1 引言

我国正处在城市化高速发展的历史阶段,城市地下空间的开发与利用已经是城市寻求空间发展的重要开拓研究方向,在当代的大型和特大型城市中已经发展出了地下步行商业街、城市综合管廊、民防地下空间、轨道运输等诸多地下空间形态。相对而言,适应于建设物流管道、能源运输通道等基本无人活动的深层地下空间的开发尚未形成规模。

深层地下空间是指空间深度远超过一般地下空间的深度。日本地下空间的开发深度可以分为三个层级:0～-10m;中深度-10 ～-30m;-30 ～-50m较大深度;大深度-50～-100m或者更深。[1]大深度地下空间的开发可以在垂直方向上提供更多的地下空间容量。由于国际上对于地下空间的深度层次划分尚未达成一致的范围界定,因此本文参考了《上海市地下空间专项规划》中对于深层地下空间的定义,暂时将其界定为地表下50m的地下空间。[2]另一方面,世界范围内的“高流动性”与“高弹性化”社会生活理念的提出,以及信息化社会所带来的互联网、物联网、大数据、人工智慧等创新技术的代入,使得关于建筑“智慧可动”能力的前瞻性、实验性研究与设计探索,越来越受到国内外的重视,新型建筑的“感知性”与“调节能力”正在成为未来建筑设计的重点考量性能。因此,必须抓住建设智慧城市的良好契机,提前对城市深层地下空间进行布局设计以及评估优化。根据国外城市深层地下空间建设经验与无人活动特点,提出基于智慧可动技术的城市深层地下仓储物流体系构建途径和原则,为深层地下空间的详细功能与规划提供可行的技术参考。

2 深层地下空间物流仓储能力分析

2.1 城市深层地下物流仓储空间发展现状

物流业作为新兴的“生产型服务业”,是我国经济发展的重要热点和新的增长点。物流产业的发展程度是衡量一个地区或国家工业化进程的重要依据,是我国经济高速发展的动力和基础产业,所以加速发展现代物流业是我国经济持续与快速发展的必要保证。

在经历机械设备参与的物流机械化阶段以及融合计算机技术所形成的物流自动化阶段后,象征智慧时代的新兴“人工智慧”、“物联网”、“大数据”等现代信息技术开始在物流运输领域逐步广泛运用,根据国家统计局统计,到2017年为止,中国已累计建成自动化立体库2600多座,其主要领域多为医药零售、电商、烟草。大数据技术为物流链的优化与升级提供了技术基础。电商大数据能有效提升物流配送效率,通过实时同步订单信息到配送仓库数据库,智慧仓储可根据买家地址就近检索拣选仓库位置,选取最优化配送路径的同时,还可以通过大数据分析形成物流流通数据,从过去货物由品牌商仓库发出的模式,升级为厂家直接发送货物与商品到顾客手中的模式,目标是货物不动数据更新,提升物流的效率。以“互联网+”为基础而高速发展的智慧中转仓库系统也得到了高速有效的发展。利用信息软件集成应用与智慧自动化装备的组合,实现仓内工作更加高效更加精细化的管理(图1)。未来物流业的发展趋势将是以智慧化、信息化、集约化和小批量定制为特征,以用户的需求为中心,从而灵活高效地实施物资调动,满足下游用户的供给。互联网拓宽了营销渠道,通过互联网及时反馈消费者需求信息,信息将快速到达生产企业指令中心,而智慧物流可促进资源配置的优化与高效运作,实施订单化管理,减少企业库存,降低上游经营风险。因此,智慧物流可以极大地影响社会的生产和分配方式,促进产业结构调整和动能转化,促进供给侧结构性改革,并保证中国物流业的发展。

图1-基于“互联网”、“大数据”的物流模式 

2.2 深层地下物流仓储空间的开发意义

合理开发城市地下空间资源有利于实现土地资源集约利用和可持续发展的目标。但由于地下空间浅层应用范围广、开发难度小、利用价值高、开发成本低等优势,开发空间趋于饱和。[3]相比较来说,大多数城市的深层地下空间尚未开始大规模开发,基本是相对空白状态。如果能有序、合理地开发,将极大地缓解空间资源不足、环境质量降低带来的问题。

深层地下物流系统,是将通过航运、铁路或公路等运输方式集合在城市边缘区域的货物,经由地下物流(如地下管道、公路或铁路隧道等)转运到各自配送终端,从而完成对配送对象(超市、工厂、仓库、个体客户等)的运输任务的货物运输系统。

深层地下物流仓储空间除拥有与一般地下空间相类似的功能作用外,还具有以下几个特点:

1)深层地下物流仓储空间的完整性。

由于新型深层地下开挖技术、高强混凝土技术和软土开挖中工程地质技术等地下工程技术的跨越式发展,大多处于尚未开发阶段的深层地下空间成为了物流仓储空间的巨大前景方向;同时,由于开发工程深度多数并未达到深层空间,开发利用所遇到障碍难题(地下桩基、隧道等)均较少(图2),物流仓储空间可以进行完整的开发规划,更科学地利用深层地下空间物流仓储系统进行发展。

