張忠宇,李 奧,龔丹丹,梁 順,高才馳
(蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210019)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,城市將不可避免地面臨人口密集、交通堵塞、土地緊缺等問(wèn)題,使得城市空間需求急劇增加與地面空間資源稀缺這一矛盾日益突出[1]。當(dāng)前單純地向城市上部發(fā)展已無(wú)法拓寬城市空間資源,而向地下要空間、要土地、要資源,已成為現(xiàn)代化城市發(fā)展的必然[2]。城市地下空間在緩解地面土地緊缺、擴(kuò)大城市發(fā)展空間和功能、減少環(huán)境污染、提高城市抵御災(zāi)害能力、節(jié)約能源等方面發(fā)揮了積極的作用,因此在城市化發(fā)展過(guò)程中,各地均加大了對(duì)城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用[3]。
進(jìn)入21 世紀(jì)以后,中國(guó)城市地下空間的開(kāi)發(fā)體量增長(zhǎng)快速,開(kāi)發(fā)體系也不斷完善,在總體規(guī)模和發(fā)展速度上,中國(guó)的城市地下空間開(kāi)發(fā)利用水平已居世界首位,在地下空間勘探、規(guī)劃設(shè)計(jì)、法規(guī)管理、技術(shù)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)等方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[4]。但是我國(guó)大規(guī)模城市地下空間開(kāi)發(fā)也引發(fā)了一些問(wèn)題,主要表現(xiàn)為:
(1)城市地下空間建設(shè)引發(fā)了一些工程環(huán)境災(zāi)害問(wèn)題,如地下結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)[5]、周邊道路路面開(kāi)裂[6]、周邊建(構(gòu))筑物破壞、地下水銳減和污染[7]等。
(2)一些并不滿足財(cái)政收入或城市人口要求的城市盲目籌建軌道交通、地下道路和地下綜合體,造成社會(huì)資源的極大浪費(fèi),也使得政府面臨負(fù)債率過(guò)高和持續(xù)巨額虧損的風(fēng)險(xiǎn)。部分城市地鐵項(xiàng)目在全面開(kāi)工后,被政府緊急叫停,開(kāi)挖的基坑得到回填,在城市環(huán)境受到破壞的同時(shí)也造成了巨大的財(cái)政資金損失[8]。
(3)城市地下空間規(guī)劃的協(xié)同性和系統(tǒng)性較差,一些城市地下空間的規(guī)劃是后來(lái)拼貼、修補(bǔ)上去的,盡管有了相關(guān)規(guī)劃,但是與地面道路、建筑設(shè)施的結(jié)合協(xié)調(diào)性極差。有些城市進(jìn)行地下空間規(guī)劃只是向地下要一點(diǎn)建筑空間,而沒(méi)有真正將之作為承納城市發(fā)展的一種戰(zhàn)略舉措[9]。
當(dāng)前城市地下空間開(kāi)發(fā)引發(fā)的問(wèn)題已嚴(yán)重影響了地下空間開(kāi)發(fā)的安全性和有效性,其根本原因在于缺乏對(duì)城市地下空間資源屬性的深入認(rèn)識(shí)、科學(xué)的規(guī)劃和有效的管理,也缺乏相應(yīng)法律法規(guī)的合理約束[10]。同時(shí)城市地下空間的不可逆性、與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的適應(yīng)性、建設(shè)需求的動(dòng)態(tài)性以及對(duì)周邊環(huán)境的不良影響等均要求對(duì)地下空間實(shí)施保護(hù),建立系統(tǒng)的地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)劃體制,完善地下空間開(kāi)發(fā)技術(shù)支撐,以避免盲目跟風(fēng)建設(shè)或無(wú)序開(kāi)發(fā)引發(fā)的城市環(huán)境破壞和資源浪費(fèi)。本文研究城市地下空間保護(hù)性開(kāi)發(fā)策略,梳理和分析城市地下空間保護(hù)性開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀,進(jìn)一步提出城市地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)方法及技術(shù),旨在為國(guó)內(nèi)大規(guī)模的城市地下空間建設(shè)提供一定的指導(dǎo)和借鑒。
