城市方舟
——基于軍民融合的新型城市地下空間設計構想

鄭程元，徐 湃, *，邢榮軍，李 眾

(1.重慶交通大學 省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

0 引言

世界各國對城市地下空間的開發距今已有數百余年歷史。在戰爭頻發的年代，地下結構由于受到周圍巖土體的約束，其抗震性能優于地面結構，因此修建地下防空洞具有重要戰略價值。1863年，倫敦大都會地鐵線開通，正式開啟了現代城市地下空間開發的進程。該城市的地下鐵路網絡在第一和第二次世界大戰時期被改建成居民庇護所，保護市民免受空氣侵害，并于1940年至1942年的轟炸突襲中建造了8個深層掩體[1]。1932年，芬蘭赫爾辛基開始修建Viikinm?ki地下污水處理廠，將處理后的污水直接排入芬蘭灣。20世紀90年代，波士頓為了騰出地面空間以綠化城市環境、適度開發以增加土地的商業價值，將中央大道高架橋改建成隧道。日本地處地震頻發帶，一般會修建大型地下洞室來保障基建設施的安全。東京于2006年建成了最先進的下水道排水系統——首都圈外圍排水道，以避免該地區遭受水災侵害[2]。

我國早期地下空間以人防工程為主，主要采取邊創造、邊設計、邊施工的建設方式，缺乏整體規劃和布局[3]。進入新世紀以來，城市地下空間發展取得了綜合發展。王海闊等[4]對城市避難場所與地下空間復合開發模式進行了探討，提出了地面綠地、公園+地下人員掩蔽工程、物資庫以及廣場+地下人員掩蔽工程2類開發模式。呂游[5]以北京朝陽區地下商業空間為例，通過融入人文關懷，對其通行系統、購物環境、功能分區等提出設計建議。王曦[6]基于功能耦合深入研究了城市地下空間的規劃分類標準、規劃控制指標和方案評價體系，建立了城市地下空間規劃理論與方法體系。洪辰玥[7]從節能、場地、環境出發，提出了地下公共空間綠色設計方法，并構建了相應的地下公共空間綠色設計評價體系。深圳前海綜合交通樞紐屬于超大型的軌道+上蓋綜合體，地下室為一個整體，樞紐與物業空間緊密相連，接口眾多。“站城一體化”的設計理念作為前海地下空間規劃的最大特點，實現了立體公共交通與高端城市綜合體無縫連接，將地面空間釋放并還給城市[8]。

總體看來，我國城市地下空間發展雖然取得了很大的進步，但在非戰時期，將地下空間與避難、人防、軍事戰備等結合較少。而早些年“平戰結合”方針的提出對城市經濟發展有一定的促進作用，人防工程、軍事戰備應與城市地下空間開發協調共進[9]。2012年，習近平總書記規劃了“軍民融合”發展新藍圖，把“軍民融合”發展上升為國家戰略，并強調“軍民融合”既是興國之舉，也是強軍之策[10]。本文基于“地下街+地鐵站”城市地下空間發展模式，融入人防、軍事戰備、新科技研究、軍事經濟等，從空間結構、基建設施、功能定位上進行創新，設計出概念作品——“城市方舟”，以期為今后的城市地下空間建設提供參考和借鑒。

1 “城市方舟”的基本特性

1)具備智慧。物聯網、工業互聯網、大數據和人工智能等新興科技發展，信息之間的感知、互聯、處理和協調功能將使“城市方舟”更加智慧化，并體現在設計、建造和運維各個環節。建設智慧地下空間對于解決我國經濟社會轉型中的諸多現實問題、實現城市可持續發展、引領信息技術應用、提升城市整體綜合競爭力、有效促進城市健康和諧可持續發展等具有重大戰略意義[11]。

