混凝土級配理論在城市群發展中應用的可行性分析

張達祥

(北京雙圓工程咨詢監理有限公司 北京 100080)

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混凝土級配理論在城市群發展中應用的可行性分析

張達祥

(北京雙圓工程咨詢監理有限公司 北京 100080)

隨著我國城鎮化進程的穩步推進，中小城鎮如何與中心城市相銜接，積極融入更大的區域范圍，實現多贏共榮的目標一直備受關注。經過對混凝土相關理論的研究分析，發現混凝土強度分布規律和城市發展一般規律具有相似性，從而通過類比混凝土材料級配理論，提出城鎮級配的概念，以期為探索出城市群中中心城市和中小城鎮及政府之間的級配關系提供理論基礎。

混凝土；級配理論；城市群

一、引言

在2014年3月國務院公布的《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》中，增強中心城市輻射帶動功能，加快發展中小城市，有重點地發展小城鎮，促進大中小城市和小城鎮協調發展被正式列為未來城鎮化工作的重點和目標。因此，在城市群中如何合理地確定中心城市和中小城鎮的比例，對于促進城鎮一體化發展就顯得尤為重要。鑒于此，本文創造性地引入混凝土材料級配理論的概念，試圖通過混凝土材料級配與城鎮級配的類比，建立城鎮級配模型，從而厘清城市群內中心城市和中小城鎮的級配關系，同時為政府制定城市群發展戰略時提供理論參考。

二、混凝土強度分布規律與城市發展規律的對比

隨著人口的大量聚集和二、三產業的飛速發展，城市已經成為區域經濟發展的中心和推動現代社會高度發達的前沿基地1。然而由于區位條件、資源稟賦等的差異，各城市的功能定位和發展速度都不盡相同。因此，在城市群內各城市都奮力向前的同時，如何準確定位不同類型的城市在區域中的功能和地位，充分發揮各城市的資源優勢和區位優勢逐漸成為城市建設與區域空間開發的關鍵問題。混凝土作為現代土木工程中應用最廣、用量最大的材料，在房屋建筑、道路、橋梁、地鐵、井巷、水利和港口等工程中扮演著重要角色，是城市發展壯大的基石。一直以來，混凝土都被認為是一種耐久性材料，不僅能在使用過程中抵抗各種破壞因素的作用，還能保護里面的鋼筋不被腐蝕。因此，本文在研究時想到如果能通過對比混凝土強度的分布規律和城市發展的一般規律，找出混凝土強度分布和城市發展的共同規律,并將混凝土各材料之間的級配關系類比到不同類型城鎮間的配位關系，那么經“配合”形成的城市群是否經過一段時間也能擁有如混凝土般良好的耐久性、較強的抗壓能力和較好的經濟效益。

強度作為土木工程結構對材料的基本要求，是選擇施工材料的重要指標。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的規定，混凝土立方體抗壓強度是指按標準方法制作的，標準尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體試件，在標準養護條件下，養護到28d齡期，以標準試驗方法測得的抗壓強度值，以fcu表示，單位為N/mm2或MPa。按《標準》等規定的條件和方法進行檢測，通過大量的試驗和統計分析得到不同養護溫度下混凝土“完整的強度齡期曲線”，如圖2-1左圖所示。

圖2-1 混凝土強度增長曲線和城市化進程對比圖

與混凝土的強度增長曲線相似，1975年美國地理學家諾瑟姆在《城市地理》一書中通過對各個國家城市人口占總人口比重變化的研究發現，城市化進程具有階段性規律，即全過程呈一條稍被拉平的S型曲線，如圖2-1右圖所示。后來經過世界各國城市化進程證實，城市化階段性的一般規律是：(1)第一階段為城市化的初級階段，一般城市人口低于總人口的20%左右，城市人口增長緩慢；(2)第二階段，城市化進程逐漸加快，當城市化水平為33-35%時出現持續遞增的加速度，S曲線呈指數曲線攀升，一般到50%左右出現城市化拐點，城市化加速度開始遞減，城市化的邊際成本將逐漸增大，但城市化率還是上升的，一直持續到城市人口超過70%以后才進一步趨緩。城市化拐點把中期階段細分為中前期和中后期，反映了城市化加速度的不同；(3)第三階段，城市化進程緩慢上升或停滯或略有下降趨勢。