近30 年來(lái),我國(guó)各大城市開(kāi)始大規(guī)模的地鐵設(shè)施建設(shè),相應(yīng)地也極大帶動(dòng)了地鐵周邊地下空間的開(kāi)發(fā)利用。伴隨地鐵建設(shè),各城市相繼制定適宜本地城市發(fā)展的地下空間管理規(guī)定(條例、辦法、導(dǎo)則、通知),主要內(nèi)容涉及規(guī)劃編制審批、用地審批管理、工程建設(shè)管理、用地登記測(cè)繪、使用管理等方面內(nèi)容,從法律、法規(guī)、規(guī)章、技術(shù)規(guī)范等層面系統(tǒng)性地梳理我國(guó)現(xiàn)行的地下空間法規(guī)體系。其中地下空間綜合性規(guī)范主要涵蓋了地下空間開(kāi)發(fā)中的多個(gè)環(huán)節(jié)規(guī)定,涉及規(guī)劃、項(xiàng)目立項(xiàng)、建設(shè)流程、工程管理、政策扶持、設(shè)施維護(hù)、法律責(zé)任等方面。同時(shí)針對(duì)專門的地下設(shè)施,例如人防設(shè)施、地下管線、綜合管廊等,也制定了相應(yīng)的規(guī)范性文件。
我國(guó)地下空間法規(guī)體系(部分)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)地下空間法規(guī)體系(部分)統(tǒng)計(jì)[11-13]
分析我國(guó)現(xiàn)行的地下空間法規(guī)體系,可以得出如下結(jié)論:
(1)規(guī)劃管理方面。一些城市建立了地下空間規(guī)劃編制體系,強(qiáng)化了對(duì)各級(jí)地下空間規(guī)劃編制內(nèi)容、成果體系、表達(dá)方式等方面的詳細(xì)規(guī)定,進(jìn)一步規(guī)范了地下空間規(guī)劃的編制工作,也使得城市地下空間規(guī)劃的嚴(yán)肅性、科學(xué)性和規(guī)范性得到顯著提升。
(2)開(kāi)發(fā)管理方面。現(xiàn)行的相關(guān)法規(guī)較少,對(duì)開(kāi)發(fā)主體、競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、鼓勵(lì)政策的相關(guān)研究嚴(yán)重缺失,制約了地下空間開(kāi)發(fā)利用的活力,對(duì)于如何通過(guò)鼓勵(lì)多種主體參與、引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和相關(guān)優(yōu)惠政策,實(shí)現(xiàn)地下空間的良性發(fā)展等方面未有相應(yīng)的指導(dǎo)性對(duì)策。
(3)建設(shè)管理方面。現(xiàn)有法規(guī)主要對(duì)地下室、地鐵、人防工程、地下管線的建設(shè)作出了相應(yīng)規(guī)定,但缺乏對(duì)地下綜合體、地下商業(yè)街、地下建筑物連通空間等相關(guān)研究,對(duì)于地下消防和防災(zāi)等未有相關(guān)規(guī)定。
(4)使用管理方面。只是后期運(yùn)維的安全管理,較為單一。
總體上,當(dāng)前我國(guó)已有一些規(guī)劃、管理層面的系統(tǒng)性地下空間開(kāi)發(fā)和保護(hù)措施,但是技術(shù)層面仍十分匱乏,而地下空間建設(shè)往往需要具體的解決方法和相應(yīng)的技術(shù)支撐。
《城市地下空間開(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》[14]指出:我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的系統(tǒng)性不足和基本情況掌握不足問(wèn)題尤為突出,表現(xiàn)為:(1)城市地下空間之間連通性較差,缺乏聯(lián)系和貫通;(2)城市地面和地下空間協(xié)調(diào)不足,缺乏銜接,甚至相互矛盾,安全隱患突出;(3)地下空間開(kāi)發(fā)利用基本現(xiàn)狀掌握不足,未能摸清早期建設(shè)的地下空間開(kāi)發(fā)利用的基本情況;(4)數(shù)據(jù)共享不足、溝通不暢、統(tǒng)計(jì)口徑和標(biāo)準(zhǔn)不一致。
在城市核心區(qū)內(nèi)進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)尤其是修建地鐵時(shí),由于其埋深較淺,周邊建筑及地下設(shè)施較多,施工對(duì)周圍環(huán)境的影響更大[15]。我國(guó)地鐵建設(shè)過(guò)程中也多次發(fā)生重大安全事故(見(jiàn)圖1),造成一定的人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失,也引發(fā)了極為負(fù)面的社會(huì)影響。運(yùn)營(yíng)地鐵隧道也發(fā)生了多起突發(fā)侵限安全事故,比如2021 年3 月4 日深圳地鐵1 號(hào)線深大至桃園下行線區(qū)間隧道頂部被勘察鉆具擊穿(見(jiàn)圖2)[16]、2021 年5 月24 日成都地鐵8 號(hào)線珠江路至順風(fēng)上行區(qū)間隧道不慎被擊穿、2017 年12 月6 日深圳地鐵11 號(hào)線紅樹(shù)灣南-后海(往碧頭方向)區(qū)間隧道被打樁施工作業(yè)擊穿等。城市地下空間建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中發(fā)生的安全事故表明了當(dāng)前我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)中缺乏相關(guān)的保護(hù)措施。

