城市地下空间形态发展演变特征研究

◎ 邵继中

一、引言

“形态”从词语字面意思上解释，是指事物在一定条件下的表现形式，简单来说就是事物的样子。就城市空间形态学研究而言，东南大学建筑学院教授刘先觉先生在其著作《现代建筑理论》提出：“形态学（Morphology）产生于古希腊，Morphology一词由希腊语Morphe（形式）和Logos（科学）构成。对于形式和结构的综合研究使形态学同时涉及艺术与科学两个方面的内容，在漫长的历史发展过程中，通过对其他科学技术的借鉴和自我更新完善，形态学已成为一门独立的、集数学（几何）、生物、力学、材料和艺术造型为一体的交叉学科，它的研究对象是事物的形式和结构的构成规律”[1]。

但是，在现今城市设计研究实践过程中，把“形态”仅仅局限在“形式”的范畴中，只强调城市物质实体环境的“形体、外形、轮廓、构图”等纯外在的形象类的方面，而忽视了其相互“关系、影响、变化”等方面。实际上地下空间形态是在高速城市化基础之上，位于城市地表下空间物质性的外在表现是城市功能的扩展，从另一方面体现城市的空间结构[2]。地下空间形态研究主要关注城市地表下空间的分布和演化规律以及各空间之间的科学性、合理性和关联性。城市空间是一个包含了大量物质构成以及许多子系统的开放性系统，其本质就是集聚与分散、聚合与重构的多层面对立统一的辩证过程。而这一过程在许多层面上又表现城市的空间扩展，功能组合，形态特征以及地上地下空间的相互共存关系[3]。对中国当前城市化背景下城市地下空间形态演变及相应特征进行深入研究，是对城市复合空间发展，整体宜居环境构建具有重要的现实意义。

二、地下空间形态构成

空间要素除了具有各自的几何特征和非几何特征外，其相互之间所特定具有的相互关系、关联更为重要，这些关系被称为空间形态关系。城市整体环境具有的并不是单一而简单的意象关系，应该是复杂的相互重叠、相互关联的关系序列。如节点、路径、区域等城市地下空间要素是使用者处于地下活动行为的物质环境条件，但是，孤立的要素对于城市空间是没有本质意义的。城市地下空间形态特征的研究就是在对地下空间总体轮廓的描述、概况、分类及比较基础之上，寻找相关要素之间的联系与组织。这种联系与组织可以被看做无形的控制作用，在显相上可以看成自然控制和意识控制相互作用，交替融合的过程。因此，也可以认为城市地下空间设计的关键，也就是在于如何从空间安排上保证城市地下各种活动高效、合理的组织。

在城市发展理论中研究地下空间形态特征，可以使城市地下空间组织达到科学性、经济性、艺术性的完美结合，与地面空间巧妙耦合形成有特色、有个性的城市整体空间系统。城市合理的利用地下空间，不仅仅要求对空间的巧妙组织，更需要研究空间的维度、形态的序列，整体和局部之间的协调，从而在功能和审美上达到高度协调和统一。解放军理工大学陈志龙教授认为：“城市地下空间形态是城市地下空间功能的体现，与城市地面空间形态不同的是，城市地下空间是一种非连续的人工空间结构，需要经过系统的规划和长期的发展才能逐步形成连续的空间形态[4]”。因而，地下空间的形态关系将是一种建立于地下空间要素之上的复杂模式，相互连续完整，却又复杂易变。

1.地下空间形态认知。对于空间形态与功能关系的认知需要建立在一个基础上，城市的地面空间是可以不以人的活动创造而自然存在的，人类的城市社会活动只是对即存空间的再改造，是通过围合等手法对空间进行限定。然而，城市地下空间的形成必须以人类建设活动为基础，没有人类功能性活动，自然没有地下空间存在，因而空间为之地下必然具有强烈的功能指向性质。因此，地下空间形成之始，就以人的行为或功能特征为其形态依据，从这点上理解，这也就是与城市地面形态特征完全不同的地方。

