山地城市地下空间资源评价方法

2022-12-28张万斌谢运来刘保林

区域治理 2022年24期

张万斌，谢运来，刘保林

1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司；2.中国铁路成都局集团有限公司

一、引言

城市地下空间一经开发便很难逆转，对城市地下空间进行开发利用，需要对其进行合理规划。山地城市区域往往具有地形地貌起伏大、地层拓扑关系复杂、地下建构筑物密集等特点，开展城市地下空间资源三维评价可以明确城市各处地下空间开发的适宜程度，为此本文提出山地城市地下空间资源评价方法。

二、地下空间资源评价指标体系

山地城市地下空间的典型特征主要包括：（1）地形地貌复杂；（2）具有断层、褶皱等复杂地质构造；（3）存在不良地质条件，如滑坡、泥石流或坍塌等。本文结合山地城市的上述特点，考虑了地质条件、建设现状、区位价值和生态环境四方面因素，构建山地城市地下空间资源评价指标体系。

（一）地质条件

地形地貌表征了城市地表特点,指地表以上地质体高地起伏分布的自然形态。山地城市的地形地貌以山地、丘陵与河谷交错的复杂态势为主。在山谷和低洼地区，应考虑防洪和在建筑物入口处采取适当的防水措施。地表坡度对城市布局和道路设计有着重要影响，如工业用地地块适宜建设坡度在0.2%-10%。在山地规划建设中，无法和平原地区一样追求场地规整和道路“直、宽、平”，避免出现“推山填谷、除徒平缓”的现象。在地形陡峭的地区建设需要采用工程措施降低坡度，土方需要内部平衡，这无疑增加了工程难度和投资建设成本。因此，地面高程和地表坡度是需要考虑的评价指标。

在城市地下空间开发工程中，首先应该注意的问题就是区域稳定的工程地质问题。工程地质条件是指工程活动的所处地质环境，主要考虑岩石强度、节理裂隙发育和场地稳定性。场地稳定性与地壳运动和环境地质条件有关，并通过场地稳定性指数判断是否存在不利因素，如土壤工程性质较差、处于地震断裂带内等，从而避免坍塌、滑坡、大变形等严重事故的发生。在城市地下空间开发过程中，岩土的稳定性是工程施工中必须重点考虑的问题。不同地区的岩土质量不同，也会导致施工的方法和要求不同。各个城市之间存在着地质差异的，经过多年的建设和开发也有了一定的城市地质资料，这些资料是在进行与工程地质有关的建设施工中的重要材料，可以通过对这些材料的参考，来减少施工中勘测及控制方案制定的时间，做好这方面的控制工作也是进行城市地下空间开发建设的前提条件。

在地下施工工程中，通常都会遇到地下水渗流的问题。这也是城市地下空间开发中应该注意和控制的问题。地下水渗流不仅会影响地下空间的建设环境，也会造成地下空间应用的平安隐患问题，在施工过程中，应该做好这方面的控制问题。水文地质条件会限制地下空间资源的开发利用。静水浮力严重影响地基的抗滑稳定，潜水水位的变化也可能引起地基沉降。此外，具有腐蚀性的地下水可能会侵蚀混凝土和钢结构或设备。因此，评价过程中应考虑地下水水位、地下水腐蚀性。首先，应该进行地质勘查，对地下渗流的可能性做好评估；其次，对于有地下渗流可能的地质条件采取改进和控制的方法，如果现象严重，那么要考虑是否更换施工地质的问题。地下空间开发工程是为了给人们提供更多的活动空间，但是应当在不会给居民造成安全威胁的前提下进行。

（二）建设现状

地下空间的开发会受到地面既有建筑物的限制，包括建筑物、道路、广场、绿地、保护区等，需根据建筑物高度和其所处的地质条件确定影响范围。对于地面建筑影响范围内的地下空间，应在评价中根据具体情况降低其开发适宜性程度。除地表建筑物外，还需避免对既有地下建构筑物的扰动，如建筑基础、地下管道、地下停车场和民防工程等，在开发过程中需要保证一定的安全距离。地下空间资源评价应当充分考虑地面和地下的建设现状。在城市地下空间建设工程启动前，施工单位必须详细地摸排工程沿线建筑物的结构、服役状态和建造年代等情况，定量评估工程对沿线建筑物造成的影响，计算沿线建筑物的既有变形以及极限变形承载力。例如，地铁隧道在设计阶段中会对各区段进行严密的论证，避免穿越高层建筑和既有地下建构筑物，必要时加强结构支护，保证正常施工情况下不会对地面建筑造成过大的不利影响，不会危及地面建筑的安全。

