城市地下空间开发与设计的探析

    摘 要：“上古穴居而野处”，人类从上古时期就开始了对地下空间的利用。现如今，随着人类社会高速发展，人们掀起了城市地下空间开发与建设的热潮，不断对城市地下空间资源的开发与利用进行探索。本文以此为背景，分别从城市地下空间开发中易出现的问题缺陷以及地下空间设计时应注意的问题等方面进行了详细分析，并根据人类社会发展的需求对其发展前景进行了研究与展望。

    关键词：城市地下空间；发展历史；问题缺陷；合理设计

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.106

    0 引言

    随着社会的发展，土地资源稀缺、城市热岛效应、城市环境破坏等一系列资源环境问题接踵而至。在这些问题促使我国城市必须走出一条可持续发展道路，造成我们不断开发与利用地下空间的趋势。从城市各个功能方面来讲，地下空间的开发比地面空間有着更显著的可持续优越性，地下空间的开发与利用将为城市的发展带来新的机遇，地下空间的设计与可持续开发也不断为城市建设者们带来新的挑战。

    1 地下空间开发历史

    人类对于地下空间的利用已经拥有了几百万年的历史，早在史前原始时期，人类为了防止野兽入侵，抵抗自然灾害，就开始了对天然洞穴或地穴的利用。1930年发现于中国北方周口店龙骨山距今约3万年的旧石器时代晚期智人对于山顶洞穴的利用是可查的人类对于地下空间的最早利用。山顶洞人文化遗址分为洞口、上室、下室和下窨四部分，其中所见约4m×5m北向的洞口为人工开凿。原始人类利用岩土的天然性质将其改造为更适宜居住的洞穴，人类对生存空间的改造逐渐构成了原始穴居社会建立的文化的一部分。到了新石器时代，人类开始走出天然洞穴，借助地下挖掘的方法创造更适宜居住的人工场所[1]。中国北方最早的人工洞穴是以黄河流域仰韶文化遗址的竖穴式窑洞为典型代表，整个黄河流域的中下游地区几乎都有半地穴式房屋的存在。后来，随着社会文明的进步与原始建设技术的初步发展，人类对于地下空间的利用从简单借用演变为对空间设计和改造的萌芽行为，典型代表为中国窑洞、古巴比伦城的地下隧道等[2]。

    随着人类文明的不断发展，第一次工业革命后生产力飞速发展，导致西方城市化水平提高，城市的供水、排水等市政设施急需加大建设，为此人们开启了近代城市地下空间的开发与使用。1863年，世界上第一条地铁在伦敦建成，标志着国外地下空间发展跨入近代发展的纪元。

    二战以后随着社会的发展，地下空间的开发与利用进入了一个崭新的时期。随着城市化进程加快，当代城市地下空间的开发与利用主要体现在地下市政、地下交通、地下人防工程、地下商业设施四个方面。

    2 城市地下空间开发的问题与缺陷

    现代城市地下空间呈现着功能综合化、竖向深层化、交通立体化、生态多样化的发展趋势。人们对于地下空间的可持续开发愈加看重。

    不可忽略的是，地下空间的开发与建设中存在一些本质特征与不可避免的问题缺陷：

    （1）地质水文条件等限制地下空间建设类型、规模及投资，反过来说，地下空间的开发也会改变当地原有的水文地质条件，破坏当地原有的生态平衡：地下空间的开发与改造改变了地下水资源的分布形式与赋存状态，破坏了原有的生态环境，从而影响当地的地理气候条件，进而影响到地表动植物的生存，为了减小对生态平衡的破坏，我们必须采取适宜的防止措施并进行相关的研究、改造。

    （2）进行地下空间开发时的施工过程具有一定的危险性，容易对地面原有建筑物的安全及围岩的稳定性将产生影响：地下岩体工程的开挖将破坏原有地层的应力分布，导致应力的集中与重分布，影响地层的稳定性，对地面原有的建筑物的安全造成威胁；在高地应力地区易产生岩爆、岩芯饼化现象以及岩质基坑底部隆起、剥离、回弹错动等现象，因此，我们应不断完善施工方法、改善围岩的性质及应力条件、采取一定的防护措施、加固围岩，确保施工的安全性，并减少地下工程的建设对地面的影响。

    （3）地下空间建设缺乏合理的统筹设计，与地面建设不够协调：从城市协调发展的观点出发，城市向上发展的高度越高，向下发展地下空间开发的强度越大。但是现有大部分建成的地下空间未考虑地面空间与地下空间的协调，缺乏一定的统筹规划，从而使原先节约的空间资源无法达到最大化的效率，导致整体空间功能布局不合理、空间利用效率低下，限制了地下空间的开发对城市发展的积极促进作用。

    （4）地下空间环境人性化的缺失：由于地下空间与地面空间的天然隔绝，导致自然采光不足、热湿度大等缺点突出，加上地下空间的建设仅考虑功能而容易忽略空间使用者的心理和生理特点，导致大部分地下空间环境缺乏人性化的设计考虑。