对于地下空间的形态与其功能的关系，部分学者认为：“功能是城市地下空间发展的动力因素，是地下空间存在的本质特征。而形态是表象的，是功能与结构的高度概括，它映射地下城市发展的持续和继承，体现鲜明的城市个性和环境特色[4]。”因而，对于地下空间形态的深入研究将有力地改变现有不合理整体空间结构，影响城市整体空间的发展。地下空间就空间形态而言与地面空间是类似的，其空间表现形式千变万化，但归纳而言可分为两大类：即地下空间单一形态和地下空间复合形态。

2.地下空间单一形态。简单来说，地下空间单一形态的概念就是由单个形体构成的空间形态，是构成地下空间形态的最小单位。单一空间形态的地下空间功能也相对较为单一，相互之间的连通性较弱，适合于地下人防、静态交通、地下市政设施、地下工业仓储功能等设施。所以，单一形态的地下空间普遍上是具有形体单一、功能简单、空间均质、主体突出、信息明晰的统一特性。单一形态的地下空间在表现形式上又可分为几何原形和原形变异两大类。

几何原形一般都可以简单地归纳为基本元素点、线、面的组合，原形是最基本的平面或空间形态。方形、圆形、三角形，它们是地下空间大量运用的几何形态，也被看成是基础性形态的元素，可以变幻出所有可能的类型。这些规则的基本几何体是以一种“有序”的方法来组织各个局部以及局部与整体之间的关系，在视觉的感受上多以对称式构图。不规则的几何体则以“无常”的方法来组织各个方面的关系，在视觉感受上则呈现出动态。原形变异是地下空间在基本的几何原形基础之上，通过某种规律性的动作，如拉伸、旋转、扭曲等，对其空间本体产生形变作用，从而形成具有明显空间特征，但空间仍然保持均质和单一的地下形态。但是，如果从几何学角度上解释，比如椭圆就是由圆形的某一方向相对挤压而形成的，以其离心率的大小来控制椭圆的圆扁度，圆形的变异也明显表现出空间形态的一种轴向性。

3.地下空间复合形态。地下空间复合形态是由两个或两个以上的单一地下空间单元通过一定的结构方式和联系关系组合而成的复合体。地下空间复合形态研究讨论的关键是针对两个以上空间单元在几何压缩、拉伸外的变异以及组合关系从而形成的复杂的不规则的空间系统。当然，这里的不规则空间形态并非就是所谓的堆砌、凌乱放置，给人造成不舒服、不畅快、混乱无章感，相反它应该以一种潜在的逻辑和内在的规律以多变的形态给人活泼多样、轻快而富有变化的感觉展示出更多的形态美和多样性。

三、复合形态结构特征

从系统论的角度理解结构的内涵是指系统内部各个组成要素之间的相对稳定的联系方式，组织秩序及其时空关系的内在表现形式。系统中各要素所具有的一种必然性的关系及其表现形式的综合导致了系统的一种繁体规定性[5]。地下空间复合结构是在一定的发展时期和条件下区域内各种行为活动依据功能发展进行空间分布与组合的结果。随着时间的推移，其形态特征也在不断地发生进化和演变[6]。城市地下空间摆脱单一空间形态，由多种要素互相联系而形成系统性的空间组合是城市地下空间形态趋于成熟的重要标志之一，是城市整体空间发展到一定阶段的必然结果。多个较大规模的地下空间相互连通形成空间结构性系统化的发展形态，较多的发生在城市中心区等地面开发强度相对较大的区域。其在功能上也展现出复杂性和综合性，一般由交通空间、商业空间、休闲空间以及储藏空间等共同组成。因此，科学合理的复杂地下空间空间结构形态需要经过深入研究的基础上结合城市实际建设条件逐步发展形成。

城市地下空间的复杂结构特征从概念上表述，是根据各不相同的空间功能，在竖向和平面进行多样的组合和联系，并通过不同的方式为空间使用者提供良好的空间感受，构建地下通透、流动、自然的城市地下空间体系。当然地下空间因其复杂性，组合和联系不单是一个技术问题也表现出空间艺术处理问题，恰当的形态结构必然是以少胜多、虚实得宜、构成有序、自成体系，而对整个地下空间设计效果有着重要的意义，反映出所在城市的风格和气质。

