基于生態(tài)文明時(shí)代的城市地下空間科學(xué)規(guī)劃方法

柴燕

【摘要】城市地下空間的利用是解決城市問(wèn)題的有效途徑，但也可能對(duì)城市發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，城市地下空間的發(fā)展需要更好的協(xié)調(diào)指導(dǎo)方針，以協(xié)調(diào)各種城市系統(tǒng)和地下空間的多個(gè)組成部分。本研究分析了土地管理、綜合規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)和施工技術(shù)進(jìn)行提高城市地下空間對(duì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)貢獻(xiàn)的關(guān)鍵維度。為了實(shí)現(xiàn)這四個(gè)關(guān)鍵維度之間的多學(xué)科協(xié)同，需要基于空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)規(guī)劃方法框架。因此，這項(xiàng)工作為學(xué)者和實(shí)踐者提供了一個(gè)可持續(xù)的城市地下空間發(fā)展的整體觀點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】生態(tài)文明;城市地下;科學(xué)規(guī)劃;可持續(xù)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.01.048

1、引言

城市地下空間的開發(fā)和利用在土木、水利和建筑工程的十大發(fā)展前沿中名列前茅。在全球城市化和可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，城市地下空間使用和生態(tài)友好型建材是目前土木、水利、建筑工程的主要發(fā)展趨勢(shì)。隨著發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家城市化率的不斷提高，人口密集的城市面臨越來(lái)越大的土地利用壓力，城市地下空間作為一種重要的土地資源的利用越來(lái)越受到人們的關(guān)注。此外，城市地下空間的使用被視為一種可持續(xù)的城市化手段。然而，可持續(xù)性是一個(gè)廣泛的話題，因?yàn)闆]有標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量使用城市地下空間所產(chǎn)生的相關(guān)貢獻(xiàn)。在尚未實(shí)現(xiàn)的聯(lián)合國(guó)千年發(fā)展目標(biāo)的基礎(chǔ)上，生態(tài)文明建設(shè)不僅擴(kuò)大了千年發(fā)展目標(biāo)對(duì)人民福祉（如貧困、健康、教育和性別平等）的影響，而且強(qiáng)調(diào)了保護(hù)地球生命支持系統(tǒng)（如水、能源、氣候、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)）的重要性。實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)所需的全球轉(zhuǎn)型尚未以所需的速度或規(guī)模推進(jìn)，生態(tài)文明建設(shè)涉及的領(lǐng)域廣泛，在滿足人類基本需求和預(yù)期的保護(hù)地球目標(biāo)之間取得平衡的復(fù)雜性增加了。為了解決這一問(wèn)題，人們進(jìn)行了廣泛的研究，以揭示生態(tài)文明建設(shè)與水、土壤、農(nóng)民、能源、火災(zāi)、生態(tài)系統(tǒng)、紡織品、非住宅建筑和新城市政策等領(lǐng)域之間的協(xié)同效應(yīng)和權(quán)衡關(guān)系。

上述貢獻(xiàn)的建立是本研究的主要?jiǎng)訖C(jī)之一。第2節(jié)中分析城市地下空間與生態(tài)文明建設(shè)之間的聯(lián)系可分為積極貢獻(xiàn)、潛在損害和合作方式。合作方式意味著生態(tài)文明建設(shè)需要城市地下空間的發(fā)展，以建立諸如機(jī)構(gòu)、管理、規(guī)劃和設(shè)計(jì)等軟措施，以最大限度地?cái)U(kuò)大積極影響并減少消極影響。在第3節(jié)中，我們回顧了城市地下空間開發(fā)科學(xué)規(guī)劃方法的四個(gè)關(guān)鍵維度，即現(xiàn)代土地管理、綜合規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，以引出每個(gè)維度的要求。第4節(jié)提出了一個(gè)基于空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的框架，以滿足四個(gè)關(guān)鍵維度的要求，這有助于實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)。最后，第5節(jié)總結(jié)了城市地下空間的研究成果和未來(lái)展望。

