基于生態文明時代的城市地下空間科學規劃方法

文／柴燕 江漢大學數字建造與爆破工程學院 湖北武漢 430012

1、引言

城市地下空間的開發和利用在土木、水利和建筑工程的十大發展前沿中名列前茅[1]。在全球城市化和可持續發展的驅動下，城市地下空間使用和生態友好型建材是目前土木、水利、建筑工程的主要發展趨勢[2]。隨著發展中國家和發達國家城市化率的不斷提高，人口密集的城市面臨越來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越受到人們的關注。此外，城市地下空間的使用被視為一種可持續的城市化手段。然而，可持續性是一個廣泛的話題，因為沒有標準來衡量使用城市地下空間所產生的相關貢獻。在尚未實現的聯合國千年發展目標的基礎上，生態文明建設不僅擴大了千年發展目標對人民福祉(如貧困、健康、教育和性別平等)的影響，而且強調了保護地球生命支持系統(如水、能源、氣候、生物多樣性和生態系統)的重要性[3]。實現生態文明建設所需的全球轉型尚未以所需的速度或規模推進，生態文明建設涉及的領域廣泛，在滿足人類基本需求和預期的保護地球目標之間取得平衡的復雜性增加了。為了解決這一問題，人們進行了廣泛的研究，以揭示生態文明建設與水、土壤、農民、能源、火災、生態系統、紡織品、非住宅建筑和新城市政策等領域之間的協同效應和權衡關系[4]。

上述貢獻的建立是本研究的主要動機之一。第2 節中分析城市地下空間與生態文明建設之間的聯系可分為積極貢獻、潛在損害和合作方式。合作方式意味著生態文明建設需要城市地下空間的發展，以建立諸如機構、管理、規劃和設計等軟措施，以最大限度地擴大積極影響并減少消極影響。在第3 節中，我們回顧了城市地下空間開發科學規劃方法的四個關鍵維度，即現代土地管理、綜合規劃、建筑設計和施工技術，以引出每個維度的要求。第4 節提出了一個基于空間數據基礎設施的框架，以滿足四個關鍵維度的要求，這有助于實現生態文明建設。最后，第5 節總結了城市地下空間的研究成果和未來展望。

2、城市地下空間在實現生態文明建設中的作用

2.1 生態文明建設與城市地下空間之間的聯系

關于城市地下空間與城市可持續性之間的聯系，在前面的文獻中有多種方法。基于可持續發展的三大支柱，即環境、社會和經濟，對可持續項目評估程序框架進行了修改，在四種可能的未來情景中探索城市地下空間使用和城市可持續性之間的可能聯系，即從新的可持續性范式、堡壘世界、市場力量和政策改革的觀點來看，通過上下文敘述來分析城市地下空間使用的可持續性貢獻。顯然，城市地下空間使用的可持續性分析并沒有統一的標準，這主要是因為可持續發展的定義無法量化[5]。在這方面，生態文明建設以及詳細的目標和可衡量的指標可能是有用的工具。然而，生態文明建設并未明確提及城市地下空間，盡管其中許多都受到開發城市地下空間和其他相關地下資產的有利和不利后果的影響。值得注意的是，大多數城市地下空間服務，無論是直接的還是外部的，都可以與生態文明建設掛鉤。換句話說，盡管城市地下空間為生態文明建設做出了貢獻，但決策者并沒有很好地意識到這些聯系。為了填補這一空白，本綜合圖繪制了生態文明建設和城市地下空間之間的聯系，可以從貢獻、有害和合作的角度來理解。這意味著城市地下空間可以對生態文明建設做出積極貢獻或造成損害，也可以滿足生態文明建設設定的工具要求。

2.2 城市地下空間建設風險對生態文明建設的影響

雖然城市地下空間有利于減輕外部災害，但大多數城市地下空間類型，如地下地鐵設施和地下購物中心，容易受到內部災害，包括火災、爆炸、輻射和內部洪水[6]。如果它們與相鄰的其他地下設施連接良好，通常被認為是典型的設計思想，則災害誘發風險會增加。此外，地下人行過街隧道，特別是較長的隧道，會吸引犯罪分子，建議在這些隧道內配置商業設施和閉路電視攝像機，增加曝光率，從而減少犯罪。

隨著地下軌道交通系統的發展，地下步行系統以其整體效率和便捷性越來越受到重點城市的青睞。然而，在他們的香港案例研究中，提出了一個擔憂，即這種好處可能是以街道活力為代價，以引導行人從地面到地下，這是對當地經濟的潛在威脅。一般來說，城市地下空間結構需要一個緩沖區來維持力平衡。這意味著，無論垂直尺寸如何，城市地下空間都比表面更容易堵塞。實際上，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中的使用更加復雜。此外，現有的城市地下空間結構很難擴大或拆除，以適應新興的城市需求。因此，低而有限的升級能力可能會阻礙未來的城市再開發。

