城市地下空间的利用

城市地下空间的利用人类社会从游牧到聚居的变化，使人们逐渐摒弃了原始的穴居生活，开始在地面上营建房屋，进而形成了城市。从那时起，人们曾经长时期舒适和安全地生活在地面空间之中。到了近代，社会生产力发生了几次飞跃性的提高，城市的规模、数量也随之不断地发展和增长。随着城市人口爆炸性的增长，自然资源的大量消耗和城市环境的日益恶化，有限的城市地面空间，已不能满足社会和城市发展的需要。为了当代人生活质量的提高和子孙后代的生存与发展，必须寻求新的生存空间。在可供选择的几种新空间中，宇宙空间虽然是无限的，但从技术上看，在短期内大规模开发是不现实的。海洋的面积为陆地的2.5倍，海面和海底空间有很大的利用潜力，但开发起来要比在陆地上困难得多。因此，除了适当扩大地面空间的利用高度外，比较现实可行的选择就是开发和利用陆地上的地下空间，这对于人类生存条件和生活环境的改善，对于未来城市的形成，都将发生深远的影响。这个问题已经在许多国家以及联合国的有关组织中引起普遍的关注。在一些发达国家的大城市中，地下空间得到了广泛的利用，进行了大量的工程实践和科学研究工作，把开发利用地下空间做为缓解城市发展中各种矛盾的有效途径之一，作为建设现代化城市和未来城市的一个重要内容。我国虽然有着开发利用地下空间的传统，例如至今仍有3500万以上的人口居住在各种类型的窑洞之中，但就城市地下空间而言，除近年来修建的一些地下人民防空工程外，开发和利用的规模和范围都很有限。因此，在我国城市化进程中，在城市现代化的过程中，提出和研究城市地下空间开发利用问题，并结合我国国情进行适当的实践，是十分重要和有意义的。一、背景和前提城市是人类社会发展的产物。城市的状况和面临的问题，都是一定国家和地区在一定社会发展阶段上现实情况的反映。例如，近代城市地下空间的开发利用，一般是从1863年英国伦敦建成世界上第一条地下铁道算起。这一现象反映了第一次产业革命在英国发生，城市随之发展，城市交通出现了立体化的需要。当前，在世界范围内，一方面新的技术革命正在或将要促使生产力出现新的飞跃，在许多国家中，城市化的进程正在加速进行；另一方面，人口、粮食、土地、资源、环境、生态、就业、教育、债务等问题，都在日益尖锐化，有的甚至已达到危机的程度。人类社会正是在这种矛盾状态中前进和发展。同样，城市也是在类似情况下发展的，总的矛盾表现在城市人口的增长和城市化水平的提高与土地和水资源的拥有量的不断减少。在城市发展过程的诸多矛盾中，起主要作用的因素是人口的增长。在本世纪初，世界人口仅16亿，1987年已达到50亿，预计到2000年将有62亿，2025年可能为80多亿，2050年时将突破100亿。与此同时，居住在城市中的人口增长更快，特别在发展中国家，人口增长速度平均为2％以上，而城市人口的年增长速度为4％，即快约一倍。如果以这样的速度进行推算，到2025年，发展中国家人口将为77.7亿，其中城市人口为56.8亿，城市化水平将上升到73％。与1980年比较，城市人口净增47.1亿，这将对这些国家的经济、社会、资源造成极大的压力。我国的城市化进程很快，1980年时有城市220个，城市化水平为13.6％，1986年城市增至353个，城市化水平达到17.23％。预计到2000年，城市化水平将上升到41.5％，城市人口将有4.78亿；如果到2050年我国国民经济达到当时中等发达国家的水平，则城市化水平必将进一步提高到70％左右。即使按届时全国人口保持在13亿的乐观估计，城市人口也将增至9.1亿，比现在的2.1亿净增7亿人。若以比较合理的城市用地标准（100平方米/人）计算，则为了现有城市用地状况的改善，需要扩大用地8820平方公里；为今后净增的7亿人口，还再需要70000平方公里，两者合计为78820平方公里，约折合1.18亿亩，相当于一个小省的面积。这些土地大部份为可耕地。