2、城市地下空間在實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)中的作用

2.1 生態(tài)文明建設(shè)與城市地下空間之間的聯(lián)系

關(guān)于城市地下空間與城市可持續(xù)性之間的聯(lián)系，在前面的文獻(xiàn)中有多種方法?；诳沙掷m(xù)發(fā)展的三大支柱，即環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)，對(duì)可持續(xù)項(xiàng)目評(píng)估程序框架進(jìn)行了修改，在四種可能的未來(lái)情景中探索城市地下空間使用和城市可持續(xù)性之間的可能聯(lián)系，即從新的可持續(xù)性范式、堡壘世界、市場(chǎng)力量和政策改革的觀點(diǎn)來(lái)看，通過(guò)上下文敘述來(lái)分析城市地下空間使用的可持續(xù)性貢獻(xiàn)。顯然，城市地下空間使用的可持續(xù)性分析并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這主要是因?yàn)榭沙掷m(xù)發(fā)展的定義無(wú)法量化。在這方面，生態(tài)文明建設(shè)以及詳細(xì)的目標(biāo)和可衡量的指標(biāo)可能是有用的工具。然而，生態(tài)文明建設(shè)并未明確提及城市地下空間，盡管其中許多都受到開發(fā)城市地下空間和其他相關(guān)地下資產(chǎn)的有利和不利后果的影響。值得注意的是，大多數(shù)城市地下空間服務(wù)，無(wú)論是直接的還是外部的，都可以與生態(tài)文明建設(shè)掛鉤。換句話說(shuō)，盡管城市地下空間為生態(tài)文明建設(shè)做出了貢獻(xiàn)，但決策者并沒有很好地意識(shí)到這些聯(lián)系。為了填補(bǔ)這一空白，本綜合圖繪制了生態(tài)文明建設(shè)和城市地下空間之間的聯(lián)系，可以從貢獻(xiàn)、有害和合作的角度來(lái)理解。這意味著城市地下空間可以對(duì)生態(tài)文明建設(shè)做出積極貢獻(xiàn)或造成損害，也可以滿足生態(tài)文明建設(shè)設(shè)定的工具要求。

2.2 城市地下空間建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的影響

雖然城市地下空間有利于減輕外部災(zāi)害，但大多數(shù)城市地下空間類型，如地下地鐵設(shè)施和地下購(gòu)物中心，容易受到內(nèi)部災(zāi)害，包括火災(zāi)、爆炸、輻射和內(nèi)部洪水。如果它們與相鄰的其他地下設(shè)施連接良好，通常被認(rèn)為是典型的設(shè)計(jì)思想，則災(zāi)害誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。此外，地下人行過(guò)街隧道，特別是較長(zhǎng)的隧道，會(huì)吸引犯罪分子，建議在這些隧道內(nèi)配置商業(yè)設(shè)施和閉路電視攝像機(jī)，增加曝光率，從而減少犯罪。

隨著地下軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展，地下步行系統(tǒng)以其整體效率和便捷性越來(lái)越受到重點(diǎn)城市的青睞。然而，在他們的香港案例研究中，提出了一個(gè)擔(dān)憂，即這種好處可能是以街道活力為代價(jià)，以引導(dǎo)行人從地面到地下，這是對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的潛在威脅。一般來(lái)說(shuō)，城市地下空間結(jié)構(gòu)需要一個(gè)緩沖區(qū)來(lái)維持力平衡。這意味著，無(wú)論垂直尺寸如何，城市地下空間都比表面更容易堵塞。實(shí)際上，由于日益增多的分散的公用管道，城市的大部分淺埋地下都面臨著空間短缺，這使得城市地下空間在城市再開發(fā)中的使用更加復(fù)雜。此外，現(xiàn)有的城市地下空間結(jié)構(gòu)很難擴(kuò)大或拆除，以適應(yīng)新興的城市需求。因此，低而有限的升級(jí)能力可能會(huì)阻礙未來(lái)的城市再開發(fā)。

