大型复杂地下空间总体设计探究
1、概述
1.1 研究背景随着经济社会的发展，城市化进程的加快，地下空间开发已成为缓解城市用地紧张和交通拥堵压力、拓展城市空间、维持和改善地面人居环境的有效途径。
在地下空间的开发中，集约高效利用地下空间资源的大型复杂地下空间逐渐成为大城市地下空间开发的重要发展方向。
近年来，国内部分经济发达的大城市先后建成一收稿日期：2012—04—12作者简介：柴家远，1974年出生，男，高级工程师，现任中铁二院工程集团有限责任公司地铁院副总工程师。
2012年7月些大型的地下空间，但由于起步较晚，缺乏统一的规划和完善的技术规范体系，国内地下空间设计还存在着许多不足，特别是在大型复杂地下公共空间的规划与功能布局、人性化设计、防灾设计、深基坑设计、复杂结构设计、以及节能、环保技术应用等方面都还存在很多不合理现象，需要进一步研究。
1.2 大型复杂地下空间的定义大型复杂地下空间是一种规模大，功能组成复杂的地下建筑。当地下建筑具有三种及三种以上主要功能时，可视为其功能组成复杂。根据民用建筑的有关分类标准，当一个建筑单体规模大于30 000 ITI 时，可视为大型建筑。
综上所述，大型复杂地下空间可定义为建筑规模大于30 000 m ，同时具备三种及三种以上主要功能的地下建筑。
1.3 大型复杂地下空间的特点大型复杂地下空间与一般地下空间相比，主要有以下特点。
1.3.1 规模大，功能组成复杂规模大，就引起整个地下空间的人流量大，内外交通需求量大，对外部环境影响大;工程实施时开挖的基坑规模大，建造的结构体量大，配置的机电系统多且负荷高。功能组成复杂，导致内、外部交通组织复杂，结构体系复杂，设备系统配置复杂，运营管理复杂。
1.3.2 集约、高效集约就是集中多种设施于一体，实现多种城市功能的一体化。高效，一是指各种设施集中于一体之后，可以实现土地、水、电及各种设施、设备等资源的高效利用;二是指通过系统化的功能配置，合理的功能布局与交通组织，使建造的整个地下空间乃至相关的城市系统能够高效的运转。
1.3.3 风险大防灾困难，建设、运营的安全风险高;建设成本高，投资风险大。
2、大型复杂地下空间的规划布局
大型复杂地下空间是城市空间的重要组成部分，其规划布局应纳入城市规划统一考虑，特别要与整个城市地下空间的利用进行统一规划，使大型复杂地下空间较好地融人城市空间，使整个城市的地下、地上空间相互协调，形成一个有机的整体。
大型复杂地下空间选址宜在城市核心区、片区中心、交通枢纽、商业中心等客流较为集中，用地较为紧张，城市服务需求较大的节点区域。一般宜与城市广场、轨道交通、大型地下停车场等交通设施、交通枢纽，或者其他大型市政设施结合建设。
在规划布局阶段，应根据城市用地条件、城市功能需求等综合因素确定大型复杂地下空间的选址、功能及基本建设规模，并同时做好市政道路、管网等配套设施的规划。
3、大型复杂地下空间设计
3.1 设计理念、原则大型复杂地下空间设计应坚持“安全空间、舒适空间、绿色空间、效益空间”的设计理念。
安全是前提，只有安全得到可靠的保障，地下空间的开发才有前途。同时，安全也是地下空间面临的一个主要难题，需要从各个方面研究解决。
舒适是手段，只有创造舒适宜人的地下空间，才能将人引入地下，留在地下，才能充分发挥地下空间开发的作用，实现地下空间开发的目的。
绿色是要求，绿色发展是时代的主题，是人类社会长久发展的需要。
效益是目的，地下空间的开发必须产生经济效益或者社会、环境等方面的综合效益，才能保持地下空间的可持续发展。
大型复杂地下空间设计应遵循以下原则：