在我国可耕地人均拥有量仅为世界平均水平的1/3，同时又正以每年700～900万亩的速度减少的情况下，这样扩大城市用地显然是不合理，不可能的。这里还没有计入为新增城市人口提供住房所需建筑材料将要消耗的土地。因此，不论是为了现有城市状况的改善，还是为了未来的发展，我国的城市化都不能仅靠扩大城市用地来实现，而必须寻求新的途径，做到既扩大城市空间，又不多占用土地；既节约资源，又能使城市生活现代化；既保持城市传统风貌，又充分利用新技术革命的成果。开发利用城市地下空间，除上述宏观的社会、经济背景外，由于各个国家的国情不同，发达程度不同，在开发利用城市地下空间的规模、内容、重点等方面都有所差异。例如，中国、苏联、瑞士和北欧一些国家从备战要求出发，建造了大量地下防空工程，其中相当一部份在平时可作为各类公共建筑使用。有些国家，如日本、联邦德国、法国等，国土狭小，大城市人口高度集中，城市交通矛盾突出，因而大量修建地下快速轨道交通系统和地下停车场，并与换乘枢纽结合发展地下商业中心或地下商业街。北欧、西欧一些能源缺乏的国家，如瑞典、芬兰、法国等，利用地下空间的有利条件发展地下贮库，贮存能源。加拿大气候寒冷，在几个大城市中建造地下步行通道网，将地面上的重要建筑物、交通枢纽和商业中心在地下连接起来，使城市居民在冬季倍感方便。在美国的几所大学内，为了保存历史性建筑物的统一风格和解决校园内用地紧张问题，建造了一些地下图书馆和教学、实验建筑，取得良好效果。尽管城市的发展已经提出了开发地下空间的需求，但是能够在多大规模、多大范围内进行开发，还要视有关国家、城市的经济承受能力而定，因为开发城市地下空间要付出很高的代价。例如，欧洲一些城市修建地铁，造价平均为每公里1500～2000万美元；日本东京新建的深埋地铁，造价高达每公里1亿美元；我国上海开始兴建的地下铁道，造价预计每公里需人民币1.4亿元。如此高昂的建设费用，即使在经济高度发达的国家，建造地铁也不是轻而易举的。上海地铁是我国第一条以解决城市交通问题为主要任务的地下快速轨道交通线，从规划、设计，到试验、研究，准备已近10年，之所以迟至最近才正式开工，困难主要在于资金的筹措。瑞典的人均国民生产总值在1953年时为981美元，联邦德国在1958年时为931美元，日本到1965年达到人均904美元。如果把以上情况与这些国家开发城市地下空间的情况相对照，这几个年代正是这三国开发利用城市地下空间的高潮，或者开始进入高潮的时期。这说明了经济发展、城市发展与开发利用城市地下空间之间的内在关系，简单地说，就是国情与国力，或需要与可能的关系。我国是发展中国家，当前人均国民生产总值仅300多美元，然而一些大城市面临的矛盾很多，已经产生了开发城市地下空间以缓解城市矛盾的客观需求。这种需要与可能之间的不协调现象，说明我国城市基础设施过于落后，同时城市化速度相对于国民经济的发展，存在一定程度的超前现象。根据以上情况，可以预计，到2000年前后，即我国人均国民生产总值达到800～1000美元时，比较大规模地开发城市地下空间才可能具备较充实的物质基础。在此之前，选择最急需的项目，有重点地进行适当规模的开发，当然还是应该的，这样也有助于积累经验，迎接城市地下空间开发利用高潮的到来。二、地下空间资源利用的内容与范围地下空间的作用和价值被人们重新发现后，认为是一种人类仅有的少数尚未被充分开发的自然资源。地下空间资源的开发，从理论上说几乎是无限的，因为地壳（岩石圈）的厚度平均为33公里，但目前的岩石开挖施工技术所能达到的深度仅为1000米左右，而城市地下空间的开发，则一般尚未超过301米。瑞典曾有人估计，在30米深度范围内，开发相当于城市总面积1/3的地下空间，就等于全部城市地面建筑的容积，即不需扩大城市用地，就可使城市的环境容量增加一倍，说明城市地下空间资源有很大的潜力。对于浅层地下空间的开发，特别是在原有城市，受到很多条件的限制，例如地质情况，已有的地下设施，已有的建筑物较深基础，土地的所有权和地价，施工技术及其对城市的影响，经济能力，开发后的综合效益等。