既然大城市地面空间比较紧缺,为什么不建造地底高楼?

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既然大城市地面空间比较紧缺,为什么不建造地底高楼?

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张加,答非所问专业户

这个问题比较有意思,可以聊的也很多。所以在这里答主就把自己的理解分享一下,有疏漏和错误的地方望高手指正。

八一八古人建地下室的历史

在古人类学会建造之前,已经学会了选择合适山洞来居住。而直到现代,在我国一些气候干燥的地方,人们还是挖洞而居,形成了鲜明的地方特色,比如陕北的窑洞,河南、山西等地的地坑院。所以说某种意义上,人类血液里应该有地下建筑的“因子”。

三门峡的地坑院

在陕西半坡发掘的古代建筑遗址中,半坡人的粮仓也是修建于地下,而且在整个村落的外围有 6-8 米宽,5-6 米深的大壕沟,除此而外,其实很多房屋也是地面开挖几十厘米后建造的。这些都说明人类其实不缺乏开挖的能力。然而在整个人类历史的长河中,人们对“高”的追求大过对“深”的追求,我想除去技术方面的原因,另一方面的原因还和古代人的信仰有关系。古人信奉“近天”,趋阳避阴。比如中国秦汉时期的重要建筑往往修建于人工高台之上。

而说起古代的地下建筑,最容易让人联想到却是墓室。不管东方还是西方,很多民族都有“入土为安”的思想。所以现存很多宏伟的古代地下建筑,都是以墓室为主,比如秦始皇陵墓,金字塔等。

我们为什么建地下室?

从结构上来说,基础是有深度要求的,一来是在地面以下寻求更好承载力的土层,二是一定的埋置深度,才能在一些偶然的倾斜事件中保持稳定。

大家可以想象,如果要在地上立住一根杆子,最简单的方法就是把它插进地面一定深度。

中国对多层建筑的基础埋置深度要求是最小 0.5m,而高层是 1/15 的地面以上高度,桩基 1/18。1/15 是个什么概念呢,就是一栋 150m(约 40-50 层)的建筑,基础在地面以下至少要有 10m。同时,由于高层建筑的上部重量很重,基础的刚度也要加强才能防止不均匀变形。所以所谓 10 米深的基础,并不是开挖 10 米然后把基础埋上这么简单。而是需要把基础建的很厚,或者是空心的(如下图)。

很多高层使用箱型基础

这情况下,如果把基础内部拿来作为使用空间,岂不是既满足了基础埋深要求,又不会浪费掉基础的多余空间。毕竟 10m 深,可以拿来做 3 层储藏室或者车库了。所以高层建筑的地下室,是一种设计优化的结果,并非是有意为之。另外,地下建筑还有防震,防爆、防空袭等方面的优势,所以稍加加强改造就能满足公众的国防需求。

那么,既然地下室这么省空间,为什么不建得再深一些呢?

超深地下建筑建设难点

我们暂且把地下深度大于 20 米的建筑叫做超深地下建筑。那么为什么开发商经常是“点到为止”,只是满足埋深要求,而并不热衷于往深处发展?

如题主所说,地下室的最大优点是节省黄金地段,CBD 的地面空间,这句话的意思的是,这个工地用地非常紧张,旁边可能已经是高楼林立了。别的不说,这给施工组织带来巨大的困难,局促的施工空间和交通空间大大增加了成本而降低了效率。比如城市中心的运土车受到吨位和时段的限制,又比如运输车不能到达工地的期望位置,从而使现场的材料移动距离增加。

香港中心地区某工地,用地紧张,施工平台,辅助用房都是建在临时平台上。

同时,不得不考虑另一个关键是施工期间和完成后对周围的建筑和道路带来的影响。

从设计上来说,地下室外墙由于侧土压力产生的弯矩是深度的 3 次方的关系(按悬臂考虑),地下水压力弯矩是深度的 2 次方关系,这还不算临近建筑,道路的附加压力。举例来说,10 米深的地下室,每米长的墙体受到的土压力达到约 45 吨,而 20 米则达到了约每米 180 吨,所以施工期间在中间增加支撑的必要的,而在宽阔的开挖空间里找支撑点是一个非常发杂的事情。

超深地下室复杂的外墙支护体系

由于施工需求,施工时还要对开挖的区域进行降水,而这会给周围建筑带来极大的风险,所以不仅要求有相应应急措施,而且还要对这些第三方建筑进行连续的监测。有些情况下,为了得到施工许可,在施工之前建筑商可能要向这些第三方支付一笔补偿金。