地下空间的组合形式有很多种，根据不同空间组合的特征，经过深入分析概括起来主要分为：轴心结构、放射结构及网络结构三类主要结构形态。

1.轴心结构。呈轴心结构分布的地下空间形态，主要指的是以地下空间意象中的路径要素如地下轨道、地下道路、地下商业街等为发展核心轴空间同时向周边辐射发展，在平面及竖向空间上连通路径要素周边多个相邻且独立的地下空间节点，如地下商业空间或停车库等，从而形成地下空间串联空间结构形态（见图1）。

轴心结构地下空间是构成城市地下空间形态最为常见也是最为基本的复杂空间结构形式，其优点在于有良好的层级结构，空间连续、主次分明、分布均衡。轴心结构空间形态把地下各个分散的，相对独立的单一空间形态通过轴线连成一个系统、形成一个复杂结构极大地提高了单一空间的利用效益和功能拓展。由于轴心结构地下空间导向明确，对于地下人流疏散非常有利。但是，也正是由于轴心空间的简单结构需要注重地下空间内部的对比与变化、节奏与韵律，从而避免轴心结构地下空间潜在的单调和乏味。

城市商业、商务中心区步行系统较为发达适合于轴心结构空间开发模式，整体贯通的地下商业步行街结合地下轨道线路作为区域空间线性的发展轴，同时沿轴线在城市的重要节点形成若干点状地下空间。此类地下空间复合形态模式适合与带状集中型或带状群组型的城市地面空间形态相协调。

图1右 轴心结构地下空间示意图（图片来源：作者绘制）

图2左 放射结构地下空间形态示意图（图片来源：作者绘制）

2.放射结构。在城市中除了轴线以外，还有一类空间在具有一定规模同时也集聚了地下各种主要功能活动的区域，在此地下区域内，形成地下空间人流、交通流、资金流等的高度集中。通过这类地下空间，城市区域以自身为核心对周边地下空间形成聚集和吸引的同时也将功能、商业、人流向周边辐射（见图2）。这种由中心向外辐射射的空间组合形态即为放射结构地下空间形态，其形成和发展显现出一座城市整体空间发展后地下空间形态趋于成熟的标志，也是地下空间发展必然经历的一个过程。地下空间放射结构形态的特点是在交叉的核心点上导向各处的路径非常便捷，即从一点可以到达多方向，而交叉点以外各点到其余各处都需要经过中心节点。因此放射结构形态的中心节点必然人流压力巨大，为缓解此问题随着地下空间发展的不断扩大可以将一个中心改为分散为几个次中心。

放射结构地下空间形态的核心空间主要表现为大型地下商业综合体、地铁的区域换乘站或城市中心绿地广场等与周边地下空间有着严格的相互关联和渗透性的层次结构关系。放射结构的地下空间形态发展呈现复杂联系的趋势，相比轴心型结构更加紧密的结合了周边众多次要空间。放射结构的发展和利用也使地下空间形态形成相对完整的体系对城市整体空间起到非常重要的作用，一方面连接着各个商业区，另一个方面缓解地面的交通压力。因而，地下空间的辐射状结构形态的开发利用极大地鼓励了地下空间的规模化建设，带动周围地块地下空间的开发利用，使城市区域地下空间设施形成相对完整的体系。

3.网络结构。合理的地下空间复合结构形态关系影响空间资源优配置，影响地下空间网络关系发展。受城市经济活动集中化的影响，城市地下空间组织结构在发展到一定程度后往往呈现大范围集中、小范围扩散的发展趋势，即在城市地域内从城市中心向城市边缘扩散和再集中。因为城市地下空间之间存在的通信、功能和交通等各种关联性，同时空间与空间之间相互承载各种要素的流动，这类关联性和要素流在城市商业密集，交通复杂的中心区被急剧放大和集中化，使得城市地下空间之间需要一种更为密切，更为高效的空间结构形态。城市经济发达中心区或交通密集区的枢纽区，地下空间最佳选择应该采取网络化的空间结构。网络化结构形态的地下空间就是一个以具备一定规模多空间多节点为支撑，具备网络型空间组织特征，超越空间临近而的建立功能联系，是一个功能整合的地下空间网络。地下各个空间或节点之间相互依赖协调发展，彼此具有密切的既竞争又合作的联系（见图3、图4）。

