城市设计综合防灾减灾和安全技术的设计研究

张俊杰 杨琦

引言

近年来，随着我国城市建设的发展和建筑技术的进步，在改善人们生活环境和提升生活品质的同时，也给社会带来了新的安全风险。安全是人们生存和发展的底线，城市的防灾减灾无论在国家还是地方的规划层面得到了重视，城市规划设计中有相应的防灾减灾专项规划。建筑设计中，对抗震、消防有特殊的设计要求。但对于建筑规模越来越大、建筑概念越来越复杂，如出现了超高层建筑、城市综合体、立体城市、地下空间综合开发以及站城一体设计形式，在类似于城市设计的区域建筑空间、中心城区、城市核心区的防灾方面显得有些缺失。这种情况既要考虑到城市防灾规划的设计实施和建筑的防灾安全，还有必要综合考虑区域空间内城市设计中防灾的问题。

研究城市设计中综合防灾减灾和安全的技术措施，可以有助于城市中心区、核心区、建筑区域空间的防灾减灾和安全设计，形成针对建筑区域空间的工程性防灾措施。对于解决城市规划与建筑设计防灾之间的短板问题具有一定的意义。

问题分析

（一）层面不足

从宏观层面的城市防灾规划分析，城市防灾（urban disaster prevention）是为抵御和减轻各种自然灾害和人为灾害及由此而引起的次生灾害，对城市居民生命财产和各项工程设施造成危害、损失所采取的各种预防措施，包括城市防洪、城市防震、城市消防、城市防空等。防治城市灾害所采取的措施有工程性措施和非工程性预防。

从微观层面的建筑防灾设计分析，侧重于单体建筑的防灾设计。建筑的防灾主要局限来自于建筑自身的抗震设计和消防设计。

基于宏观层面与微观层面，需要有中观层面的城市设计综合防灾设计将两者有效地联系。一方面，在城市设计的范围内，需要考虑多栋建筑防灾之间、建筑内不同功能变化之间的影响，从量变到质变的区域空间不同的防灾需求。另一方面，区域开发的城市设计将市政基础设施功能与建筑物相结合。如某新区中心区的核心区的总用地面积几十公顷，除了地块内有超高层建筑、城市综合体外，其地下空间整体综合开发，不仅有城市的地下轨道交通、城市综合管廊，还有地下商业、车库和地下环路。非常规建筑功能复杂且规模庞大，其抗震和消防的防灾设计所能包含的内容，也是城市设计防灾未能涉及的具体工程性内容（图1）。

图1 功能复杂的城市区域

（二）方法欠缺

城市的防灾规划中，主要包括城市的防洪规划、城市防火（消防）规划、城市减轻灾害规划和城市防空规划的专项规划，重点关注避难场所、物质储存等方面的工程性预防措施。建筑没有针对性的防灾专项设计，相关的措施分散在设计的各个专业内容中。

在城市规划与建筑设计的防灾标准上，由于两者的对象范围不同，采取的评价指标也不一致。如有城市的内涝防治设计重现期（超大城市100a）、城市雨水管渠设计重现期（超大城市和特大城市中心城区的重要地区5～10a）、建筑室外场地的设计重现期（车站、码头、基础基地2～5a）、建筑屋面雨水的设计重现期（重要公共建筑≥10a）中，国家标准《室外排水设计规范》GB 50014—2006（2016年版）规定，当汇水面积超过2km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量。从防灾的角度出发，需要补充针对城市设计的相关标准参数。

城市设计（建筑区域空间）的防灾设计不同于规划，还需考虑有别于单一建筑的设计要求。其防灾设计的方法需要结合所在地区性质（重要程度）、防灾类型、设计规模、地形特点、气候特征和市政基础设施配套等因素综合考虑，采取相应的防灾设计标准和工程性设计措施。

