒng)含2個接口，分別位于新式轉(zhuǎn)換層內(nèi)、外側(cè)。在核心豎井之下時，無論靜止或上升，單體建筑的主設(shè)備管網(wǎng)與中央承重柱相連；單體建筑位于建筑軌道之上時，主設(shè)備系統(tǒng)與建筑軌道左側(cè)設(shè)備管網(wǎng)相連；單體建筑位于建筑承載臺時，主設(shè)備系統(tǒng)與建筑承載臺相連。當(dāng)單體建筑處于從井口或建筑承載臺移動到建筑軌道過程中或其逆過程中時，主設(shè)備系統(tǒng)斷開，臨時設(shè)備系統(tǒng)發(fā)揮作用。

1.4 設(shè)計優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

1)地上、地下雙形態(tài)轉(zhuǎn)換，使得地上、地下空間的優(yōu)勢互補(bǔ)。地下空間恒溫、降噪的特性能夠給使用者帶來舒適的感受，改變了傳統(tǒng)地下建筑給人心理上帶來的不適感。

2)建筑的聯(lián)系性較好。由于建筑承載臺間可通過建筑軌道相連，使得單體建筑之間聯(lián)系緊密，且與周邊環(huán)境的聯(lián)系性也較好，減少對生態(tài)的破壞。

3)建筑的動態(tài)性較好。由于單體建筑的可移動性與分散性，若需對建筑進(jìn)行改造或拆除，其施工難度較小，可在核心豎井中、高架上、建筑軌道上施工，提供不同的施工環(huán)境。

4)節(jié)約大量土地資源。本項優(yōu)點(diǎn)主要針對于單體建筑下方必須架空、無法建造建筑物的環(huán)境。以西安市目前在建的幸福林帶(如圖5所示)為例，由于下方為綠化帶，故而無法修建建筑物；當(dāng)未來城市土地資源稀缺時，使用本設(shè)計，在綠化帶上方建造建筑承載臺，又由于單體建筑為空心柱形，不會遮擋陽光進(jìn)入下部，故而不影響綠化帶功能的發(fā)揮，還可節(jié)約土地資源；同時，建筑承載臺位置選取具有任意性，可架設(shè)于城市道路、河流等之上，節(jié)約土地資源。核心豎井的容積率極大，使得土地的利用效率顯著提高。

圖5 西安幸福林帶

2 設(shè)計定位與應(yīng)用推廣

2.1 設(shè)計基本定位與人居關(guān)系

1)設(shè)計作為療養(yǎng)院、醫(yī)院等使用。這類建筑的共同特點(diǎn)為白天需滿足心理發(fā)展的人性化需求，提供適宜的光環(huán)境，晚上需要提供適宜休息的建筑物理環(huán)境[10]。這樣，建筑白天位于地上、夜晚收入地下，可同時滿足上述要求。在這種情況下，單體建筑的出入井速度較下列2)3)4)項慢，以減輕給人的不適感。當(dāng)單體建筑靜止于核心豎井之下時，連接單體建筑與復(fù)合多功能支護(hù)的通道打開，使用者可通過通道到達(dá)復(fù)合多功能支護(hù)內(nèi)，通過其內(nèi)的電梯到達(dá)地面，且中央承重柱內(nèi)有應(yīng)急通道，可供應(yīng)急使用。建筑承載臺側(cè)面設(shè)有電梯與樓梯，可供出入。當(dāng)單體建筑靜止于建筑承載臺之上時，使用者可通過建筑承載臺側(cè)面的電梯或樓梯出入單體建筑。

2)設(shè)計作為銀行、首飾店等使用。這類建筑的共同特點(diǎn)為注重安全性與對外宣傳，即白天更加注重對外宣傳，夜晚更加注重安全性。因此，夜晚收入地下可利用地下空間的密閉性保證建筑的安全，白天又可置于高架之上，起到較好的宣傳推廣作用。在這種情況下，白天和夜晚，只需安保人員在核心豎井、建筑承載臺與地面連通的通道處值班，即可確保其安全性。非工作人員在出入井過程中不可進(jìn)出，以起到安全防護(hù)的作用。

3)設(shè)計作為景區(qū)建筑使用，尤其是大型的景區(qū)(如泰山)。這類建筑的特點(diǎn)是對于生態(tài)效益的要求較高，同時又要兼顧經(jīng)濟(jì)效益[11-12]。本設(shè)計不需平整邊坡，僅需架設(shè)建筑承載臺與建筑軌道就可放置單體建筑，對環(huán)境破壞小。這種情況下，使用者多在白天外出參觀景點(diǎn)，白天將單體建筑收入核心豎井，不影響景區(qū)的視覺效果，也不會造成使用者心理上的不適感；夜晚又可置于高架之上，使得建筑的使用者飽覽景區(qū)風(fēng)光。使用者進(jìn)出建筑的方式同1)。