城市地下空间整体形态网络状空间模式，就是充分发挥“网络结构效应”作用。所谓“网络结构效应”就是指处于网络系统中的节点、连接线和网络整体对地下空间各要素实施的作用力，也就是说地下空间网络结构对空间的影响状况。地下空间的网络化结构发展效应主要体现在空间与空的相互依赖性以及互补性这两种特性上。依赖性可以被理解为外部性，它使单一空间直接增加另一单一空间的效用。比如，地下轨道交通可以带来大量人流，从而繁荣地下商业。而互补性可以被理解为内部性，即地下空间之间互为补充，单一空间弥补另一空间功能、性质等方面不足。比如，地下停车可以有效解决地下商业配建问题；地下商业空间为地下交通步行空间丰富体验。所以，城市中心区发展地下网络化结构为城市空间高效合理利用提供了科学的途径，为规划布局的空间设计提供了强有力的基础。

地下空间网络化结构形态是一个多中心的空间实体，其建构不仅需要实体空间上的规划设计，更需要对不同区域主体之间利益进行协调，需要搭建区域地下空间之间的关系网络，并促进相互之间的合作。网络化结构的地下空间形态不仅仅是一个新的概念，更重要的是代表了未来城市的一种高效空间发展理念。城市中心区构建网络化发展的地下空间模式，就是在空间组织上摒弃传统的单一而独立的发展，倡导城市地下空间的互联互通规模化发展，强调构建面向区域的开放的多中心城市地下空间格局。在功能整合上，强调分工与合作，促进区域城市地下空间网络的形成；在协调管理上，强调通过对话、协调与合作实现权利平衡和利益分配，通过网络化空间结构实现公平与效率并重的地下空间管理体系。

图3左 商业性网络结构地下空间形态示意图（图片来源：作者绘制）

图4右 交通性网络结构地下空间形态示意图（图片来源：作者绘制）

四、地下空间竖向布局

虽然城市地下空间在平面布局上逐步发展成熟，但如果缺乏对城市地下空间竖向布局等相关问题的深入研究，还是会导致地下设施和空间之间相互冲突的矛盾。目前地下空间在竖向形态设计思路还比较匮乏，由于地下的不可见性和不可逆性，无计划的建设势必导致重复施工，影响空间运营效率，造成空间资源浪费。比如，在南京新街口地区的地下空间前期建设中，由于缺乏在城市层面整体考虑和合理空间竖向整体设计和布局，前期许多建设独自为阵、各自为营造成地下竖向的混乱无章，在地铁建设作为贯穿地下网络发展介入后发现一些先建的地下设施随意占用了地下空间资源，使得后建的地铁空间与之发生冲突，只能往更深的方向发展，造成不必要的资金浪费以及巨大的开发困难。因此，在进行地下空间开发利用的同时，有必要对其竖向布局进行分析研究，从整体城市层面进行地下空间城市竖向设计，使地下空间的开发能够按照相应设施的功能以及所处的地域进行有层次的开发，充分保护地下空间资源。

1.地下空间资源。地下空间是当代大、中城市城市空间发展的重要自然资源。城市地下空间资源容量的大小与地下空间开发技术有密切的关系。早期城市地下空间开发利用由于受技术的限制只能开发浅层地下空间。因此，由于开发深度的限制城市地下空间资源容量只能计算浅层空间容量，但是当今随着深层岩土开发技术的发展，城市深层地下空间也逐步走进城市发展的视野。比如，俄罗斯圣彼得堡地铁站大多超过100m，朝鲜平壤地铁最深站甚至达地下200m。另外，由于原先技术的限制对于城市高密度发展地区地下空间不利于开发，因而城市地下空间资源容量就无法计入该地区的地下空间。随着地下工程施工方法的创新，逆作法、浅埋暗挖、微型隧道等技术逐步成熟。在城市高密地区开发地下空间成为现实的同时也无形的为城市地下空间资源增加了容量[7]。