（三）风险意识滞后

由于城市的飞速发展带来的非均衡、跨越式增长模式，城市发展的变化，建筑区域空间的扩大，也带来了新的人为灾害风险。如地下空间的大规模一体开发，出现新的施工风险；人员的密集聚集，容易形成公共卫生事件、恐怖灾害等。城市设计中的复杂性引起致灾因子的规律发生变化，减灾的难度维数提高。城市公共安全突发事件出现常态化，这也是防灾减灾设计不仅仅是城市规划中防灾专项的问题，需要在设计中得到进一步的实施。此外，城市设计的防灾需要专业交叉的技术融合。

防灾理念

（一）成灾要素

灾害的发生可以归纳为3个成灾要素（图2）。灾害的形成是由承灾载体、空间环境和诱发因素共同作用的，三者不可分割。在城市设计的消防灾害中，建筑物（可燃物）为承灾载体，氧气为空间环境，温度为诱发因素。其他类型的灾害也是如此。

图2 成灾的三要素

城市设计防灾还需要综合考虑不同时间矢量尺度差异和相互之间的匹配，科学合理地对待城市设计中的防灾问题。

（二）防灾理念

随着认识的提高和技术的进步，对于防灾减灾的安全理念也发生了新的变化。城市设计中的灾害也是风险的一种形式，无论是自然灾害还是人为的灾害，风险总是会存在的，关键是如何管控灾害的风险。

1.从防灾减灾到韧性城市设计

安全与利益是城市建设和发展的两条根本主线。城市设计的防震减灾就是防御和减轻地震灾害，传统的解法是设计提高承灾载体（建筑物）的防灾能力，无论是采用主动或者被动的手段，注重承灾载体的刚性需求，为此也付出了相当的经济代价。事实上，一些灾害不是靠承灾载体所能吸收的。

从灾害恢复的角度看，防灾减灾设计出现了“弹性”和“韧性”的概念。弹性为系统恢复到原有状态，并保持系统结构和功能的能力。这里的韧性是指从“平衡”到“适应”、从“生态系统”到“社会 — 生态系统”。弹性城市也称韧性城市、包容城市或活力城市。城市韧性（urban resilience）即城市系统和区域通过合理准备、缓冲和应对不确定性扰动，实现公共安全、社会秩序和经济建设等正常运行的能力。

具有韧性的防灾设计，三个本质特征：①系统能够承受一系列改变并且仍然保持功能和结构的控制力；②系统有能力进行自组织；③系统具有能够建立和促进学习自适应的能力。

2.本质安全

城市设计的本质安全就是通过追求建筑区域空间内全生命周期中人、物、系统、制度等诸要素的安全可靠和谐统一，使各种危害因素始终处于受控制状态，进而逐步趋近本质型、恒久型安全目标。在建筑存在安全隐患的环境条件下，建筑本质安全能够依靠内部系统和组织保证来长效功能安全。

应对策略

（一）综合防护原理

1.开展防灾专项设计

在城市设计阶段，建议对防灾的内容进行综合，形成防灾专项设计篇章或防灾减灾和安全设计导则，指导、统筹建筑的防灾设计实践。

城市设计的防灾设计应该是综合考虑的，非割裂的防灾专项设计。它包括建筑区域空间布局的安全与防灾，协调关键设施的配置、避难空间和承灾空间，确保全天候、无障碍的疏散和救灾主通道。城市设计的安全受体防灾子系统可由自然灾害、事故灾难、公共卫生事件、社会安全事件方面构成。其防灾不局限于某一专项的内容。

2.建立防灾风险评价体系

对城市设计的安全因素进行分类，建立城市设计防灾的最大风险评价体系，以实现工程、城市设计区域空间系统安全为目的，把握城市设计的建筑区域空间内所有灾害类型及其隐患程度，从而模拟出在最大危险图景。

风险评价注重灾前预防，从应对单一灾种向综合防灾减灾转变，从减少灾害损失向减轻灾害风险转变，提升抵御城市设计中各类灾害的综合防范能力。要营造建筑的安全小气候，不仅在于建筑自身的各项安全设计，更在于对周边环境、相互关联的综合城市安全设计。聚焦适合建筑区域空间内的重点领域和薄弱环节，评估基础设施的脆弱性，增加系统组件的冗余度，完善城市设计的防灾、安全的物联网与大数据的应用。