2)節能減排。面對全球變暖的嚴酷事實，人類在考慮生活宜居性的同時要考慮到可持續發展，在“城市方舟”的建設與使用中做到節能減排，整體建筑形態緊湊、集成，有較高的建筑密度和容積率，減少土地利用的碳排放。在開挖過程中，減少植被破壞，選用節能材料，減少化工品污染，優先發展建筑節能[12]；建成后，大量投放新能源、碳減產品，利用地熱等可再生能源供能，建立地下污水處理廠等，打造一個“微型生態圈”。

3)人文關懷。我國城鎮化快速發展的同時，隨之而來也產生了一系列的“城市病”，在推動城市地下空間發展和改善人民生活條件的同時，也要考慮到城市發展對人民身心健康的影響。“城市方舟”注重以人為本，空間設計與規劃尊重自然，融入文化，消除幽閉空間帶給人們的負面情緒，延續城市歷史文脈。

4)軍事經濟。1978年我國制定了“平戰結合”方針，使得人防工程在非戰時期能夠產生經濟效益。為充分落實該方針，“城市方舟”內建有地下軍事研發基地，軍事研發主要集中在空天武器、生物醫療、信息傳輸、新能源及新材料5大領域，借此大力發展軍事科技。不同于一般的地下街商業經濟模式，“城市方舟”內研發尖端科技所帶動的經濟占比同樣重要，能滿足日常開銷與持續運作，實現小空間內商業-交通-軍事經濟一體化發展。

5)軍事戰備。地下空間在戰時曾作為主要的人防工程發揮了重要作用，我國現在仍然保留著眾多的地下避難所與軍事要塞。把軍民融合帶入設計理念中，融合人防工程、軍事基地與地下街(見圖1)，將地下空間建設成堅不可摧的護民之盾，有利于推動城市社會總體安全觀，引導人防建設工作有序推進。這是我國長期探索經濟建設和國防建設協調發展規律的重要成果，是應對復雜安全威脅、贏得國家戰略優勢的重大舉措，逐步構建軍民一體化的國家戰略體系和能力。

圖1 平戰結合+融入城市生活

2 “城市方舟”結構設計及基建設施

2.1 分層劃區的結構形式

“城市方舟”是我們對于未來城市地下空間的一次大膽暢想，其效果圖和結構圖如圖2所示。基于主流的“地下街+地鐵站”商業模式，考慮到軍事戰備與應急避難，對其結構進行橫、縱向延伸，利用交互通道相互連接，整體建筑分區劃層，將功能體現在地層深度中，并集工、商、農、學、兵五位一體的概念設計。

(a)效果圖

“城市方舟”整體結構(見圖2(b))由3個子空間組成，分別為左上方的作戰區、右上方的綜合區及最下方的中央區。作戰區與中央區之間由橫、縱電梯組成的L形通道連接，在兩者交接處設1處中轉室，用來控制橫縱電梯并為過往行人提供休息。綜合區與中央區之間使用縱向電梯連接，在與L形通道的交接點也設置1處中轉室。在綜合區內，有1條地鐵線路貫穿而過，該線路與整個城市軌道網絡相互連接。

作戰區位于近地層，整體結構為長方體，分左右兩側，屬于常見的地下軍事基地，剖透圖和立面圖如圖3所示。其左側有停機坪與檢修區，同時承擔軍備人員的飲食起居與相關軍事操練，右側為地下導彈發射基地。

(a)剖透圖

綜合區由上部矩形塊和下部圓柱體組成，類似于商城分層劃分，效果圖如圖4所示。為便于在城市中開挖，上部結構平面形狀設計成矩形，地面建有生活廣場(見圖5)，距離地表較遠層則采用圓形平面。其中，圓形直徑長度等于矩形對角線長度，一是為了便于開挖和修建，二是盡可能地增大地下使用空間。上部矩形建筑的功能主要是滿足在非應急情況下的日常需求，如商業街、停車場、地鐵站、思想教育等。較深地層的避難所在應急狀況下對外開放，在必要時，上部結構可改建為臨時避難所。地下農場、區域電站等日常保持低能耗的工作狀態，負責整個地下空間的資源循環和能源供給，做到不閑置、不浪費地下空間。