對比混凝土強度增長曲線圖和城市化進程階段圖，不難發現：(1)兩者在曲線形狀上都呈現為稍被拉平的S型曲線，起于坐標原點，沿X軸向右延伸，分別止于28d齡期和晚期階段；(2)強度增長曲線和城市化率曲線在0～3d、初期階段都以較小斜率緩慢增長，在3～7d、中前期階段呈現加速增長，在7～14d、中后期階段表現為逐步減速增長，并最終在14～28d、晚期階段達到穩定進入停滯狀態；(3)兩條曲線上均存在一個拐點，在拐點以下曲線呈加速增長，拐點以上曲線呈減速增長，并分別以100%和80%為漸近線。綜上，可以認為混凝土強度分布和城鎮發展的城市化率在一定程度上具有相似的發展規律，這便為城鎮級配概念的提出奠定了類比的可能性。

三、混凝土材料級配與城鎮級配的類比

根據《普通混凝土配合比設計規程》所述，普通混凝土的基本組成材料是水泥、水、粗集料和細集料4種成分。通常，混凝土中水泥和水形成水泥漿，占混凝土質量的25%～35%，集料占65%～75%。水泥漿在混凝土中包裹在粗、細集料表面并填充集料間的空隙，在未硬化的混凝土中起到潤滑作用，賦予新拌混凝土拌合物一定的和易性。在硬化后的混凝土中，硬化水泥漿體起膠結作用，將混凝土粗細集料膠結成整體，賦予混凝土強度。

類似地，人類社會在漫長的發展過程中也形成了不同類型的城市規模。根據《中國中小城市發展報告(2010)：中國中小城市綠色發展之路》顯示，我國中小城市數目已達2160個，56%的地級以上城市為中小城市。綠皮書指出，城市化的高速發展使原有的城市劃分標準已經不適應現實的需要。為此，綠皮書依據中國城市人口規模現狀，提出的全新劃分標準為：(1)超大城市：城市人口1000萬以上；(2)特大城市：城市人口500至1000萬；(3)大城市：城市人口100至500萬，其中300萬以上500萬以下的城市為Ⅰ型大城市，100萬以上300萬以下的城市為Ⅱ型大城市；(4)中等城市：城市人口50至100萬；(5)小城市：城市人口50萬以下，其中20萬以上50萬以下的城市為Ⅰ型小城市，20萬以下的城市為Ⅱ型小城市。

按照以上劃分標準，本文可以假定：由在全國或一定區域內社會經濟活動中處于重要地位、具有綜合功能或多種主導功能、起著樞紐作用的大城市、特大城市和超大城市所組成的中心城市扮演著混凝土材料中粗集料的角色，構成全國濟活動網絡的主要連接點，對國民經濟發展起主導作用；由中等城市和小城市及具有一定規模工商業的城鎮組成的廣泛分布、幅員遼闊的中小城鎮充當著細集料的角色，作為中心城市在區域的補充，發展地方區域經濟、帶動農村發展、轉移制造業和農村勞活力，與中心城市共同起到骨架作用；城鎮間的經濟活動則扮演著水泥的角色，作為城市群中的膠凝材料，填充并膠結著各中心城市和中小城鎮之間的空隙，賦予城市一定的抗壓強度并形成穩定的城市群。物流和信息流作為經濟活動的活力源泉，如水一般和扮演水泥的經濟活動形成水泥漿，在“配合”后的城市群中起到潤滑作用，使得中心城市和中小城鎮通過物流、信息流的運輸和傳遞形成具有密切社會和經濟聯系的城市群。當由不同規模的城市所組成的城市群初具雛形后，政府的宏觀調控就猶如混凝土振搗機械一般起著攪拌夯實的作用，擠出城市群內的經濟泡沫，讓各生產要素在經濟活動的帶動下產生流動，并密實地分布在城市群的各個角落。具體如表3-1所示。

表3-1 混凝土材料級配與城鎮級配類比表

據此，我們將混凝土材料級配的理論類比到城市規劃和區域發展的實踐中，便在城市群中形成了以中心城市、中小城鎮為骨架，以經濟活動為膠凝材料，以物流、信息流為活力源泉，以政府宏觀調控為助力的城鎮級配模型。在模型中，中心城市、中等城市、小城鎮通過經濟要素的流通和協作形成緊密聯系、互惠互利的城市群，改變了傳統城市發展觀念里中心城市作為集工業、商貿、金融、文化科技、信息、服務中心為一體的多核心城市[2]。不同于傳統發展模式里中心城市作為多功能中心，城鎮級配模型更注重不同規模城市之間的互惠互利，旨在通過規劃過程中大小城鎮的“級配”作用，從而達到城市群同發展、共促進、享繁榮的目的。

