基于虛擬映射技術的城市地下空間保護開發的應用

張忠宇，李 奧，龔丹丹，梁 順，高才馳

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著社會經濟和城鎮化的快速發展，城市將不可避免地面臨人口密集、交通堵塞、土地緊缺等問題，使得城市空間需求急劇增加與地面空間資源稀缺這一矛盾日益突出[1]。當前單純地向城市上部發展已無法拓寬城市空間資源，而向地下要空間、要土地、要資源，已成為現代化城市發展的必然[2]。城市地下空間在緩解地面土地緊缺、擴大城市發展空間和功能、減少環境污染、提高城市抵御災害能力、節約能源等方面發揮了積極的作用，因此在城市化發展過程中，各地均加大了對城市地下空間的開發利用[3]。

進入21 世紀以后，中國城市地下空間的開發體量增長快速，開發體系也不斷完善，在總體規模和發展速度上，中國的城市地下空間開發利用水平已居世界首位，在地下空間勘探、規劃設計、法規管理、技術創新和人才培養等方面積累了寶貴的經驗[4]。但是我國大規模城市地下空間開發也引發了一些問題，主要表現為：

（1）城市地下空間建設引發了一些工程環境災害問題，如地下結構變形失穩[5]、周邊道路路面開裂[6]、周邊建(構)筑物破壞、地下水銳減和污染[7]等。

（2）一些并不滿足財政收入或城市人口要求的城市盲目籌建軌道交通、地下道路和地下綜合體，造成社會資源的極大浪費，也使得政府面臨負債率過高和持續巨額虧損的風險。部分城市地鐵項目在全面開工后，被政府緊急叫停，開挖的基坑得到回填，在城市環境受到破壞的同時也造成了巨大的財政資金損失[8]。

（3）城市地下空間規劃的協同性和系統性較差，一些城市地下空間的規劃是后來拼貼、修補上去的，盡管有了相關規劃，但是與地面道路、建筑設施的結合協調性極差。有些城市進行地下空間規劃只是向地下要一點建筑空間，而沒有真正將之作為承納城市發展的一種戰略舉措[9]。

當前城市地下空間開發引發的問題已嚴重影響了地下空間開發的安全性和有效性，其根本原因在于缺乏對城市地下空間資源屬性的深入認識、科學的規劃和有效的管理，也缺乏相應法律法規的合理約束[10]。同時城市地下空間的不可逆性、與經濟發展的適應性、建設需求的動態性以及對周邊環境的不良影響等均要求對地下空間實施保護，建立系統的地下空間開發規劃體制，完善地下空間開發技術支撐，以避免盲目跟風建設或無序開發引發的城市環境破壞和資源浪費。本文研究城市地下空間保護性開發策略，梳理和分析城市地下空間保護性開發的現狀，進一步提出城市地下空間保護開發方法及技術，旨在為國內大規模的城市地下空間建設提供一定的指導和借鑒。

1 城市地下空間保護開發現狀

1.1 城市地下空間開發利用法規體系

近30 年來，我國各大城市開始大規模的地鐵設施建設，相應地也極大帶動了地鐵周邊地下空間的開發利用。伴隨地鐵建設，各城市相繼制定適宜本地城市發展的地下空間管理規定（條例、辦法、導則、通知），主要內容涉及規劃編制審批、用地審批管理、工程建設管理、用地登記測繪、使用管理等方面內容，從法律、法規、規章、技術規范等層面系統性地梳理我國現行的地下空間法規體系。其中地下空間綜合性規范主要涵蓋了地下空間開發中的多個環節規定，涉及規劃、項目立項、建設流程、工程管理、政策扶持、設施維護、法律責任等方面。同時針對專門的地下設施，例如人防設施、地下管線、綜合管廊等，也制定了相應的規范性文件。

我國地下空間法規體系（部分）統計見表1。

表1 我國地下空間法規體系（部分）統計[11-13]

分析我國現行的地下空間法規體系，可以得出如下結論：

（1）規劃管理方面。一些城市建立了地下空間規劃編制體系，強化了對各級地下空間規劃編制內容、成果體系、表達方式等方面的詳細規定，進一步規范了地下空間規劃的編制工作，也使得城市地下空間規劃的嚴肅性、科學性和規范性得到顯著提升。