3、科學(xué)規(guī)劃的關(guān)鍵因素

3.1 現(xiàn)代土地管理

在大多數(shù)國(guó)家，地下世界仍處于混亂狀態(tài)，部分原因是可獲得的地下數(shù)據(jù)不足，不僅包括生態(tài)文明建設(shè)所強(qiáng)調(diào)的巖土工程數(shù)據(jù)，還包括與現(xiàn)有地下基礎(chǔ)設(shè)施有關(guān)的數(shù)據(jù)。在某些情況下，城市地下空間的建設(shè)可能不得不暫停，以處理裸露的遺產(chǎn)或碰撞的地下設(shè)施。即使在規(guī)劃階段，大型運(yùn)輸隧道等效益極高的城市地下空間項(xiàng)目也可能會(huì)因侵占私有財(cái)產(chǎn)而引發(fā)爭(zhēng)議，因?yàn)榈孛嫱恋厮姓呗暦Q，他們腳下的地下空間是他們對(duì)土地的既得利益。因此，法律模糊性是城市地下空間開發(fā)的主要問(wèn)題?？紤]到城市地下空間資產(chǎn)深切關(guān)注城市可持續(xù)性，這是真正的公共利益，確保合理和蓄意使用也是生態(tài)文明建設(shè)的一個(gè)重要問(wèn)題。在很大程度上，獲得這些數(shù)據(jù)和沒有法律問(wèn)題是其他三個(gè)方面的先決條件。在這方面，一個(gè)現(xiàn)代的土地管理系統(tǒng)可以解決與土地使用權(quán)、土地價(jià)值、土地利用和土地開發(fā)相關(guān)的問(wèn)題。然而，在地下問(wèn)題上，現(xiàn)代土地管理仍然面臨著一些問(wèn)題。法律問(wèn)題是城市地下空間開發(fā)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。地上和地下區(qū)域的權(quán)利、限制和責(zé)任是現(xiàn)代土地管理的核心，也是現(xiàn)代土地管理的另一個(gè)重點(diǎn)。

3.2 綜合規(guī)劃

在全球大多數(shù)城市的規(guī)劃體系中都被忽視或低估了。相反，城市地下空間經(jīng)常被涉及到分散的部門規(guī)劃，特別是在基礎(chǔ)設(shè)施公用事業(yè)、水和能源部門，因此在城市發(fā)展中沒有得到協(xié)調(diào)和充分的規(guī)劃。此外，城市規(guī)劃中的城市地下空間概念容易與城市地下空間混淆。因此，作者認(rèn)為，即使城市地下空間被納入城市規(guī)劃，只有七分之一的城市地下空間資產(chǎn)被考慮，而其他城市地下空間資產(chǎn)被排除在外。這些因素可能會(huì)損害城市地下空間對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的貢獻(xiàn)潛力。隨著學(xué)術(shù)界逐漸認(rèn)識(shí)到城市地下空間在城市可持續(xù)發(fā)展中的重要性，然而，規(guī)劃行業(yè)很少巧妙地處理城市地下空間。這種忽視部分是由于規(guī)劃從業(yè)者的傳統(tǒng)直覺，他們傾向于忽視或低估他們正在工作的地圖下的第三維，部分是由于對(duì)看不見的地下世界的復(fù)雜性和不熟悉，因?yàn)橐?guī)劃人員不知道什么可以在地下使用，在哪里使用。

城市地下空間規(guī)劃與傳統(tǒng)的土地利用規(guī)劃有以下不同之處：傳統(tǒng)的土地利用規(guī)劃可以提供部分3D解決方案，例如道路交叉所需的高架橋。然而，周圍的土壤和巖石使得地下環(huán)境幾乎不可能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，這意味著城市地下空間規(guī)劃實(shí)際上是一次性的行動(dòng)，其實(shí)施不可能像地面行動(dòng)那樣容易恢復(fù)。此外，使用城市地下空間所帶來(lái)的好處基本上不在市場(chǎng)范圍內(nèi)。外部性的存在通常使城市地下空間解決方案處于建筑成本爭(zhēng)論的中心，比表面或高架結(jié)構(gòu)的成本要高得多。這些特征表明城市地下空間規(guī)劃需要有良好的基礎(chǔ)，特別是有效的規(guī)劃技術(shù)，包括但不限于城市地下空間使用的適用性評(píng)估、需求預(yù)測(cè)、布局方法和成本效益分析。

3.3 建筑設(shè)計(jì)

建筑設(shè)計(jì)對(duì)于為地下用戶創(chuàng)造一個(gè)更友好、更健康的環(huán)境、減少內(nèi)部災(zāi)害損失、協(xié)調(diào)地下和地面設(shè)施的界面至關(guān)重要，這些都是生態(tài)文明建設(shè)的重要方面。更重要的是，如果沒有良好的建筑設(shè)計(jì)，規(guī)模龐大的城市地下空間設(shè)施會(huì)造成城市地下空間資產(chǎn)的巨大浪費(fèi)，對(duì)居民的吸引力會(huì)降低，最終會(huì)被廢棄，修復(fù)的機(jī)會(huì)微乎其微。例如，使用城市地下空間的著名示例案例現(xiàn)在被重新視為故障，因?yàn)樗灰暈榱?、機(jī)械或存儲(chǔ)的純技術(shù)空間;因此，沒有考慮具體的以人為本的建筑設(shè)計(jì)。在上述三個(gè)方面中，地下環(huán)境、心理問(wèn)題和地下設(shè)施的防災(zāi)問(wèn)題近年來(lái)得到了廣泛的研究。