3、科學規劃的關鍵因素

3.1 現代土地管理

在大多數國家，地下世界仍處于混亂狀態，部分原因是可獲得的地下數據不足，不僅包括生態文明建設所強調的巖土工程數據，還包括與現有地下基礎設施有關的數據。在某些情況下，城市地下空間的建設可能不得不暫停，以處理裸露的遺產或碰撞的地下設施[7]。即使在規劃階段，大型運輸隧道等效益極高的城市地下空間項目也可能會因侵占私有財產而引發爭議，因為地面土地所有者聲稱，他們腳下的地下空間是他們對土地的既得利益。因此，法律模糊性是城市地下空間開發的主要問題。考慮到城市地下空間資產深切關注城市可持續性，這是真正的公共利益，確保合理和蓄意使用也是生態文明建設的一個重要問題。在很大程度上，獲得這些數據和沒有法律問題是其他三個方面的先決條件。在這方面，一個現代的土地管理系統可以解決與土地使用權、土地價值、土地利用和土地開發相關的問題。然而，在地下問題上，現代土地管理仍然面臨著一些問題。法律問題是城市地下空間開發的基礎和關鍵。地上和地下區域的權利、限制和責任是現代土地管理的核心，也是現代土地管理的另一個重點。

3.2 綜合規劃

在全球大多數城市的規劃體系中都被忽視或低估了。相反，城市地下空間經常被涉及到分散的部門規劃，特別是在基礎設施公用事業、水和能源部門，因此在城市發展中沒有得到協調和充分的規劃[8]。此外，城市規劃中的城市地下空間概念容易與城市地下空間混淆。因此，作者認為，即使城市地下空間被納入城市規劃，只有七分之一的城市地下空間資產被考慮，而其他城市地下空間資產被排除在外。這些因素可能會損害城市地下空間對生態文明建設的貢獻潛力。隨著學術界逐漸認識到城市地下空間在城市可持續發展中的重要性，然而，規劃行業很少巧妙地處理城市地下空間。這種忽視部分是由于規劃從業者的傳統直覺，他們傾向于忽視或低估他們正在工作的地圖下的第三維，部分是由于對看不見的地下世界的復雜性和不熟悉，因為規劃人員不知道什么可以在地下使用，在哪里使用。

城市地下空間規劃與傳統的土地利用規劃有以下不同之處：傳統的土地利用規劃可以提供部分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境幾乎不可能恢復到原來的狀態，這意味著城市地下空間規劃實際上是一次性的行動，其實施不可能像地面行動那樣容易恢復。此外，使用城市地下空間所帶來的好處基本上不在市場范圍內。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論的中心，比表面或高架結構的成本要高得多。這些特征表明城市地下空間規劃需要有良好的基礎，特別是有效的規劃技術，包括但不限于城市地下空間使用的適用性評估、需求預測、布局方法和成本效益分析。

3.3 建筑設計

建筑設計對于為地下用戶創造一個更友好、更健康的環境、減少內部災害損失、協調地下和地面設施的界面至關重要，這些都是生態文明建設的重要方面。更重要的是，如果沒有良好的建筑設計，規模龐大的城市地下空間設施會造成城市地下空間資產的巨大浪費，對居民的吸引力會降低，最終會被廢棄，修復的機會微乎其微。例如，使用城市地下空間的著名示例案例現在被重新視為故障，因為它被視為流、機械或存儲的純技術空間；因此，沒有考慮具體的以人為本的建筑設計。在上述三個方面中，地下環境、心理問題和地下設施的防災問題近年來得到了廣泛的研究。

地下物理空間質量的重要性及其相關的心理健康問題早在三十多年前就被人們所關注和討論。這些問題可以分為三類，即1)環境壓力源，如熱舒適、空氣質量、噪音、照明和無窗環境；2)社會心理問題，如消極的文化態度(與埋葬和邪惡有關)和缺乏可感知的控制(由于找路困難和黑暗)；3)健康問題，如晝夜節律紊亂、維生素D 缺乏、幽閉恐怖反應和病態建筑綜合征。然而，大多數早期的研究在描述性和方法論上都是過時的。為了填補這一空白，為了更深入地理解優質地下空間的人性化設計機制，開展了多項研究項目。運用先進的神經認知方法和概念有助于定性分析。

3.4 施工技術

施工技術在實現城市地下空間可持續發展中發揮著重要作用。例如，傳統的切割-覆蓋方法比鉆孔隧道更有可能為未來穿越城市地下空間創造障礙，并影響其他城市地下空間資產，如地下水、空間連續體和地下生物，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越擁擠，傳統的建筑技術已經不能滿足當前城市發展和實現生態文明建設的需求。