4)設(shè)計作為辦公樓與住宅的聯(lián)合使用。白天單體建筑出井，作為辦公樓使用；晚上單體建筑入井，作為住宅休息使用，以減少通勤時間。使用者進(jìn)出建筑的方式同1)。

2.2 設(shè)計的改進(jìn)與推廣

1)若升降整棟建筑的技術(shù)難度較大，則可通過減小建筑規(guī)?；虿扇》謱由档男问浇档图夹g(shù)難度。

2)建筑深度較大，由于地溫的不同，會導(dǎo)致核心豎井內(nèi)部的溫度隨深度的變化而相應(yīng)變化。故而可采取接近地面部分的單體建筑移動、遠(yuǎn)離地面部分的單體建筑固定于地下的方式，進(jìn)行建筑垂直空間的梯度利用。

3)若將建筑物部分或全部改造為城市道路、立交橋等，并在部分地形起伏較大的城市內(nèi)使用，則可以實現(xiàn)道路的動態(tài)變化。即在不同的時段根據(jù)車流量的不同，通過移動單體建筑連通不同的城市道路。

4)可在復(fù)合支護(hù)中加入導(dǎo)熱材料，在核心豎井底部建設(shè)地?zé)犭娬尽：诵呢Q井深度可達(dá)數(shù)百m，因而地?zé)豳Y源較為豐富。這樣的優(yōu)化既可調(diào)節(jié)核心豎井溫度，又可發(fā)電，起到了良好的聯(lián)動作用。

5)可在核心豎井的復(fù)合多功能支護(hù)中開辟部分空間，設(shè)置額外的通道連通地面作為人防工程和防災(zāi)設(shè)施。以核心豎井的深度，即使鉆地導(dǎo)彈也難以對核心豎井造成毀滅性的破壞，且核心豎井的抗震性極佳，因此，適宜修建人防工程。

3 設(shè)計的力學(xué)分析及技術(shù)探討

由于本設(shè)計為創(chuàng)新性設(shè)計，目前尚無相關(guān)案例可以借鑒。本文基于西安市地質(zhì)情況，對相應(yīng)的地層及地下水位進(jìn)行了假定，對此建筑對應(yīng)的核心豎井井壁進(jìn)行了簡單的受力分析，初步探究實現(xiàn)此項目在技術(shù)上面臨的問題。

3.1 基本參數(shù)及工程地質(zhì)條件假設(shè)

單體建筑為空心柱型，內(nèi)徑60 m，外徑100 m，樓高50 m，共計6棟單體建筑，核心豎井深320 m,其中，底部20 m為設(shè)備。設(shè)地下水位為15 m。土的內(nèi)摩擦角φ=15°，黏聚力c=25 kPa。每棟單體建筑面積為80 000 m3，質(zhì)量為4 800 t，所受重力為48 000 kN。深井體積約為2.5×106m3。

空間穿梭建筑所處地層的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。其中，地下水位的埋深為15 m。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 水土壓力計算

對于地下水位以下土層采取水土分算[13]。根據(jù)朗肯土壓力理論計算可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動土壓力、主動土壓力系數(shù)分別為：

式中：pak為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)第i層土中計算點(diǎn)的主動土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，當(dāng)pak<0時，取pak=0；σak為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)計算點(diǎn)的土的豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Ka,i為第i層土的主動土壓力系數(shù)；ci、φi分別為第i層土的黏聚力(kPa)和內(nèi)摩擦角(°)。

對于地下水位以下的土層，主動土壓力和主動土壓力系數(shù)分別為：

式中ua為支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)計算點(diǎn)的水壓力。

計算得出支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的水土壓力，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可知，在核心豎井底部，水土壓力之和可高達(dá)4.4 MPa，對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一個挑戰(zhàn)。

γ為土的天然重度，kN/m3；γ′為土的浮重度，kN/m3。

在該案例的計算當(dāng)中，采取的是較為傳統(tǒng)的計算方法，而大深度地下空間中土體的應(yīng)力路徑、基坑的三維效應(yīng)、蠕變等影響因素都會使得傳統(tǒng)的朗肯、庫倫土壓力定理出現(xiàn)誤差[14]。解決這些問題有待大深度地下空間中的水土壓力計算理論的發(fā)展。