一是符合城市总体规划，功能定位准确，建设规模适度，总体布局协调;二是内部功能分区合理，交通组织顺畅，空间设计人性;三是工法适应地质环境，结构设计合理，安全保障可靠;四是机电系统配置合理，运营管理方便;五是内外环境设计友好，资源利用节约;六是周边设施衔接顺畅，民防结合科学。
3.2 功能布局大型复杂地下空间集多种功能于一体，功能布局的好坏直接影响项目的成败。
3.2.1 功能布局的原则大型复杂地下空间一般都在两层及两层以上，在确定建设规模和建设范围之后，首先要进行竖向的功能布局。竖向功能布局应遵从先上后下，先公后私，先人后物的原则。
先上后下，就是要优先使用浅层空间。浅层空间在使用的便捷性，投资的经济性等方面都有明显的优势。此外，地下空间越接近地面，受影响因素越多，设计上也要首先考虑处理好浅层空间与地面的关系。
先公后私，就是公共服务至上。一般公共服务的设施客流量较大，宜布置在上层空间，如公交场站、商第7期 柴家远：大型复杂地下空间总体设计研究 79业服务等设施。为私人服务的设施，如小汽车停车场等宜布置在下层空间。市政设施与民用设施发生冲突时，市政设施优先;不同市政设施产生矛盾时，根据避让的难易程度决定优先权。
先人后物，就是要以人为本。在功能布局上，优先将以人使用为主的空间设置在上层，以物使用为主的空间设置在下层。如人、车产生矛盾时，行人空间优先。
3.2.2 功能布局的方法大型复杂地下空间在平面上的功能布局首先要确定主要功能区，然后围绕主要功能区，充分考虑人流、车流交通组织顺畅，运营管理方便的基础上进行布置。
形态上可采用矩阵式、中心放射式、混合式等多种形态进行布局。
总之，大型复杂地下空间的功能布局要充分考虑使用的便捷性，投资经济性，管理灵活性，体现立体、分层、集约、高效的功能布局原则，交通组织上尽可能实现人车分流、人货分流、不同方向的.人与人分流。图1为某大型复杂地下空间的功能布局示意图。
- 地面层市民广场一 地下一层购物、休闲、娱乐? 地下二层交通枢纽(地铁集散厅、地下停车场)一- 地下三层交通枢纽(地铁1号线)- 地下四层交通枢纽(地铁2号线)图1 某大型复杂地下空间的功能布局示意图3.3 总平面设计总平面设计首先要处理好建设项目与城市系统工程的关系。城市系统工程包括地面、地下道路系统、市政管线系统、轨道交通系统等。城市系统工程由于影响面较大，调整困难，因此，在大型复杂地下空间的设计中，应首先处理好与城市系统工程的关系。例如与轨道交通结合建设的项目，必须首先处理好与轨道交通线路及网络的关系;与地下公交站、停车场结合建设的地下空间必须要首先处理好公交及小汽车进出口与城市道路的关系。
总平面设计应处理好与地面环境、景观的关系。
为满足人员进出、紧急疏散以及改善通风、采光等环境条件的需要，大型复杂地下空问需要设置大量的地面出入口、风亭、采光井等地面设施，对地面既有的其他建筑、设施以及地面景观造成很大影响，因此，必须要处理好与周边环境、地面景观的关系。
总平面设计应充分考虑发挥大型复杂地下空间的中心放射效应，处理好与周边地上、地下城市空间的关系，尽可能通过建设项目使原本各自为阵的各个单体建筑、设施通过本项目实现相互连通，形成一个有机的整体，全面提升区域城市功能，同时也有利提高建设项目的使用效率和经济效益。
总平面设计要处理好地下空间的外部交通组织。
大型复杂地下空间的建设必将带来大量的人流、车流，为避免因建设项目产生交通拥堵，同时也为项目提供良好的交通保障，大型复杂地下空间的设计必须处理好对外交通的组织，确保人流、车辆进得来、出得去，过境交通顺畅。
