柴燕

【摘要】城市地下空间的利用是解决城市问题的有效途径，但也可能对城市发展产生负面影响。因此，城市地下空间的发展需要更好的协调指导方针，以协调各种城市系统和地下空间的多个组成部分。本研究分析了土地管理、综合规划、建筑设计和施工技术进行提高城市地下空间对实现生态文明建设贡献的关键维度。为了实现这四个关键维度之间的多学科协同，需要基于空间数据基础设施的科学规划方法框架。因此，这项工作为学者和实践者提供了一个可持续的城市地下空间发展的整体观点。

【关键词】生态文明;城市地下;科学规划;可持续

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.01.048

1、引言

城市地下空间的开发和利用在土木、水利和建筑工程的十大发展前沿中名列前茅。在全球城市化和可持續发展的驱动下，城市地下空间使用和生态友好型建材是目前土木、水利、建筑工程的主要发展趋势。随着发展中国家和发达国家城市化率的不断提高，人口密集的城市面临越来越大的土地利用压力，城市地下空间作为一种重要的土地资源的利用越来越受到人们的关注。此外，城市地下空间的使用被视为一种可持续的城市化手段。然而，可持续性是一个广泛的话题，因为没有标准来衡量使用城市地下空间所产生的相关贡献。在尚未实现的联合国千年发展目标的基础上，生态文明建设不仅扩大了千年发展目标对人民福祉（如贫困、健康、教育和性别平等）的影响，而且强调了保护地球生命支持系统（如水、能源、气候、生物多样性和生态系统）的重要性。实现生态文明建设所需的全球转型尚未以所需的速度或规模推进，生态文明建设涉及的领域广泛，在满足人类基本需求和预期的保护地球目标之间取得平衡的复杂性增加了。为了解决这一问题，人们进行了广泛的研究，以揭示生态文明建设与水、土壤、农民、能源、火灾、生态系统、纺织品、非住宅建筑和新城市政策等领域之间的协同效应和权衡关系。

上述贡献的建立是本研究的主要动机之一。第2节中分析城市地下空间与生态文明建设之间的联系可分为积极贡献、潜在损害和合作方式。合作方式意味着生态文明建设需要城市地下空间的发展，以建立诸如机构、管理、规划和设计等软措施，以最大限度地扩大积极影响并减少消极影响。在第3节中，我们回顾了城市地下空间开发科学规划方法的四个关键维度，即现代土地管理、综合规划、建筑设计和施工技术，以引出每个维度的要求。第4节提出了一个基于空间数据基础设施的框架，以满足四个关键维度的要求，这有助于实现生态文明建设。最后，第5节总结了城市地下空间的研究成果和未来展望。

2、城市地下空间在实现生态文明建设中的作用

2.1 生态文明建设与城市地下空间之间的联系

关于城市地下空间与城市可持续性之间的联系，在前面的文献中有多种方法。基于可持续发展的三大支柱，即环境、社会和经济，对可持续项目评估程序框架进行了修改，在四种可能的未来情景中探索城市地下空间使用和城市可持续性之间的可能联系，即从新的可持续性范式、堡垒世界、市场力量和政策改革的观点来看，通过上下文叙述来分析城市地下空间使用的可持续性贡献。显然，城市地下空间使用的可持续性分析并没有统一的标准，这主要是因为可持续发展的定义无法量化。在这方面，生态文明建设以及详细的目标和可衡量的指标可能是有用的工具。然而，生态文明建设并未明确提及城市地下空间，尽管其中许多都受到开发城市地下空间和其他相关地下资产的有利和不利后果的影响。值得注意的是，大多数城市地下空间服务，无论是直接的还是外部的，都可以与生态文明建设挂钩。换句话说，尽管城市地下空间为生态文明建设做出了贡献，但决策者并没有很好地意识到这些联系。为了填补这一空白，本综合图绘制了生态文明建设和城市地下空间之间的联系，可以从贡献、有害和合作的角度来理解。这意味着城市地下空间可以对生态文明建设做出积极贡献或造成损害，也可以满足生态文明建设设定的工具要求。

2.2 城市地下空间建设风险对生态文明建设的影响

虽然城市地下空间有利于减轻外部灾害，但大多数城市地下空间类型，如地下地铁设施和地下购物中心，容易受到内部灾害，包括火灾、爆炸、辐射和内部洪水。如果它们与相邻的其他地下设施连接良好，通常被认为是典型的设计思想，则灾害诱发风险会增加。此外，地下人行过街隧道，特别是较长的隧道，会吸引犯罪分子，建议在这些隧道内配置商业设施和闭路电视摄像机，增加曝光率，从而减少犯罪。

随着地下轨道交通系统的发展，地下步行系统以其整体效率和便捷性越来越受到重点城市的青睐。然而，在他们的香港案例研究中，提出了一个担忧，即这种好处可能是以街道活力为代价，以引导行人从地面到地下，这是对当地经济的潜在威胁。一般来说，城市地下空间结构需要一个缓冲区来维持力平衡。这意味着，无论垂直尺寸如何，城市地下空间都比表面更容易堵塞。实际上，由于日益增多的分散的公用管道，城市的大部分浅埋地下都面临着空间短缺，这使得城市地下空间在城市再开发中的使用更加复杂。此外，现有的城市地下空间结构很难扩大或拆除，以适应新兴的城市需求。因此，低而有限的升级能力可能会阻碍未来的城市再开发。

