1.1 研究课题的提出

城市化是中国21世纪社会经济变化最重要的特征之一。随着人口与资源的聚集、城市规模的不断扩大，造成了土地利用和土地覆盖的变化，大规模土地利用和土地覆盖的变化影响并改变了城市生态系统的结构，引起了诸如城市热岛效应、非点源污染、大气污染、生物多样性降低等一系列生态环境问题，并且危害了人类的健康。

以城市热岛为代表的城市微气候问题已经引起了公众、政府和科学家们的广泛关注。针对城市热岛和区域热环境的影响因素，国内外都进行了大量的研究，研究内容由单纯的热环境专业研究发展到与城市规划、建筑设计等学科的交叉融合研究，具体对城市规模、城市密度、建筑形态、城市绿化、城市形态、人口出行、下垫面属性等城市要素与微气候的影响关系进行了研究，并走向定量化研究，成为城市气候学、城市规划与建筑学科交叉研究领域的热点问题 [1]。

由于城市化发展的压力，在解决城市发展与环境问题上具有特殊优势的地下空间在我国各大城市的开发规模越来越大，受到越来越多的重视，成为我国城市解决环境恶化的重要选择。地下空间开发规模的扩大及地下空间系统的形成，造成城市地面空间形态、建筑形态、下垫面属性的改变，这些都会影响城市微气候指标的改变。

在此背景下，研究并明确地下空间开发利用对城市微气候的影响机理、影响效果及影响规律，建立基于微气候优化的地下空间规划与设计策略，能够指导地下空间的开发决策，对城市的可持续发展、城市规划理论的发展、地下空间的开发与建设都具有重要意义。

现实意义：城市土地资源稀缺背景下的地下空间大规模开发能够有效改善城市微气候的恶化问题。

在我国快速的城市化进程中，由于城市下垫面结构的改变，以及交通排热、建筑排热等因素的影响，城市微气候的逐渐恶化成为突出的问题。尤其近年来中国城市热岛效应显著，高温天气出现的天数逐渐增多，呈现出持续时间长、影响范围广的特点。根据中国天气网2000—2019年的气象大数据分析，我国城市在夏季频频出现高温预警，多地最高气温突破历史极值。例如，重庆在此期间的夏季（6～9月）共出现688天35℃以上的高温天气，其中58天的最高气温超过40℃。表1-1统计了我国2014年7月主要城市高温天数。

目前普遍在城市规划、设计和城市改造的过程中，选择高效美观的绿化形式、植物搭配及水景设置等来改变城市的下垫面属性和建筑形态，通过传导、辐射、对流等作用改善室外微气候。然而，强度越来越大的城市建设造成了城市发展用地严重不足的问题，城市地面空间容量接近饱和（图1-1），建筑密度过大、容积率过高导致城市用地紧张，在城市开放空间和开发用地越来越成为稀缺资源的现状下，通过改变用地属性提高绿化率、降低建筑密度和容积率来改善城市环境、降低城市热岛效应的办法，将面临越来越多的制约。

根据第七次全国人口普查结果，2020年中国城市化率达到63.89%，城市常住人口超过9亿人。预计到2035年中国城市化率将超过75%。城市人口增加所需的生态空间和生活空间都以可耕地为依托，现在城市地面用地的使用程度已经饱和。北京、上海等大城市人均路面占有量还不到7m2，省会城市地面交通开拓已无多大潜力可以挖掘，若继续拓展城区面积、提高城市密度、增加建筑高度，只会加剧城市环境恶化的情况。

从出现之始就将功能目标定位于解决城市问题的地下空间开发利用，具有节约城市土地、增大地面绿化景观、拓展城市开敞空间、减少城市污染、改善城市人居环境等多方面的优势。近年来，地下空间开发相继在我国各大城市开展起来，并且开发量以年均20%的速度增加 [2]。保护改善城市环境已成为目前地下空间开发的主要动因之一。随着人们对生态环境的重视，近几年召开的一系列国际地下空间学术会议（IACUS2019、IACUS2021、ACUUS2018、ACUUS2020等）均强调地下空间开发对城市环境的保护作用，并设有地下空间开发与城市环境专题论坛。

国际上众多国家面对城市规模不断扩大、城市生态环境恶化与城市发展需求的矛盾，已将地下空间开发作为解决以上问题的重要措施，对地下空间进行了大规模的开发利用，将原有城市功能放到地下，对节省出来的土地进行城市景观建设，取得了显著的改善城市环境的效果。例如，著名的美国波士顿中央大道改造工程（Central Artery /Tunnel Project,CA/T），将原6车道的中央高架大道拆除，对地面进行了大规模的更新改造，建设了大面积的城市绿地，在原高架大道位置之下修建了地下快速路与水下隧道以满足城市交通需求，工程竣工后，快速路拥堵时间从10小时缩短到2小时，降低了城市12%的CO2排放量（图1-2所示为CA/T项目地下空间研发前后的城市环境对比）。此外，东京地下快速路“中央环状新宿线”于2007年3月通车之后，有效缓解了城市中心地区的交通拥挤，并减轻了市内环境污染问题，每年减少了2.5万吨CO2、16吨烟尘颗粒和160吨NOx[3]的排放量。

