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大型復雜地下空間總體設計探究
1、概述
1.1 研究背景隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，城市化進程的加快，地下空間開發(fā)已成為緩解城市用地緊張和交通擁堵壓力、拓展城市空間、維持和改善地面人居環(huán)境的有效途徑。
在地下空間的開發(fā)中，集約高效利用地下空間資源的大型復雜地下空間逐漸成為大城市地下空間開發(fā)的重要發(fā)展方向。
近年來，國內部分經(jīng)濟發(fā)達的大城市先后建成一收稿日期：2012—04—12作者簡介：柴家遠，1974年出生，男，高級工程師，現(xiàn)任中鐵二院工程集團有限責任公司地鐵院副總工程師。
2012年7月些大型的地下空間，但由于起步較晚，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和完善的技術規(guī)范體系，國內地下空間設計還存在著許多不足，特別是在大型復雜地下公共空間的規(guī)劃與功能布局、人性化設計、防災設計、深基坑設計、復雜結構設計、以及節(jié)能、環(huán)保技術應用等方面都還存在很多不合理現(xiàn)象，需要進一步研究。
1.2 大型復雜地下空間的定義大型復雜地下空間是一種規(guī)模大，功能組成復雜的地下建筑。當?shù)叵陆ㄖ哂腥N及三種以上主要功能時，可視為其功能組成復雜。根據(jù)民用建筑的有關分類標準，當一個建筑單體規(guī)模大于30 000 ITI 時，可視為大型建筑。
綜上所述，大型復雜地下空間可定義為建筑規(guī)模大于30 000 m ，同時具備三種及三種以上主要功能的地下建筑。
1.3 大型復雜地下空間的特點大型復雜地下空間與一般地下空間相比，主要有以下特點。
1.3.1 規(guī)模大，功能組成復雜規(guī)模大，就引起整個地下空間的人流量大，內外交通需求量大，對外部環(huán)境影響大;工程實施時開挖的基坑規(guī)模大，建造的結構體量大，配置的機電系統(tǒng)多且負荷高。功能組成復雜，導致內、外部交通組織復雜，結構體系復雜，設備系統(tǒng)配置復雜，運營管理復雜。
1.3.2 集約、高效集約就是集中多種設施于一體，實現(xiàn)多種城市功能的一體化。高效，一是指各種設施集中于一體之后，可以實現(xiàn)土地、水、電及各種設施、設備等資源的高效利用;二是指通過系統(tǒng)化的功能配置，合理的功能布局與交通組織，使建造的整個地下空間乃至相關的城市系統(tǒng)能夠高效的運轉。
1.3.3 風險大防災困難，建設、運營的安全風險高;建設成本高，投資風險大。
2、大型復雜地下空間的規(guī)劃布局
大型復雜地下空間是城市空間的重要組成部分，其規(guī)劃布局應納入城市規(guī)劃統(tǒng)一考慮，特別要與整個城市地下空間的利用進行統(tǒng)一規(guī)劃，使大型復雜地下空間較好地融人城市空間，使整個城市的地下、地上空間相互協(xié)調，形成一個有機的整體。
大型復雜地下空間選址宜在城市核心區(qū)、片區(qū)中心、交通樞紐、商業(yè)中心等客流較為集中，用地較為緊張，城市服務需求較大的節(jié)點區(qū)域。一般宜與城市廣場、軌道交通、大型地下停車場等交通設施、交通樞紐，或者其他大型市政設施結合建設。
在規(guī)劃布局階段，應根據(jù)城市用地條件、城市功能需求等綜合因素確定大型復雜地下空間的選址、功能及基本建設規(guī)模，并同時做好市政道路、管網(wǎng)等配套設施的規(guī)劃。
3、大型復雜地下空間設計
3.1 設計理念、原則大型復雜地下空間設計應堅持“安全空間、舒適空間、綠色空間、效益空間”的設計理念。
安全是前提，只有安全得到可靠的保障，地下空間的開發(fā)才有前途。同時，安全也是地下空間面臨的一個主要難題，需要從各個方面研究解決。
舒適是手段，只有創(chuàng)造舒適宜人的地下空間，才能將人引入地下，留在地下，才能充分發(fā)揮地下空間開發(fā)的作用，實現(xiàn)地下空間開發(fā)的目的。
綠色是要求，綠色發(fā)展是時代的主題，是人類社會長久發(fā)展的需要。
