生态文明时代超大城市地下空间科学规划方法探索——以北京城市地下空间规划建设为例

石晓冬， 赵怡婷， 吴克捷

(北京市城市规划设计研究院， 北京 100045)

0 引言

随着党的十九大报告提出“建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计，应坚持最严格的资源保护制度”，“生态可持续”、“高质量发展”逐渐成为城市发展的关键词。超大城市作为人口规模最大、城市功能聚集度最高的地区，生态环境面临的压力更大、空间资源紧张度更高，而科学适度地利用地下空间资源，促进城市空间从平面发展到竖向分层发展转变，是保障超大城市生态地质环境安全、促进城市空间资源可持续利用的重要途径。

文献[1]探讨了影响北京地下空间发展的主要地质问题，指出编制地下空间资源开发利用规划时应注意对地质条件的研究。文献[2]调研了国内外各大城市的实践经验和发展路径，结合武汉城市地下空间发展和建设情况，提出地上、地下空间开发利用互补对策。文献[3]结合上海长宁区地下空间规划探索，提出中观尺度的地下空间规划布局模式与空间结构、专项系统整合以及规划控制指标体系等核心规划策略。文献[4]以上海虹桥商务区为例，对我国城市商务区地下空间的开发与控制进行了探讨。文献[5]以沈阳太原街地区为例，对该区域地下空间开展竖向规划研究。文献[6]以杭州创新创业新天地综合体的地下空间开发实践为例，探讨了城市综合体地下空间开发所呈现出来的新特征。文献[7]通过对国内外地下道路功能类型、发展特征的分析,从交通改系统、空间规划、实施影响的视角探索我国超大城市地下道路可持续发展的策略。文献[8]依托《广州市综合管廊专项规划》的编制,结合国家政策和市政工程专业发展趋势, 探索了超大城市综合管廊专项规划编制方法。文献[9]结合武汉实际案例，针对超大城市地下管线建设面临的突出问题，探讨了适用于宏观层面上的管线综合规划编制要点。

综上所述，目前研究主要包含以下几个方面： 1)探讨城市发展的地下空间规划； 2)某一特定城市区域的地下空间规划； 3)超大城市地下道路、综合管廊、地下管线等专项设施规划研究； 4)地下生态地质环境研究。然而，针对城市整体层面，兼顾地下空间开发与生态环境保护要求，统筹各类地下功能设施布局的地下空间规划研究不太突出。本文从强化生态底线约束、优化空间资源利用出发，结合北京城市发展特征，探索超大城市地下空间科学规划方法。重点对地下空间三维红线的划定、地下空间资源潜力评估、地下功能系统耦合布局等方面进行系统探讨，以期为完善超大城市地下空间的科学规划方法提供思路。

1 地下空间三维生态红线的划定与地下空间资源潜力评估

随着城市发展规模的增大，城市建设对生态环境的影响效益日益明显，如地铁等大型地下线性工程的快速建设，容易对地下水流场产生拦阻作用并引发工程地质问题；地下工程建设深度过大，容易穿透地下主要含水层，造成对地下水源的污染[10]。因此，地下空间开发利用应转变传统工程建设主导思维，从生态可持续角度，明确生态安全底线，划定垂直生态红线，综合考虑各项城市建设影响因素，通过科学的评估和规划方法，合理引导地下空间资源的生态友好、可持续利用。

1.1 考虑因素

1.1.1 生态保护因素

城市地下空间开发利用与地层结构环境具有紧密相关性，顺应地层结构特征、保障地层结构安全是地下空间开发利用的必要前提。结合最新地质调查结果可知，北京市平原区的地层结构呈现明显的分层特征[1](见图1)。其中，地下10 m以上空间受地表环境影响较大，大型公共绿地、水域[10]等城市重要的生态保护地区不宜进行地下空间开发利用，以有效保护地表生态安全；地下30 m左右区域普遍分布第一隔水层；地下30 m以下范围以承压水含水层[11]为主，是城市地下水的重要储存地区，水文地质环境敏感度较高，不宜进行大规模地下开发建设；地下50 m以下空间普遍为基岩层，地质环境稳定，但工程建设难度较大，不可逆性强。

图1 地下空间竖向分层示意图

1.1.2 城市地下空间建设现状因素

城市地下空间建(构)筑物及其基础建设现状是影响地下空间开发利用的主要因素之一。建(构)筑物基础底面下一定深度和旁侧一定宽度范围内为地基持力层(见图2)，其竖向范围根据建(构)筑物高度及基础埋深不等，一般为5～20 m，为保证建(构)筑物安全，该范围内不宜进行地下空间开发利用。目前，北京市地下空间开发利用深度一般在地下30 m以上(正在规划建设的北京城市副中心站建设深度约为地下28 m)。综合考虑基础持力层，地下30～50 m是城市地下空间重要的持力层范围，应审慎开发利用。

