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综合管廊与地下空间一体化建筑设计模式研究
来源:www.cqzrhj.com 发布时间:2023年12月11日

摘 要:在城市高度集约化发展的背景下,城市地下空间得到快速发展,但综合管廊与其他类型地下空间的分离导致城市发展遭遇诸多问题。为了实现城市地下空间的集约高效发展,必须将综合管廊纳入城市地下空间实现一体化设计和建设。通过案例研究和资料总结,以建筑设计的视角,研究综合管廊与不同功能地下空间的一体化设计模式,包括综合管廊+地下车道、综合管廊+地下商业+地下停车、综合管廊+地铁+地下商业+地下停车、综合管廊+地铁+地下商业+地下停车+地下车道4种,探讨其适用情况及优缺点,以及与点状、线状、围合式、商业街式4种类型建筑综合体地下空间的3D接口模型。该论文的研究在原有"建筑-城市一体化、建筑-交通一体化"基础上提出了建筑-城市市政一体化理论,在建筑设计方法上提出了管廊与城市地下空间接口的多种模式,对城市空间立体集约化发展具有重要意义。



引 言


综合管廊作为一种新型的市政措施,从20世纪的欧洲起源到如今已经遍布全球,其建设量仍然呈上升趋势。近年来,我国出台多个层次的相关法规促进综合管廊的发展。根据住房城乡建设部公开数据,截至2017年底,中国在建综合管廊的里程达到6 575 km。“十三五”期间综合管廊的开发建设量每年增加2 000 km,带来1.2万亿的投资的直接经济效益。《城市地下空间开发利用“十三五”规划》(2016)提出“增强地下空间之间以及地下空间与地面建设之间有机联系,促进地下空间与城市整体同步发展”。另外,地下空间作为推动城市立体化、紧凑化的有效方式,在地下轨道交通的建设基础上迅速崛起。近年来,在城市发展需求的推动和国家政策的支持下,城市地下空间和综合管廊的建设都得到进一步提升,相关研究也逐渐增多。根据CNKI、WOS、Ci Nii数据库检索整理发现,综合管廊的研究内容涵盖了投融资与运行管理方向、工程技术方向和综合管廊建设必要性等方面。城市地下空间的研究则更为全面,从地下空间的规划到内部空间设计,地上地下一体化、轨道交通站点的一体化等都有较为详细的研究。通过对现状研究归类整理后不难发现,城市地下空间与综合管廊的一体化研究和实践的数量极少,且仅有的几篇研究均以某一实际案例作为研究对象,缺乏设计模式的提炼和设计理论的提升。本文研究综合管廊与城市地下空间的一体化设计不仅可以在理论研究层面填补这一领域的空缺,将城市/建筑一体化拓展到城市/建筑/市政一体化,还可以在实际意义层面改善当前地下空间总体开发混乱的局面,增加地下空间的利用率,减少地下空间施工的反复开挖,并为智慧城市的发展奠定基础。



1.综合管廊与城市公共地下空间一体化研究的必要性


1.1 综合管廊与城市公共地下空间一体化的发展历史


1833年,法国政府创造性的将各种管线放置在地下大型排水管道内部,形成了最早的综合管廊(图1)。此后,英国、德国、美国以及日本也相继开始了综合管廊的修建。其中,日本的综合管廊发展最为迅速,其规划标准、政策法规和技术水平都位于世界前 列。1926年关东大地震之后,日本政府试验性地修建了3处共同沟(图2),以抵御地震对市政管线的破坏。此外,日本由于国土资源紧缺、都市区人口密集,所以在城市人口集聚区进行了地下空间开发,形成了一套完整的地下利用规划制度,将综合管廊纳入地下空间整体设计,并制定了受法律保护的地下利用立体分层规划及干线道路地下设施配置原则。其地下空间利用的规划是在对地下利用现状以及未来发展规划有所把握的前提下进行的,在对地下空间功能平面调整的基础上进行各地下设施断面的调整(如表1)。此外,日本还设想了“主要站点地区的超 级立体化利用”(图3)及“构建都市机能网络”(图4),综合管廊与地铁、地下街、地下车库等地下空间系统有机的进行一体化利用。