效益是目的，地下空間的開發(fā)必須產(chǎn)生經(jīng)濟效益或者社會、環(huán)境等方面的綜合效益，才能保持地下空間的可持續(xù)發(fā)展。
大型復雜地下空間設計應遵循以下原則：
一是符合城市總體規(guī)劃，功能定位準確，建設規(guī)模適度，總體布局協(xié)調;二是內部功能分區(qū)合理，交通組織順暢，空間設計人性;三是工法適應地質環(huán)境，結構設計合理，安全保障可靠;四是機電系統(tǒng)配置合理，運營管理方便;五是內外環(huán)境設計友好，資源利用節(jié)約;六是周邊設施銜接順暢，民防結合科學。
3.2 功能布局大型復雜地下空間集多種功能于一體，功能布局的好壞直接影響項目的成敗。
3.2.1 功能布局的原則大型復雜地下空間一般都在兩層及兩層以上，在確定建設規(guī)模和建設范圍之后，首先要進行豎向的功能布局。豎向功能布局應遵從先上后下，先公后私，先人后物的原則。
先上后下，就是要優(yōu)先使用淺層空間。淺層空間在使用的便捷性，投資的經(jīng)濟性等方面都有明顯的優(yōu)勢。此外，地下空間越接近地面，受影響因素越多，設計上也要首先考慮處理好淺層空間與地面的關系。
先公后私，就是公共服務至上。一般公共服務的設施客流量較大，宜布置在上層空間，如公交場站、商第7期 柴家遠：大型復雜地下空間總體設計研究 79業(yè)服務等設施。為私人服務的設施，如小汽車停車場等宜布置在下層空間。市政設施與民用設施發(fā)生沖突時，市政設施優(yōu)先;不同市政設施產(chǎn)生矛盾時，根據(jù)避讓的難易程度決定優(yōu)先權。
先人后物，就是要以人為本。在功能布局上，優(yōu)先將以人使用為主的空間設置在上層，以物使用為主的空間設置在下層。如人、車產(chǎn)生矛盾時，行人空間優(yōu)先。
3.2.2 功能布局的方法大型復雜地下空間在平面上的功能布局首先要確定主要功能區(qū)，然后圍繞主要功能區(qū)，充分考慮人流、車流交通組織順暢，運營管理方便的基礎上進行布置。
形態(tài)上可采用矩陣式、中心放射式、混合式等多種形態(tài)進行布局。
總之，大型復雜地下空間的功能布局要充分考慮使用的便捷性，投資經(jīng)濟性，管理靈活性，體現(xiàn)立體、分層、集約、高效的功能布局原則，交通組織上盡可能實現(xiàn)人車分流、人貨分流、不同方向的人與人分流。圖1為某大型復雜地下空間的功能布局示意圖。
- 地面層市民廣場一 地下一層購物、休閑、娛樂? 地下二層交通樞紐(地鐵集散廳、地下停車場)一- 地下三層交通樞紐(地鐵1號線)- 地下四層交通樞紐(地鐵2號線)圖1 某大型復雜地下空間的功能布局示意圖3.3 總平面設計總平面設計首先要處理好建設項目與城市系統(tǒng)工程的關系。城市系統(tǒng)工程包括地面、地下道路系統(tǒng)、市政管線系統(tǒng)、軌道交通系統(tǒng)等。城市系統(tǒng)工程由于影響面較大，調整困難，因此，在大型復雜地下空間的設計中，應首先處理好與城市系統(tǒng)工程的關系。例如與軌道交通結合建設的項目，必須首先處理好與軌道交通線路及網(wǎng)絡的關系;與地下公交站、停車場結合建設的地下空間必須要首先處理好公交及小汽車進出口與城市道路的關系。
總平面設計應處理好與地面環(huán)境、景觀的關系。
為滿足人員進出、緊急疏散以及改善通風、采光等環(huán)境條件的需要，大型復雜地下空問需要設置大量的地面出入口、風亭、采光井等地面設施，對地面既有的其他建筑、設施以及地面景觀造成很大影響，因此，必須要處理好與周邊環(huán)境、地面景觀的關系。
總平面設計應充分考慮發(fā)揮大型復雜地下空間的中心放射效應，處理好與周邊地上、地下城市空間的關系，盡可能通過建設項目使原本各自為陣的各個單體建筑、設施通過本項目實現(xiàn)相互連通，形成一個有機的整體，全面提升區(qū)域城市功能，同時也有利提高建設項目的使用效率和經(jīng)濟效益。
總平面設計要處理好地下空間的外部交通組織。
大型復雜地下空間的建設必將帶來大量的人流、車流，為避免因建設項目產(chǎn)生交通擁堵，同時也為項目提供良好的交通保障，大型復雜地下空間的設計必須處理好對外交通的組織，確保人流、車輛進得來、出得去，過境交通順暢。