(a)效果圖1

圖5 地表生活廣場鳥瞰圖

中央區(結構形式見圖6)由1個主體結構和8個球形子結構組成，縱向電梯貫穿整個主體，連接各層。8個球形子結構串聯在一條環形通道上，且與主體之間有單獨的通道相互連接，如同衛星群圍繞著行星旋轉，寓意著即使我們身處地下也要仰望星空。

圖6 中央區結構形式

2.2 新舊基建的交融

2.2.1 智慧施工

在施工前，鉆孔放置埋設物，對開挖區域巖體中存在的剪裂帶進行標記，將掌握的巖體實時信息反映到電腦屏幕上。開挖過程中，當挖掘設備接近埋設物時，發出聲光警告，防止作業人員損害到埋設物。當遇到需要爆破的巖層時，提前布置監測點，每個監測點安裝定制儀器和觸發電平。一旦觸發，監測點會自動將爆破數據傳送至中央信息平臺，制定監測點的綜合生命周期圖，實現遠程監測。

開挖宜采用冷凍暗挖法，在需開挖的地層周邊鉆孔埋設凍結管，通過在凍結管中循環冷媒，使凍結管周圍地層降溫、凍結，形成具有抑制地層變形及隔水作用的凍結帷幕。在凍結帷幕內利用機器人進行開挖和施工，通過軟件將開挖計劃傳輸至機器人，也可以直接導入3D模型，隨后開挖設備根據其工作面的位置，擬定開挖計劃，進行精確開挖。整體施工流程見圖7。

圖7 施工流程圖

2.2.2 基于5G、AI技術的安保系統

對于場外安保，一方面在建筑外部采用AI機器人/無人機對一些特定區域內的人員進行巡邏檢測，實時傳輸影像；另一方面，在出入口采用熱成像儀器對出入人員和隨行物品進行安全檢查，通過AI智能分析人員的步頻、肢體動作、神態等信息，以提前預測人員的行為。若發現未經允許的危險行為，由報警系統發出警報至安保部門，同時，AI機器人采取措施阻止其進出，然后等待安保人員到達現場進行處理。

場內安保依靠建筑物內部的AI機器人全天巡邏，保障建筑內人員活動區的安全，通過AI智能分析對具有潛在危險的人員和攜帶危險物品的人員發出警告，及時趕往有異常情況出現的區域排查并傳輸實時影像至安保部門。此外，在一些重要區域如倉庫區、能源設施區、軍事區域等設卡，禁止無權限人員入內，保障重要區域安全，維持整個“城市方舟”的穩定運行。

2.2.3 高精度、高靈敏度實時監測服務

工作人員佩戴基于5G技術的健康監測設備(如手環、腳環、戒指等)實時檢測身體的各項指標，將數據上傳至數據庫，形成個人的每日健康報告，同時這些數據在經個人許可后可用于相關的科研工作。

在地下空間中，空氣質量、溫度、濕度、氣體組成和流動程度等對人類的舒適感影響較大，通過新型5G空氣檢測儀實時監測地下空間中空氣的各項指標，確保干凈、清新的空氣，尤其在人員密集區域，應防止氧濃度較低或攝入有毒氣體中毒等事件的發生。

3 “城市方舟”功能概括及應用分析

3.1 軍事戰備

俗話說：弱國無外交。一個國家的強大與否取決于軍事競爭力，從冷兵器時代到近代大國制約小國發展的核威脅，再到未來尖端高科技熱武器，軍事競賽從未停止過。我國要在世界上保持話語權，就需要不停地研發、創造新型武器，同時也需要將保密等級做到最高，因此地下空間無異于是修建軍事基地的絕佳場所。地下軍事基地分為2大區域：作戰區和中央區。從功能上看，作戰區負責導彈發射、軍備人員訓練和戰艦檢修等；而中央區負責對全局的統籌兼顧，并且還需要研發與軍事相關的一切科技。從埋深位置上比較，作戰區修建在近地層，頂部設閘門，在做好地表隱蔽性的同時也便于軍事力量出動；中央區修建在遠地層，與作戰區之間用秘密通道連接。