地下空间资源的数量是呈现出动态发展的数据，城市地下空间资源容量的大小与对城市地下空间资源的认识、开发技术、地面状况等有着直接的关系。尽管城市潜在地下空间资源较为丰富，但由于早期城市的认识忽略了它的存在，对其利用存在着很大的局限性。如早期的城市建设只注重市政基础设施纳入地下，当时对城市地下空间资源的容量可能只停留在城市道路下的地下空间。后期为了解决城市地面交通拥堵问题，地下轨道系统的发展使得城市地下空间资源容量大大增加。

所以，城市地下空间资源是城市空间资源的重要组成部分，它是城市集约化发展，实施城市立体化开发的重要保障。要对城市地下空间资源有一个明确的认识，就必须对城市地下空间资源进行评估，明确城市地下空间资源的分布和资源质量，明确城市地下空间资源量、可开发量，为地下空间规划提供重要的依据。城市地下空间资源的科学评估对城市地下空间开发的整体性和效益十分重要，因此有必要对城市地下空间资源进行合理的评估，来指导城市地下空间的合理设计。另外，在明确地下空间资源概念的同时还需要了解城市地下空间资源质量的概念才能更科学地进行地下空间竖向布局的研究。地下空间资源质量通常指城市地下空间可开发利用程度的综合评价指数，可用综合指标评价后的相对分数或分级来表示。对城市地下空间资源质量进行评价，是制定资源开发利用规划、采取合理的开发方式与措施的科学依据。

2.竖向分层布局。地下空间的竖向分层开发研究需要在充分了解不同城市地下空间资源的基础上，综合分析地下空间资源质量的情况，根据不同发展时期对地下空间设计的不同需求统筹协调、合理布局。为了确保地下空间发展的充分性和科学性，地下空间竖向布局设计的重点控制解决城市发展的各个不同阶段、不同建设时期，各类原有设施与新建设施的避让和统一。根据地下空间开发的层次性和时序性，按照竖向深度的不同，可以把地下空间竖向划分为浅层地下空间、次浅层地下空间、次深层地下空间、深层地下空间四个层次（见表1）。

所谓浅层地下空间，即地表相对高程±0m～-15m。位于地表-15m以上，是地下空间使用者的行为活动最为频繁的地下空间。轨道站点作为地面、地下联系的出口，从安全及经济的角度出发应尽量布置该层。同时结合安排停车、商业服务、公共步行通道、交通集散等地下步行交通为主功能。在各重点地区道路下的浅层空间还需考虑安排市政管线、综合管廊等功能。由于该层为首层地下空间，因此在进行地下空间竖向设计时应尽可能的预留一定的覆土深度，尽量减少对地面景观生态的破坏。其中市政管线的布置应尽量处于人行道或非机动车道的下方，地下综合管廊可以布设在车行道下。次浅层地下空间为地表相对高程-15m～-30m。相对而言，次浅层地下空间对于使用者的可达性稍差，在表层空间被步行空间占用的情况下，地下轨道的隧道类空间应尽量安排在这一层同时兼顾地下停车、地下快速路，另外也可根据实际情况布置地下垃圾收集系统等较为深层要求的市政公用设施功能。次深地下空间，则为地表相对高程-30m～-50m。在浅层空间发展饱和的情况下，主要以发展轨道枢纽换乘站的站厅、深层轨道线路、地下变电站、地下水处理，地下物流系统等埋深要求较深的地下设施。这一层次也是当前地下岩土技术和人的心理可以接受的最深层次，比如深圳福田中心CBD以及成都地下空间已经将地下深层轨道线路开发至地下-38m。而深层地下空间为地表相对高程-50m以下空间。这一层次并不是现今地下空间开发涉及的层面，其作用主要为未来技术成熟时的深层地下空间开发做远景预留，为远期地下空间资源规划和城市设计留有余地。

因此，依据中国大部分城市现阶段的经济社会发展水平以及地下空间开发利用的时序和阶段，短期内应该主要以发展浅层及次浅层次的地下空间资源（即地表相对高程-50m内）为主。由于技术及对于地下空间利用群体意识的欠缺，目前深层的地下空间资源很少被重视。但是，深层岩土技术、施工方法和挖掘设备的逐步进步革新将会把心理空间引入更深层的地下，城市地下空间的设计也势必逐步向深层发展，这也就使得对深层地下空间资源的研究和实践是未来城市立体化建设的主要课题。