地下物理空間質(zhì)量的重要性及其相關(guān)的心理健康問(wèn)題早在三十多年前就被人們所關(guān)注和討論。這些問(wèn)題可以分為三類，即1）環(huán)境壓力源，如熱舒適、空氣質(zhì)量、噪音、照明和無(wú)窗環(huán)境;2）社會(huì)心理問(wèn)題，如消極的文化態(tài)度（與埋葬和邪惡有關(guān)）和缺乏可感知的控制（由于找路困難和黑暗）;3）健康問(wèn)題，如晝夜節(jié)律紊亂、維生素D缺乏、幽閉恐怖反應(yīng)和病態(tài)建筑綜合征。然而，大多數(shù)早期的研究在描述性和方法論上都是過(guò)時(shí)的。為了填補(bǔ)這一空白，為了更深入地理解優(yōu)質(zhì)地下空間的人性化設(shè)計(jì)機(jī)制，開展了多項(xiàng)研究項(xiàng)目。運(yùn)用先進(jìn)的神經(jīng)認(rèn)知方法和概念有助于定性分析。

3.4 施工技術(shù)

施工技術(shù)在實(shí)現(xiàn)城市地下空間可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。例如，傳統(tǒng)的切割-覆蓋方法比鉆孔隧道更有可能為未來(lái)穿越城市地下空間創(chuàng)造障礙，并影響其他城市地下空間資產(chǎn)，如地下水、空間連續(xù)體和地下生物，這是由于附屬的擋土墻。隨著地表和淺層城市地下空間越來(lái)越擁擠，傳統(tǒng)的建筑技術(shù)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前城市發(fā)展和實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)的需求。

為了盡可能地保持原有空間連續(xù)體的特性，需要微擾動(dòng)施工技術(shù)和控制系統(tǒng)。微擾動(dòng)施工技術(shù)的實(shí)例包括采用新型低溫發(fā)射、接收密封工藝的盾構(gòu)隧道和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的氣動(dòng)沉箱。系統(tǒng)分為施工前的調(diào)查、預(yù)測(cè)和決策、施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)和反饋控制、施工后的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)和控制三個(gè)部分。城市地下空間的發(fā)展趨勢(shì)是向更深、更大的方向發(fā)展。然而，地質(zhì)不確定性、勘探和監(jiān)測(cè)困難、設(shè)計(jì)理論和方法、開挖或鉆探設(shè)備等方面也出現(xiàn)了挑戰(zhàn)。這樣更深入、更大的城市地下空間項(xiàng)目需要各個(gè)施工環(huán)節(jié)之間更好的協(xié)作，需要更好的把握整個(gè)施工過(guò)程，需要更好的把握城市地下空間結(jié)構(gòu)與地表和地下周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)關(guān)系。

4、為實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)而采取合作方式的框架

現(xiàn)代土地管理、綜合規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)和施工技術(shù)這四個(gè)維度，都是一個(gè)城市向生態(tài)文明建設(shè)提及城市地下空間的關(guān)鍵和必然。因此，這四個(gè)維度的相關(guān)部門之間的協(xié)作、協(xié)調(diào)和溝通（本文稱之為協(xié)作方式）對(duì)于確保城市地下空間發(fā)展的價(jià)值具有重要意義?？臻g數(shù)據(jù)是解決四個(gè)關(guān)鍵維度中的基礎(chǔ)先決條件。當(dāng)前城市管理各個(gè)維度的實(shí)踐表明，城市地下空間構(gòu)成了一組為應(yīng)用提供空間數(shù)據(jù)、服務(wù)和信息的關(guān)系和伙伴關(guān)系，是在各個(gè)城市部門之間建立科學(xué)規(guī)劃方法的關(guān)鍵。全面闡述了城市地下空間在實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)方面的重要性，明確建議采用城市分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施作為城市地下空間，用于衡量和監(jiān)測(cè)國(guó)家和地方生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)展。因此，本研究表明，基于城市地下空間的協(xié)作方式對(duì)于城市地下空間朝著生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展至關(guān)重要，基于當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的典型經(jīng)驗(yàn)和城市地下空間開發(fā)的具體需求，本研究提出了基于城市地下空間的科學(xué)規(guī)劃方法的框架。

