混凝土级配理论在城市群发展中应用的可行性分析

张达祥

(北京双圆工程咨询监理有限公司 北京 100080)



混凝土级配理论在城市群发展中应用的可行性分析

张达祥

(北京双圆工程咨询监理有限公司 北京 100080)

随着我国城镇化进程的稳步推进，中小城镇如何与中心城市相衔接，积极融入更大的区域范围，实现多赢共荣的目标一直备受关注。经过对混凝土相关理论的研究分析，发现混凝土强度分布规律和城市发展一般规律具有相似性，从而通过类比混凝土材料级配理论，提出城镇级配的概念，以期为探索出城市群中中心城市和中小城镇及政府之间的级配关系提供理论基础。

混凝土；级配理论；城市群

一、引言

在2014年3月国务院公布的《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》中，增强中心城市辐射带动功能，加快发展中小城市，有重点地发展小城镇，促进大中小城市和小城镇协调发展被正式列为未来城镇化工作的重点和目标。因此，在城市群中如何合理地确定中心城市和中小城镇的比例，对于促进城镇一体化发展就显得尤为重要。鉴于此，本文创造性地引入混凝土材料级配理论的概念，试图通过混凝土材料级配与城镇级配的类比，建立城镇级配模型，从而厘清城市群内中心城市和中小城镇的级配关系，同时为政府制定城市群发展战略时提供理论参考。

二、混凝土强度分布规律与城市发展规律的对比

随着人口的大量聚集和二、三产业的飞速发展，城市已经成为区域经济发展的中心和推动现代社会高度发达的前沿基地1。然而由于区位条件、资源禀赋等的差异，各城市的功能定位和发展速度都不尽相同。因此，在城市群内各城市都奋力向前的同时，如何准确定位不同类型的城市在区域中的功能和地位，充分发挥各城市的资源优势和区位优势逐渐成为城市建设与区域空间开发的关键问题。混凝土作为现代土木工程中应用最广、用量最大的材料，在房屋建筑、道路、桥梁、地铁、井巷、水利和港口等工程中扮演着重要角色，是城市发展壮大的基石。一直以来，混凝土都被认为是一种耐久性材料，不仅能在使用过程中抵抗各种破坏因素的作用，还能保护里面的钢筋不被腐蚀。因此，本文在研究时想到如果能通过对比混凝土强度的分布规律和城市发展的一般规律，找出混凝土强度分布和城市发展的共同规律,并将混凝土各材料之间的级配关系类比到不同类型城镇间的配位关系，那么经“配合”形成的城市群是否经过一段时间也能拥有如混凝土般良好的耐久性、较强的抗压能力和较好的经济效益。

强度作为土木工程结构对材料的基本要求，是选择施工材料的重要指标。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定，混凝土立方体抗压强度是指按标准方法制作的，标准尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试件，在标准养护条件下，养护到28d龄期，以标准试验方法测得的抗压强度值，以fcu表示，单位为N/mm2或MPa。按《标准》等规定的条件和方法进行检测，通过大量的试验和统计分析得到不同养护温度下混凝土“完整的强度龄期曲线”，如图2-1左图所示。

图2-1 混凝土强度增长曲线和城市化进程对比图

与混凝土的强度增长曲线相似，1975年美国地理学家诺瑟姆在《城市地理》一书中通过对各个国家城市人口占总人口比重变化的研究发现，城市化进程具有阶段性规律，即全过程呈一条稍被拉平的S型曲线，如图2-1右图所示。后来经过世界各国城市化进程证实，城市化阶段性的一般规律是：(1)第一阶段为城市化的初级阶段，一般城市人口低于总人口的20%左右，城市人口增长缓慢；(2)第二阶段，城市化进程逐渐加快，当城市化水平为33-35%时出现持续递增的加速度，S曲线呈指数曲线攀升，一般到50%左右出现城市化拐点，城市化加速度开始递减，城市化的边际成本将逐渐增大，但城市化率还是上升的，一直持续到城市人口超过70%以后才进一步趋缓。城市化拐点把中期阶段细分为中前期和中后期，反映了城市化加速度的不同；(3)第三阶段，城市化进程缓慢上升或停滞或略有下降趋势。