四、混凝土質量評定與城市群應用效果的類比

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的規定，混凝土抗壓強度是用養護至28d齡期的150mm×150mm×150mm的立方體試件在溫度20±2℃、相對濕度在95%以上條件下以標準試驗方法測得的極限抗壓強度值，以fcu表示，單位為N/mm2或MPa。其中,水泥強度等級(fce)和膠水比(C/W)是影響混凝土強度的決定性因素，因為混凝土的強度主要取決于水泥石的強度及其與集料間的黏結強度，而這兩者又取決于水泥的強度等級和水膠比的大小[3]。集料本身的強度一般大于水泥石的強度，因此對混凝土強度的直接影響很小，但能通過回歸系數(A,B)產生間接影響。大量試驗結果表明，在原材料一定的情況下，混凝土28d齡期抗壓強度與膠水比之間呈線性關系，并受水泥實測強度的影響，符合下列經驗公式：

同樣地，對于類比混凝土材料級配理論建立的城市群發展過程中城鎮間的級配關系，也需要選擇合理的指標對其應用效果進行評價。GDP作為衡量一個國家或地區的經濟發展綜合水平的通用指標，被認為是衡量國民經濟發展情況最重要的一個指標。但采用GDP來反映經濟狀況最大的缺陷在于GDP是一個總量的概念，并不體現為國民的實際生活水平和福利狀況，而人均GDP則正好彌補了GDP在這方面的不足。所以，選擇城市群的人均GDP作為評價城鎮級配關系在城市群中應用效果的指標[4]，即發展成型且成熟的城市群在一年內實現的生產總值與所屬范圍內常住人口的比值。這樣也就和混凝土質量評定中抗壓強度指標的計算具有相似的原理，兩者都是通過對整體在一定時期內某一數值的測算從而求得每一單位所獲得的效果，并且比值和效果之間呈現出明顯的正相關關系，比值越大，效果越好。

通過進一步分析，發現影響混凝土強度的因素和影響城市群人均GDP的因素之間也存在類似的關系，于是將混凝土強度的影響因素引申到城市群人均GDP的影響因素即為：經濟活動和物流、信息流作為中心城市和各中小城鎮的“黏結劑”，城市群內頻繁且有效的經濟活動會加強城鎮間的聯系和融合，經濟活動的增加會使城市群的交易頻率提高、交易對象增加，交易范圍擴大，即“市場密度”增大，物流、信息流的流通和傳輸有利于經濟活動中各生產要素的交換和協作。如此，經濟上更適用的要素就能夠通過物流和信息流的傳遞配置到生產過程中，不僅可以帶動區域經濟總量的增加，效率也會因此提高，從而對城市群的人均GDP產生重要影響。綜合考慮，得出城市群應用效果的一般公式：

G=g(E,L,I,α,β)

式中：G——城市群人均GDP水平 E—城市群中經濟活動的活躍指數 L—城市群中物流的配合程度 I—城市群中信息流的覆蓋范圍 α，β—影響系數，與城市群中的中心城市和中小城鎮有關

由公式可知，城市群人均GDP水平作為因變量，是在城市群中經濟活動的活躍指數、物流的配合程度、信息流的覆蓋范圍以及與與城市群中的中心城市和中小城鎮有關的影響系數共同作用下的函數。

五、結論

經過前面混凝土強度分布規律與城市發展一般規律的比較、混凝土材料級配與城鎮級配以及混凝土質量評定與城市群應用效果的類比，本文對混凝土級配理論在城市群發展中應用的可行性進行了綜合分析評價，并通過模型在關中城市群和珠三角城市群中應用效果的對比，得出如下結論：(1)混凝土強度分布和城鎮發展的城市化率在一定程度上具有相似的發展規律；(2)混凝土材料級配與城鎮級配能建立一一對應的類比關系；(3)混凝土質量評定與城市群應用效果評價擁有相似的計算原理和方法。綜上所述，本文認為混凝土級配理論在城市群發展中的應用是可行的。

[1]蔣志勇.城市化、城鎮化和城鄉一體化的演進與發展關系研究[J].城市發展研究,2015,22(1):C1-C3.

[2]FANG Chuanglin.Important progress and future direction of studieson China’s urban agglomerations[J].Journal of Geographical Sciences,2015,25(8):1003-1024.

[3]蘇捷,方志.不同骨料組分混凝土立方體抗壓強度尺寸效應試驗研究[J].建筑結構學報,2014,35(2):152-156.

[4]馮寶軍,楊希雅,遲國泰.基于脈沖響應的區域經濟政策實施效果評價[J].系統工程理論與實踐,2015,35(5):1090-1101.

張達祥(1981-)，男，漢族，四川達州人，北京雙圓工程咨詢監理有限公司第九監理部部長助理，工程師，本科，研究方向：城市建設及工程項目管理。