3.4 建筑细部设计细节决定成败，建筑细部设计对于大型复杂地下空间来说也是至关重要的。地下空间由于空间封闭，容易给人造成单调、压抑、沉闷等不适感，使人不愿意进入地下，呆在地下。地下空间开发要想办法避免这些问题，创造舒适的地下空间，把人引人地下，留在地下，才能发挥地下空间开发的作用。因此，地下空间的设计应特别注意人性化，体现“以人为本”的思想。具体做法及要求主要包括以下几个方面：
第一，空间的基本尺度要满足人体活动的基本需要，空间的大小要满足聚集人流量的需要。
第二，要注重通过空间大小、形状的变化与组合塑造富于变幻的空间层次。有条件时，尽可能通过设置下沉广场、采光天井、自然通风井等措施创造一些过度空间，使地下空间与地面之间有机联系，使之成为地面开放空间的延续，从而减小地下空间的沉闷、压抑感。
第三，在环境设计上，装修材质、色彩的选择应充分考虑人的心理需要，并提供舒适的通风、照明条件，以消除地下环境对人的不良生理和心理影响。
第四，在设施、设备的配置上，要充分考虑各种服务对象的需要，提供必要的休闲、休憩、娱乐空间和设施，以及必要的无障碍设施。有条件时应结合采光井等客流聚集的中心区域设置室内中庭，配置绿化区及艺术小品，使地下空间显得更加生机盎然。
3.5 结构设计大型复杂地下空间结构设计的难点主要包括大型深基坑支护设计、复杂结构体系计算、大体量地下结构的抗浮设计等方面。
大型复杂地下空间规模大，基坑开挖面积大，深度深，设计必须针对不同的地质条件，选取相应的基坑支80 铁道工程学报 2012年7月护形式，确保基坑安全。同时，基坑施工必然引起周围土体内地下水位的变化和应力场的改变，导致周围土体的变形，对周围环境不可避免地产生各种不同程度的影响，设计必须充分研究论证基坑施工对周围环境的影响，严格控制周边建筑变形及地表沉降，确保周边建筑及环境安全。
大型复杂地下空间的结构体系应根据使用功能要求综合研究确定，不应拘泥于单一的材料、结构形式或柱网布置，在细节上应根据具体的功能要求灵活处理。
大型复杂地下空间由于结构体量大，柱网关系复杂，荷载类型多，结构受力体系复杂，必须采用三维力学分析方法，从整体受力上全面分析和研究结构布置，选取经济合理的结构布置形式，确保满足工程结构长期运营安全的需要。
大型复杂地下空间结构各部位基坑开挖情况、基底标高、内部结构层数、柱网布置情况、结构重量、顶板覆土等均不相同，且平面尺度大，结构整体刚度小，设计应根据结构的不同情况细分多个区域进行计算，或通过主体结构三维分析结果，根据上部结构的实际重量进行抗浮设计，以确保抗浮设计既安全，又经济、合理。
3.6 机电系统设计根据功能需要，大型复杂地下空间的机电系统一般配置通风空调系统、给排水及消防系统、动力照明系统、综合监控系统、通信系统、功能分区(如地下车库、商场、餐饮、地下交通等)管理系统、综合布线系统、安防保卫系统(含门禁、闭路电视、保安报警、巡更、周边防范等子系统)、无线对讲系统、背景音乐及应急广播系统等。以上系统的协调统一共同支撑地下空间的基本功能和防灾系统。
大型复杂地下空间机电系统的设计特点体现在建筑面积庞大，各子系统功能复杂。建筑面积大，导致功能分区及其内部防火分区多，机电系统设备配置复杂且较分散，各子系统的系统模式、制式以及各设备用房位置等较难确定。
大型复杂地下空间机电各系统应针对建筑规模、功能需求确定适合的系统模式或制式。各子系统的选择和确定应立足于设备技术性能的发展水平和当地的实际情况，充分考虑运行费用乃至全生命周期内的技术经济性能，设计出协调统一的综合性机电系统。各功能分区的机电系统既要考虑相互独立互不干扰，尽量做到运营维护管理责任主体明确，方便运营管理;同时也要兼顾资源共享，处理好管线综合、设备规模及数量的控制，实现机电系统设计的经济、合理。