為了盡可能地保持原有空間連續體的特性，需要微擾動施工技術和控制系統。微擾動施工技術的實例包括采用新型低溫發射、接收密封工藝的盾構隧道和遠程控制技術的氣動沉箱。系統分為施工前的調查、預測和決策、施工過程中的監測和反饋控制、施工后的長期預測和控制三個部分。城市地下空間的發展趨勢是向更深、更大的方向發展。然而，地質不確定性、勘探和監測困難、設計理論和方法、開挖或鉆探設備等方面也出現了挑戰。這樣更深入、更大的城市地下空間項目需要各個施工環節之間更好的協作，需要更好的把握整個施工過程，需要更好的把握城市地下空間結構與地表和地下周圍環境的實時關系。

4、為實現生態文明建設而采取合作方式的框架

現代土地管理、綜合規劃、建筑設計和施工技術這四個維度，都是一個城市向生態文明建設提及城市地下空間的關鍵和必然。因此，這四個維度的相關部門之間的協作、協調和溝通(本文稱之為協作方式)對于確保城市地下空間發展的價值具有重要意義。空間數據是解決四個關鍵維度中的基礎先決條件。當前城市管理各個維度的實踐表明，城市地下空間構成了一組為應用提供空間數據、服務和信息的關系和伙伴關系，是在各個城市部門之間建立科學規劃方法的關鍵。全面闡述了城市地下空間在實現生態文明建設方面的重要性，明確建議采用城市分析數據基礎設施作為城市地下空間，用于衡量和監測國家和地方生態文明建設的進展。因此，本研究表明，基于城市地下空間的協作方式對于城市地下空間朝著生態文明建設發展至關重要，基于當前相關領域的典型經驗和城市地下空間開發的具體需求，本研究提出了基于城市地下空間的科學規劃方法的框架。

4.1 城市地下空間的數據要求

地下三維地圖機的數據要求包括三維法律數據和三維物理數據，這對城市地下空間朝著生態文明建設發展也具有重要意義。空間數據可以用來表示地下的法律和物理數據，從而支持四個關鍵維度之間的科學規劃方法。關于城市地下空間開發的現有空間數據來自不同格式和標準的多個來源。這些數據的處理、共享和協調在技術上具有挑戰性和耗時，這可以解釋為缺乏互操作性。此外，現有的空間數據在大多數情況下是由某一部門私人保存的，其他部門和一般公眾無法獲得，這主要是由于限制性和競爭性政策。這也是工程溝通不暢、效率低下和事故發生的主要原因。為了解決這些問題，需要一個具有城市地下空間空間數據一致標準和政策的共享城市地下空間。

支持協作的數據至少包括地層數據、地質數據、地圖數據、結構數據、建筑數據和社會經濟數據。在過去的幾十年里，出現了許多旨在提高井下數據可用性和利用率的舉措。此外，空間元數據對于通過城市地下空間識別、評估和訪問數據集也至關重要。

4.2 三維建模與可視化

地下世界是無形的在大多數情況下，城市地下空間數據的建模和可視化可以促進地下狀態的理解/未來和公眾參與規劃和設計過程中,數據提供者和顧客之間建立橋梁行業的四個關鍵維度。展示的規劃和建筑設計結果決策者和公眾，此外，借助虛擬現實、4D 可視化、增強現實等先進技術，利益相關者可以更好地了解虛擬地下環境中的規劃和建筑設計，有助于規劃和設計成果的優化。城市地下空間建模和可視化的理想解決方案是一個數字孿生平臺。將城市地下空間整合到空間上啟用的數字孿生體中，是一種對復雜但不可見的地下世界中的物理實體和法律實體進行實時可視化、查詢和分析的智能方法。

結論：

在此，我們從聯合國生態文明建設的視角對城市地下空間與城市可持續性的關系進行了綜述。本研究涵蓋了廣泛的學科領域，特別是近十年來的廣泛研究，幫助讀者形成一個整體的觀點，概念和主要挑戰的城市地下空間研究在各個學科。主要目標是提高利益相關方對城市地下空間在實現生態文明建設中的作用的認識，并促進合理使用城市地下空間以促進城市可持續性。

協同方法結合了四個關鍵的學科維度，即現代土地管理、綜合規劃、建筑設計和施工技術，每一個都是具有挑戰性的領域，在可持續城市地下空間使用方面有不同的研究問題和具體要求。現代城市地下空間土地管理系統需要消除法律障礙，建立三維地圖。集成城市地下空間規劃至少考慮了適宜性評估、需求預測、布局方法和不同規劃層次的成本效益分析。應采取具體的設計措施，提高地下建筑質量，減少和減輕地下內部火災或洪水災害。先進的施工技術和管理也需要解決日益復雜的地下環境的挑戰。這些問題和需求可以通過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規劃方法應該建立在一個共享的、智能的平臺上，該平臺配備了各種空間數據，能夠進行3D 建模、可視化和分析。今后應進一步量化城市地下空間對生態文明建設的貢獻，為城市地下空間的使用制定更明確的目標。同時，不僅在這四個關鍵方面，而且在建立城市地下空間平臺方面，還需要解決方法和技術方面的挑戰。