1.1.3 地质条件因素

城市地下空间开发利用应避开地质沉降区、地震断裂带、地下水敏感地区以及工程地质不稳定等地质灾害因素，避免不利地质条件带来的灾害风险。

1)地震活动断裂带： 活动断裂带两侧200 m范围内属于活动断裂影响带(见图3)，该区域内应避免地下空间开发利用，大型地下线性工程应尽量避免穿越影响带。

图2 地下建构筑物持力层示意图

图3 地震活动断裂带影响范围示意图(单位: m)

2)地面不均匀沉降： 地下空间建设,特别是大型线性工程应避免垂直穿越不均匀沉降梯度较大的地区，以避免工程安全隐患。

3)沙土液化： 砂土液化风险地区不宜进行较大强度的地下空间开发利用，以避免砂土失去抗剪能力，造成地表建筑物开裂等地质灾害。

4)隐伏岩溶塌陷： 埋深较浅的溶洞周边地区在进行地下空间开发利用时，容易导致溶洞的覆盖层坍塌等地质灾害。

1.1.4 历史保护因素

历史保护地区受建(构)筑物结构特征及历史保护要求等影响，其地下空间开发利用受到一定的限制，主要包括文物保护单位的保护范围及建控地带、传统风貌区、文物埋藏区等地区。

1)文物保护地区。文物保护单位的保护范围及一类建控地带内原则上禁止与历史保护无关的地下空间开发利用。

2)传统风貌地区。为有效保护历史文化街区、风貌协调区、平房区等传统风貌地区的传统建筑安全，保持风貌特征，应控制地下空间的开发利用强度和深度。

3)文物埋藏区。地下文物埋藏区的地下空间开发利用应征求文物保护部门意见，并结合施工同步开展文物勘探工作，其中大于10 000 m2的建设工程应提前开展文物勘探。

1.1.5 用地权属因素

城市功能聚集，用地产权也较为多元。以北京为例，既有市、区属用地，私产用地，也有军产、央产用地。地下空间开发利用宜优先结合市、区属用地，对军产、央产用地必要时应进行避让。

1.1.6 建设发展因素

1)人流密度。人流及公共活动越密集的地区往往也是地下空间使用需求越大的地区。其中就业人口密度与地铁通勤人流分布对地下空间需求的影响较为明显。

2)建设强度。地下空间作为地上空间的重要补充，多集中于土地开发强度较高的地区，因此建筑高度及容积率越高的地区往往也是地下空间开发需求较大的地区。

3)设施建设。城市地下空间的发展多以地铁的建设为先导，地铁周边300～500 m地区是地下空间开发利用的重点区域，通过促进轨道站点与周边地下空间的一体化建设，能有效提升城市空间社会经济效益。同时，公共服务、交通市政、防灾安全三大设施建设宜加强对地下空间的利用，促进城市公共类用地的高效集约发展。

4)政策因素。更新改造区和重点功能区是地下空间发展的政策类重点地区，宜促进地上地下空间的统筹布局与利用，将有效促进城市空间资源效益的提升。同时，土地经济也是影响地下空间开发利用的政策性因素，较高土地价值的地区一方面具有较高的用地资源需求度及开发动力，另一方面也往往具有较为有利的城市建设政策条件支持。

1.2 地下空间三维生态红线划定

为有效保障地下空间地质环境的稳定，兼顾已建地下空间建设的工程安全要求，地下空间开发利用应重点关注地下承压水顶板岩层(第一隔水层)埋深线以及已建地下空间的持力层竖向深度。结合北京市实际情况，建议以地下30 m作为地下空间竖向管控的基准红线(结合地质详勘可做适当调整)，地下空间开发建设深度不宜超过地下30 m(见图4)；地下30～50 m空间作为城市生态保护及工程安全的敏感地带，应以地质生态环境保护为主，除必要的基础设施建设外不进行成规模的地下开发建设；地下50 m以下的岩石层空间应优先保障大型基础设施及战略设施建设条件，在开发条件尚不成熟时，以资源预留为主[12]。

1.3 地下空间资源潜力评估

在明确地下生态安全底线的基础上，结合各项城市发展因素及限制性因素，建立地下空间资源潜力量化评价模型如图5所示，从地上地下空间统筹视角，客观判断地下空间资源潜力的空间分布。

图5 地下空间资源潜力量化评价模型

Fig. 5 Diagram of comprehensive assessment of underground space resource potential

量化评价因素包括发展因素和限制性因素2大类，每项评价因素根据其对地下空间的影响程度分为高、中、低3级，并进行赋值，分值越高代表地下空间利用潜力越高(见表1)。评价对象为研究范围内的各规划地块，并扣除水源保护区、地震断裂带、水域、文物保护单位、一级建控地带、重要涉密安保用地等不宜建设地下空间的区域。在分项评价的基础上(见图6)，采用权重分析法对各项影响要素得分进行加权求和，确定各地块的地下空间利用潜力综合得分。地块的综合分值越高，则该地块的地下空间开发潜力越大[13]。项目用地开发潜力评价公式为：