图1 巴黎早期综合管廊


图2 日本早期综合管廊的断面形式


图3 日本主要站点的超 级立体化


图4 都市机能的网络系统



1.2 中国迫切需要进行综合管廊与城市公共地下空间一体化研究


我国1958年在北京天安门广场布置的1.1 km管廊是国内最早的综合管廊建设实例。之后,相继在上海、广州等地开展综合管廊的建设。根据《专家问卷调查—综合管廊与城市地下空间的一体化设计研究》统计结果可知,如今随着城市新区地下空间综合利用的迫切需求,华东建筑设计院、中国建筑设计研究院、上海市政设计研究院、大型建筑甲 级设计院及大型市政设计院等对“综合管廊与建筑一体化设计”提出了迫切需求。且由于在项目设计中缺乏统一规划、空间布局设计、具体接口设计等,导致大多数项目无法进行地下空间的一体化整合,致使地下空间重复开挖及空间资源浪费,如北京地铁7号线磁器口站与市政管线的冲突问题导致工期延误、造价增高。通过中国建筑设计研究院在全国范围内的调研,仅有郑东新区、成都大源CBD(图5)、北京CBD核心区地下空间项目(图6)是综合管廊与城市地下空间一体化设计的成功案例。这3个项目是在建筑设计专业人员与市政设计专业人员共同协助下完成的,运用了BIM技术进行一体化设计,其在技术、设计方法及工作形式上均有很大的创新。


图5 成都大源CBD地下空间



图6 北京CBD核心区地下空间


根据我国CNKI、Ci Nii、WOS中日英三大数据库的论文查询结果可知:国内在研究层次上,工程技术、施工等的比重最 大,达到55.28%,然后是行业指导(社科)和政策研究(社科),分别达到19.09%和4.59%。在学科分类方面,城市规划与市政和城市经济的比重较高,分别达到53.23%和14.76%(如表2)。部分论文虽然提出了综合管廊与城市地下空间的一体化设计需求,但缺乏具体研究。而日本CINII和英文WOS数据库论文主要集中在综合管廊结构技术、防灾、环境影响及运营管理等方面。



表1 地下利用的立体分层规划及干线道路地下设施配置原则



表2 国内综合管廊的研究情况(数据来源:中国知网)



1.3 综合管理廊与城市地下空间一体化设计的可行性


1.3.1 综合管廊及城市地下空间一体化专家调查


本次调查问卷对象为全国各高校、设计院、政府部门和研究部门的相关领域的专家。从专家人员职位分布状况来看(如图7),大部分是来自设计院的工程师(80.36%),其中教授级高 级工程师3.57%,高 级工程师33.93%,工程师42.86%,其次是来自高校的副教授(8.93%)。从专家们的专业分布状况(如图8)来看,建筑设计专业(16.67%)、综合管廊(16.67%)和电气专业(18.05%)的人数最多,其次是给排水(9.72%)、城市规划(6.94%)和轨道交通专业(5.55%),其他专业占比较小,如施工、检测等。大型建筑、市政设计院和高等院校科研遇到“城市地下空间与综合管廊的一体化”的项目及研究课题最多,建筑专业、电气专业与综合管廊专业对一体化研究的关注度最高。87%的专家认为两者一体化的设计属于建筑学领域,需要建筑学主导其建设,几乎所有专家认为二者的一体化设计具有实际意义,并需要相关研究促进其发展(图9)。52.73%的专家参与过相关一体化的实际项目,这些项目多分布在地下空间开发量和需求量都较大的一线城市(北京、上海、广州),以及二线省会城市(武汉、南京、哈尔滨)。此外,经济较为发达的小型城市,如湖北宜昌、江西上饶等也具有少量项目(如图10)。面对一体化项目稀缺的现象,国内的专家认为主要原因在4个方面:(1)综合管廊规划未与地下空间规划相协调;(2)地下空间规划未与城市规划相协调;(3)地下空间规划未纳入城市规划编制;(4)地下空间控制性详细规划中未确定综合管廊的位置及建筑的接口(如图11)。为促进两者一体化的规划建设,国内专家提出:综合管廊应纳入地下空间规划共同编制;国家层面出台一体化规划建设的规范与导则;建立综合管廊与建筑地下空间一体化的接口技术;建立综合管廊与建筑地下空间一体化的剖面设计模式;建立综合管廊与建筑地下空间一体化的节点3D模型(如图12)。