3.3 核心豎井施工的技術(shù)探討

本設(shè)計實現(xiàn)的技術(shù)難題在于核心豎井的設(shè)計與施工。以沉井法施工為例，探討核心豎井施工過程中面臨的技術(shù)難題。

沉井下沉至320 m時，按如下假定計算：1)沉井截面為半徑50 m的圓形；2)按直臂式沉井計算。井壁的單位深度側(cè)摩阻力按下式計算[15]。

F=μEL。

式中：F為井壁單位深度的側(cè)摩阻力；μ為摩擦因數(shù)，本文取0.5；E為修正后的井壁土壓力值，本文取3.2節(jié)中計算得出的主動土壓力；L為沉井外壁軸線周長。

計算井壁單位深度側(cè)摩阻力圖的面積，即得總側(cè)摩阻力f=6.7×104MN。假設(shè)此時沉井高度為320 m，其扣除浮力后的自重應(yīng)力按經(jīng)驗估算，約為6.6×104MN。本例中尚未計算端部阻力，僅計算側(cè)摩阻力，便已經(jīng)超過自重應(yīng)力，再加入端部阻力，則沉井的下沉問題成為技術(shù)難題。目前我國沉井法施工的最大深度尚未達(dá)到320 m。隨著深度的增大，沉井的沉降控制越發(fā)困難，存在突沉、超沉問題[15]。

另外，采用其他方法施工，如地下連續(xù)墻法，同樣也面臨著許多技術(shù)難題，如較大水土壓力下的變形控制等。

3.4 建筑出入井過程的技術(shù)探討

在大深度的空間下垂直提升重物，對于提升技術(shù)有很高的要求。

對于本文給出的算例，提升設(shè)備至少需要提供48 000 kN的提升力。假設(shè)單體建筑上升過程中以1 m/s的速度上升，則提升設(shè)備的功率至少為48 000 kW，且此設(shè)備應(yīng)置于中央承重柱內(nèi)，占地面積不超過7 800 m2。傳統(tǒng)提升機(jī)械無法達(dá)到這樣的要求。

實際上，由于單體建筑的出入井過程是每天重復(fù)進(jìn)行的，類似于交變荷載。但不同于以往分析動力機(jī)器擾力對地基土影響的方法，單體建筑出入井荷載大、變化周期長，當(dāng)單體建筑全部出井后，相當(dāng)于核心豎井底部基礎(chǔ)荷載減少了288 MN，每單位面積減少了37 kN。同理，單體建筑全部入井后，也增加了相應(yīng)的荷載。建筑在此過程中的應(yīng)力響應(yīng)分析，也是重點(diǎn)問題。

3.5 其他方面的技術(shù)探討

在其他方面，同樣有部分技術(shù)有待改進(jìn)與升級，例如：出井過程的偏心荷載對核心豎井抗拔能力提出了更高的要求；如何實現(xiàn)設(shè)備管網(wǎng)的動態(tài)連接；設(shè)計的防災(zāi)等[16]。

4 結(jié)論與建議

本設(shè)計通過核心豎井、建筑軌道、建筑承載臺的結(jié)合，使得單體建筑能夠脫離固定場地的束縛，實現(xiàn)地上、地下空間的自由轉(zhuǎn)換，選擇更適宜的環(huán)境。相比傳統(tǒng)可移動建筑，本設(shè)計“移動性”的核心設(shè)計理念與其類似，但將可移動的范圍拓展至大深度地下空間，最大的創(chuàng)新在于建筑能夠在地上、地下2種環(huán)境中進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換并實現(xiàn)可移動建筑、集成理念與地下空間開發(fā)利用3者的耦合。本設(shè)計有如下優(yōu)點(diǎn)：1)充分利用地下空間優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避其對人的負(fù)面影響；2)聯(lián)系性、動態(tài)性好等；3)節(jié)約土地資源。但是，設(shè)計的建造與運(yùn)營成本較高，故而適用于未來生產(chǎn)力水平大幅提升至人類對經(jīng)濟(jì)效益的追求弱于對心理感受或生態(tài)效益等的追求時。

文中給出了基本設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計?；驹O(shè)計突出體現(xiàn)了“自由轉(zhuǎn)換”這一核心設(shè)計理念，可用于醫(yī)院、療養(yǎng)院、銀行、景區(qū)等。但對于其他應(yīng)用場景，結(jié)合大深度地下空間的特性與建筑自身特點(diǎn)，對基本設(shè)計可做出相應(yīng)的優(yōu)化。例如：本文中給出的與地?zé)衢_發(fā)結(jié)合等問題，文中考慮的情況不夠全面，對于許多場景仍可做出相應(yīng)的優(yōu)化。因此，在不同的場景下，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是未來應(yīng)用時的研究重點(diǎn)之一。此外，在本設(shè)計中，對于設(shè)計的受力分析與實際施工僅進(jìn)行了初步的探討，設(shè)計的真正實施需要更加精確的計算以及所涉及施工、運(yùn)營、維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)的升級，尤其是大深度地下空間相關(guān)理論、技術(shù)的完善。