4.1 城市地下空間的數(shù)據(jù)要求

地下三維地圖機(jī)的數(shù)據(jù)要求包括三維法律數(shù)據(jù)和三維物理數(shù)據(jù)，這對(duì)城市地下空間朝著生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展也具有重要意義?？臻g數(shù)據(jù)可以用來(lái)表示地下的法律和物理數(shù)據(jù)，從而支持四個(gè)關(guān)鍵維度之間的科學(xué)規(guī)劃方法。關(guān)于城市地下空間開發(fā)的現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)來(lái)自不同格式和標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)來(lái)源。這些數(shù)據(jù)的處理、共享和協(xié)調(diào)在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性和耗時(shí)，這可以解釋為缺乏互操作性。此外，現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)在大多數(shù)情況下是由某一部門私人保存的，其他部門和一般公眾無(wú)法獲得，這主要是由于限制性和競(jìng)爭(zhēng)性政策。這也是工程溝通不暢、效率低下和事故發(fā)生的主要原因。為了解決這些問(wèn)題，需要一個(gè)具有城市地下空間空間數(shù)據(jù)一致標(biāo)準(zhǔn)和政策的共享城市地下空間。

支持協(xié)作的數(shù)據(jù)至少包括地層數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。在過(guò)去的幾十年里，出現(xiàn)了許多旨在提高井下數(shù)據(jù)可用性和利用率的舉措。此外，空間元數(shù)據(jù)對(duì)于通過(guò)城市地下空間識(shí)別、評(píng)估和訪問(wèn)數(shù)據(jù)集也至關(guān)重要。

4.2 三維建模與可視化

地下世界是無(wú)形的在大多數(shù)情況下，城市地下空間數(shù)據(jù)的建模和可視化可以促進(jìn)地下狀態(tài)的理解/未來(lái)和公眾參與規(guī)劃和設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)據(jù)提供者和顧客之間建立橋梁行業(yè)的四個(gè)關(guān)鍵維度。展示的規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)結(jié)果決策者和公眾，此外，借助虛擬現(xiàn)實(shí)、4D可視化、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)，利益相關(guān)者可以更好地了解虛擬地下環(huán)境中的規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)，有助于規(guī)劃和設(shè)計(jì)成果的優(yōu)化。城市地下空間建模和可視化的理想解決方案是一個(gè)數(shù)字孿生平臺(tái)。將城市地下空間整合到空間上啟用的數(shù)字孿生體中，是一種對(duì)復(fù)雜但不可見的地下世界中的物理實(shí)體和法律實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化、查詢和分析的智能方法。

結(jié)論：

在此，我們從聯(lián)合國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的視角對(duì)城市地下空間與城市可持續(xù)性的關(guān)系進(jìn)行了綜述。本研究涵蓋了廣泛的學(xué)科領(lǐng)域，特別是近十年來(lái)的廣泛研究，幫助讀者形成一個(gè)整體的觀點(diǎn)，概念和主要挑戰(zhàn)的城市地下空間研究在各個(gè)學(xué)科。主要目標(biāo)是提高利益相關(guān)方對(duì)城市地下空間在實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)中的作用的認(rèn)識(shí)，并促進(jìn)合理使用城市地下空間以促進(jìn)城市可持續(xù)性。

協(xié)同方法結(jié)合了四個(gè)關(guān)鍵的學(xué)科維度，即現(xiàn)代土地管理、綜合規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，每一個(gè)都是具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，在可持續(xù)城市地下空間使用方面有不同的研究問(wèn)題和具體要求?，F(xiàn)代城市地下空間土地管理系統(tǒng)需要消除法律障礙，建立三維地圖。集成城市地下空間規(guī)劃至少考慮了適宜性評(píng)估、需求預(yù)測(cè)、布局方法和不同規(guī)劃層次的成本效益分析。應(yīng)采取具體的設(shè)計(jì)措施，提高地下建筑質(zhì)量，減少和減輕地下內(nèi)部火災(zāi)或洪水災(zāi)害。先進(jìn)的施工技術(shù)和管理也需要解決日益復(fù)雜的地下環(huán)境的挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題和需求可以通過(guò)使用城市地下空間在很大程度上得到解決。

基于城市地下空間的科學(xué)規(guī)劃方法應(yīng)該建立在一個(gè)共享的、智能的平臺(tái)上，該平臺(tái)配備了各種空間數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行3D建模、可視化和分析。今后應(yīng)進(jìn)一步量化城市地下空間對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的貢獻(xiàn)，為城市地下空間的使用制定更明確的目標(biāo)。同時(shí)，不僅在這四個(gè)關(guān)鍵方面，而且在建立城市地下空間平臺(tái)方面，還需要解決方法和技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。

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