图7 专家职称分布



图8 专家专业分布


1.3.2 发展综合管廊与城市地下空间一体化的技术支


在综合管廊与城市地下空间的一体化设计中,BIM技术和GIS技术的集成实现了微观的建筑及室内模型信息与宏观的室外环境模型信息的关联整合。这种协同运作适用于于水利工程、铁路桥梁、地下管网、城市规划、市政模拟等诸多领域。在城市规划中,BIM提供了建筑的尺度、材质、外部形体和内部结构等详细信息,GIS技术则整合了建筑与周边环境的模型信息,实现信息共享,在此基础上就可以实现精 准的城市三维测量和建筑方案对比。在综合管廊的建设中,BIM可解决管廊内部的管线碰撞问题及与建筑BIM的一体化应用,而GIS则可根据地理信息优化管廊及建筑的整体布局,并在城市信息共享的情况下,进行方案的模拟对比和优化。BIM与GIS的集成可以实现综合管廊、建筑、城市三者的信息共享和利用,进行方案的模拟及预测,实现系统化设计及智慧城市监控。


图9 研究必要性饼状图


2.综合管廊与城市地下空间一体的化剖面设计模式


城市地下空间的功能分类众多,本文以地下商业(underground commercial,简写C)、地下停车(underground parking,简写P)、地下车道(underground driveway,简写D)和地铁(subway,简写S)这4种规模最 大、最为典型的地下空间应用为例,从剖面设计的视角研究这些应用与地下综合管廊(Integrated pipe gallery,简写G)一体化建设下的理想布局模式,并探讨其优缺点及适用性。本研究不考虑产权归属及具体工程个案所遇到的实际限制情况,是一种理想的设计模式,目的是为实际工程提供方案布局思路。对实际工程中可能会遇到的地形、产权等其他限制因素,则需要在这些理想模式概念的基础上进行衍生变化。

图10 一体化的具体项目分布情况


图11 未能实现一体化设计的原因分布表


图12 实现一体化设计的关键因素分布表


2.1 模式一:综合管廊与地下车道合建


2.1.1 案例分析


图13为深圳市沿一线地下车道的剖面布局示意图,地下车道开发为双层单向车道,综合管廊上下分舱置于车道一侧。图14为北京通州核心区地下车道的剖面示意图,车道位于综合管廊上方,两者之间设置夹层用于管线的出入。两种方式均形成整齐的断面,有利于一体化的施工与建设,大大减少了施工费用。


图13 深圳市沿一线地下快速通道


2.1.2 模式总结


综合管廊与地下隧道同属线性空间,两者一体化对功能流线的影响较小。根据管廊与地下车道的相对位置可分为GD、D|G和G|D4种形式,由于在实际应用中会遇到多种问题且不太常见,且D|G与G|D情况相似,因此在此仅对G|D、两种形式进行详细分析。当车道为双层时,可采用形式G|D将管廊竖向分舱布置于车道两侧;当车道为单层时,可采用形式将综合管廊水平分舱置于车道下方,如表4。