（2）開發管理方面。現行的相關法規較少，對開發主體、競爭機制、鼓勵政策的相關研究嚴重缺失，制約了地下空間開發利用的活力，對于如何通過鼓勵多種主體參與、引入競爭機制和相關優惠政策，實現地下空間的良性發展等方面未有相應的指導性對策。

（3）建設管理方面。現有法規主要對地下室、地鐵、人防工程、地下管線的建設作出了相應規定，但缺乏對地下綜合體、地下商業街、地下建筑物連通空間等相關研究，對于地下消防和防災等未有相關規定。

（4）使用管理方面。只是后期運維的安全管理，較為單一。

總體上，當前我國已有一些規劃、管理層面的系統性地下空間開發和保護措施，但是技術層面仍十分匱乏，而地下空間建設往往需要具體的解決方法和相應的技術支撐。

1.2 城市地下空間開發利用面臨的挑戰

《城市地下空間開發利用“十三五”規劃》[14]指出：我國城市地下空間開發利用的系統性不足和基本情況掌握不足問題尤為突出，表現為：（1）城市地下空間之間連通性較差，缺乏聯系和貫通；（2）城市地面和地下空間協調不足，缺乏銜接，甚至相互矛盾，安全隱患突出；（3）地下空間開發利用基本現狀掌握不足，未能摸清早期建設的地下空間開發利用的基本情況；（4）數據共享不足、溝通不暢、統計口徑和標準不一致。

在城市核心區內進行地下空間開發尤其是修建地鐵時，由于其埋深較淺，周邊建筑及地下設施較多，施工對周圍環境的影響更大[15]。我國地鐵建設過程中也多次發生重大安全事故（見圖1），造成一定的人員傷亡和重大經濟損失，也引發了極為負面的社會影響。運營地鐵隧道也發生了多起突發侵限安全事故，比如2021 年3 月4 日深圳地鐵1 號線深大至桃園下行線區間隧道頂部被勘察鉆具擊穿（見圖2）[16]、2021 年5 月24 日成都地鐵8 號線珠江路至順風上行區間隧道不慎被擊穿、2017 年12 月6 日深圳地鐵11 號線紅樹灣南-后海（往碧頭方向）區間隧道被打樁施工作業擊穿等。城市地下空間建設和運營中發生的安全事故表明了當前我國城市地下空間開發中缺乏相關的保護措施。

圖1 地鐵建設引發的安全事故

圖2 深圳地鐵1 號線深大至桃園下行線區間隧道頂部被勘察鉆具擊穿事故[16]

2 城市地下空間保護開發方法

2.1 虛擬映射技術

虛擬映射（數字孿生）是指真實世界中的物理對象與其數字模型之間的精確映射關系。虛擬映射技術旨在充分利用物理對象、運行歷史和狀態等數據，集成多學科、多物理量、多尺度的虛擬仿真，在虛擬空間中完成模型映射，從而實現物理對象的全生命周期過程的精細模擬和精確感知。虛擬映射技術在國內應用最深入的是工程建設領域，其中代表性的技術為建筑信息模型（BIM）和地理信息系統（GIS）技術[16-17]。

建筑信息模型（BIM）是以三維數字信息為基礎，集成了建筑工程項目的工程數據信息和三維模型，著重于分析和存儲建筑構件的構造過程和空間基礎信息。當前BIM 技術的可視化及數據分析特性為快速尋找專業內及專業間的碰撞問題提供了可能。土建專業的碰撞問題主要為“軟碰撞”，即凈空不足問題，多專業之間的碰撞問題多因實施先后順序或專業間溝通不暢導致的“硬碰撞”，即空間關系重疊問題[18]。根據碰撞檢查報告的構件ID 進行準確定位，并根據屬性面板的信息篩選有效的碰撞點，從而清晰明了地找尋碰撞位置、碰撞原因及碰撞類型等信息。BIM 能夠提供精細化的項目構件信息，但也存在無法加載大范圍的地理環境空間信息的弊端，而地理信息系統（GIS）技術側重于地理空間環境信息的宏觀表達，能快速處理大量的地理空間信息數據，但無法創建結構內部精細化的微觀模型[19]。

