柴燕

【摘要】城市地下空間的利用是解決城市問題的有效途徑，但也可能對城市發(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)和地下空間的多個組成部分。本研究分析了土地管理、綜合規(guī)劃、建筑設(shè)計和施工技術(shù)進(jìn)行提高城市地下空間對實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)貢獻(xiàn)的關(guān)鍵維度。為了實現(xiàn)這四個關(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，這項工作為學(xué)者和實踐者提供了一個可持續(xù)的城市地下空間發(fā)展的整體觀點。

【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。隨著發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)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(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)性是一個廣泛的話題，因為沒有標(biāo)準(zhǔn)來衡量使用城市地下空間所產(chǎn)生的相關(guān)貢獻(xiàn)。在尚未實現(xiàn)的聯(lián)合國千年發(fā)展目標(biāo)的基礎(chǔ)上，生態(tài)文明建設(shè)不僅擴大了千年發(fā)展目標(biāo)對人民福祉（如貧困、健康、教育和性別平等）的影響，而且強調(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動機之一。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，以建立諸如機構(gòu)、管理、規(guī)劃和設(shè)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(jié)中，我們回顧了城市地下空間開發(fā)科學(xué)規(guī)劃方法的四個關(guān)鍵維度，即現(xiàn)代土地管理、綜合規(guī)劃、建筑設(shè)計和施工技術(shù)，以引出每個維度的要求。第4節(jié)提出了一個基于空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的框架，以滿足四個關(guān)鍵維度的要求，這有助于實現(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展望。

2、城市地下空間在實現(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、社會和經(jīng)濟(jì)，對可持續(xù)項目評估程序框架進(jìn)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(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(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)，這主要是因為可持續(xù)發(fā)展的定義無法量化。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，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到這些聯(lián)系。為了填補這一空白，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理解。這意味著城市地下空間可以對生態(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)險對生態(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)計思想，則災(zāi)害誘發(fā)風(fēng)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(nèi)配置商業(yè)設(shè)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(tǒng)的發(fā)展，地下步行系統(tǒng)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(dān)憂，即這種好處可能是以街道活力為代價，以引導(dǎo)行人從地面到地下，這是對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的潛在威脅。一般來說，城市地下空間結(jié)構(gòu)需要一個緩沖區(qū)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(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)很難擴大或拆除，以適應(yīng)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(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(chǎn)而引發(fā)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(fā)的主要問題?？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)的一個重要問題。在很大程度上，獲得這些數(shù)據(jù)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(xiàn)代的土地管理系統(tǒng)可以解決與土地使用權(quán)、土地價值、土地利用和土地開發(fā)相關(guān)的問題。然而，在地下問題上，現(xiàn)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(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重點。

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。這些因素可能會損害城市地下空間對生態(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，部分是由于對看不見的地下世界的復(fù)雜性和不熟悉，因為規(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)到原來的狀態(tài)，這意味著城市地下空間規(guī)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(fù)。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(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估、需求預(yù)測、布局方法和成本效益分析。

3.3 建筑設(shè)計

建筑設(shè)計對于為地下用戶創(chuàng)造一個更友好、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，規(guī)模龐大的城市地下空間設(shè)施會造成城市地下空間資產(chǎn)的巨大浪費，對居民的吸引力會降低，最終會被廢棄，修復(fù)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(xiàn)在被重新視為故障，因為它被視為流、機械或存儲的純技術(shù)空間;因此，沒有考慮具體的以人為本的建筑設(shè)計。在上述三個方面中，地下環(huán)境、心理問題和地下設(shè)施的防災(zāi)問題近年來得到了廣泛的研究。

地下物理空間質(zhì)量的重要性及其相關(guān)的心理健康問題早在三十多年前就被人們所關(guān)注和討論。這些問題可以分為三類，即1）環(huán)境壓力源，如熱舒適、空氣質(zhì)量、噪音、照明和無窗環(huán)境;2）社會心理問題，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時的。為了填補這一空白，為了更深入地理解優(yōu)質(zhì)地下空間的人性化設(shè)計機制，開展了多項研究項目。運用先進(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，需要微擾動施工技術(shù)和控制系統(tǒng)。微擾動施工技術(shù)的實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)的氣動沉箱。系統(tǒng)分為施工前的調(diào)查、預(yù)測和決策、施工過程中的監(jiān)測和反饋控制、施工后的長期預(yù)測和控制三個部分。城市地下空間的發(fā)展趨勢是向更深、更大的方向發(fā)展。然而，地質(zhì)不確定性、勘探和監(jiān)測困難、設(shè)計理論和方法、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目需要各個施工環(huán)節(jié)之間更好的協(xié)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(jié)構(gòu)與地表和地下周圍環(huán)境的實時關(guān)系。

4、為實現(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)計和施工技術(shù)這四個維度，都是一個城市向生態(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）對于確保城市地下空間發(fā)展的價值具有重要意義?？臻g數(shù)據(jù)是解決四個關(guān)鍵維度中的基礎(chǔ)先決條件。當(dāng)前城市管理各個維度的實踐表明，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)測國家和地方生態(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)可以用來表示地下的法律和物理數(shù)據(jù)，從而支持四個關(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)來自不同格式和標(biāo)準(zhǔn)的多個來源。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，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(fā)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(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)和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。在過去的幾十年里，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)對于通過城市地下空間識別、評估和訪問數(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/未來和公眾參與規(guī)劃和設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)提供者和顧客之間建立橋梁行業(yè)的四個關(guān)鍵維度。展示的規(guī)劃和建筑設(shè)計結(jié)果決策者和公眾，此外，借助虛擬現(xiàn)實、4D可視化、增強現(xiàn)實等先進(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，有助于規(guī)劃和設(shè)計成果的優(yōu)化。城市地下空間建模和可視化的理想解決方案是一個數(shù)字孿生平臺。將城市地下空間整合到空間上啟用的數(shù)字孿生體中，是一種對復(fù)雜但不可見的地下世界中的物理實體和法律實體進(jìn)行實時可視化、查詢和分析的智能方法。

結(jié)論：

在此，我們從聯(lián)合國生態(tài)文明建設(shè)的視角對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(zhàn)的城市地下空間研究在各個學(xué)科。主要目標(biāo)是提高利益相關(guān)方對城市地下空間在實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)中的作用的認(rèn)識，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)計和施工技術(shù)，每一個都是具有挑戰(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估、需求預(yù)測、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(xué)規(guī)劃方法應(yīng)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(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，不僅在這四個關(guān)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(shù)方面的挑戰(zhàn)。

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