城市方舟——基于军民融合的新型城市地下空间设计构想

郑程元，徐 湃, *，邢荣军，李 众

(1.重庆交通大学 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

0 引言

世界各国对城市地下空间的开发距今已有数百余年历史。在战争频发的年代，地下结构由于受到周围岩土体的约束，其抗震性能优于地面结构，因此修建地下防空洞具有重要战略价值。1863年，伦敦大都会地铁线开通，正式开启了现代城市地下空间开发的进程。该城市的地下铁路网络在第一和第二次世界大战时期被改建成居民庇护所，保护市民免受空气侵害，并于1940年至1942年的轰炸突袭中建造了8个深层掩体[1]。1932年，芬兰赫尔辛基开始修建Viikinmäki地下污水处理厂，将处理后的污水直接排入芬兰湾。20世纪90年代，波士顿为了腾出地面空间以绿化城市环境、适度开发以增加土地的商业价值，将中央大道高架桥改建成隧道。日本地处地震频发带，一般会修建大型地下洞室来保障基建设施的安全。东京于2006年建成了最先进的下水道排水系统——首都圈外围排水道，以避免该地区遭受水灾侵害[2]。

我国早期地下空间以人防工程为主，主要采取边创造、边设计、边施工的建设方式，缺乏整体规划和布局[3]。进入新世纪以来，城市地下空间发展取得了综合发展。王海阔等[4]对城市避难场所与地下空间复合开发模式进行了探讨，提出了地面绿地、公园+地下人员掩蔽工程、物资库以及广场+地下人员掩蔽工程2类开发模式。吕游[5]以北京朝阳区地下商业空间为例，通过融入人文关怀，对其通行系统、购物环境、功能分区等提出设计建议。王曦[6]基于功能耦合深入研究了城市地下空间的规划分类标准、规划控制指标和方案评价体系，建立了城市地下空间规划理论与方法体系。洪辰玥[7]从节能、场地、环境出发，提出了地下公共空间绿色设计方法，并构建了相应的地下公共空间绿色设计评价体系。深圳前海综合交通枢纽属于超大型的轨道+上盖综合体，地下室为一个整体，枢纽与物业空间紧密相连，接口众多。“站城一体化”的设计理念作为前海地下空间规划的最大特点，实现了立体公共交通与高端城市综合体无缝连接，将地面空间释放并还给城市[8]。

总体看来，我国城市地下空间发展虽然取得了很大的进步，但在非战时期，将地下空间与避难、人防、军事战备等结合较少。而早些年“平战结合”方针的提出对城市经济发展有一定的促进作用，人防工程、军事战备应与城市地下空间开发协调共进[9]。2012年，习近平总书记规划了“军民融合”发展新蓝图，把“军民融合”发展上升为国家战略，并强调“军民融合”既是兴国之举，也是强军之策[10]。本文基于“地下街+地铁站”城市地下空间发展模式，融入人防、军事战备、新科技研究、军事经济等，从空间结构、基建设施、功能定位上进行创新，设计出概念作品——“城市方舟”，以期为今后的城市地下空间建设提供参考和借鉴。

1 “城市方舟”的基本特性

1)具备智慧。物联网、工业互联网、大数据和人工智能等新兴科技发展，信息之间的感知、互联、处理和协调功能将使“城市方舟”更加智慧化，并体现在设计、建造和运维各个环节。建设智慧地下空间对于解决我国经济社会转型中的诸多现实问题、实现城市可持续发展、引领信息技术应用、提升城市整体综合竞争力、有效促进城市健康和谐可持续发展等具有重大战略意义[11]。

2)节能减排。面对全球变暖的严酷事实，人类在考虑生活宜居性的同时要考虑到可持续发展，在“城市方舟”的建设与使用中做到节能减排，整体建筑形态紧凑、集成，有较高的建筑密度和容积率，减少土地利用的碳排放。在开挖过程中，减少植被破坏，选用节能材料，减少化工品污染，优先发展建筑节能[12]；建成后，大量投放新能源、碳减产品，利用地热等可再生能源供能，建立地下污水处理厂等，打造一个“微型生态圈”。

3)人文关怀。我国城镇化快速发展的同时，随之而来也产生了一系列的“城市病”，在推动城市地下空间发展和改善人民生活条件的同时，也要考虑到城市发展对人民身心健康的影响。“城市方舟”注重以人为本，空间设计与规划尊重自然，融入文化，消除幽闭空间带给人们的负面情绪，延续城市历史文脉。