另外一个风险就是施工人员的人身安全,因为环境复杂而技术要求高,一旦稍有差池,就会出现楼倒人亡的事件。

某知名的“楼爬爬”事件

总结起来,就是建设超深地下建筑是一项成本极高耗工耗时的工程,不仅对施工组织能力有很高的要求,而且牵扯很多第三方利益和存在很多高风险因素。

从使用功能上来讲,地下建筑的防水防潮、通风、采光不论对建设还是维护来说也是重点和难点。即便这些问题得到解决,还要考虑排水、排污以及防火等问题才能满足居住要求。而要达到良好的居住条件更是基本不可能,或者说大多数情况下,这种建筑的成本比地上建筑多很多,即便是考虑空间因素后还是不经济。

普通地下一层车库的通风管

可以想象,如果是开挖到地下 100 米的居住建筑,以现有技术来说基本上就真的是科幻。

当今世界上的超深建筑

由于以上原因和种种限制,大部分高层建筑一般也就建最多 5 层地下室。但是还是在一些寸土寸金地方,建设方施展了和题主一样的想法。

这里面的娇娇者要数澳大利亚的悉尼歌剧院,这个地上高度不到 61 米的建筑,地下部分总深度却达到 37 米,建有 12 层环形(螺旋形)地下车库,是当今世界上最深的地下室建筑。

悉尼歌剧院的 12 层环形地下车库

瑞典的 Gjovik 奥林匹克洞穴大厅则是在山下 55 米深处开挖了建成的一座冰球场,用于 1994 年的冬季奥运会。为了开挖这个地下体育场,节省市中心用地,辛勤的挪威人挖走了 14 万立方岩石。

世界上最大的地下体育场

另外,打破最深地铁站的是乌克兰 Arsenalna 车站,在地下 105 米处,在这里上下车的人还需要花另外 5 分钟乘坐扶梯。值得一提的是 1907 年开始运营的伦敦 Hampstead 地铁站,达到了 58.5 米深。

而当今世界上最深的地下建筑是中国的锦屏地下实验室,该实验室位于四川雅砻江锦屏的山区,是中国首个用于开展暗物质研究课题的极深地下实验室,达到 2.5 公里深,于 2010 年 12 月 12 日正式投入使用。

锦屏地下实验室达到了惊人的山下 2500 米的深度

除了建筑,人类对深度的追求成果还有位于南非的矿井达到了地下 4 公里,而强悍的战斗民族却钻到了 12.2 公里的深度。

科幻世界里的地下建筑

那么,我们到底能建造怎样的地下建筑呢?从地球的构造来说,地壳以下的上地幔怀疑是缓慢流动的极热岩石,估计这个深度差不多就是极限了。所以 1000 米的深度某种意义上还是可能实现的。但是科幻总是有幻想的成分,除了以上涉及的难度,我们不知道深处还有什么其他难题等着我们。像电影“时间机器”,“微光之城”等都有对未来人类居住于地下的描写,却未具体说明深度。

在游戏世界里,同样没有物理和经济的限制,那又能达到怎样的深度呢?

在大家熟知的“我的世界“里,你可以修建巨大的地下城市,但是到达一定深度就会遇到滚烫的熔岩,这一设定还是符合常识的。而被称为 2D 版我的世界的“泰拉瑞亚”,最大地图的高度是 1400 米(游戏虚拟尺寸),也就是说就算从达到天顶的最高的山上算起,你能建的地下室深度也就是 1.4 公里,地图底部除了“肉山大魔王”,同样是无尽的岩浆。

前些年火爆的 ARPG 游戏“火炬之光”,地宫剧情达到 35 层。而模拟游戏“星露谷物语"里的地下矿井,作者觉得没有人会往无尽的深处去探险,所以未设置深度限制,使得矿场达到了空前的 2147483528 层,玩家可以一直往下直到数据溢出。手机游戏辐射“避难所”中,美帝的 Vault—Tec 凭借高科技为末世的人们开发了 25 层的地下室。

网上没有具体数据表明“生化危机”里保护伞公司建于浣熊市地下的“蜂巢”的深度,但是目测可能达到 300-500 米之间,这到底是挣了多少伤天害理的钱才能这么财大气粗。有人说这种规模的地下城难点在于地下水浮力,但是要注意到,蜂巢的地下室并不是每层连续的,所以地下水的浮力只和每层的高度有关。

网友在“我的世界”建造的壮观的地下城
“泰拉瑞亚”向地下发展也有限制
辐射,避难所的限制是 25 层
保护伞“蜂巢”

完结撒花!

(图片来源于网络)

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