3.4 建筑細部設計細節(jié)決定成敗，建筑細部設計對于大型復雜地下空間來說也是至關重要的。地下空間由于空間封閉，容易給人造成單調、壓抑、沉悶等不適感，使人不愿意進入地下，呆在地下。地下空間開發(fā)要想辦法避免這些問題，創(chuàng)造舒適的地下空間，把人引人地下，留在地下，才能發(fā)揮地下空間開發(fā)的作用。因此，地下空間的設計應特別注意人性化，體現(xiàn)“以人為本”的思想。具體做法及要求主要包括以下幾個方面：
第一，空間的基本尺度要滿足人體活動的基本需要，空間的大小要滿足聚集人流量的需要。
第二，要注重通過空間大小、形狀的變化與組合塑造富于變幻的空間層次。有條件時，盡可能通過設置下沉廣場、采光天井、自然通風井等措施創(chuàng)造一些過度空間，使地下空間與地面之間有機聯(lián)系，使之成為地面開放空間的延續(xù)，從而減小地下空間的沉悶、壓抑感。
第三，在環(huán)境設計上，裝修材質、色彩的選擇應充分考慮人的心理需要，并提供舒適的通風、照明條件，以消除地下環(huán)境對人的不良生理和心理影響。
第四，在設施、設備的配置上，要充分考慮各種服務對象的需要，提供必要的休閑、休憩、娛樂空間和設施，以及必要的無障礙設施。有條件時應結合采光井等客流聚集的中心區(qū)域設置室內中庭，配置綠化區(qū)及藝術小品，使地下空間顯得更加生機盎然。
3.5 結構設計大型復雜地下空間結構設計的難點主要包括大型深基坑支護設計、復雜結構體系計算、大體量地下結構的抗浮設計等方面。
大型復雜地下空間規(guī)模大，基坑開挖面積大，深度深，設計必須針對不同的地質條件，選取相應的基坑支80 鐵道工程學報 2012年7月護形式，確保基坑安全。同時，基坑施工必然引起周圍土體內地下水位的變化和應力場的改變，導致周圍土體的變形，對周圍環(huán)境不可避免地產(chǎn)生各種不同程度的影響，設計必須充分研究論證基坑施工對周圍環(huán)境的影響，嚴格控制周邊建筑變形及地表沉降，確保周邊建筑及環(huán)境安全。
大型復雜地下空間的結構體系應根據(jù)使用功能要求綜合研究確定，不應拘泥于單一的材料、結構形式或柱網(wǎng)布置，在細節(jié)上應根據(jù)具體的功能要求靈活處理。
大型復雜地下空間由于結構體量大，柱網(wǎng)關系復雜，荷載類型多，結構受力體系復雜，必須采用三維力學分析方法，從整體受力上全面分析和研究結構布置，選取經(jīng)濟合理的結構布置形式，確保滿足工程結構長期運營安全的需要。
大型復雜地下空間結構各部位基坑開挖情況、基底標高、內部結構層數(shù)、柱網(wǎng)布置情況、結構重量、頂板覆土等均不相同，且平面尺度大，結構整體剛度小，設計應根據(jù)結構的不同情況細分多個區(qū)域進行計算，或通過主體結構三維分析結果，根據(jù)上部結構的實際重量進行抗浮設計，以確保抗浮設計既安全，又經(jīng)濟、合理。
3.6 機電系統(tǒng)設計根據(jù)功能需要，大型復雜地下空間的機電系統(tǒng)一般配置通風空調系統(tǒng)、給排水及消防系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、功能分區(qū)(如地下車庫、商場、餐飲、地下交通等)管理系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)、安防保衛(wèi)系統(tǒng)(含門禁、閉路電視、保安報警、巡更、周邊防范等子系統(tǒng))、無線對講系統(tǒng)、背景音樂及應急廣播系統(tǒng)等。以上系統(tǒng)的協(xié)調統(tǒng)一共同支撐地下空間的基本功能和防災系統(tǒng)。
大型復雜地下空間機電系統(tǒng)的設計特點體現(xiàn)在建筑面積龐大，各子系統(tǒng)功能復雜。建筑面積大，導致功能分區(qū)及其內部防火分區(qū)多，機電系統(tǒng)設備配置復雜且較分散，各子系統(tǒng)的系統(tǒng)模式、制式以及各設備用房位置等較難確定。
大型復雜地下空間機電各系統(tǒng)應針對建筑規(guī)模、功能需求確定適合的系統(tǒng)模式或制式。各子系統(tǒng)的選擇和確定應立足于設備技術性能的發(fā)展水平和當?shù)氐膶嶋H情況，充分考慮運行費用乃至全生命周期內的技術經(jīng)濟性能，設計出協(xié)調統(tǒng)一的綜合性機電系統(tǒng)。各功能分區(qū)的機電系統(tǒng)既要考慮相互獨立互不干擾，盡量做到運營維護管理責任主體明確，方便運營管理;同時也要兼顧資源共享，處理好管線綜合、設備規(guī)模及數(shù)量的控制，實現(xiàn)機電系統(tǒng)設計的經(jīng)濟、合理。