钱七虎、童林旭、陈志龙等国内地下空间领域的学者指出地下空间是减少我国城市污染、改善城市环境、节省土地资源、降低城市密度的有效途径，是建设绿色、宜居城市的重要手段。因此，为了节省土地资源、减少城市污染、改善城市环境、建设绿色生态城市，国内地下空间的开发规模越来越大，呈现快速增长趋势。2021年，我国城市地下空间新增建筑面积约2.83亿平方米；截至2021年底，我国城市地下空间累计建设达27亿平方米（图1-3）。

理论意义：城市微气候研究指标的引入能够实现地下空间开发对城市生态环境影响实效与作用规律的量化突破。

随着地下空间开发规模的日益扩大，地下空间对城市生态环境的影响应当成为城市研究领域受到关注的问题。但是，在地下空间的研究领域，人们主要注重于地下空间解决城市规划与城市建设等规划与工程层面的研究，缺少对城市环境问题的关注。少数对于地下空间开发对城市生态环境影响的研究还处于起步阶段，大部分研究都采用理论论述与定性分析的方法，对于地下空间开发利用对城市环境的影响机理、影响效果及影响规律都没有进行针对性的研究。

此外，地下空间对城市的影响作用分布于城市地上地下立体融合系统的各项要素之中，地下空间开发对城市影响的实效作用，以及对城市的系统影响很难进行精细化的明确研究。因此，国内外到目前为止还未能在地下空间开发对城市系统的影响实效方面制定出系统有效的评价机制与研究体系；对于城市地下空间开发可以在城市生态环境上起到的积极作用及可能产生的消极影响，还未有系统精确的论述；用来衡量城市地下空间开发对城市环境作用成效的评判标准还未研究制定，地下空间对城市生态环境的量化成果和有效措施研究在地下空间开发利用领域迄今还存在空白。

在国内外建筑科学、城市规划和城市气候学等学科的交叉领域，城市形态、城市设计、城市景观等因素对城市微气候造成的影响已经成为热点研究。关于微气候方面的研究已经从微观尺度（房间和建筑尺度）和宏观尺度（城市和城区尺度）向中等尺度（城市街区和建筑组团尺度）扩展，现有的相关研究开始关注于中等尺度气候、城市结构、城市肌理、建筑形态等城市形态指标对城市风环境、空气质量、热岛效应、城市光环境等方面的影响。2012年出版的国家自然科学基金委员会与中国科学院联合编写的《未来10年中国学科发展战略（工程科学）》，对于“绿色城市和建筑设计理论和方法”的研究前沿和重要科学问题有以下论述 [4]：围绕可持续性的城镇建筑环境营造目标，在设计理论和方法上贯彻低碳节能和环境友好的思想，遵循和贯彻环境舒适性科学原理，融合特定的生物气候条件和地域特征，应用适宜和可操作的技术，做出有效的城市设计和建筑设计。由此可见，对于城市规划学、建筑学和城市环境、气候学等学科的融合与研究，是城市规划与建筑学科发展的一个重要方向。

借鉴城市气候学、城市规划与建筑学的融合交叉领域研究成果，将城市微气候问题引入地下空间与城市生态环境研究领域，梳理和明确地下空间对城市微气候的影响效应与正负面影响作用机制，研究地下空间与城市微气候之间的内在关联性，以地下空间规划设计要素与城市微气候指标之间相互影响和变化的规律为核心研究问题，则能够建立以城市微气候指标为量化参数的地下空间开发对城市生态环境影响的科学研究系统，完成地下空间对城市生态环境影响作用的科学、量化的研究突破。

实践意义：基于城市微气候优化的地下空间规划与设计策略的建立，能够有效指导地下空间的开发与建设。

城市微气候与大气环境、城市密度、城市肌理、建筑形态、建筑物材料、街区层峡指标、下垫面属性等多种城市形态因素有关，受到太阳辐射、城市风环境、人工排热等因素的综合作用，而城市地下空间的开发，能够改变城市空间形态，丰富绿地、水体等城市下垫面构成，从而调节城市微气候尤其是地下空间开发区域微气候环境，达到优化城市微气候、降低城市热岛效应的目的。

研究地下空间开发与城市微气候之间的影响机理与规律，确定地下空间规划、设计要素与城市微气候指标之间的量化规律，能够发展地下空间规划设计理论与方法，揭示地下空间开发区域城市微气候的长时间形成、变迁、演化规律，并在此基础上实现寻求通过地下空间开发改善与控制城市微气候、城市热岛效应的原理和方法，建立地下空间开发对城市微气候影响的评价方法和技术标准，为实现以城市微气候改善为基础导向的地下空间开发与建设提供可能。

基于以上分析，针对我国地下空间规模开发的现状，在国内城市化快速发展与环境问题日益严峻的背景下，跟踪国内外城市规划及城市问题研究领域的最新成果及交叉学科发展前沿——城市气候学、城市规划与建筑学的研究成果，将城市微气候问题引入地下空间学科领域，提出地下空间开发对城市微气候影响的研究课题，能够以城市微气候指标作为量化指标和突破点，完成地下空间开发对城市生态环境的影响机制、影响因素及量化评价的系统研究，进而指导地下空间规划与设计指标和策略的制定，促进地下空间建设对城市生态环境的改善作用。