微泡排气阀综合利用多项物理原理，有效地使气泡从水中分离并积聚在排气舱内，并最终通过自动排气阀排出。微泡排气阀的口径从DN15至DN150，可以满足一般系统的要求。该阀有水平安装和垂直安装两种类型，应用于冷水管路上的阀门可选用带保温壳的产品，以防止表面结露。

式中：P为综合潜力评价分值；wi为评价因素权重；vi为评价因素量化分值。

综合来看，重点功能区(市级)、商业商务功能集中地区、大型文体活动地区、轨道站点周边300～500 m地区、对外交通枢纽周边地区等公共活动密集、建设强度高的地区是地下空间资源潜力较高的地区，应在合理规避生态、历史保护、地质灾害等各项限制建设要素的前提下，结合地上城市建设活动开展一体化规划建设，促进城市空间资源的立体集约利用和水平互连互通；其他一般性地区，优先保障生态地质安全和三大设施建设需求，并在统筹考虑地上功能和建筑规模的前提下，合理规范地下建设强度和深度。

表1 地下空间资源综合评价权重表

图6 地下空间影响因素分项评价示意图

2 地下功能设施系统耦合

随着城市空间资源的日益紧张、城市功能设施的日益密集和多元，如何促进各类功能设施的统筹布局，提高城市地下空间利用效率和城市综合承载力，是超大城市地下空间发展的重要内容[14]。

从城市地下空间功能和发展类型上看，主要包括以商务办公功能为主的中央商务地区、以商业服务为主的商业中心地区、以高新技术产业为主的科研产业园区、以交通集散为主的交通枢纽地区，以及城市新城集中建设区。不同类型地区的地下功能设施类型及空间耦合关系各有不同，须结合地区发展需求及功能设施特征因地制宜规划布局。

2.1 地下空间+公共服务

“地下空间+公共服务”主导模式主要位于城市商务办公区以及商业中心地区，主要表现为“公共服务设施+商业服务设施+地下轨道站点+公共空间+停车设施”的耦合关系。较为典型的发展模式是结合地铁站点及主要楼宇地下空间建设地下街或地下步行联络系统，形成连续的地下公共步行环境，并与地上城市空间便捷联系，如图7所示。

图7 地下商业街规划布局示意图

2.2 地下空间+市政综合体

“地下空间+市政综合体”模式主要位于城市建设空间紧张、对景观环境要求较高的地区，主要表现为“地下市政场站+停车设施+地面公共活动空间/公共绿地”的耦合关系。其中变电站、污水处理厂、垃圾处理站、燃气调压站等中小型市政场站较适宜地下化，并可与轨道站点、社区服务中心等结合设置，地面可兼顾城市公共服务及景观绿地功能，提高城市空间效益和环境品质，如图8所示。

(a) (b)

图8菜市口变电站综合体实景图

Fig. 8 Pictures of Caishikou Substation Complex

2.3 地下空间+立体环隧

“地下空间+立体环隧”模式主要位于城市重点功能区及科研产业园区等对地下基础设施支撑条件要求较高的地区，主要表现为市政道路下的“地下环形道路+综合管廊+直埋管线+地下步行通道+地下停车设施”的耦合关系，竖向分布关系自地表向下主要表现为直埋管线—地下步行通道—综合管廊—地下道路及停车设施，如图9所示。该模式能有效促进道路地下各类基础设施的有效整合，提高区域基础设施承载力及空间利用效率。

图9 道路地下基础设施统筹布局示意图(单位： mm)

2.4 地下空间+轨道交通

“地下空间+轨道交通”模式主要位于轨道站点周边300～500 m内城市公共功能较为集中的地区，主要表现为“轨道站点+地下过街通道+停车设施+配套商业设施”的耦合关系。通过轨道站点与周边地块地下空间的一体化开发和互连互通，实现城市空间的综合化、立体化利用[15]，如图10所示。需要注意的是，轨道站点与周边地下空间的一体化建设应在方案阶段协调好地下通道、道路以及相关市政管线等的空间关系，做好预留及改移工作。

(a) 平面图

(b) 剖面图

Fig. 10 Integrated development of metro station and surrounding underground space

2.5 地下空间+交通综合体

“地下空间+交通综合体”模式主要位于城市对外交通枢纽及其周边地区，如大型空港区、火车站、城际车站地区，主要表现为地上地下一体化综合开发，形成以交通功能为主导、多功能统筹布局的交通综合体，如图11所示。交通枢纽地区的地下空间通过各类功能空间的竖向分层布局与横向互连互通，构建便捷联系的地下立体空间网络，实现枢纽及其周边城市空间的最大社会经济效益。