（三）区位价值

地下空间开发应当考虑区域的区位价值。地下空间区域价值是一个包括经济和文化的综合价值。经济价值涵盖了常见的土地资源、自然资源、人力资本、物质资本和知识，并由这些核心要素创造出客观价值。文化价值是文化资本创造的客观价值，包含地下空间所处区域的居民精神层面的活态生活方式。地下空间所处的地块包含的建筑物具有人文、商业等价值，与周边建筑形成具备集群优势的建筑群，可以提升该区域的区位价值。地下空间的发展必须考虑规划建设与区位价值关系，在规划发展的过程中追求综合价值的最优，使得发展的结果能最大限度满足城市居民的需求，避免因短视而盲目发展，应实现物质、精神的平衡。

地下空间所处区位的交通是连接城市的重要纽带，为城市发展运送人流、物流。交通对生产要素的流动、城市布局有着决定性的影响，是城市发展的主要动力。价值高的区域通常位于主要交通枢纽和主干线周围，这代表了人力资源、物质资源的传递速度较高，使得建设成本降低，增加了城市居民的出行便捷度。

区域基准地价是指在城镇规划区范围内，对现状利用条件下不同级别或不同均质地域的土地，按照商业、居住、工业等用途分别评估法定最高年期的土地使用权价格，并由市、县及以上人民政府公布国有土地使用权的平均价格，反映了该区域地下空间的潜在开发价值。

除了地下空间所处区域的交通情况和基准地价，土地利用分类也是重要的评价因子。它反映了土地的经济特点,表现为具有不同特点的土地利用方式。土地利用类型的划定不是单纯为了认识利用现状的地域差异，更主要的是为了评定土地的生产力。

（四）生态环境

生态环境是城市建设的基础条件，为提高人类生活质量提供给了资源，约束和限制城市形态、空间结构和发展方向。人类开发利用自然资源以满足物质文化需要，在此过程中不断形成以自然为索取对象的经济系统，人类在一系列经济活动中不断开发利用土地，造成人地关系紧张。因此，城市地下空间开发与生态环境的关系是规划的核心问题，二者间的耦合协调发展对可持续发展具有重要意义。

山地城市地下空间是未来我国城市化进程和经济发展最具潜力的核心地区，更是我国的生态安全屏障，如三峡库区地质生态环境敏感和地下空间高强度开发区域。山地区域比平原具备更高的生态敏感性，具有丰富的自然资源，伴随着的是平缓土地面积较少，切忌追求利益最大化，漠视生态环境的保护。在山地城市地下空间开发规划、建设、运行管理的全过程中，都要坚持把保护生态环境放在全部工作的首位，坚决贯彻开发与环境保护相结合的方针，提高森林覆盖率,防治水土流失。为寻找评价生态环境与地下空间开发的相关性，考虑科学性、数据可获取性和可行性的基础上，针对山地城市的特点，筛选城市地下空间开发生态环境方面的表征指标，支撑地下空间评价指标体系，形成了大气环境水平、水生态水平、绿化生态水平和固体废弃物处置水平等一级指标，以及地质稳定性分区、人均绿地面积、污水集中处理率等基础指标。