圖1 地鐵建設(shè)引發(fā)的安全事故

圖2 深圳地鐵1 號(hào)線深大至桃園下行線區(qū)間隧道頂部被勘察鉆具擊穿事故[16]
虛擬映射(數(shù)字孿生)是指真實(shí)世界中的物理對(duì)象與其數(shù)字模型之間的精確映射關(guān)系。虛擬映射技術(shù)旨在充分利用物理對(duì)象、運(yùn)行歷史和狀態(tài)等數(shù)據(jù),集成多學(xué)科、多物理量、多尺度的虛擬仿真,在虛擬空間中完成模型映射,從而實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象的全生命周期過(guò)程的精細(xì)模擬和精確感知。虛擬映射技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最深入的是工程建設(shè)領(lǐng)域,其中代表性的技術(shù)為建筑信息模型(BIM)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)[16-17]。
建筑信息模型(BIM)是以三維數(shù)字信息為基礎(chǔ),集成了建筑工程項(xiàng)目的工程數(shù)據(jù)信息和三維模型,著重于分析和存儲(chǔ)建筑構(gòu)件的構(gòu)造過(guò)程和空間基礎(chǔ)信息。當(dāng)前BIM 技術(shù)的可視化及數(shù)據(jù)分析特性為快速尋找專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間的碰撞問(wèn)題提供了可能。土建專業(yè)的碰撞問(wèn)題主要為“軟碰撞”,即凈空不足問(wèn)題,多專業(yè)之間的碰撞問(wèn)題多因?qū)嵤┫群箜樞蚧驅(qū)I(yè)間溝通不暢導(dǎo)致的“硬碰撞”,即空間關(guān)系重疊問(wèn)題[18]。根據(jù)碰撞檢查報(bào)告的構(gòu)件ID 進(jìn)行準(zhǔn)確定位,并根據(jù)屬性面板的信息篩選有效的碰撞點(diǎn),從而清晰明了地找尋碰撞位置、碰撞原因及碰撞類型等信息。BIM 能夠提供精細(xì)化的項(xiàng)目構(gòu)件信息,但也存在無(wú)法加載大范圍的地理環(huán)境空間信息的弊端,而地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)側(cè)重于地理空間環(huán)境信息的宏觀表達(dá),能快速處理大量的地理空間信息數(shù)據(jù),但無(wú)法創(chuàng)建結(jié)構(gòu)內(nèi)部精細(xì)化的微觀模型[19]。
城市地下空間的開(kāi)發(fā)本質(zhì)是在復(fù)雜的城市地理環(huán)境中建造多種形式的地下結(jié)構(gòu),因此基于BIM +GIS 技術(shù)平臺(tái)建立城市地下空間三維信息模型,能夠解決單一技術(shù)手段所難以實(shí)現(xiàn)的三維信息的整體性和精確性問(wèn)題。利用GIS 平臺(tái)提供的豐富的空間地理環(huán)境信息,使得地下結(jié)構(gòu)BIM 信息模型可以在真實(shí)的城市地理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)空間定位和周邊環(huán)境分析,而B(niǎo)IM 模型自身包含了地下結(jié)構(gòu)的精確信息,由此可以實(shí)現(xiàn)城市地下空間工程的規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)等全壽命周期內(nèi)的安全管理[20]。
地鐵車站BIM 模型[20]見(jiàn)圖3,GIS 與BIM 融合模型[21]見(jiàn)圖4。

圖3 地鐵車站BIM 模型[20]

圖4 GIS 與BIM 融合模型[21]
地下空間開(kāi)發(fā)是一個(gè)整體,其規(guī)劃、開(kāi)發(fā)、管理與信息化建設(shè)理應(yīng)在一個(gè)集成與整合的框架中進(jìn)行。而地下空間開(kāi)發(fā)保護(hù)需要涉及城市地下空間開(kāi)發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié),既要關(guān)注地下空間結(jié)構(gòu)的工程安全,也要保障周邊建(構(gòu))筑物的環(huán)境安全。基于BIM 和GIS 技術(shù),建立城市地下空間保護(hù)信息平臺(tái),首先加載城市地下空間三維模型庫(kù),實(shí)現(xiàn)海量三維地理信息數(shù)據(jù)的整體表達(dá),進(jìn)而對(duì)地下建(構(gòu))筑物、工程地質(zhì)等信息進(jìn)行管理,開(kāi)展地下空間分層管理、立體化展示和智能分析,同時(shí)形成一套地下空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)地下空間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化建庫(kù)和管理。
城市地下空間周邊限制條件眾多,既要滿足規(guī)劃退距要求,還要考慮重要建筑設(shè)施、地下工程、管線及文物等防護(hù)要求。因此在城市地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中,應(yīng)提出基于虛擬映射技術(shù)的城市地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)方法,以避免后期盲目建設(shè)對(duì)既有地下空間的擾動(dòng)和影響,保護(hù)既有的地下空間,以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下空間更科學(xué)地規(guī)劃、更合理有序地開(kāi)發(fā)利用。
城市地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)方法實(shí)施路線圖見(jiàn)圖5。