4)军事经济。1978年我国制定了“平战结合”方针，使得人防工程在非战时期能够产生经济效益。为充分落实该方针，“城市方舟”内建有地下军事研发基地，军事研发主要集中在空天武器、生物医疗、信息传输、新能源及新材料5大领域，借此大力发展军事科技。不同于一般的地下街商业经济模式，“城市方舟”内研发尖端科技所带动的经济占比同样重要，能满足日常开销与持续运作，实现小空间内商业-交通-军事经济一体化发展。

5)军事战备。地下空间在战时曾作为主要的人防工程发挥了重要作用，我国现在仍然保留着众多的地下避难所与军事要塞。把军民融合带入设计理念中，融合人防工程、军事基地与地下街(见图1)，将地下空间建设成坚不可摧的护民之盾，有利于推动城市社会总体安全观，引导人防建设工作有序推进。这是我国长期探索经济建设和国防建设协调发展规律的重要成果，是应对复杂安全威胁、赢得国家战略优势的重大举措，逐步构建军民一体化的国家战略体系和能力。

图1 平战结合+融入城市生活

2 “城市方舟”结构设计及基建设施

2.1 分层划区的结构形式

“城市方舟”是我们对于未来城市地下空间的一次大胆畅想，其效果图和结构图如图2所示。基于主流的“地下街+地铁站”商业模式，考虑到军事战备与应急避难，对其结构进行横、纵向延伸，利用交互通道相互连接，整体建筑分区划层，将功能体现在地层深度中，并集工、商、农、学、兵五位一体的概念设计。

(a)效果图

“城市方舟”整体结构(见图2(b))由3个子空间组成，分别为左上方的作战区、右上方的综合区及最下方的中央区。作战区与中央区之间由横、纵电梯组成的L形通道连接，在两者交接处设1处中转室，用来控制横纵电梯并为过往行人提供休息。综合区与中央区之间使用纵向电梯连接，在与L形通道的交接点也设置1处中转室。在综合区内，有1条地铁线路贯穿而过，该线路与整个城市轨道网络相互连接。

作战区位于近地层，整体结构为长方体，分左右两侧，属于常见的地下军事基地，剖透图和立面图如图3所示。其左侧有停机坪与检修区，同时承担军备人员的饮食起居与相关军事操练，右侧为地下导弹发射基地。

(a)剖透图

综合区由上部矩形块和下部圆柱体组成，类似于商城分层划分，效果图如图4所示。为便于在城市中开挖，上部结构平面形状设计成矩形，地面建有生活广场(见图5)，距离地表较远层则采用圆形平面。其中，圆形直径长度等于矩形对角线长度，一是为了便于开挖和修建，二是尽可能地增大地下使用空间。上部矩形建筑的功能主要是满足在非应急情况下的日常需求，如商业街、停车场、地铁站、思想教育等。较深地层的避难所在应急状况下对外开放，在必要时，上部结构可改建为临时避难所。地下农场、区域电站等日常保持低能耗的工作状态，负责整个地下空间的资源循环和能源供给，做到不闲置、不浪费地下空间。

(a)效果图1

图5 地表生活广场鸟瞰图

中央区(结构形式见图6)由1个主体结构和8个球形子结构组成，纵向电梯贯穿整个主体，连接各层。8个球形子结构串联在一条环形通道上，且与主体之间有单独的通道相互连接，如同卫星群围绕着行星旋转，寓意着即使我们身处地下也要仰望星空。

图6 中央区结构形式

2.2 新旧基建的交融

2.2.1 智慧施工

在施工前，钻孔放置埋设物，对开挖区域岩体中存在的剪裂带进行标记，将掌握的岩体实时信息反映到电脑屏幕上。开挖过程中，当挖掘设备接近埋设物时，发出声光警告，防止作业人员损害到埋设物。当遇到需要爆破的岩层时，提前布置监测点，每个监测点安装定制仪器和触发电平。一旦触发，监测点会自动将爆破数据传送至中央信息平台，制定监测点的综合生命周期图，实现远程监测。

开挖宜采用冷冻暗挖法，在需开挖的地层周边钻孔埋设冻结管，通过在冻结管中循环冷媒，使冻结管周围地层降温、冻结，形成具有抑制地层变形及隔水作用的冻结帷幕。在冻结帷幕内利用机器人进行开挖和施工，通过软件将开挖计划传输至机器人，也可以直接导入3D模型，随后开挖设备根据其工作面的位置，拟定开挖计划，进行精确开挖。整体施工流程见图7。