    同时，大型城市地下空间工程的建设有着投资大、回报晚、工期长、风险高等特点。它们对于地面建设而言不易拆除，其建设相对不可逆。因此，对于地下空间的开发建设应做好安全防护措施与统筹规划，综合考虑资源利用、生态保护、社会经济发展等方面，建立地下空间设计规划的可持续发展体系，实现城市地下空间资源的适度、适时、有序开发[3]。

    3 城市地下空间功能分析与环境设计

    城市地下空间具有灾害防御、满足城市交通的需要、发展地下商业设施等功能，能有效地保护灾难发生时的人身财产安全、减少城市交通拥堵、便利人们的生活。

    传统城市地下空间普遍具有阴暗和潮湿的特性，欲使地下空间变得更适宜人类活动，就应在地下和地上空间耦合研究过程中首先充分了解其特性。地下物质环境特点主要有：高防护性、热稳定性、气密闭性、易操控性、低能耗性等。要达到城市地下与地上空间耦合的需求，首先应使地下空间在物质环境上克服自身弊端而满足可以与地面形成协调的基本条件。地下空间设计的作用是通过针对空间造型、色彩光线等因素进行合理的利用与改造，构建满足空间使用者行为要求的地下环境场所，进而达到城市整体空间的和谐。

    要考虑的物质基础主要包括视觉构建、声景设计、热湿环境与空气品质四个方面：

    在视觉构建方面，需要设计者地下空间设计中充分考虑视觉艺术，从采光、尺度、色彩、标志等方面协同考虑，充分发挥并改造空间的整体功能与整体氛围，从视觉上消除空间使用者身处地下的压抑感，并追求视觉艺术的最佳效果。

    在声景设计方面，整体空间中的声景环境由声音、听者和环境空间三部分组成，设计者应从使用者的心理状态、场所和时间因素进行考虑，充分研究声音的传播特点，从社会、文化、历史的角度对富有地域特点内涵的声音进行综合设计与运用。不应一味地减噪，对于主要声源产生的噪音强度应控制在允许范围内，而对于某些特定的声音应通过相应设计使其顺利在地下空间与地上空间中传播。

    在热湿环境方面，热湿环境包括温度、湿度、空气流动速度、换

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    气次数等。地下空间在热湿环境上有许多弊端阻碍地下空间环境的良性循环，因此在热湿环境控制上，应根据不同地区的环境条件，系统评估地下热湿状况，因地制宜地采取防潮除湿技术，从而建立有良好舒适感的地下综合环境，避免地上地下过渡时强烈的温湿变化。

    在空气品质方面，设计者应采取合理的通風手段，结合自然通风与器械设备通风的方法，合理设计通风路径，提高地下空间的空气质量，保护空间使用者的身体健康[4]。

    4 前景分析

    现如今，人类在进行着全方位资源与空间的开发和利用，涉及到地下、海洋和宇宙。向地下的开发内容包括地下资源开发、地下能源开发和地下空间开发。地下空间的利用也正向更深、更广的范围扩展。发达国家对于地下空间的利用已进入相对成熟阶段，外国学者在研究城市生产总值与地下空间开发利用的相关性时得出一个初步结论：人均生产总值大于3000美元时，城市就具备了开发利用地下空间的基本条件和需求。随着我国经济的高速发展，已经有不少城市已经满足这一条件，因此，我国正在掀起城市地下空间开发与建设的热潮，进入了城市地下空间资源开发利用的发展期[5]。

    随着我国地下空间开发力度的逐步加大，城市地下空间工程专业人才短缺的问题也日益突出。普通的土木工程专业人才并不能充分满足这些工程的需求，可以说专业人才培养的供应落后于城市地下空间开发建设的需要，城市地下空间工程专业就应运诞生，为城市地下空间的开发培养出了一批优秀的工程人员与设计人员，为未来地下工程的建设描绘了一幅美好蓝图。

    5 结论

    随着城市资源环境问题的日益加剧，为了缓解城市容量的扩张需求与土地资源供给不足的矛盾，各国除了利用综合的政治、经济措施外，也开启对地下空间的立体化开发，以扩大城市容量。但城市地下空间有效开发及合理设计的问题仍然需要城市建设者不断探索、解决。

    参考文献：

    [1]邵继中.城市地下空间设计[M].东南大学出版社，2016（09）：94-114.

    [2]杨鸿勋.仰韶文化居住建筑发展问题的探讨[J].考古学报，1975

    （01）：39-72.

    [3]孙世国.21世纪土木工程发展趋势刍议[J].北方工业大学学报，

    2002（03）：82-85.

    [4]邵继中，胡振宇.城市地下空间与地上空间多重耦合理论研究[J].地下空间与工程学报，2017，13（06）：1431-1443.

    [5]21世纪土木工程发展方向之城市地下空间工程[D].2019/2/12.

    作者简介：米明昊（1998-），女，山东德州人，本科在读，研究方向：城市地下空间工程相关专业。