城市設計綜合防災減災和安全技術的設計研究

張俊杰 楊琦

引言

近年來，隨著我國城市建設的發(fā)展和建筑技術的進步，在改善人們生活環(huán)境和提升生活品質的同時，也給社會帶來了新的安全風險。安全是人們生存和發(fā)展的底線，城市的防災減災無論在國家還是地方的規(guī)劃層面得到了重視，城市規(guī)劃設計中有相應的防災減災專項規(guī)劃。建筑設計中，對抗震、消防有特殊的設計要求。但對于建筑規(guī)模越來越大、建筑概念越來越復雜，如出現(xiàn)了超高層建筑、城市綜合體、立體城市、地下空間綜合開發(fā)以及站城一體設計形式，在類似于城市設計的區(qū)域建筑空間、中心城區(qū)、城市核心區(qū)的防災方面顯得有些缺失。這種情況既要考慮到城市防災規(guī)劃的設計實施和建筑的防災安全，還有必要綜合考慮區(qū)域空間內城市設計中防災的問題。

研究城市設計中綜合防災減災和安全的技術措施，可以有助于城市中心區(qū)、核心區(qū)、建筑區(qū)域空間的防災減災和安全設計，形成針對建筑區(qū)域空間的工程性防災措施。對于解決城市規(guī)劃與建筑設計防災之間的短板問題具有一定的意義。

問題分析

（一）層面不足

從宏觀層面的城市防災規(guī)劃分析，城市防災（urban disaster prevention）是為抵御和減輕各種自然災害和人為災害及由此而引起的次生災害，對城市居民生命財產和各項工程設施造成危害、損失所采取的各種預防措施，包括城市防洪、城市防震、城市消防、城市防空等。防治城市災害所采取的措施有工程性措施和非工程性預防。

從微觀層面的建筑防災設計分析，側重于單體建筑的防災設計。建筑的防災主要局限來自于建筑自身的抗震設計和消防設計。

基于宏觀層面與微觀層面，需要有中觀層面的城市設計綜合防災設計將兩者有效地聯(lián)系。一方面，在城市設計的范圍內，需要考慮多棟建筑防災之間、建筑內不同功能變化之間的影響，從量變到質變的區(qū)域空間不同的防災需求。另一方面，區(qū)域開發(fā)的城市設計將市政基礎設施功能與建筑物相結合。如某新區(qū)中心區(qū)的核心區(qū)的總用地面積幾十公頃，除了地塊內有超高層建筑、城市綜合體外，其地下空間整體綜合開發(fā)，不僅有城市的地下軌道交通、城市綜合管廊，還有地下商業(yè)、車庫和地下環(huán)路。非常規(guī)建筑功能復雜且規(guī)模龐大，其抗震和消防的防災設計所能包含的內容，也是城市設計防災未能涉及的具體工程性內容（圖1）。

圖1 功能復雜的城市區(qū)域

（二）方法欠缺

城市的防災規(guī)劃中，主要包括城市的防洪規(guī)劃、城市防火（消防）規(guī)劃、城市減輕災害規(guī)劃和城市防空規(guī)劃的專項規(guī)劃，重點關注避難場所、物質儲存等方面的工程性預防措施。建筑沒有針對性的防災專項設計，相關的措施分散在設計的各個專業(yè)內容中。

在城市規(guī)劃與建筑設計的防災標準上，由于兩者的對象范圍不同，采取的評價指標也不一致。如有城市的內澇防治設計重現(xiàn)期（超大城市100a）、城市雨水管渠設計重現(xiàn)期（超大城市和特大城市中心城區(qū)的重要地區(qū)5～10a）、建筑室外場地的設計重現(xiàn)期（車站、碼頭、基礎基地2～5a）、建筑屋面雨水的設計重現(xiàn)期（重要公共建筑≥10a）中，國家標準《室外排水設計規(guī)范》GB 50014—2006（2016年版）規(guī)定，當匯水面積超過2km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，采用數(shù)學模型法計算雨水設計流量。從防災的角度出發(fā)，需要補充針對城市設計的相關標準參數(shù)。

城市設計（建筑區(qū)域空間）的防災設計不同于規(guī)劃，還需考慮有別于單一建筑的設計要求。其防災設計的方法需要結合所在地區(qū)性質（重要程度）、防災類型、設計規(guī)模、地形特點、氣候特征和市政基礎設施配套等因素綜合考慮，采取相應的防災設計標準和工程性設計措施。