从总体上看，在城市街道、广场和公共绿地下面开发地下空间的条件最为有利；从区域来看，则以城市中心区、商业区、居住区、文教区等处对地下空间的需求量最大。这两种情况综合的结果，就形成了由点与线组成的城市地下空间的基本格局。“点”是由单个或成片的地下建筑组成，“线”是指交通线、物流线等。一个城市到底有多少地下空间可供开发，其中有多少可供有效利用，不能笼统地估计，必须经过深入的调查，科学的论证和综合的规划。以对北京前门商业区地下空间开发利用的可行性研究为例，该地区的划定范围约70公顷，地质条件有利，普遍具备开发的条件，地下公用设施和人防工程占用的空间有限，仅有少数有保留价值的建筑物的基础。这样，以开发深度15米计，该地区可供开发的地下空间资源约有1000万立方米。经综合规划，可供有效利用的约有200万立方米，即相当于可供开发量的20％。当然，在进行规划时，不能仅按当前的需要和条件考虑，而应预见到长时期以后的需求和技术的进步。地下空间一旦形成就很难改变或消除，具有一定的“不可逆性”，因而这种考虑就尤为重要。应当做出分阶段（时间）、分地区（位置）、分层次（深度）开发的全面规划，才不致使早期开发的地下空间成为进一步开发的障碍。图11为日本对于城市地下空间分层开发的设想（以横滨市为例）。实际上，即使在利用城市地下空间方面比较先进的国家，如瑞典、日本、加拿大等的一些城市，到目前为止所开发利用的也仅仅是其地下空间资源的很小部份。以日本东京都的23个区为例，地下空间主要由建筑物地下室、地下街、地下步行道、地铁和地下公用设施等组成。据统计，不包括地下公用设施，共有地下空间507万平方米，其中地下室占76.9％，地下街占5.3％，地铁占17.8％。以平均利用高度4米计，已经利用的地下空间共约2028万立方米。东京23个区总占地面积为592平方公里，以开发深度30米计，则地下空间资源拥有量约为170亿立方米，已经开发利用的仅为1.2‰。可见，即使像东京这样的现代化大城市，地下空间也还远未被充分开发利用，无疑是一个极可珍贵的资源，对于城市未来的发展，是具有战略意义的。尽管城市地下空间资源一般都很丰富，但毕竟不能代替地上空间，而只能作为地面空间的扩展或补充，二者统一起来，形成立体化的城市。因此，应当研究一个问题，即城市的哪些功能和城市居民的哪些活动最适合于在地下空间中实现和进行。从世界上在这一领域比较先进的国家的实践经验看，城市地下空间利用的内容和范围相当广泛，大致可以归纳为以下几个方面： 1.居住空间在城市中，有不少居民居住在建筑物的地下室或半地下室。由于居住环境一般不如地上，一旦有可能，居民都希望住到地上去。人们长期在地下居住，对于健康倒底有没有影响，至今尚无科学的解释。日本法律规定禁止在地下室中住人，也是出自这种考虑。但是，现代科学技术完全有可能使地下居住环境得到根本的改善，因此地下居住空间仍有一定的发展潜力。70年代初，美国从建筑节能的角度出发，开发了一种利用太阳能进行空调的半地下覆土住宅。房屋向阳的一面大量开窗，屋顶和其他外墙则在施工后覆土，以改善围护结构的热工性能，达到节能的目的，一般可节约常规能源50％以上，又可充分利用斜坡地形，因而得到一定程度的推广。2.业务空间凡办公、会议、教学、实验、医疗、展览、图书阅览等各种业务活动，都可以在地下空间中进行。这些一般不需要天然光线的活动内容，当具备全面空调条件时，在地下空间中是比较合适的。美国旧金山市的莫斯康尼中心，是一座展览、会议的综合性大型地下建筑，地下展览大厅面积达23000平方米，采用90米跨度的预应力拱，厅内无柱，能同时容纳2万人活动；还有能容纳50～600人的大小会议厅30多个，以及能为6000人提供饮食的食堂。这座建筑造价很高，但由于经济效益显著，两三年即可收回建设投资。美国明尼苏达大学土木与矿物工程系的地下系馆，包括各种教室、实验室和办公室，总面积14100平方米，90％在地下，并采取了各