圖5 城市地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)方法實(shí)施路線圖
基于虛擬映射技術(shù)的城市地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)方法實(shí)施細(xì)節(jié)如下:
(1)根據(jù)城市地下空間保護(hù)信息平臺(tái)中的既有地下空間三維信息數(shù)據(jù),查明既有地下空間的類型和規(guī)模,明確既有地下空間的三維界限。
(2)開(kāi)展城市既有地下空間安全評(píng)估,對(duì)可能影響既有地下空間安全的三維空間進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分,提出既有地下空間三維控制紅線和安全控制區(qū)域。
(3)建立新建地下空間BIM 模型,開(kāi)展新建地下空間與既有空間碰撞試驗(yàn),基于退讓機(jī)制輔助新建地下空間決策,確保新建工程采取合理的線路走向和空間布局,避免對(duì)既有地下空間產(chǎn)生不良影響。
(4)城市地下空間建設(shè)過(guò)程中加強(qiáng)城市地下空間信息的及時(shí)采集、建庫(kù)和管理系統(tǒng)建設(shè),推動(dòng)城市地下空間保護(hù)信息的整體性、精準(zhǔn)性。
惠民大道是南京市建寧西路過(guò)江通道南岸接線第一條高等級(jí)被交道路。根據(jù)前期建寧西路過(guò)江通道研究過(guò)程中交通分析成果及專家意見(jiàn),為避免大量過(guò)江車輛涌入城西干道及建寧路,加劇主城區(qū)路網(wǎng)擁堵,惠民大道節(jié)點(diǎn)宜采用“T 型”互通立交“快接快”方式銜接,將過(guò)江交通流盡量、盡快引導(dǎo)到快速環(huán)路系統(tǒng)進(jìn)行疏解。結(jié)合惠民大道規(guī)劃及市內(nèi)各相關(guān)部門意見(jiàn),將惠民路現(xiàn)狀雙向4 車道高架改建為雙向6 車道隧道,并設(shè)置4 條匝道實(shí)現(xiàn)過(guò)江交通與惠民路間交通的快速轉(zhuǎn)換。惠民大道綜合改造工程南起惠民大道與新興路交叉口,北至惠民大道與城河南路交叉口,長(zhǎng)約2.47 km;全線隨同路段建設(shè)的綜合管廊長(zhǎng)約2.47 km,其中3 倉(cāng)斷面長(zhǎng)度約為1.32 km,雙倉(cāng)斷面長(zhǎng)度約為1.15 km。工程主要內(nèi)容包括惠民大道高架橋改建為雙向6 車道隧道,建寧西路過(guò)江通道與惠民大道地下互通匝道,惠民大道干線管廊,沿線輔路、人非慢行系統(tǒng)的改造及相關(guān)市政管線的改遷等。
惠民大道綜合改造工程平面圖見(jiàn)圖6。

圖6 惠民大道綜合改造工程平面圖
建立惠民大道綜合改造工程BIM 模型,對(duì)不同方案進(jìn)行快速三維模擬分析;同時(shí)與周邊環(huán)境結(jié)合,以充分展現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖,在分析項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、可行性的基礎(chǔ)上,縮短決策時(shí)間,提高決策精確度。路線方案設(shè)計(jì)完成后,通過(guò)構(gòu)建三維限界模型,進(jìn)行限界碰撞檢測(cè),復(fù)核線路平、縱線位關(guān)系,對(duì)線路間關(guān)系進(jìn)行精細(xì)調(diào)整,修正限界錯(cuò)、碰、漏段落,優(yōu)化斷面形式,從而節(jié)省工程造價(jià)(見(jiàn)圖7、圖8)。

圖7 限界碰撞試驗(yàn)