（三）風險意識滯后

由于城市的飛速發(fā)展帶來的非均衡、跨越式增長模式，城市發(fā)展的變化，建筑區(qū)域空間的擴大，也帶來了新的人為災害風險。如地下空間的大規(guī)模一體開發(fā)，出現(xiàn)新的施工風險；人員的密集聚集，容易形成公共衛(wèi)生事件、恐怖災害等。城市設計中的復雜性引起致災因子的規(guī)律發(fā)生變化，減災的難度維數(shù)提高。城市公共安全突發(fā)事件出現(xiàn)常態(tài)化，這也是防災減災設計不僅僅是城市規(guī)劃中防災專項的問題，需要在設計中得到進一步的實施。此外，城市設計的防災需要專業(yè)交叉的技術融合。

防災理念

（一）成災要素

災害的發(fā)生可以歸納為3個成災要素（圖2）。災害的形成是由承災載體、空間環(huán)境和誘發(fā)因素共同作用的，三者不可分割。在城市設計的消防災害中，建筑物（可燃物）為承災載體，氧氣為空間環(huán)境，溫度為誘發(fā)因素。其他類型的災害也是如此。

圖2 成災的三要素

城市設計防災還需要綜合考慮不同時間矢量尺度差異和相互之間的匹配，科學合理地對待城市設計中的防災問題。

（二）防災理念

隨著認識的提高和技術的進步，對于防災減災的安全理念也發(fā)生了新的變化。城市設計中的災害也是風險的一種形式，無論是自然災害還是人為的災害，風險總是會存在的，關鍵是如何管控災害的風險。

1.從防災減災到韌性城市設計

安全與利益是城市建設和發(fā)展的兩條根本主線。城市設計的防震減災就是防御和減輕地震災害，傳統(tǒng)的解法是設計提高承災載體（建筑物）的防災能力，無論是采用主動或者被動的手段，注重承災載體的剛性需求，為此也付出了相當?shù)慕洕鷥r。事實上，一些災害不是靠承災載體所能吸收的。

從災害恢復的角度看，防災減災設計出現(xiàn)了“彈性”和“韌性”的概念。彈性為系統(tǒng)恢復到原有狀態(tài)，并保持系統(tǒng)結構和功能的能力。這里的韌性是指從“平衡”到“適應”、從“生態(tài)系統(tǒng)”到“社會 — 生態(tài)系統(tǒng)”。彈性城市也稱韌性城市、包容城市或活力城市。城市韌性（urban resilience）即城市系統(tǒng)和區(qū)域通過合理準備、緩沖和應對不確定性擾動，實現(xiàn)公共安全、社會秩序和經濟建設等正常運行的能力。

具有韌性的防災設計，三個本質特征：①系統(tǒng)能夠承受一系列改變并且仍然保持功能和結構的控制力；②系統(tǒng)有能力進行自組織；③系統(tǒng)具有能夠建立和促進學習自適應的能力。

2.本質安全

城市設計的本質安全就是通過追求建筑區(qū)域空間內全生命周期中人、物、系統(tǒng)、制度等諸要素的安全可靠和諧統(tǒng)一，使各種危害因素始終處于受控制狀態(tài)，進而逐步趨近本質型、恒久型安全目標。在建筑存在安全隱患的環(huán)境條件下，建筑本質安全能夠依靠內部系統(tǒng)和組織保證來長效功能安全。

應對策略

（一）綜合防護原理

1.開展防災專項設計

在城市設計階段，建議對防災的內容進行綜合，形成防災專項設計篇章或防災減災和安全設計導則，指導、統(tǒng)籌建筑的防災設計實踐。

城市設計的防災設計應該是綜合考慮的，非割裂的防災專項設計。它包括建筑區(qū)域空間布局的安全與防災，協(xié)調關鍵設施的配置、避難空間和承災空間，確保全天候、無障礙的疏散和救災主通道。城市設計的安全受體防災子系統(tǒng)可由自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生事件、社會安全事件方面構成。其防災不局限于某一專項的內容。

2.建立防災風險評價體系

對城市設計的安全因素進行分類，建立城市設計防災的最大風險評價體系，以實現(xiàn)工程、城市設計區(qū)域空間系統(tǒng)安全為目的，把握城市設計的建筑區(qū)域空間內所有災害類型及其隱患程度，從而模擬出在最大危險圖景。