3、科学规划的关键因素

3.1 现代土地管理

在大多数国家，地下世界仍处于混乱状态，部分原因是可获得的地下数据不足，不仅包括生态文明建设所强调的岩土工程数据，还包括与现有地下基础设施有关的数据。在某些情况下，城市地下空间的建设可能不得不暂停，以处理裸露的遗产或碰撞的地下设施。即使在规划阶段，大型运输隧道等效益极高的城市地下空间项目也可能会因侵占私有财产而引发争议，因为地面土地所有者声称，他们脚下的地下空间是他们对土地的既得利益。因此，法律模糊性是城市地下空间开发的主要问题。考虑到城市地下空间资产深切关注城市可持续性，这是真正的公共利益，确保合理和蓄意使用也是生态文明建设的一个重要问题。在很大程度上，获得这些数据和没有法律问题是其他三个方面的先决条件。在这方面，一个现代的土地管理系统可以解决与土地使用权、土地价值、土地利用和土地开发相关的问题。然而，在地下问题上，现代土地管理仍然面临着一些问题。法律问题是城市地下空间开发的基础和关键。地上和地下区域的权利、限制和责任是现代土地管理的核心，也是现代土地管理的另一个重点。

3.2 综合规划

在全球大多数城市的规划体系中都被忽视或低估了。相反，城市地下空间经常被涉及到分散的部门规划，特别是在基础设施公用事业、水和能源部门，因此在城市发展中没有得到协调和充分的规划。此外，城市规划中的城市地下空间概念容易与城市地下空间混淆。因此，作者认为，即使城市地下空间被纳入城市规划，只有七分之一的城市地下空间资产被考虑，而其他城市地下空间资产被排除在外。这些因素可能会损害城市地下空间对生态文明建设的贡献潜力。随着学术界逐渐认识到城市地下空间在城市可持续发展中的重要性，然而，规划行业很少巧妙地处理城市地下空间。这种忽视部分是由于规划从业者的传统直觉，他们倾向于忽视或低估他们正在工作的地图下的第三维，部分是由于对看不见的地下世界的复杂性和不熟悉，因为规划人员不知道什么可以在地下使用，在哪里使用。

城市地下空间规划与传统的土地利用规划有以下不同之处：传统的土地利用规划可以提供部分3D解决方案，例如道路交叉所需的高架桥。然而，周围的土壤和岩石使得地下环境几乎不可能恢复到原来的状态，这意味着城市地下空间规划实际上是一次性的行动，其实施不可能像地面行动那样容易恢复。此外，使用城市地下空间所带来的好处基本上不在市场范围内。外部性的存在通常使城市地下空间解决方案处于建筑成本争论的中心，比表面或高架结构的成本要高得多。这些特征表明城市地下空间规划需要有良好的基础，特别是有效的规划技术，包括但不限于城市地下空间使用的适用性评估、需求预测、布局方法和成本效益分析。

3.3 建筑设计

建筑设计对于为地下用户创造一个更友好、更健康的环境、减少内部灾害损失、协调地下和地面设施的界面至关重要，这些都是生态文明建设的重要方面。更重要的是，如果没有良好的建筑设计，规模庞大的城市地下空间设施会造成城市地下空间资产的巨大浪费，对居民的吸引力会降低，最终会被废弃，修复的机会微乎其微。例如，使用城市地下空间的著名示例案例现在被重新视为故障，因为它被视为流、机械或存储的纯技术空间;因此，没有考虑具体的以人为本的建筑设计。在上述三个方面中，地下环境、心理问题和地下设施的防灾问题近年来得到了广泛的研究。

地下物理空间质量的重要性及其相关的心理健康问题早在三十多年前就被人们所关注和讨论。这些问题可以分为三类，即1）环境压力源，如热舒适、空气质量、噪音、照明和无窗环境;2）社会心理问题，如消极的文化态度（与埋葬和邪恶有关）和缺乏可感知的控制（由于找路困难和黑暗）;3）健康问题，如昼夜节律紊乱、维生素D缺乏、幽闭恐怖反应和病态建筑综合征。然而，大多数早期的研究在描述性和方法论上都是过时的。为了填补这一空白，为了更深入地理解优质地下空间的人性化设计机制，开展了多项研究项目。运用先进的神经认知方法和概念有助于定性分析。

3.4 施工技术

施工技术在实现城市地下空间可持續发展中发挥着重要作用。例如，传统的切割-覆盖方法比钻孔隧道更有可能为未来穿越城市地下空间创造障碍，并影响其他城市地下空间资产，如地下水、空间连续体和地下生物，这是由于附属的挡土墙。随着地表和浅层城市地下空间越来越拥挤，传统的建筑技术已经不能满足当前城市发展和实现生态文明建设的需求。