对比混凝土强度增长曲线图和城市化进程阶段图，不难发现：(1)两者在曲线形状上都呈现为稍被拉平的S型曲线，起于坐标原点，沿X轴向右延伸，分别止于28d龄期和晚期阶段；(2)强度增长曲线和城市化率曲线在0～3d、初期阶段都以较小斜率缓慢增长，在3～7d、中前期阶段呈现加速增长，在7～14d、中后期阶段表现为逐步减速增长，并最终在14～28d、晚期阶段达到稳定进入停滞状态；(3)两条曲线上均存在一个拐点，在拐点以下曲线呈加速增长，拐点以上曲线呈减速增长，并分别以100%和80%为渐近线。综上，可以认为混凝土强度分布和城镇发展的城市化率在一定程度上具有相似的发展规律，这便为城镇级配概念的提出奠定了类比的可能性。

三、混凝土材料级配与城镇级配的类比

根据《普通混凝土配合比设计规程》所述，普通混凝土的基本组成材料是水泥、水、粗集料和细集料4种成分。通常，混凝土中水泥和水形成水泥浆，占混凝土质量的25%～35%，集料占65%～75%。水泥浆在混凝土中包裹在粗、细集料表面并填充集料间的空隙，在未硬化的混凝土中起到润滑作用，赋予新拌混凝土拌合物一定的和易性。在硬化后的混凝土中，硬化水泥浆体起胶结作用，将混凝土粗细集料胶结成整体，赋予混凝土强度。

类似地，人类社会在漫长的发展过程中也形成了不同类型的城市规模。根据《中国中小城市发展报告(2010)：中国中小城市绿色发展之路》显示，我国中小城市数目已达2160个，56%的地级以上城市为中小城市。绿皮书指出，城市化的高速发展使原有的城市划分标准已经不适应现实的需要。为此，绿皮书依据中国城市人口规模现状，提出的全新划分标准为：(1)超大城市：城市人口1000万以上；(2)特大城市：城市人口500至1000万；(3)大城市：城市人口100至500万，其中300万以上500万以下的城市为Ⅰ型大城市，100万以上300万以下的城市为Ⅱ型大城市；(4)中等城市：城市人口50至100万；(5)小城市：城市人口50万以下，其中20万以上50万以下的城市为Ⅰ型小城市，20万以下的城市为Ⅱ型小城市。

按照以上划分标准，本文可以假定：由在全国或一定区域内社会经济活动中处于重要地位、具有综合功能或多种主导功能、起着枢纽作用的大城市、特大城市和超大城市所组成的中心城市扮演着混凝土材料中粗集料的角色，构成全国济活动网络的主要连接点，对国民经济发展起主导作用；由中等城市和小城市及具有一定规模工商业的城镇组成的广泛分布、幅员辽阔的中小城镇充当着细集料的角色，作为中心城市在区域的补充，发展地方区域经济、带动农村发展、转移制造业和农村劳活力，与中心城市共同起到骨架作用；城镇间的经济活动则扮演着水泥的角色，作为城市群中的胶凝材料，填充并胶结着各中心城市和中小城镇之间的空隙，赋予城市一定的抗压强度并形成稳定的城市群。物流和信息流作为经济活动的活力源泉，如水一般和扮演水泥的经济活动形成水泥浆，在“配合”后的城市群中起到润滑作用，使得中心城市和中小城镇通过物流、信息流的运输和传递形成具有密切社会和经济联系的城市群。当由不同规模的城市所组成的城市群初具雏形后，政府的宏观调控就犹如混凝土振捣机械一般起着搅拌夯实的作用，挤出城市群内的经济泡沫，让各生产要素在经济活动的带动下产生流动，并密实地分布在城市群的各个角落。具体如表3-1所示。

表3-1 混凝土材料级配与城镇级配类比表

据此，我们将混凝土材料级配的理论类比到城市规划和区域发展的实践中，便在城市群中形成了以中心城市、中小城镇为骨架，以经济活动为胶凝材料，以物流、信息流为活力源泉，以政府宏观调控为助力的城镇级配模型。在模型中，中心城市、中等城市、小城镇通过经济要素的流通和协作形成紧密联系、互惠互利的城市群，改变了传统城市发展观念里中心城市作为集工业、商贸、金融、文化科技、信息、服务中心为一体的多核心城市[2]。不同于传统发展模式里中心城市作为多功能中心，城镇级配模型更注重不同规模城市之间的互惠互利，旨在通过规划过程中大小城镇的“级配”作用，从而达到城市群同发展、共促进、享繁荣的目的。