風險評價注重災前預防，從應對單一災種向綜合防災減災轉變，從減少災害損失向減輕災害風險轉變，提升抵御城市設計中各類災害的綜合防范能力。要營造建筑的安全小氣候，不僅在于建筑自身的各項安全設計，更在于對周邊環(huán)境、相互關聯(lián)的綜合城市安全設計。聚焦適合建筑區(qū)域空間內的重點領域和薄弱環(huán)節(jié)，評估基礎設施的脆弱性，增加系統(tǒng)組件的冗余度，完善城市設計的防災、安全的物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的應用。

（二）設計方法

城市設計的防災設計方法可以分風險識別、風險評價、風險減緩的應對步驟（圖3）。通過對建筑區(qū)域空間災害的成因進行梳理，采用不同的方式定性或定量分析，提出具體的防災減災的控制措施，進行有效的風險管理，以最小成本爭取獲得最大安全保證。

圖3 城市設計的防災設計步驟

災害具有偶然性、必然性、連鎖性、多種性和人類的干預性。其防災設計應有順應自然的防災方法，借鑒古今的成功案例，化害為利，形成創(chuàng)新的城市設計的綜合防災方法。在風險管理上，采取風險規(guī)避、風險轉移、損失控制（預防風險）、風險自留的方法。

（三）防災專項分析

建筑空間區(qū)域的防災專項分析有：抗震防災減災、地質災害、氣象災害、火災防災減災、洪災與內澇防災減災、生物與環(huán)境災害防災減災、交通事故防災減災、防爆安全、防恐安全、公共衛(wèi)生安全等控制專項以及避難安全場所與民防專項。在防災建筑的分析中，需要考慮到災害對建筑物之間、各災害之間的相繼故障影響的耦合關系、連鎖效應，特別是對區(qū)域能源、水、電、通信等基礎設施的布局應給予一定的設計冗余度，依靠預防來控制，設計采用有效的監(jiān)測預警。

開展風險評估在城市設計不同尺度下抗震防災實施中的應用，提出其抗震的具體標準，考慮建筑群之間的相互影響。結合中心區(qū)的建筑物高度，提出總體疏散的預案。針對建筑區(qū)域空間的地下空間整體開發(fā)，需分析施工、設計、運行不同階段的地質災害的風險，全生命周期考慮災害的影響。在城市設計氣象災害中，關注超高層建筑群中帶來的風災影響。開展CFD（計算流體動力學）模型的模擬，對建筑設計提出指導性的建議。冰凍災害的問題分析上，涉及冰凍對區(qū)域道路的影響、市政基礎設施和機電設備運行的影響。還需考慮區(qū)域建筑高度密集情況下，雷電災害的預防，沙塵暴和霧霾天氣在城市設計中的影響，注重“微氣候”的構建。

城市設計區(qū)域空間的防火設計，可通過綜合防治技術、建筑性能化技術，模擬火災和人員疏散，結合消防安全的設施布局，重構綜合防災與應急救援。在防洪方面，關注河道與城市設計之間的關系，分析水利洪災對區(qū)域空間的影響，提倡韌性城市設計；結合海綿城市、水敏性城市設計、LID（低影響開發(fā)）設計，協(xié)調區(qū)域內區(qū)域雨水排水與河道標高的關系，給出建筑場地的標高建議。打造友善水環(huán)境的韌性智慧建筑區(qū)域空間，通過水文循環(huán)改變、恢復水文狀態(tài)，提高城市設計的保水、防洪、排澇功能等應對措施。水環(huán)境、氣體環(huán)境、固體環(huán)境與城市設計同步，處理、排放、處置結合，形成環(huán)境友好型的城市設計。

在交通事故的預防上，平衡地下空間出入口與地面道路之間的關系，設計引入“物聯(lián)網(wǎng)”技術，加強交通的監(jiān)控，建設智慧交通平臺。分析城市設計中爆炸因素，規(guī)劃爆炸物品，從源頭控制，分析危險氣體、危險物質、火種、空氣等。建立《防恐安全管理體系》，對人員、物品進行適度的監(jiān)控。建議在城市設計中，融入對公共衛(wèi)生的監(jiān)控，重點關注建筑區(qū)域空間公共衛(wèi)生環(huán)境的監(jiān)控、隔離。例如，空調系統(tǒng)的設計、新風量的取值、給水與回用水的隔離、排水系統(tǒng)的設計等。

設計應用

城市設計的綜合防災減災在設計中具有應用的價值。特別是對于城市核心區(qū)高密度開發(fā)的超高層建筑群、地下空間基盤、交通組織復雜的立體交通系統(tǒng)，面臨防災嚴峻的新挑戰(zhàn)。