图2-地面建筑高度与地基基础埋深及影响范围示意图   

2)深层地下物流仓储空间的密闭性。

深层地下物流仓储空间由于所处环境特殊,相较于一般地上物流仓储空间而言不易受到大气气候变化等环境干扰,且内部空间与外界环境处于相对隔绝状态,无论是建设过程中抑或建成后均具有较高的空间密闭度,建筑环境温度、湿度等环境因素较为稳定,同时噪音影响、安全性能等能有效进行人为控制,当具备一定的深度以及防护措施保障时,深层地下物流仓储空间将具有相当高的安全防护能力。

3)深层地下物流仓储空间的无界性。

由于人类工程领域较少涉及上述所划定的地层深度,深层地下空间仍处于开发空白期,空间资源潜藏量巨大。根据周圆心等于2017所提出的基于遥感影像对地下空间资源量估算方法的模拟结果,在总面积为10km2示例地区地块内,建筑物最大影响深度为 45m,地下空间已用资源量共175.50km3,0～50m 地下空间可利用资源量为291.65km3。[4]而根据现有工程技术能力推算,50m以下深层地下空间可利用资源量为165.45km3。从而可以得出,深层地下空间的开发有巨大的潜力,由于目前在深层地下已使用的空间或已规划的空间并不多,因此不妨碍深层地下空间的连续性开发,有效地保证了空间的可持续利用。

3 深层地下物流仓储空间的布局

一方面依据对深层地下空间功能的分析,特殊目的功能中使用的空间大部分是单一功能的空间,与其他空间几乎没有关系;另一方面,广义的物流功能需要更完善的物流网络来满足使用需求,这将对城市的仓储空间布局产生重大影响。

因为深层地下物流系统的网络结构,节点布局和连接方式会影响地下物流系统的运行效率,同时对整个系统的经济效益和工程建设成本产生重要影响,甚至对城市交通结构和城市空间形态的演变产生不可挽回的影响,所以要充分考虑将城市地下物流系统与城市空间布局充分联系,并综合考虑中长期发展规划,远期运输,市政、物流等城市相关系统,从而实现城市功能的可持续发展。

通道设施和节点设施两大功能的布局是城市地下物流系统空间布局的主要部分。位置上节点必须尽可能地在城市中心、地区中心、产业中心、交通枢纽等周围。

在城市中心,节点型设施应该以适当的密度均匀地覆盖中心地区;在郊外,节点型设施应该设置在靠近公共活动中心的地区。作为节点间的连接通道,连接通道要尽可能选择节点间的直线,适当避让安装困难且项目成本高的区域,与此同时考虑其实现的可能性。节点类的设施是深层空间与上部空间的交接点,因此它们的布局应充分地考虑与地面和浅层地下空间的高度。

从地下空间结构方面来看,节点型空间可以成为城市地下物流系统的网络节点(图3)。规模大小方面根据各种功能要求可大可小,形体方面大部分是垂直圆柱空间,同时为商业娱乐、停车场、市政等各种点功能提供空间。由于它直线型的形状,因此具有地面到地下空间的连接功能,能与地上地下各层空间相互联系。

图3-未来城市深层地下物流布置示意图   

通道型空间一般以地下隧道的形式作为城市地下物流系统的输送网络。可以用盾构、顶管等方式实施,起到连接节点空间的作用。

整个地下空间网络将以节点空间和通道空间的连接为基础,最终被构筑为城市地下物流系统的空间载体。

而关于仓库或集中储藏空间,考虑到开发体量与难度的问题,用地规划应注意以下几点:1)尽量选择无地上建筑或较少地上建筑的城市边缘地块,保证不占用城市主要商住或其他枢纽型开发用地;2)保证与其他运输途径对接的交通便利性;3)保证不对城市地下管网产生重大影响;4)选地质情况良好适用于深层地下空间开发。深层地下仓储空间将作为城市地下物流系统的外缘物资聚集点,承担城市地下仓储系统的储藏与中转性职能。

4 深层地下物流仓储空间的设计策略

深层地下物流仓储空间在考虑实际设计落地可行性时,应结合城市区域不同特点以及各个物流仓储系统的区块要求,实施针对性策略布局。相应的设计策略应该分为仓储空间与物流通道的聚集策略两个方面进行具体分析。同时应充分考虑地下物流仓储空间使用的防火安全性问题,保证设计流程的完整性与可靠度。

4.1 仓储的空间聚集策略

智能物流的出现,改变了传统物流企业之间的直接竞争关系,其核心逻辑框架则由基础层、作业层、感知层、传输层、分析层和决策层六大部分组成。仓储与运输是物流行业两个最重要的职能,位于框架内的作业层。作业层是智能物流的物理活动,它既是一切物流活动的起点,也是最终决策层反馈信息的终点,最终形成“莫比乌斯环”,不断的循环往复。然而,我国现有的仓库普遍存在空间规模小、地理位置分散、资源配置效率低下的问题,不能积极响应市场需求。伴随着电子信息技术的发展,大数据时代的到来,互联网+物流的发展模式已是大势所趋,这也为仓储业的发展提出新的要求。而仓储的空间聚集可以极大地简化智能物流的运作,快速反应市场需求,优化物流供应链,刺激社会生产的加速进行。