图7 施工流程图

2.2.2 基于5G、AI技术的安保系统

对于场外安保，一方面在建筑外部采用AI机器人/无人机对一些特定区域内的人员进行巡逻检测，实时传输影像；另一方面，在出入口采用热成像仪器对出入人员和随行物品进行安全检查，通过AI智能分析人员的步频、肢体动作、神态等信息，以提前预测人员的行为。若发现未经允许的危险行为，由报警系统发出警报至安保部门，同时，AI机器人采取措施阻止其进出，然后等待安保人员到达现场进行处理。

场内安保依靠建筑物内部的AI机器人全天巡逻，保障建筑内人员活动区的安全，通过AI智能分析对具有潜在危险的人员和携带危险物品的人员发出警告，及时赶往有异常情况出现的区域排查并传输实时影像至安保部门。此外，在一些重要区域如仓库区、能源设施区、军事区域等设卡，禁止无权限人员入内，保障重要区域安全，维持整个“城市方舟”的稳定运行。

2.2.3 高精度、高灵敏度实时监测服务

工作人员佩戴基于5G技术的健康监测设备(如手环、脚环、戒指等)实时检测身体的各项指标，将数据上传至数据库，形成个人的每日健康报告，同时这些数据在经个人许可后可用于相关的科研工作。

在地下空间中，空气质量、温度、湿度、气体组成和流动程度等对人类的舒适感影响较大，通过新型5G空气检测仪实时监测地下空间中空气的各项指标，确保干净、清新的空气，尤其在人员密集区域，应防止氧浓度较低或摄入有毒气体中毒等事件的发生。

3 “城市方舟”功能概括及应用分析

3.1 军事战备

俗话说：弱国无外交。一个国家的强大与否取决于军事竞争力，从冷兵器时代到近代大国制约小国发展的核威胁，再到未来尖端高科技热武器，军事竞赛从未停止过。我国要在世界上保持话语权，就需要不停地研发、创造新型武器，同时也需要将保密等级做到最高，因此地下空间无异于是修建军事基地的绝佳场所。地下军事基地分为2大区域：作战区和中央区。从功能上看，作战区负责导弹发射、军备人员训练和战舰检修等；而中央区负责对全局的统筹兼顾，并且还需要研发与军事相关的一切科技。从埋深位置上比较，作战区修建在近地层，顶部设闸门，在做好地表隐蔽性的同时也便于军事力量出动；中央区修建在远地层，与作战区之间用秘密通道连接。

3.1.1 常规作战

作战区(效果图见图8)分为2大部分。

图8 作战区效果图

第1部分是导弹发射区，其平面图如图9所示。发射区有2个发射井，采用圆形闸门，一方面是为了节约用地，另一方面是为了便于导弹安装与更换。围绕2个发射井修建一圈钢化防爆墙，保障安全。紧挨着发射区的是中控区，分别有监控台、发射台和会议厅。监控台对导弹发射和地上禁飞区实时监控，配备先进的反导系统，同时监测导弹储备室，防患于未然。导弹储备室外同样需要建立一圈防爆隔离墙，右侧停车场主要用来停靠发射车，用于运输、补给导弹。训练区是为了满足作战人员定期训练的需求。医疗室平时负责检查所有人员的身体健康状况，紧急情况下可承担救急任务。

图9 导弹发射区平面示意图

第2部分为备战区(平面图见图10)，分为停机区、检修区、综合区与补给区。停机区共有3处停机坪(平面图见图11)、4个副承台(立面图见图12)和1个中央承台。副承台根据战舰体积大小沿着滑槽自由滑动，确保战舰稳定停靠，内部设有垂直电梯，方便检修人员和作战人员出入战舰。承台上都附有可伸缩托盘，用于抵消部分质量，减小地面承压。若战舰燃料箱位于底盘，则在中央承台下方设燃料补给站，便于燃料补充。另外，中央承台四周有4根大型机械手臂，主要负责战舰检查、维修及保养，取代传统人力劳动，确保精准性以及提升速度。

图10 备战区平面示意图

图11 停机坪平面图

图12 副承台立面图

停机区右侧有1处大型维修区，负责战舰组装、保养和对破损严重战舰的维修，两端可放置零件，也可对废料加工处理，进行二次使用。最右侧的补给区由上向下依次是燃料库、废弃燃料处理室、资料库、武器库和冷兵器库。武器库与燃料库需要尽可能隔开，以确保发生危险时两者不会相互波及。将冷兵器库设在最下方，是因为左侧为一大型训练区，便于取放武器进行操练。训练区左侧是该区人员日常起居与用餐的区域。

3.1.2 技术研发

主体结构由上至下分别为指挥中心、生活中心、武器研发中心、智能通道及绿屋，如图13所示。指挥中心作为地下军事基地的“大脑”，承担着拟定决策、行动指挥、军事监控、战略部署等多项重要任务；生活中心负责生活在中央区所有人员的日常起居与饮食供应，且配套有微型监狱，关押特殊人员；最下方的绿屋为重要领导人避难所，与上方武器研发中心用智能通道连接。