三、地下空间资源评价流程

（一）评价区域划分

在山地城市地下空间资源评价过程中，选择合适的评价模式是评价过程中直接决定评价结果精度的一步。目前，在我国城市大规模开发地下空间的进程中，以北京、上海为代表城市的浅层地下空间日渐趋于饱和，内陆山地城市的地下空间的开发利用已成为未来城市建设的趋势，高精度的地下空间资源三维精细化评价显得越来越重要。随着山地城市地下空间不断的开发，城市功能布局已经不局限于土地平面上，而是产生了地下空间垂直方向上的功能规划。在同一区域内，地上、地下空间均可实现住宅、商业、交通等多种功能，且各类功能元素在垂直方向呈现出不同性质并相互影响。因此，城市地下空间在竖向应按照合理的模式进行分层，使得城市地下空间的不同深度中各类功能设施是依照一定的原则进行发展，避免地下空间开发在空间占用上的矛盾，从而保证地下空间被合理、和谐地开发利用。然而，不同深度地下空间的利用体现的是多功能、多要素的空间聚集，强调的是多功能、多要素如何协同开发而发挥出最大的综合效益，需要评价技术支撑描述功能及要素间的关系。为了打破传统面对地下空间开发进行分层平面评价的评价模式，全面考虑地下不同空间、不同功能类型的立体化利用行为，需进行山地城市地下空间适宜性的立体评价。因此，将评估区域划分为小尺寸的三维立体网格单元，网格精度主要由城市规划需求和评价数据精度决定。对于城市规模下的地下空间评价，虽然地质条件的数据无法达到非常高的精度水平，但是建筑物基础的深度和影响范围等评价数据是米级的，因此需要达到米级的评价精度才能充分利用此类评价数据，从而实现评价区域的精细划分。

（二）地上地下模型的一体化集成

城市地下空间资源评价是一个综合性问题，涉及地形地貌、建设条件、经济价值等多方面因素，需要通过收集资料、地质调查等手段获取相应的评价数据。因此，评价数据来源广泛、内容种类繁多。原始的多源评价数据主要是以二维平面图和结构化数据表等格式存储。首先对各类数据进行几何校准，采用坐标变化方法实现多尺度地质信息的同一表示；其次采用三角网地层面模拟技术，实现复杂地质体的快速建模。最后，建立城市空间数据模型和属性模型，设计拓展地表求交算法，实现地上地下模型的一体化集成。

从2D平面到3D立体可视化技术的发展，在一定程度上为城市地下空间适宜性评价提供了支持。但是，现有建模方法的适应能力有限，需要解决复杂区域性模型构建，如三维模型构建中考虑侵入体、断层和地质发展趋势。因此，三维城市地下空间模型的空间数据模型必须包含地质概念模型、几何模型和拓扑模型。

（三）精准分析方法

根据评价指标对地下空间开发的制约程度，将评价指标分为敏感指标和非敏感指标。敏感指标是指对评价结果有着强制约作用，该指标的优劣会直接影响评价结果。敏感指标的选取和评价依据采用专家调查法予以确定。非敏感指标是按照权重大小影响评价结果，利用层次分析法确定评价依据和初始权重。在传统评价模型的基础上，融合传统模糊集理论、概率论等数学理论，引入有限区间云模型、模糊集等能同时考虑一定区间内信息的模糊性和随机性的评价模型，并结合深度学习等人工智能技术，使得评价方法从定性分析向半定量、定量分析方向发展。最终，评价单元的综合得分是由敏感指标得分和非敏感指标加权得到，最后根据评价单元综合得分的高低评价其开发适宜程度。

（四）地下空间资源三维评价系统

山地城市地下空间三维集成建模与动态可视化，以及评估过程与结果的透明表达，是山地城市地上地下整体规划、地下空间设计建造的重要手段。现阶段的城市地下空间资源评价系统研究较少，可用的商业软件不够成熟，评价结果不具备可共享性。因此，需要考虑从底层开发山地城市资源评价系统，并植入有限元法等数值分析功能模块，将各类评价数据融合并置于云端进行操作。运用分割技术、重构技术、网格自动生成技术等实现模型的一体化，避免竖向分层评价的局限性，结合有限元数值分析功能，在云端实现城市地下空间资源的云评价模式，实现用户共享，最终实现城市地下空间资源评估全流程、全过程的3D可视化。城市地下空间资源三维评价系统包括数据管理模块和评价分析模块。数据管理模块主要包括评价基础资料、评价模型和评价成果的管理，评价分析模块主要包括评价区域资源精细化评价分析。评价基础资料主要包括评价指标图层和结构化数据表，记录了空间位置和属性。评价系统是从评价基础资料中提取信息，并加载评价模型，得到评价单元的开发适宜性。评价成果是通过图例、符号、地图配色等对系统分析得到的评价结果进行后处理，绘制评价区域整体资源质量立体分区图，精细化标注开发风险点，并展示典型风险点所在剖面。系统实现自动化成图以及适宜性分区，实现城市地下空间开发适宜性的云评价模式，方便规划部门进行信息共享。