图14 北京通州运河核心区地下车道


2.2 模式二:综合管廊与地下商业、地下停车合建


2.2.1 案例分析


图15为北京CBD核心区地下空间的布局示意图,整体开发为地下五层,其中地下一层为商业与联通空间,道路下方则设置夹层,在接近地面的位置设置综合管廊,道路下方地下二层为机动车道,地下三层为综合管廊空间,地下四层和五层则为地下停车和人防空间。这种地下空间的布局保证了地下商业的连通性,预留了足够的市政管线空间,缺点在于地下一层空间层高太高,存在空间浪费的情况。


表4 综合管廊与地下车道的一体化设计模式 



图15 北京CBD核心地区地下空间的剖面示意图


图16为北京通州核心区地下空间的布局示意,总体开发为地下三层,其中地下一层为商业和连接通道,道路下方地下二层为机动车道,地下三层为综合管廊,建筑下方地下二层和三层空间为地下车道。这种布局方式保留了商业的连通性,且将地下车道与地下停车空间连接提高功能融合性,但综合管廊位于空间最 底层不利于雨污水管道的入廊。



图16 通州核心区地下空间的剖面示意图


2.2.2 模式总结


地下商业、地下停车空间与地下车道合建是城市中心区较为常见的地下空间组合形式,在竖向布局上通常将地下一、二层设置为地下商业空间,底层则为地下停车空间与地下车道空间,这时综合管廊通常与地下车道结合置于底层空间或单独置于形式。当地下空间的开挖深度不受限制时,一般采合管廊规模要求较小时,才用形式;当管廊需要浅埋时,可选择形式如表5。


表5 综合管廊与地下商业、地下停车库的一体化设计模式



2.3 模式三:综合管廊与地铁站、地下商业、地下停车合建


2.3.1 案例分析


如图17所示,南京下关综合管廊利用地铁和商业的开发将三者整合在一起,道路下方开发地下空间为三层,介于道路下方的空间权属问题,在建筑下方的空间内仅仅开发为一层(若在规划阶段可增加层数用于地下停车空间)。道路下方负一、二、三层分别为商业空间、地铁进站厅和地铁轨道层,管廊布置于站厅层侧方,轨道层为预留管廊空间,两侧建筑通过负一层的商业空间联通。道路下的商业空间距地面2.5 m,层高5.5 m,建筑下的商业层高为9 m。商业置于负一层将两侧建筑连为一体,避免了人行道与地面车行道的冲突,也增加了商业建筑的经济效益。综合管廊置于地铁一侧,可以与地铁隧道同时建设,节约了成本,避免了二次开挖。地铁站厅与地面相隔商业空间,虽然在某种程度上为商业带来更好的商业价值,但进入地铁站厅的人流线路变长,不利于人们的出行。


图17 南京下关综合管廊与地铁、商业合建的剖面示意


2.3.2 模式总结


以地铁站为节点进行地下商业开发是较为普遍的模式,综合管廊、地铁站、地下商业和地下停车四者在一体化的空间布局中,商业通常布置在顶层空间,往下则分别是地铁站厅层和站台层,站台层两侧则为停车空间,这时为尽量减少综合管廊对空间功能的影响,应将其布置于底层空间与地铁隧道连接。其一体化有两种常见形式:形式将综合管廊竖向分舱置于地铁隧道两侧,适用于城市郊区等管廊需求量不大的区域;形式,将综合管廊水平分舱置于隧道两侧的底层空间,这种方式适应性强,可用于对综合管廊规模要求较大,或对远期规划有需求的情况,如表6。


2.4 模式四:综合管廊与地铁、地下商业、地下停车、地下车道合建


2.4.1 案例分析


如图18所示,广州金融城综合管廊结合地下商业、地下车道和地铁一起建设。负一、二、三层分别为地下商业、地下车道和地铁站厅层,综合管廊位于地下车道下方地铁站厅层中间,商业部分层高5 m,地下车道净高7 m。进入地铁站厅的人流需要由地下商业层从两边通过地下车道进入,高差达16.5 m。地下商业置于负一层方便与地面连接,从而带来最 大的经济效益,综合管廊利用地铁轨道中间的位置,让空间得到良好的利用。但是在此情况下,进入地铁的人流路线不仅要穿过商业空间,还要穿过地下车道层,与负一层商业空间的总高差达到16.5 m,不利于地铁的人流出行。同时,综合管廊受地铁站厅的高度和地下车道的影响,综合管廊的剖面达到13.5 m×8 m。