五、地下空间形体发展案例

蒙特利尔地下城（Montreal Under-ground City）是指加拿大魁北克省（Quebec）蒙特利尔市（Downtown Montreal）中心附近地下的交通及综合性商业区，是目前世界范围内开发体量最大的城市地下空间。地下城大约12km2的建设区域，位处两个重要的地理景观中间，北抵皇家山脉，南达圣劳伦斯河。除发达商业之外，也是城市居民重要的社会文化活动之地。在地质条件优良的岩石层中的蒙特利尔地下轨道系统如同蛛网般致密、丰富，且功能强大。蒙特利尔地下城的全面发展是几轮城市空间结构变化的产物，借机于地下轨道系统，始于20世纪60年代，经过70年代的扩张、80年代的巩固和90年代的大型项目，形成了目前拥有面积达360万m2、两条地铁线10个车站的地下空间。总长度为32km的地下步行系统，将地下高速公路、中央火车站、大型停车场、室内公共广场、大型商业中心、办公楼等相连接的地下网络系统，形成当之无虞的“地下城市”[8]（见图5）。

地下空间能够有效抵御恶劣天气，鼓励居民使用公共交通，对城市中心商业和旅游活动具有吸引力。自1962年开始建设，蒙特利尔地下城从最初的轴心结构发展至放射结构及当前的网络结构，逐步形成一个包含多种城市功能的大尺度步行网络系统（见图6）。对于蒙特利尔的整个城市空间而言，网络化的地下空间有助于减轻主要交叉路段汽车与行人的交通冲突，缓解了停车需求，减少了空气污染。通过地下空间和商业零售之间的积极合作关系，商业区的核心一直保留着独特的活力。促成了一个对于商业街、公共空间和私人项目都有益的，繁忙且充满生机的地区。

蒙特利尔的地下城的开发体现了人性关怀的思想。发达的地下步行道系统，以其庞大的规模，方便的交通，综合的服务设施和优美的环境，保证了在漫长的严冬气候下各种商业、文化及其他事务交流活动的进行。以人的需求作为出发点，通过科学的行为研究，了解人在地下空间的行为内涵，从而设计完善的地下空间设施。利用地下空间的特点，将餐饮、娱乐、休闲、购物为一体；积极采用自然采光系统，减少地下的压抑；设置清晰统一标识系统，缓解地下方向感的缺失；布置丰富多彩艺术作品，增加城市文化气息；广泛采用地下绿化植物，排除污染，净化空气。

图6 蒙特利尔地下空间的网络化发展（吴铮. 城市中心区交通节点地上地下一体化设计研究）

通过把握和突出城市自身特色，以文化来增添城市的魅力。蒙特利尔是法国海外最大的法裔城市，有着鲜明的法国特色，其城市景观别具风格。大规模的地下空间系统开发使得老城区保存了地面欧陆风格建筑。无论是规划还是建设，每一个细节都注重体现人与自然的和谐。地下空间使得城市保留着大片绿地，绿树成荫，鸟语花香，浑然一体，人与自然的和谐共处。蒙特利尔的地下空间开发之成功的关键因素，是当地政府认真落实规划、长期提供政策引导和服务的结果。政府通过反复论证，使地下空间规划设计方案得以实现；制定优惠性政策给予鼓励，给予土地价格优惠；从而通过地下空间促进了城市层面布局的立体开发模式。

[1]刘先觉.现代建筑理论——建筑结合人文科学与技术科学的新成就[J]. 1998.

[2]童林旭.地下空间与城市现代化发展[M].中国建筑工业出版社, 2005.

[3]王文卿.城市地下空间规划与设计[M].东南大学出版社, 2000.

[4]陈志龙,伏海艳.城市地下空间布局与形态探讨[J].地下空间与工程学报,2005,01.

[5]魏洪森,曾国屏.系统论一系统科学哲学[J]. 1995.

[6]Golany G. Geo-space urban design[M]. Wiley. com, 1996.

[7]束昱.地下空间资源的开发与利用[M].同济大学出版社, 2002.

[8]吴铮.城市中心区交通节点地上地下一体化设计研究[D].北京工业大学, 2013.