为了尽可能地保持原有空间连续体的特性，需要微扰动施工技术和控制系统。微扰动施工技术的实例包括采用新型低温发射、接收密封工艺的盾构隧道和远程控制技术的气动沉箱。系统分为施工前的调查、预测和决策、施工过程中的监测和反馈控制、施工后的长期预测和控制三个部分。城市地下空间的发展趋势是向更深、更大的方向发展。然而，地质不确定性、勘探和监测困难、设计理论和方法、开挖或钻探设备等方面也出现了挑战。这样更深入、更大的城市地下空间项目需要各个施工环节之间更好的协作，需要更好的把握整个施工过程，需要更好的把握城市地下空间结构与地表和地下周围环境的实时关系。

4、为实现生态文明建设而采取合作方式的框架

现代土地管理、综合规划、建筑设计和施工技术这四个维度，都是一个城市向生态文明建设提及城市地下空间的关键和必然。因此，这四个维度的相关部门之间的协作、协调和沟通（本文称之为协作方式）对于确保城市地下空间发展的价值具有重要意义。空间数据是解决四个关键维度中的基础先决条件。当前城市管理各个维度的实践表明，城市地下空间构成了一组为应用提供空间数据、服务和信息的关系和伙伴关系，是在各个城市部门之间建立科学规划方法的关键。全面阐述了城市地下空间在实现生态文明建设方面的重要性，明确建议采用城市分析数据基础设施作为城市地下空间，用于衡量和监测国家和地方生态文明建设的进展。因此，本研究表明，基于城市地下空间的协作方式对于城市地下空间朝着生态文明建设发展至关重要，基于当前相关领域的典型经验和城市地下空间开发的具体需求，本研究提出了基于城市地下空间的科学规划方法的框架。

4.1 城市地下空间的数据要求

地下三维地图机的数据要求包括三维法律数据和三维物理数据，这对城市地下空间朝着生态文明建设发展也具有重要意义。空间数据可以用来表示地下的法律和物理数据，从而支持四个关键维度之间的科学规划方法。关于城市地下空间开发的现有空间数据来自不同格式和标准的多个来源。这些数据的处理、共享和协调在技术上具有挑战性和耗时，这可以解释为缺乏互操作性。此外，现有的空间数据在大多数情况下是由某一部门私人保存的，其他部门和一般公众无法获得，这主要是由于限制性和竞争性政策。这也是工程沟通不畅、效率低下和事故发生的主要原因。为了解决这些问题，需要一个具有城市地下空间空间数据一致标准和政策的共享城市地下空间。

支持协作的数据至少包括地层数据、地质数据、地图数据、结构数据、建筑数据和社会经济数据。在过去的几十年里，出现了许多旨在提高井下数据可用性和利用率的举措。此外，空间元数据对于通过城市地下空间识别、评估和访问数据集也至关重要。

4.2 三维建模与可视化

地下世界是无形的在大多数情况下，城市地下空间数据的建模和可视化可以促进地下状态的理解/未来和公众参与规划和设计过程中，数据提供者和顾客之间建立桥梁行业的四个关键维度。展示的规划和建筑设计结果决策者和公众，此外，借助虚拟现实、4D可视化、增强现实等先进技术，利益相关者可以更好地了解虚拟地下环境中的规划和建筑设计，有助于规划和设计成果的优化。城市地下空间建模和可视化的理想解决方案是一个数字孪生平台。将城市地下空间整合到空间上启用的数字孪生体中，是一种对复杂但不可见的地下世界中的物理实体和法律实体进行实时可视化、查询和分析的智能方法。

结论：

在此，我们从联合国生态文明建设的视角对城市地下空间与城市可持续性的关系进行了综述。本研究涵盖了广泛的学科领域，特别是近十年来的广泛研究，帮助读者形成一个整体的观点，概念和主要挑战的城市地下空间研究在各个学科。主要目标是提高利益相关方对城市地下空间在实现生态文明建设中的作用的认识，并促进合理使用城市地下空间以促进城市可持续性。

协同方法结合了四个关键的學科维度，即现代土地管理、综合规划、建筑设计和施工技术，每一个都是具有挑战性的领域，在可持续城市地下空间使用方面有不同的研究问题和具体要求。现代城市地下空间土地管理系统需要消除法律障碍，建立三维地图。集成城市地下空间规划至少考虑了适宜性评估、需求预测、布局方法和不同规划层次的成本效益分析。应采取具体的设计措施，提高地下建筑质量，减少和减轻地下内部火灾或洪水灾害。先进的施工技术和管理也需要解决日益复杂的地下环境的挑战。这些问题和需求可以通过使用城市地下空间在很大程度上得到解决。

基于城市地下空间的科学规划方法应该建立在一个共享的、智能的平台上，该平台配备了各种空间数据，能够进行3D建模、可视化和分析。今后应进一步量化城市地下空间对生态文明建设的贡献，为城市地下空间的使用制定更明确的目标。同时，不仅在这四个关键方面，而且在建立城市地下空间平台方面，还需要解决方法和技术方面的挑战。

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