在传统的计划经济时代,出于交通运输以及成本核算的考虑,仓库多布置于郊区或交通节点附近。随着城市的快速发展,地上土地存量的减少,土地价格的上升,经济效益不可避免地成为了企业首要考虑的问题,地下仓储空间可以综合经济效益、区段效益、社会效益、环境效益等多方效益进行聚集布置,从而实现效益的最大化。

在未来的智能物流网络建设中,仓储空间的立体聚合是主流方向,它将各种功能要素有机集合,集中空间,在地下深层处实现空间的立体组合,使得地下空间的功能构成摆脱单一化,转向多元化。仓储空间构成空间立体聚合首先需要在地下选择适宜的平面空间聚集类型,它是空间构成立体聚合设计的重要基础。其次是合理地划分空间竖向层次,明确空间的竖向组合逻辑关系,将平面仓储转向立体仓储,如全自动立体仓,将仓库高层合理化,使用智能设备实现存取自动化,实现企业的仓储共享,即充分利用高度空间,提高空间利用率,实现高密度存储。最后,综合平面空间聚集类型与竖向空间划分层次,优化整体地下空间的立体布局。地下仓储空间的立体聚合不仅仅是简单的空间堆砌,我们必须重视建筑设计的运用,构建高效、丰富的地下仓储空间层次。

4.2 物流通道的流通策略

城市中心区域的特征是高强度的城市开发和高密度的高层建筑,并且单个高层建筑在很多情况下都有自己的地下空间系统。在过去,由于缺乏统一规划,许多城市地下空间是独立的,无法相互连接,从而造成地下空间资源的浪费。因此,为了实现地下仓储空间的连接。城市地下仓储空间的集中设计应该结合城市自身的特点,同时强调单个地下建筑之间的相互协作,从而形成可持续发展、包容灵活的地下空间利用模式。在设计中,使用规划手段,尽可能使城市建筑物地下部分的标高统一,为将来建筑物单一地下空间的连接和整合做铺垫。

城市的地面及地下物流通道的有机统一设计,[5]应响应城市所在地区的建筑空间功能特性,对应地调整地下物流通道的结构。同时应考虑所在地区的地面城市地下物流通道与城市建筑系统的区位互动。为了形成城市地下物流通道和城市建筑物之间有机区位互动关系,还需要对城市上部和底部空间的不同特点进行全面分析,最大限度地利用优点,避免缺点。

城市地上和地下空间合理、顺利的过渡是实现深层地下仓储物流空间与外部连接协调设计的重要环节。深层地下仓储空间的入口是地面和地下空间过渡的重要载体。同时是实现城市地上地下空间各种关联协调的方式,是设计环节重要的一环(图4)。

图4-未来城市深层地下空间与地面联系的入口示意图   

4.3 深层地下仓储物流空间的防火安全设计

深层地下仓储物流空间在安全性方面具有双面属性。作为民用防空系统的重要组成部分,地下空间可以在发生战争和自然灾害的时候给人们提供有效保护。但是由于其地下环境与人们日常的地上环境习惯完全不同,在防火疏散等方面也有诸多问题,在一定程度上使人们形成对地下空间的恐惧。为了满足人们对空间安全性的需求,促进城市地下空间的健康发展。在实际工程设计中,应特别注意加强火灾安全设计和管理。灾后能尽快排除灾情,人员和重要的储运材料可以迅速有效地转移到安全的地方是深层地下空间最基本的防灾设计原则。[6]

在所有类型的地下灾害中,最有危险性的是火灾(图5)。[7]因此,在改善深层仓储物流空间安全品质时火灾安全设计是最迫切的方面。为了在火灾的情况下将人员和财产的损失降到最低,决定在火灾安全设计中必须采用与地上建筑物不同的原则和方法。

图5-日本1970-1990年期间地下空间各种灾害事故对比   

地下空间的内部与防灾地面建筑物的基本原则相同,但是具体到深层地下仓储物流空间的火灾特性有所不同,使得深层地下仓储物流空间应对灾害变得尤为困难。因防火不当而造成的二次伤害也十分严重。为了让人们安全避难,逃离火灾环境,合理设置地下入口是非常重要的,这包括通往室外地面空间的直接出口和两个防火隔间的连通口。同时,紧急出口需要足够的数量和宽度。为了防止人流在多个出口处过于集中而被阻塞,安全出口处必须均等地布置,使得每个出口处所提供的疏散面积大致相等。

5 结语

深层地下仓储物流空间的开发利用已经成为城市寻求空间发展的重要开拓方向。本文基于物流仓储的深层地下空间利用进行研究,给未来地下城市深层地下物流仓储空间的开发设计提供参考。