表6 综合管廊与地下商业、地下停车库、地铁的一体化设计模式(来源:作者自绘)


图18 广州金融城综合管廊与地铁、车道合建的剖面示意


2.4.2 模式总结


在大型地铁站点中,除了商业、停车功能外,还会加入地下车道以解决城市交通问题。在这种组合下,商业位于顶层空间,地铁站点位于下方,而地下车道与地下停车可分置于地下隧道两侧,综合管廊则尽量与车道和地铁隧道整合。其一体化的布局模式分为3种形式:(1)管廊位于顶层商业空间,适用于综合管廊埋深较浅的情况;(2)管廊位于地铁隧道两侧车道下方,适用于不需要连接车道、管廊需求量较小的情况;(3)管廊水平分舱位于地铁两侧车道上方,适用于地下车道比综合管廊长度更大的情况,如表7。


3.综合管廊与不同类型建筑综合体地下空间一体化设计的接口3D模型


建筑综合体建筑体量大、能耗高,与综合管廊的一体化设计在建筑与综合管廊一体化设计中具有典型的借鉴意义。建筑综合体的形式会影响地下空间的管廊连接口布局形式,本节将建筑综合体分类为点状、线状、围合式、商业内街4种模式,探讨建筑地下空间的与管廊连接口的布局,如表8。


点式建筑综合体的空间集中,其管廊接口布局较为简单。当建筑规模不大时,可在建筑沿街面设置一个连接口,利用建筑前广场设置下沉空间,通过下出线的方式在负三层设置连接通道,并与建筑连接口连接,这样可以在利用下沉广场改善地下空间环境的同时,将管廊检修流线和相关设备与地下功能区进行整合。当单体建筑规模增大时,则可将管廊连接口移至建筑中心部位,以增大连接口服务面积。


线状式建筑综合体连接口分情况讨论:当建筑短边临街时,可设置一条连接通道与支管廊连接,并沿建筑长边布置多个连接口;当长边临街时,可在长边方向根据需要设置多条连接通道与支管廊连接,但这种方式会增多连接口,不便于管理。同样,线性建筑也可利用建筑前广场制造下沉空间将管廊连接与建筑一体化。


表7 综合管廊与地下商业、地下停车库、地铁、地下车道的一体化设计模式



围合式建筑综合体的地下空间开发通常与内部中庭联系,因此,综合管廊的连接口可布置于建筑内边,利用中庭空间设置下沉广场实现一体化。当规模较小时,可设置一个连接口;规模较大时,则可沿内边分置多个连接口。


商业街式建筑综合体的平面布局可简化为多个围合式建筑的组合,因此其连接口布局方式可参考围合式建筑,根据地上建筑走向,在内庭边缘的建筑下方设置多个连接通道,并根据建筑规模在连接通道上设置多个连接口。


表8 综合管廊与不同类型建筑地下空间一体化设计的平面模式和接口模型示意图



4.结语


综合管廊与建筑综合体一体化规划设计可以有效减少城市地下空间的重复施工,提高城市中心区的土地利用价值和能源输送效率,对地下空间进行系统的布局与建设。在理论研究与问卷调查得出的可行性分析基础上,提出一体化设计的概念与要素,分析地铁、地下街、地下车库和综合管廊一体化设计的特点,提出4种较为典型的剖面模式,并总结出点状、线状、围合式与商业街式建筑综合体地下空间与综合管廊一体化建设3D接口模型。本研究不考虑产权归属及具体工程个案所遇到的实际限制情况,是一种理想的设计模式,可为实际工程提供方案布局参考。



摘自《地下空间与工程学报 》


来源:综合管廊之家



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