3.1.1 常規作戰

作戰區(效果圖見圖8)分為2大部分。

圖8 作戰區效果圖

第1部分是導彈發射區，其平面圖如圖9所示。發射區有2個發射井，采用圓形閘門，一方面是為了節約用地，另一方面是為了便于導彈安裝與更換。圍繞2個發射井修建一圈鋼化防爆墻，保障安全。緊挨著發射區的是中控區，分別有監控臺、發射臺和會議廳。監控臺對導彈發射和地上禁飛區實時監控，配備先進的反導系統，同時監測導彈儲備室，防患于未然。導彈儲備室外同樣需要建立一圈防爆隔離墻，右側停車場主要用來停靠發射車，用于運輸、補給導彈。訓練區是為了滿足作戰人員定期訓練的需求。醫療室平時負責檢查所有人員的身體健康狀況，緊急情況下可承擔救急任務。

圖9 導彈發射區平面示意圖

第2部分為備戰區(平面圖見圖10)，分為停機區、檢修區、綜合區與補給區。停機區共有3處停機坪(平面圖見圖11)、4個副承臺(立面圖見圖12)和1個中央承臺。副承臺根據戰艦體積大小沿著滑槽自由滑動，確保戰艦穩定停靠，內部設有垂直電梯，方便檢修人員和作戰人員出入戰艦。承臺上都附有可伸縮托盤，用于抵消部分質量，減小地面承壓。若戰艦燃料箱位于底盤，則在中央承臺下方設燃料補給站，便于燃料補充。另外，中央承臺四周有4根大型機械手臂，主要負責戰艦檢查、維修及保養，取代傳統人力勞動，確保精準性以及提升速度。

圖10 備戰區平面示意圖

圖11 停機坪平面圖

圖12 副承臺立面圖

停機區右側有1處大型維修區，負責戰艦組裝、保養和對破損嚴重戰艦的維修，兩端可放置零件，也可對廢料加工處理，進行二次使用。最右側的補給區由上向下依次是燃料庫、廢棄燃料處理室、資料庫、武器庫和冷兵器庫。武器庫與燃料庫需要盡可能隔開，以確保發生危險時兩者不會相互波及。將冷兵器庫設在最下方，是因為左側為一大型訓練區，便于取放武器進行操練。訓練區左側是該區人員日常起居與用餐的區域。

3.1.2 技術研發

主體結構由上至下分別為指揮中心、生活中心、武器研發中心、智能通道及綠屋，如圖13所示。指揮中心作為地下軍事基地的“大腦”，承擔著擬定決策、行動指揮、軍事監控、戰略部署等多項重要任務；生活中心負責生活在中央區所有人員的日常起居與飲食供應，且配套有微型監獄，關押特殊人員；最下方的綠屋為重要領導人避難所，與上方武器研發中心用智能通道連接。

圖13 中央區立面圖

中央區主體結構與外圍小型結構共分為5處不同的研發部門，研發方向有11大類，分別為：武器研發中心(反導系統、火控系統、航空技術)、醫療研發中心(生物技術、醫療設備)、信息部(信息技術、傳送技術)、能源部(能源技術、動力技術)和生產部(材料技術、制造技術)，如圖14所示。

圖14 中央區規劃圖

3.2 災害防控與緊急避難

“城市方舟”屬于廣場+地下人員掩蔽工程類[4]的復合避難場所。地下空間在地面覆蓋層的保護下，對于暴風雪、空地突襲、火災等地面災害具有極好的防護能力，而且，地震對于地表的破壞遠大于地下，因此，“城市方舟”同樣具備抗震能力。在采取一定防護措施后，“城市方舟”還可以有效避免放射性物質和有毒物質的滲入[13]，如新型冠狀病毒感染和切爾諾貝利核輻射。