城市地下空間的開發本質是在復雜的城市地理環境中建造多種形式的地下結構，因此基于BIM +GIS 技術平臺建立城市地下空間三維信息模型，能夠解決單一技術手段所難以實現的三維信息的整體性和精確性問題。利用GIS 平臺提供的豐富的空間地理環境信息，使得地下結構BIM 信息模型可以在真實的城市地理環境中實現空間定位和周邊環境分析，而BIM 模型自身包含了地下結構的精確信息，由此可以實現城市地下空間工程的規劃、勘察、設計、施工及運營等全壽命周期內的安全管理[20]。

地鐵車站BIM 模型[20]見圖3，GIS 與BIM 融合模型[21]見圖4。

圖3 地鐵車站BIM 模型[20]

圖4 GIS 與BIM 融合模型[21]

2.2 基于虛擬映射技術的城市地下空間保護開發方法

地下空間開發是一個整體，其規劃、開發、管理與信息化建設理應在一個集成與整合的框架中進行。而地下空間開發保護需要涉及城市地下空間開發的各個環節，既要關注地下空間結構的工程安全，也要保障周邊建（構）筑物的環境安全。基于BIM 和GIS 技術，建立城市地下空間保護信息平臺，首先加載城市地下空間三維模型庫，實現海量三維地理信息數據的整體表達，進而對地下建（構）筑物、工程地質等信息進行管理，開展地下空間分層管理、立體化展示和智能分析，同時形成一套地下空間數據標準，實現地下空間數據的標準化建庫和管理。

城市地下空間周邊限制條件眾多，既要滿足規劃退距要求，還要考慮重要建筑設施、地下工程、管線及文物等防護要求。因此在城市地下空間開發過程中，應提出基于虛擬映射技術的城市地下空間保護開發方法，以避免后期盲目建設對既有地下空間的擾動和影響，保護既有的地下空間，以實現對地下空間更科學地規劃、更合理有序地開發利用。

城市地下空間保護開發方法實施路線圖見圖5。

圖5 城市地下空間保護開發方法實施路線圖

基于虛擬映射技術的城市地下空間保護開發方法實施細節如下：

（1）根據城市地下空間保護信息平臺中的既有地下空間三維信息數據，查明既有地下空間的類型和規模，明確既有地下空間的三維界限。

（2）開展城市既有地下空間安全評估，對可能影響既有地下空間安全的三維空間進行風險等級劃分，提出既有地下空間三維控制紅線和安全控制區域。

（3）建立新建地下空間BIM 模型，開展新建地下空間與既有空間碰撞試驗，基于退讓機制輔助新建地下空間決策，確保新建工程采取合理的線路走向和空間布局，避免對既有地下空間產生不良影響。

（4）城市地下空間建設過程中加強城市地下空間信息的及時采集、建庫和管理系統建設，推動城市地下空間保護信息的整體性、精準性。

3 工程應用

3.1 惠民大道綜合改造工程

惠民大道是南京市建寧西路過江通道南岸接線第一條高等級被交道路。根據前期建寧西路過江通道研究過程中交通分析成果及專家意見，為避免大量過江車輛涌入城西干道及建寧路，加劇主城區路網擁堵，惠民大道節點宜采用“T 型”互通立交“快接快”方式銜接，將過江交通流盡量、盡快引導到快速環路系統進行疏解。結合惠民大道規劃及市內各相關部門意見，將惠民路現狀雙向4 車道高架改建為雙向6 車道隧道，并設置4 條匝道實現過江交通與惠民路間交通的快速轉換。惠民大道綜合改造工程南起惠民大道與新興路交叉口，北至惠民大道與城河南路交叉口，長約2.47 km；全線隨同路段建設的綜合管廊長約2.47 km，其中3 倉斷面長度約為1.32 km，雙倉斷面長度約為1.15 km。工程主要內容包括惠民大道高架橋改建為雙向6 車道隧道，建寧西路過江通道與惠民大道地下互通匝道，惠民大道干線管廊，沿線輔路、人非慢行系統的改造及相關市政管線的改遷等。