图13 中央区立面图

中央区主体结构与外围小型结构共分为5处不同的研发部门，研发方向有11大类，分别为：武器研发中心(反导系统、火控系统、航空技术)、医疗研发中心(生物技术、医疗设备)、信息部(信息技术、传送技术)、能源部(能源技术、动力技术)和生产部(材料技术、制造技术)，如图14所示。

图14 中央区规划图

3.2 灾害防控与紧急避难

“城市方舟”属于广场+地下人员掩蔽工程类[4]的复合避难场所。地下空间在地面覆盖层的保护下，对于暴风雪、空地突袭、火灾等地面灾害具有极好的防护能力，而且，地震对于地表的破坏远大于地下，因此，“城市方舟”同样具备抗震能力。在采取一定防护措施后，“城市方舟”还可以有效避免放射性物质和有毒物质的渗入[13]，如新型冠状病毒感染和切尔诺贝利核辐射。

但一般的地下建筑内部灾害难以防护，内部火灾、有毒物质扩散、城市洪水倒灌都会带来巨大损失。“城市方舟”区别于传统地下避难建筑，由于采用划区的结构形式，在建筑节点处设有闸门，当内部发生灾害时，及时关闭闸门，达到区域减灾灭灾的效果。例如：将综合区的停车场改建成临时蓄洪池，停车场出入通道作为引水道，最后通过地下管廊排出，防止地面附近区域发生洪涝；中央区的环道同样如此，用闸门(见图15)将整个环道分成24小段，当某一段发生灾害时，及时关闭两侧闸门，避免产生连锁反应。

图15 闸门示意图

3.3 地下教育基地

地下教育基地建成后，定期组织学生参观游览，开展防灾避难的知识宣传和技能培训，让学生增长知识、开阔视野，宣扬国防理念、了解防灾常识、提高防护能力，注重培育公共服务意识，在面对重大灾害时具有奉献精神，对抗灾救灾工作具有重要意义。

针对地下空间相关的专业课程应侧重实践培养，将“城市方舟”作为实践场所，开展城市地下空间实践学习，结合城市地下空间与军民融合、防灾避难建立学习体系，从而更好地促进人才培养与教育。

3.4 地下旅游景点

在文旅融合的今天，地下空间作为防灾避难的实体，同时也是弥足珍贵的文化场所和旅游资源。“城市方舟”以神秘的地下军事工程为特色，以防灾避难为主题增加游客兴致，通过融合历史与现代科技，注重游客的参与感，让游客在互动的过程中增强防灾避难意识，提升应急救护能力。地下走廊效果图如图16所示。

图16 地下走廊效果图

4 结论与体会

我国城市地下空间发展不过数十余载，实现了在结构(地道至地下城)、模式(单一至多元)和功能(人防工程至工商结合的地下街)上的多级跳，考虑到目前主流规划方式陷入瓶颈，本着居安思危的想法，“城市方舟”应运而生。

1)“城市方舟”整体由综合区、作战区和中央区3个部分组成，并基于现有的地下建筑进行结构上的创新。子体结构之间采用横、纵通道相互连接，平时关闭通道，分区而治，协同发展；战时打开通道，整体化一，抵御危险。

2)“城市方舟”内建有数种基建设施，实现了工、商、农、学、兵五位一体的多元化发展模式。依靠商场和地铁带来的巨大人流，通过教育基地普及相关知识，利用藻类农场与污水处理厂完成气、水循环，利用地下工厂开挖地热资源提供能量。同时，建有沉浸式拟态空间与地下公墓，最大程度上消除人们的负面情绪并提供心理建设。

3)“城市方舟”融合人防工程、军事基地与地下街，以避难为落脚点，提出了“和平时期可用，灾难时期好用”的构想。当地面发生大面积病毒传播时，人们可以进入“城市方舟”内避难，切断与外界的物理接触，利用远程医疗技术对患者进行救治；当敌对势力引起战乱时，地下军事基地将合理地部署战略方针，制定作战计划，利用空地战术等来保障居民安全。

4)“城市方舟”描绘了人类未来地下空间的发展蓝图，有助于推动城市深层化、科学化、综合化、生态化、智能化、人性化发展，展现了人类对美好生活的向往，以及应对灾难与战争的智慧。对于推动融入军事战备的城市地下空间建设，“地市方舟”是一种新的城市化发展模式，而非决策者的杞人忧天。限制未来地下空间发展的，唯有设计者的想象。