大型復雜地下空間是城市地下的地標性建筑，是城市現(xiàn)代化的集中體現(xiàn)，機電系統(tǒng)在安全、可靠的前提下，應積極探索應用先進、環(huán)保、節(jié)能的新技術。
3.7 防火設計防火設計是大型復雜地下空間防災設計的重點。
大型復雜地下空間由于規(guī)模大，功能組成復雜，其防火設計面臨火災隱患多、逃生、撲救困難、一旦發(fā)生火災損失大等諸多難題。
大型復雜地下空間往往包含有大型商業(yè)、軌道交通、地下公交、地下停車等多項復雜功能，面積巨大，且各功能區(qū)適用的設計規(guī)范不統(tǒng)一，其防火分區(qū)的劃分、出人口的設置、防排煙系統(tǒng)的設計等如按照現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行將可能造成使用功能的嚴重缺陷。因此，對于大型復雜地下空間的防火設計，只單純考慮消防系統(tǒng)的某一獨立部分是不夠的，應把整個地下空間作為一個整體來考慮，把每一部分的消防措施放到一個整體中去分析，才能得到最優(yōu)化的防火設計方案，為地下空間提供最合理的防火保護。也就是說只有采用當前國際先進的性能化防火設計方法才能科學、合理地解決大型復雜地下空間的防火問題。
大型復雜地下空間由于規(guī)模大，人員多，其防火設計最核心的問題是逃生和防止火災蔓延兩個問題。通過對多個大型復雜地下空間防火設計的研究表明，采用下沉廣場與安全通道相結合的方式可有效解決逃生和防止火災蔓延問題。下沉廣場與安全通道為人員疏散提供了一個亞安全區(qū)，既能為人員疏散提供必要的空間和時間，又能有效實現(xiàn)防火分區(qū)的隔離，避免火災蔓延。同時，還有利于減少地面出入口、風亭的數(shù)量和規(guī)模，從而降低地下空間建設對地面環(huán)境的影響。
采用這種方式解決防火問題的關鍵是如何保證火災情況下下沉廣場及安全通道的安全性。對于安全通道，首先，在防火分隔上要采取有效的防火分隔將安全通道與防火分區(qū)隔開;其次，安全通道內必須設置良好的通風、排煙系統(tǒng)，確保人員疏散完畢之前安全通道內的空氣質量符合人體安全需要;第三，安全通道要有足夠的寬度，并設置足夠數(shù)量的出口，確保疏散到安全通道內的人員能夠快速安全地疏散到地面。對于下沉廣場，由于其空間是開敞的，可以實現(xiàn)自然通風和排煙，其安全性主要是要求保證足夠的人員集散空問和足夠的疏散樓梯通向地面即可實現(xiàn)。在實際的工程設計中，安全通道的寬度、下沉廣場的規(guī)模、防火分隔措施、通風排煙量的確定以及自動噴淋系統(tǒng)等各種消防設施的設計參數(shù)均需要通過相應的模擬分析、計算，并組織進行必要的論證才能確定。圖2為某大型復雜地下空間設置的安全通道及下沉廣場。
第7期 柴家遠：大型復雜地下空間總體設計研究圖2 某大型復雜地下空間設置的安全通道及下沉廣場4 結論大型復雜地下空間的開發(fā)已經(jīng)成為城市地下空間開發(fā)的一個重要發(fā)展趨勢。由于其規(guī)模大，功能組成復雜，設計應充分貫徹“安全、舒適、綠色、效益”的理念，做好規(guī)劃及功能布局，處理好內外交通組織及與周邊環(huán)境的關系，建筑、結構、機電系統(tǒng)的設計必須適應大型復雜地下空間的特點及功能需要，充分發(fā)揮大型復雜地下空間集約、高效利用地下空間資源的優(yōu)勢，以促進大型復雜地下空間的可持續(xù)發(fā)展。
本文對筆者多年參與大型復雜地下空間設計及相關研究取得的成果進行了歸納總結，對今后大型復雜地下空間的設計有一定參考和借鑒作用。由于大型復雜地下空問涉及的領域較多，工程內容、環(huán)境千變萬化，仍有一定的片面性。為確保大型復雜地下空間開發(fā)的安全、經(jīng)濟、高效，提高大型復雜地下空間的建設水平，建議結合工程實踐繼續(xù)對大型復雜地下空間的有關問題進行深入研究，盡快建立一套符合大型復雜地下空間特點的設計方法和技術規(guī)范體系。
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