惠民大道綜合改造工程平面圖見圖6。

圖6 惠民大道綜合改造工程平面圖

建立惠民大道綜合改造工程BIM 模型，對不同方案進行快速三維模擬分析；同時與周邊環境結合，以充分展現設計意圖，在分析項目經濟性、可行性的基礎上，縮短決策時間，提高決策精確度。路線方案設計完成后，通過構建三維限界模型，進行限界碰撞檢測，復核線路平、縱線位關系，對線路間關系進行精細調整，修正限界錯、碰、漏段落，優化斷面形式，從而節省工程造價（見圖7、圖8）。

圖7 限界碰撞試驗

圖8 主線結構與建筑限界

通過GIS 技術對地下空間周邊環境信息進行集成并建立模型，完成周邊地形地貌和建筑物的地理位置定位及空間分析；將GIS 模型中的數據導入BIM 中，通過高精度的參數化建模，準確反映地下空間的邊界和參數信息，將數字地形模型與地下空間結構模型無縫融合。在周邊地理環境信息的基礎上，對地下空間的合理布局進行研究，當現場環境和地下結構變化時，可以在模型中直接修改相關信息。基于三維可視化技術，直觀地展示地下空間與周邊環境的關系。通過GIS 和BIM 技術的結合，開展了多種地下互通方案和地表建筑物布局的研究（見圖9、圖10）。同時基于構建的三維場地模型，分析工程基坑與周邊建筑及其基礎間關系（見圖11），使得設計人員對于結構設計邊界條件的把控更加精準。

圖9 方案一

圖10 方案二

圖11 工程基坑與周邊建筑及其基礎間關系模型

3.2 揚子江大道快速化改造工程

揚子江大道是南京市規劃的重要城市快速路之一，但未實現真正的“快速”。隨著城市建設的發展以及濱江風光帶的建成，該道路存在著過街設施配套不足、交叉口轉向功能不完善、輔道及人非慢行系統缺失等問題（見圖12），因此開展揚子江大道快速化改造對完善南京主城快速路網格局具有重要的意義。項目主線為雙向6 車道，設計速度80 km/h；輔道為雙向4 車道，設計速度40 km/h，路線全長7.1 km。

圖12 揚子江大道快速化改造工程

項目包含道路工程、城市隧道、綜合管廊、人行過街通道、橋梁等多專業內容，特別是隧道穿越申遺保護區、長江防洪堤；綜合管廊穿越既有道路、橋梁樁基、地鐵車站、既有河道；人行過街通道頂管施工等復雜工況。項目建設過程中，依托無人機為載體的傾斜攝影數據，構建了工程周邊建筑物的三維GIS模型，使得BIM 與GIS 技術得到進一步結合（見圖13、圖14），成功完成了線路設計，完善了沿線被交道轉向功能，對漢中門匝道橋爆破拆除和草場匝道橋靜力切割的成功實施、草場門隧道對寶船遺址公園的最大程度避讓保護起到了指導作用，確保了工程建設中周邊建（構）筑物的安全，并提出了綜合管廊與下穿隧道共支護的協同建設技術，減少了遠期規劃的基礎設施建設對現有地下空間的影響。

圖13 周邊環境模型

圖14 隧道BIM 模型

4 結語

（1）基于BIM +GIS 技術平臺建立城市地下空間信息三維模型，能夠解決傳統手段所難以實現的地下空間信息整體性和精確性的問題。提出了基于虛擬映射技術的城市地下空間保護開發方法，明確了地下空間保護開發的實施細節和步驟。

（2）將基于虛擬映射技術的城市地下空間保護開發方法應用于南京市惠民大道綜合改造工程和揚子江大道快速化改造工程，開展了地下結構與地表建筑物優化布局、既有地下結構保護、綜合管廊與下穿隧道共支護協同建設等研究和設計工作，實現了城市地下空間的保護開發。

（3）城市地下空間保護開發方法及技術的提出，旨在推動城市地下空間信息技術與行業技術的融合發展，也為城市地下空間保護開發提供新的對策。