圖8 主線結(jié)構(gòu)與建筑限界
通過(guò)GIS 技術(shù)對(duì)地下空間周邊環(huán)境信息進(jìn)行集成并建立模型,完成周邊地形地貌和建筑物的地理位置定位及空間分析;將GIS 模型中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM 中,通過(guò)高精度的參數(shù)化建模,準(zhǔn)確反映地下空間的邊界和參數(shù)信息,將數(shù)字地形模型與地下空間結(jié)構(gòu)模型無(wú)縫融合。在周邊地理環(huán)境信息的基礎(chǔ)上,對(duì)地下空間的合理布局進(jìn)行研究,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和地下結(jié)構(gòu)變化時(shí),可以在模型中直接修改相關(guān)信息。基于三維可視化技術(shù),直觀地展示地下空間與周邊環(huán)境的關(guān)系。通過(guò)GIS 和BIM 技術(shù)的結(jié)合,開(kāi)展了多種地下互通方案和地表建筑物布局的研究(見(jiàn)圖9、圖10)。同時(shí)基于構(gòu)建的三維場(chǎng)地模型,分析工程基坑與周邊建筑及其基礎(chǔ)間關(guān)系(見(jiàn)圖11),使得設(shè)計(jì)人員對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邊界條件的把控更加精準(zhǔn)。

圖9 方案一

圖10 方案二

圖11 工程基坑與周邊建筑及其基礎(chǔ)間關(guān)系模型
揚(yáng)子江大道是南京市規(guī)劃的重要城市快速路之一,但未實(shí)現(xiàn)真正的“快速”。隨著城市建設(shè)的發(fā)展以及濱江風(fēng)光帶的建成,該道路存在著過(guò)街設(shè)施配套不足、交叉口轉(zhuǎn)向功能不完善、輔道及人非慢行系統(tǒng)缺失等問(wèn)題(見(jiàn)圖12),因此開(kāi)展揚(yáng)子江大道快速化改造對(duì)完善南京主城快速路網(wǎng)格局具有重要的意義。項(xiàng)目主線為雙向6 車道,設(shè)計(jì)速度80 km/h;輔道為雙向4 車道,設(shè)計(jì)速度40 km/h,路線全長(zhǎng)7.1 km。

圖12 揚(yáng)子江大道快速化改造工程
項(xiàng)目包含道路工程、城市隧道、綜合管廊、人行過(guò)街通道、橋梁等多專業(yè)內(nèi)容,特別是隧道穿越申遺保護(hù)區(qū)、長(zhǎng)江防洪堤;綜合管廊穿越既有道路、橋梁樁基、地鐵車站、既有河道;人行過(guò)街通道頂管施工等復(fù)雜工況。項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中,依托無(wú)人機(jī)為載體的傾斜攝影數(shù)據(jù),構(gòu)建了工程周邊建筑物的三維GIS模型,使得BIM 與GIS 技術(shù)得到進(jìn)一步結(jié)合(見(jiàn)圖13、圖14),成功完成了線路設(shè)計(jì),完善了沿線被交道轉(zhuǎn)向功能,對(duì)漢中門匝道橋爆破拆除和草場(chǎng)匝道橋靜力切割的成功實(shí)施、草場(chǎng)門隧道對(duì)寶船遺址公園的最大程度避讓保護(hù)起到了指導(dǎo)作用,確保了工程建設(shè)中周邊建(構(gòu))筑物的安全,并提出了綜合管廊與下穿隧道共支護(hù)的協(xié)同建設(shè)技術(shù),減少了遠(yuǎn)期規(guī)劃的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)現(xiàn)有地下空間的影響。

圖13 周邊環(huán)境模型

圖14 隧道BIM 模型
(1)基于BIM +GIS 技術(shù)平臺(tái)建立城市地下空間信息三維模型,能夠解決傳統(tǒng)手段所難以實(shí)現(xiàn)的地下空間信息整體性和精確性的問(wèn)題。提出了基于虛擬映射技術(shù)的城市地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)方法,明確了地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)的實(shí)施細(xì)節(jié)和步驟。
(2)將基于虛擬映射技術(shù)的城市地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)方法應(yīng)用于南京市惠民大道綜合改造工程和揚(yáng)子江大道快速化改造工程,開(kāi)展了地下結(jié)構(gòu)與地表建筑物優(yōu)化布局、既有地下結(jié)構(gòu)保護(hù)、綜合管廊與下穿隧道共支護(hù)協(xié)同建設(shè)等研究和設(shè)計(jì)工作,實(shí)現(xiàn)了城市地下空間的保護(hù)開(kāi)發(fā)。
(3)城市地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)方法及技術(shù)的提出,旨在推動(dòng)城市地下空間信息技術(shù)與行業(yè)技術(shù)的融合發(fā)展,也為城市地下空間保護(hù)開(kāi)發(fā)提供新的對(duì)策。