但一般的地下建筑內部災害難以防護，內部火災、有毒物質擴散、城市洪水倒灌都會帶來巨大損失。“城市方舟”區別于傳統地下避難建筑，由于采用劃區的結構形式，在建筑節點處設有閘門，當內部發生災害時，及時關閉閘門，達到區域減災滅災的效果。例如：將綜合區的停車場改建成臨時蓄洪池，停車場出入通道作為引水道，最后通過地下管廊排出，防止地面附近區域發生洪澇；中央區的環道同樣如此，用閘門(見圖15)將整個環道分成24小段，當某一段發生災害時，及時關閉兩側閘門，避免產生連鎖反應。

圖15 閘門示意圖

3.3 地下教育基地

地下教育基地建成后，定期組織學生參觀游覽，開展防災避難的知識宣傳和技能培訓，讓學生增長知識、開闊視野，宣揚國防理念、了解防災常識、提高防護能力，注重培育公共服務意識，在面對重大災害時具有奉獻精神，對抗災救災工作具有重要意義。

針對地下空間相關的專業課程應側重實踐培養，將“城市方舟”作為實踐場所，開展城市地下空間實踐學習，結合城市地下空間與軍民融合、防災避難建立學習體系，從而更好地促進人才培養與教育。

3.4 地下旅游景點

在文旅融合的今天，地下空間作為防災避難的實體，同時也是彌足珍貴的文化場所和旅游資源。“城市方舟”以神秘的地下軍事工程為特色，以防災避難為主題增加游客興致，通過融合歷史與現代科技，注重游客的參與感，讓游客在互動的過程中增強防災避難意識，提升應急救護能力。地下走廊效果圖如圖16所示。

圖16 地下走廊效果圖

4 結論與體會

我國城市地下空間發展不過數十余載，實現了在結構(地道至地下城)、模式(單一至多元)和功能(人防工程至工商結合的地下街)上的多級跳，考慮到目前主流規劃方式陷入瓶頸，本著居安思危的想法，“城市方舟”應運而生。

1)“城市方舟”整體由綜合區、作戰區和中央區3個部分組成，并基于現有的地下建筑進行結構上的創新。子體結構之間采用橫、縱通道相互連接，平時關閉通道，分區而治，協同發展；戰時打開通道，整體化一，抵御危險。

2)“城市方舟”內建有數種基建設施，實現了工、商、農、學、兵五位一體的多元化發展模式。依靠商場和地鐵帶來的巨大人流，通過教育基地普及相關知識，利用藻類農場與污水處理廠完成氣、水循環，利用地下工廠開挖地熱資源提供能量。同時，建有沉浸式擬態空間與地下公墓，最大程度上消除人們的負面情緒并提供心理建設。

3)“城市方舟”融合人防工程、軍事基地與地下街，以避難為落腳點，提出了“和平時期可用，災難時期好用”的構想。當地面發生大面積病毒傳播時，人們可以進入“城市方舟”內避難，切斷與外界的物理接觸，利用遠程醫療技術對患者進行救治；當敵對勢力引起戰亂時，地下軍事基地將合理地部署戰略方針，制定作戰計劃，利用空地戰術等來保障居民安全。

4)“城市方舟”描繪了人類未來地下空間的發展藍圖，有助于推動城市深層化、科學化、綜合化、生態化、智能化、人性化發展，展現了人類對美好生活的向往，以及應對災難與戰爭的智慧。對于推動融入軍事戰備的城市地下空間建設，“地市方舟”是一種新的城市化發展模式，而非決策者的杞人憂天。限制未來地下空間發展的，唯有設計者的想象。