大型复杂地下空间是城市地下的地标性建筑，是城市现代化的集中体现，机电系统在安全、可靠的前提下，应积极探索应用先进、环保、节能的新技术。
3.7 防火设计防火设计是大型复杂地下空间防灾设计的重点。
大型复杂地下空间由于规模大，功能组成复杂，其防火设计面临火灾隐患多、逃生、扑救困难、一旦发生火灾损失大等诸多难题。
大型复杂地下空间往往包含有大型商业、轨道交通、地下公交、地下停车等多项复杂功能，面积巨大，且各功能区适用的设计规范不统一，其防火分区的划分、出人口的设置、防排烟系统的设计等如按照现行规范执行将可能造成使用功能的严重缺陷。因此，对于大型复杂地下空间的防火设计，只单纯考虑消防系统的某一独立部分是不够的，应把整个地下空间作为一个整体来考虑，把每一部分的消防措施放到一个整体中去分析，才能得到最优化的防火设计方案，为地下空间提供最合理的防火保护。也就是说只有采用当前国际先进的性能化防火设计方法才能科学、合理地解决大型复杂地下空间的防火问题。
大型复杂地下空间由于规模大，人员多，其防火设计最核心的问题是逃生和防止火灾蔓延两个问题。通过对多个大型复杂地下空间防火设计的研究表明，采用下沉广场与安全通道相结合的方式可有效解决逃生和防止火灾蔓延问题。下沉广场与安全通道为人员疏散提供了一个亚安全区，既能为人员疏散提供必要的空间和时间，又能有效实现防火分区的隔离，避免火灾蔓延。同时，还有利于减少地面出入口、风亭的数量和规模，从而降低地下空间建设对地面环境的影响。
采用这种方式解决防火问题的关键是如何保证火灾情况下下沉广场及安全通道的安全性。对于安全通道，首先，在防火分隔上要采取有效的防火分隔将安全通道与防火分区隔开;其次，安全通道内必须设置良好的通风、排烟系统，确保人员疏散完毕之前安全通道内的空气质量符合人体安全需要;第三，安全通道要有足够的宽度，并设置足够数量的出口，确保疏散到安全通道内的人员能够快速安全地疏散到地面。对于下沉广场，由于其空间是开敞的，可以实现自然通风和排烟，其安全性主要是要求保证足够的人员集散空问和足够的疏散楼梯通向地面即可实现。在实际的工程设计中，安全通道的宽度、下沉广场的规模、防火分隔措施、通风排烟量的确定以及自动喷淋系统等各种消防设施的设计参数均需要通过相应的模拟分析、计算，并组织进行必要的论证才能确定。图2为某大型复杂地下空间设置的安全通道及下沉广场。
第7期 柴家远：大型复杂地下空间总体设计研究图2 某大型复杂地下空间设置的安全通道及下沉广场4 结论大型复杂地下空间的开发已经成为城市地下空间开发的一个重要发展趋势。由于其规模大，功能组成复杂，设计应充分贯彻“安全、舒适、绿色、效益”的理念，做好规划及功能布局，处理好内外交通组织及与周边环境的关系，建筑、结构、机电系统的设计必须适应大型复杂地下空间的特点及功能需要，充分发挥大型复杂地下空间集约、高效利用地下空间资源的优势，以促进大型复杂地下空间的可持续发展。
本文对笔者多年参与大型复杂地下空间设计及相关研究取得的成果进行了归纳总结，对今后大型复杂地下空间的设计有一定参考和借鉴作用。由于大型复杂地下空问涉及的领域较多，工程内容、环境千变万化，仍有一定的片面性。为确保大型复杂地下空间开发的安全、经济、高效，提高大型复杂地下空间的建设水平，建议结合工程实践继续对大型复杂地下空间的有关问题进行深入研究，尽快建立一套符合大型复杂地下空间特点的设计方法和技术规范体系。
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