（二）设计方法

城市设计的防灾设计方法可以分风险识别、风险评价、风险减缓的应对步骤（图3）。通过对建筑区域空间灾害的成因进行梳理，采用不同的方式定性或定量分析，提出具体的防灾减灾的控制措施，进行有效的风险管理，以最小成本争取获得最大安全保证。

图3 城市设计的防灾设计步骤

灾害具有偶然性、必然性、连锁性、多种性和人类的干预性。其防灾设计应有顺应自然的防灾方法，借鉴古今的成功案例，化害为利，形成创新的城市设计的综合防灾方法。在风险管理上，采取风险规避、风险转移、损失控制（预防风险）、风险自留的方法。

（三）防灾专项分析

建筑空间区域的防灾专项分析有：抗震防灾减灾、地质灾害、气象灾害、火灾防灾减灾、洪灾与内涝防灾减灾、生物与环境灾害防灾减灾、交通事故防灾减灾、防爆安全、防恐安全、公共卫生安全等控制专项以及避难安全场所与民防专项。在防灾建筑的分析中，需要考虑到灾害对建筑物之间、各灾害之间的相继故障影响的耦合关系、连锁效应，特别是对区域能源、水、电、通信等基础设施的布局应给予一定的设计冗余度，依靠预防来控制，设计采用有效的监测预警。

开展风险评估在城市设计不同尺度下抗震防灾实施中的应用，提出其抗震的具体标准，考虑建筑群之间的相互影响。结合中心区的建筑物高度，提出总体疏散的预案。针对建筑区域空间的地下空间整体开发，需分析施工、设计、运行不同阶段的地质灾害的风险，全生命周期考虑灾害的影响。在城市设计气象灾害中，关注超高层建筑群中带来的风灾影响。开展CFD（计算流体动力学）模型的模拟，对建筑设计提出指导性的建议。冰冻灾害的问题分析上，涉及冰冻对区域道路的影响、市政基础设施和机电设备运行的影响。还需考虑区域建筑高度密集情况下，雷电灾害的预防，沙尘暴和雾霾天气在城市设计中的影响，注重“微气候”的构建。

城市设计区域空间的防火设计，可通过综合防治技术、建筑性能化技术，模拟火灾和人员疏散，结合消防安全的设施布局，重构综合防灾与应急救援。在防洪方面，关注河道与城市设计之间的关系，分析水利洪灾对区域空间的影响，提倡韧性城市设计；结合海绵城市、水敏性城市设计、LID（低影响开发）设计，协调区域内区域雨水排水与河道标高的关系，给出建筑场地的标高建议。打造友善水环境的韧性智慧建筑区域空间，通过水文循环改变、恢复水文状态，提高城市设计的保水、防洪、排涝功能等应对措施。水环境、气体环境、固体环境与城市设计同步，处理、排放、处置结合，形成环境友好型的城市设计。

在交通事故的预防上，平衡地下空间出入口与地面道路之间的关系，设计引入“物联网”技术，加强交通的监控，建设智慧交通平台。分析城市设计中爆炸因素，规划爆炸物品，从源头控制，分析危险气体、危险物质、火种、空气等。建立《防恐安全管理体系》，对人员、物品进行适度的监控。建议在城市设计中，融入对公共卫生的监控，重点关注建筑区域空间公共卫生环境的监控、隔离。例如，空调系统的设计、新风量的取值、给水与回用水的隔离、排水系统的设计等。