图11 交通枢纽地区地下空间布局示意图

2.6 地下空间+基础设施环廊

“地下空间+基础设施环廊”模式主要适用于新城地区，结合轨道交通建设高效集成的地下基础设施“集合体”，统筹建设轨道交通、干线综合管廊、智慧地下物流、新型垃圾转运等环形干线系统，贴建、共建隐性市政设施、多级雨水控制与利用设施、应急避难设施和地下储能调峰设施等各类市政设施，提高城市综合承载力，如图12所示。

图12 大型地下基础设施服务环示意图

2.7 地下功能设施统筹

地下空间是一个功能巨系统，地下各类功能设施的统筹涉及规划设计、部门管理、技术标准、政策法规、数据信息与仿真模拟等方方面面。

1)从规划层面来看，有效协调地下各功能设施之间的空间布局是关注的重点。规划应首先根据功能设施特征及空间需求，明确各类功能设施的竖向适宜范围及优先避让原则，促进地下空间资源的有序利用。

2)竖向布局方面，应根据地上、地下功能的相互关联程度，遵循人在上、物在下，人的长时间活动在上、人的短时间活动在下的原则统筹布局(见表2)。其中，浅层地下空间(地下0～10 m)与地上空间联系较为紧密，应以地下公共活动、公共交通等人员活动相对频繁的空间为主；次浅层地下空间(地下10～30 m)宜布置少人或无人的物用空间，如地下人防工程、地下市政场站、地下仓储物流、地下交通隧道等；地下次深层空间(地下30～50 m)应优先保障地下水及持力层的安全，以生态保护及空间预留为主；随着地下盾构技术及地下工程建造技术的发展，地下50 m以下的深层地下空间利用是未来地下空间发展的新领域，宜优先保障地下大型储水设施、地下数据中心、重要人防工程等大型战略性工程的建设空间预留，并拓展对地下可再生能源的有序利用。

3)地下各类设施之间产生矛盾时，应以方便人行、提高土地使用效率、环境效益和社会综合效益最优为原则决定优先权。地下人行空间与地下车行空间产生矛盾时人行空间优先,地下小型设施避让大型设施,新建地下设施避让已建地下设施,修建相对容易、技术要求较低的地下设施避让修建相对困难、技术要求较高的地下设施,地下临时设施避让地下永久设施。

4)随着轨道交通的快速建设，轨道交通与各类功能设施的一体化建设是地下空间功能设施统筹的重要契机。应结合轨道线路及站点规划建设，推进轨道沿线地区的规划设计研究，促进公共服务设施、基础设施、防灾安全设施等功能设施向轨道站点周边地区的适度集中和互连互通，促进地上地下城市空间的立体集约利用，提升城市公共空间环境品质。

表2 地下功能设施竖向分层表

3 结论与建议

地下空间作为城市重要空间资源，是缓解超大城市空间资源紧张，协调城市空间发展与生态环境保护的重要途径。结合北京城市地下空间发展特点，地下空间的科学规划利用需重点关注以下几个方面的统筹与协调。

1)生态地质环境与城市建设的统筹。随着城市建设规模与强度的增产，地下空间开发利用对地下生态地质的影响日益突出，科学划定地下空间生态管控底线，合理规避地质灾害风险，是保障地下生态环境安全与工程建设安全的重要前提。对于北京而言，在综合考虑各项地质灾害影响要素的前提下，地下水的保护尤为重要，城市地下空间开发利用应避免穿透承压水隔水层，合理控制对地下30～50 m承压水空间的开发利用，保障城市地下空间的安全、可持续发展。

2)地下、地上空间的统筹关系。城市空间是一个三维的整体，城市地下空间必须与地上空间功能相协调，通过综合考虑各项城市开发建设影响要素，建立可量化的综合评估方法，客观判断地下空间资源潜力，指导地下空间的合理优化布局。

3)地下功能设施的统筹。地下空间根据其功能特点，主要包括以地下综合体为代表的各类地下公共服务设施，以地铁为代表的地下交通基础设施，以综合管廊为代表的各类地下市政设施和以人防工程为代表的各类地下安全设施。结合地区发展需求和功能定位，有针对性地开展特定类型功能设施之间的统筹布局，促进各类功能设施的竖向分层布局、明确优先避让关系，是提高城市空间利用效率与提高城市基础设施综合承载力的重要途径。

本文是对超大城市地下空间规划方法的一次探索性研究，着重从加强生态底线约束、促进地下空间资源高效利用2个方面提出建设性的规划技术方法，研究内容尚有待规划实践的检验，并在具体实践中不断完善内容，加强体系建设，以期为超大城市地下空间规划编制提供有益参考。