在上海某核心區(qū)的綜合防災與安全設計中，提出防災減災是城市中央核心區(qū)的安全的保障和基礎。在技術措施上，對高密度、集聚性的城市中央核心區(qū)整體開發(fā)地下空間，其自身就具有天然的防災性。它在高密度建筑中騰出更多的綠地空間，增加了可利用的中央核心區(qū)的避難場所，有利于火災時人員疏散，也有利于雨水的下滲、防洪、防澇（圖4）。利用區(qū)域開發(fā)形成的韌性，增加了區(qū)域內的整體防災協(xié)調，建立智慧化的基礎設施，有利于核心區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

圖4 城市中央核心區(qū)綠地

城市地下空間多地塊整合與城市軌道交通相結合，形成綜合開發(fā)的地下空間大基盤是近年來工程設計項目中出現(xiàn)的新問題，其綜合防災設計顯得尤為重要。在成都某新城的總部基地CBP項目引入城市設計綜合防災減災和安全技術。針對城市地下空間防災性和易災性的雙重特性，統(tǒng)籌城市地下空間的高效、集約、協(xié)調發(fā)展，以可持續(xù)發(fā)展為理念提倡城市韌性的設計。奠定城市設計的綜合防災減災作為地上和地下空間安全的基礎，構建有幸福感的城市中央商務公園區(qū)（圖5）。

圖5 城市中央核心區(qū)的防災安全理念

該項目綜合防災的主要內容有兩方面的含義：①應對自然災害與人為災害、原生災害與次生災害，全民規(guī)劃設計，制定綜合對策；②針對災害發(fā)生前、發(fā)生后的避災、防災、減災、救災等各種情況，采取的配套措施。防災的手段有工程防災、規(guī)劃防災、管理防災。設計將新城總部基地CBP的安全因素進行分類，建立評價體系。通過適當?shù)脑u價方法，聚焦適合該“中央商務公園”項目現(xiàn)階段的重點領域和薄弱環(huán)節(jié)，給出相應的事先評估預防（預案）、事中監(jiān)管的一些安全運行的建議。在災害的識別上，該項目地下空間相關的災害有火災災害、爆炸災害、洪水災害、地震災害、空氣污染災害、恐怖襲擊災害等，分析城市地下公共空間的特定功能性、自身的脆弱性、環(huán)境的復雜性和內部人員的密集性，并提出了智慧防災的設計。在防災的安全技術設計中，總體上布局防災隔離帶和應急通道。CBP地下空間的防洪與海綿城市設計上，確定防洪的設防標準，按100年一遇的標準設計，增加防洪的安全措施；對過境的城市泄洪渠道進行了調整，采用了擋、泄（排）和蓄（滯）相結合的技術措施（圖6）。防爆安全和防恐安全設計上，分析了地下空間內部的爆炸事故的起因有恐怖襲擊爆炸事故、交通事故引發(fā)爆炸、可燃性氣體爆炸等主要因素，可以進行地下空間爆炸災害事故分析、爆炸災害發(fā)生可能性預測、爆炸災害后果預測、沖擊災害預報技術的應對對策。值得注意的是，地下空間發(fā)生爆炸后容易導致火災，并造成嚴重的人員的傷亡和財產的損失；生化及放射性恐怖襲擊給城市地下空間內部環(huán)境安全帶來的問題十分復雜多樣，涉及地下空間規(guī)劃與設計、通風空調系統(tǒng)設計、過濾與凈化技術、消毒技術、生化檢測、個人防護、人員疏散、應急避難、安全保衛(wèi)與運行管理措施等諸多方面，需要采取以“堵”為主，“堵、濾、排、消”相結合的綜合防護措施。

圖6 某中央商務公園地下空間的防洪與海綿城市設計

此外，地下空間的其他防災安全還有施工風險預警、運營風險管理、地質災害的防災減災、氣象災害的防災減災、生物與環(huán)境災害的防災減災、城市地下道路的防災等。通過構建智慧防災平臺，協(xié)調城市地下空間的防災減災問題。

結語

城市設計綜合防災減災和安全技術的設計是一個值得引起注意的環(huán)節(jié)，它涉及城市規(guī)劃的防災專項與建筑設計。城市公共安全狀況和防范災害的能力是衡量其質量和文明程度的重要標志，城市設計的防災要求體現(xiàn)了以人為本的理念。

建筑區(qū)域空間的防災需要統(tǒng)籌不同類型災害的防控系統(tǒng)，采用協(xié)調的防災減災對策，與現(xiàn)行應急管理的區(qū)塊方向相一致。