设计应用

城市设计的综合防灾减灾在设计中具有应用的价值。特别是对于城市核心区高密度开发的超高层建筑群、地下空间基盘、交通组织复杂的立体交通系统，面临防灾严峻的新挑战。

在上海某核心区的综合防灾与安全设计中，提出防灾减灾是城市中央核心区的安全的保障和基础。在技术措施上，对高密度、集聚性的城市中央核心区整体开发地下空间，其自身就具有天然的防灾性。它在高密度建筑中腾出更多的绿地空间，增加了可利用的中央核心区的避难场所，有利于火灾时人员疏散，也有利于雨水的下渗、防洪、防涝（图4）。利用区域开发形成的韧性，增加了区域内的整体防灾协调，建立智慧化的基础设施，有利于核心区的可持续发展。

图4 城市中央核心区绿地

城市地下空间多地块整合与城市轨道交通相结合，形成综合开发的地下空间大基盘是近年来工程设计项目中出现的新问题，其综合防灾设计显得尤为重要。在成都某新城的总部基地CBP项目引入城市设计综合防灾减灾和安全技术。针对城市地下空间防灾性和易灾性的双重特性，统筹城市地下空间的高效、集约、协调发展，以可持续发展为理念提倡城市韧性的设计。奠定城市设计的综合防灾减灾作为地上和地下空间安全的基础，构建有幸福感的城市中央商务公园区（图5）。

图5 城市中央核心区的防灾安全理念

该项目综合防灾的主要内容有两方面的含义：①应对自然灾害与人为灾害、原生灾害与次生灾害，全民规划设计，制定综合对策；②针对灾害发生前、发生后的避灾、防灾、减灾、救灾等各种情况，采取的配套措施。防灾的手段有工程防灾、规划防灾、管理防灾。设计将新城总部基地CBP的安全因素进行分类，建立评价体系。通过适当的评价方法，聚焦适合该“中央商务公园”项目现阶段的重点领域和薄弱环节，给出相应的事先评估预防（预案）、事中监管的一些安全运行的建议。在灾害的识别上，该项目地下空间相关的灾害有火灾灾害、爆炸灾害、洪水灾害、地震灾害、空气污染灾害、恐怖袭击灾害等，分析城市地下公共空间的特定功能性、自身的脆弱性、环境的复杂性和内部人员的密集性，并提出了智慧防灾的设计。在防灾的安全技术设计中，总体上布局防灾隔离带和应急通道。CBP地下空间的防洪与海绵城市设计上，确定防洪的设防标准，按100年一遇的标准设计，增加防洪的安全措施；对过境的城市泄洪渠道进行了调整，采用了挡、泄（排）和蓄（滞）相结合的技术措施（图6）。防爆安全和防恐安全设计上，分析了地下空间内部的爆炸事故的起因有恐怖袭击爆炸事故、交通事故引发爆炸、可燃性气体爆炸等主要因素，可以进行地下空间爆炸灾害事故分析、爆炸灾害发生可能性预测、爆炸灾害后果预测、冲击灾害预报技术的应对对策。值得注意的是，地下空间发生爆炸后容易导致火灾，并造成严重的人员的伤亡和财产的损失；生化及放射性恐怖袭击给城市地下空间内部环境安全带来的问题十分复杂多样，涉及地下空间规划与设计、通风空调系统设计、过滤与净化技术、消毒技术、生化检测、个人防护、人员疏散、应急避难、安全保卫与运行管理措施等诸多方面，需要采取以“堵”为主，“堵、滤、排、消”相结合的综合防护措施。

图6 某中央商务公园地下空间的防洪与海绵城市设计

此外，地下空间的其他防灾安全还有施工风险预警、运营风险管理、地质灾害的防灾减灾、气象灾害的防灾减灾、生物与环境灾害的防灾减灾、城市地下道路的防灾等。通过构建智慧防灾平台，协调城市地下空间的防灾减灾问题。

结语

城市设计综合防灾减灾和安全技术的设计是一个值得引起注意的环节，它涉及城市规划的防灾专项与建筑设计。城市公共安全状况和防范灾害的能力是衡量其质量和文明程度的重要标志，城市设计的防灾要求体现了以人为本的理念。

建筑区域空间的防灾需要统筹不同类型灾害的防控系统，采用协调的防灾减灾对策，与现行应急管理的区块方向相一致。