四、混凝土质量评定与城市群应用效果的类比

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定，混凝土抗压强度是用养护至28d龄期的150mm×150mm×150mm的立方体试件在温度20±2℃、相对湿度在95%以上条件下以标准试验方法测得的极限抗压强度值，以fcu表示，单位为N/mm2或MPa。其中,水泥强度等级(fce)和胶水比(C/W)是影响混凝土强度的决定性因素，因为混凝土的强度主要取决于水泥石的强度及其与集料间的黏结强度，而这两者又取决于水泥的强度等级和水胶比的大小[3]。集料本身的强度一般大于水泥石的强度，因此对混凝土强度的直接影响很小，但能通过回归系数(A,B)产生间接影响。大量试验结果表明，在原材料一定的情况下，混凝土28d龄期抗压强度与胶水比之间呈线性关系，并受水泥实测强度的影响，符合下列经验公式：

同样地，对于类比混凝土材料级配理论建立的城市群发展过程中城镇间的级配关系，也需要选择合理的指标对其应用效果进行评价。GDP作为衡量一个国家或地区的经济发展综合水平的通用指标，被认为是衡量国民经济发展情况最重要的一个指标。但采用GDP来反映经济状况最大的缺陷在于GDP是一个总量的概念，并不体现为国民的实际生活水平和福利状况，而人均GDP则正好弥补了GDP在这方面的不足。所以，选择城市群的人均GDP作为评价城镇级配关系在城市群中应用效果的指标[4]，即发展成型且成熟的城市群在一年内实现的生产总值与所属范围内常住人口的比值。这样也就和混凝土质量评定中抗压强度指标的计算具有相似的原理，两者都是通过对整体在一定时期内某一数值的测算从而求得每一单位所获得的效果，并且比值和效果之间呈现出明显的正相关关系，比值越大，效果越好。

通过进一步分析，发现影响混凝土强度的因素和影响城市群人均GDP的因素之间也存在类似的关系，于是将混凝土强度的影响因素引申到城市群人均GDP的影响因素即为：经济活动和物流、信息流作为中心城市和各中小城镇的“黏结剂”，城市群内频繁且有效的经济活动会加强城镇间的联系和融合，经济活动的增加会使城市群的交易频率提高、交易对象增加，交易范围扩大，即“市场密度”增大，物流、信息流的流通和传输有利于经济活动中各生产要素的交换和协作。如此，经济上更适用的要素就能够通过物流和信息流的传递配置到生产过程中，不仅可以带动区域经济总量的增加，效率也会因此提高，从而对城市群的人均GDP产生重要影响。综合考虑，得出城市群应用效果的一般公式：

G=g(E,L,I,α,β)

式中：G——城市群人均GDP水平 E—城市群中经济活动的活跃指数 L—城市群中物流的配合程度 I—城市群中信息流的覆盖范围 α，β—影响系数，与城市群中的中心城市和中小城镇有关

由公式可知，城市群人均GDP水平作为因变量，是在城市群中经济活动的活跃指数、物流的配合程度、信息流的覆盖范围以及与与城市群中的中心城市和中小城镇有关的影响系数共同作用下的函数。

五、结论

经过前面混凝土强度分布规律与城市发展一般规律的比较、混凝土材料级配与城镇级配以及混凝土质量评定与城市群应用效果的类比，本文对混凝土级配理论在城市群发展中应用的可行性进行了综合分析评价，并通过模型在关中城市群和珠三角城市群中应用效果的对比，得出如下结论：(1)混凝土强度分布和城镇发展的城市化率在一定程度上具有相似的发展规律；(2)混凝土材料级配与城镇级配能建立一一对应的类比关系；(3)混凝土质量评定与城市群应用效果评价拥有相似的计算原理和方法。综上所述，本文认为混凝土级配理论在城市群发展中的应用是可行的。

[1]蒋志勇.城市化、城镇化和城乡一体化的演进与发展关系研究[J].城市发展研究,2015,22(1):C1-C3.

[2]FANG Chuanglin.Important progress and future direction of studieson China’s urban agglomerations[J].Journal of Geographical Sciences,2015,25(8):1003-1024.

[3]苏捷,方志.不同骨料组分混凝土立方体抗压强度尺寸效应试验研究[J].建筑结构学报,2014,35(2):152-156.

[4]冯宝军,杨希雅,迟国泰.基于脉冲响应的区域经济政策实施效果评价[J].系统工程理论与实践,2015,35(5):1090-1101.

张达祥(1981-)，男，汉族，四川达州人，北京双圆工程咨询监理有限公司第九监理部部长助理，工程师，本科，研究方向：城市建设及工程项目管理。