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user: 3. 海洋城市的设计构想 3.1. 干阑式建筑 人类发展水上建筑已有较悠久的历史，随着航运的发展，船舶的体型越来越大，船舱载客越来越多，逐渐发展出船屋，直至出现漂浮式水上建筑，而干阑式建筑遗址均建在湖滨或湖中，由插入淤泥中的大量木桩支撑上部建筑而成 [ 3 ]。从干阑式建筑发展到现代的石油钻井平台，从船屋发展到现代的大型游轮，直至“自由”号超级游轮的构想，都是在现代科技的工程材料和精准设计加持下，建筑规模不断扩大，功能不断完善而自然发生的。 在近海(如水深50 m内)可发展干阑式建筑，也就是用巨大的支撑柱将平台托起，平台高过海浪的高度，这样不受风浪的影响，稳定性好。然后在平台上建立永久社区，规划出居民生活区、作物生长区、光伏发电区、风力发电区、休闲娱乐区等。由于平台离陆地边缘不远，除了用航运联系外，还可以用桥梁和陆地相连，以便于物资交换。此类海洋城市，主要依托于陆地，环境安排与陆上城市差别不大，主要的难度在于支撑柱及平台的建造，形式上类似于底部架空的高楼，只是造价稍高，在利于就近开发海洋资源时可优先采用。由于干阑式建筑的支撑柱与海底固定在一起，其最大的缺陷便是易受地震的影响，因此需要选择地质板块稳定的大陆架海域。此类建筑也可在内陆的湖泊、湿地、分洪区等进行建设，以化解人口发展和防洪需求之间的矛盾，平台高度超过最高洪水位，使不能搬迁的人口一劳永逸地免受洪水威胁。 3.2. 漂浮式建筑 干阑式建筑在海深较大时，造价也迅速增大，工程技术要求也更苛刻，这时采用漂浮式建筑将更为有利和经济，如“疆海绿洲1号”就是这类漂浮城市 [ 4 ]。该构想将整个海上城市设计为一个球形，下部基础为密封式中空半球，在球底设一注水孔，使整个建筑重心平衡与稳定。上部为城市建筑主体部分，外轮廓为开闭式穹顶，平时敞开，当遇到极端天气，比如台风、海啸时，则闭合，然后通过注水孔注水，使城市下沉，没入海水深处避难。这与“深海螺旋城市”类似，具有上浮和下沉功能，这虽然提高了漂浮城市的安全性，但也使得造价增加，操作较为不便。 克服固定式和漂浮式缺点而设计的“疆海绿洲2号”为软着底式 [ 4 ]，水下结构采用较为稳定的类六棱锥形式，中心的纵杆承受建筑与水面道路下部桁架结构的拉力与压力，水面下有一圈空心浮体管道，支承水面上部结构，在中心纵杆的下端，用绳索与海底连接，形成软着底式结构，相较于全浮式，由于受海底绳索牵引的作用，位置可控制在一定区域内，较为稳定，相较于固定式的干阑式建筑，抗震安全性大大提高，可适应更广泛的海域。 参考“海上环境未来城市”，在此设想一种新的软着底式的漂浮城市，如图1所示。采用六边形的浮筒组合作为漂浮城市的基座，每个单体的六边形边长10 m，高20 m，能够提供5000 t左右的浮力。每个正六边形单体浮筒成型后，推入海中，向其内部灌注一部分水，使得单体浮筒竖立漂浮，再将多个正六边形单体浮筒紧密拼接起来，形成坚实的浮岛地坪。假设城市的核心区为直径200 m的圆，则需要121个这样的正六边形单体，能提供的有效浮力超过50万吨。为了减少风浪的影响，在建造完毕后，将浮岛地坪压入海面以下一定深度，比如5 m，上部再用桁架或立柱支撑起城市的平台，由于波浪对桁架的作用面积小，故城市平台的稳定性增强，提高了居住的舒适性。同时在漂浮城市核心区周围，将波浪发电设备像莲花花瓣一样环绕布置，消减波浪，化害为利，进一步结合其它防波措施，可使得到达居住核心区的波浪大幅减弱。这样设计后，城市平台的稳定性可与固定式平台媲美，利于保障城市的各项功能正常发挥。为防止城市随洋流漂走，基座浮筒底部用铁链或绳索软固定于海底，使漂浮城市在海洋中有一个相对固定的位置。由于外围波浪发电设施的多重莲花式环绕特点，可将此类水上城市称之为“莲花”漂浮城市。 图1. “莲花”漂浮城市 3.3. 浸泡式建筑 能否打通水上和水下，以满足居住的各项要求呢？可以设想通常的陆地建筑浸泡在海水中，仍然能够正常使用，可称之为浸泡式建筑。在此提出一个水上圆筒城市的构想，如图2所示，类似于底部淹水的筒形高楼。即是在浅海区域放置一个大型的圆筒建筑，比如直径100 m，直接坐落于海底，其突出海面的部分如同陆上高层建筑一样，可达到300~500 m高，远看就如同海里矗立一根巨大的圆柱，也可认为是一个人造的边缘垂直的小岛。圆筒外部在水下部分是封闭防水的，水上部分是开敞通风的，圆筒内部是居住区，按照通常的高层建筑一样设计，可布置上百楼层，容纳数万人口，具有城市的各项功能，布置商场、学校、医院、游乐场等。水上圆筒城市的承力结构和居住结构融为一体，足以抵御很大的风浪。施工方法可参照桥梁的桥墩施工，也可开发相应的施工装备，便于水下施工。待圆筒露出水面，水上部分的施工就与通常的高层建筑施工没有太大区别。该圆筒结构的一个扩展用处是可以作为斜拉桥或悬索桥的支撑臂，用于在风浪较小的海峡处建设超长跨距的桥梁。此时桥梁既是沟通大陆和海岛的交通设施，也是水上圆筒城市的交通设施。这样将桥墩“化墩为城，以城建桥”，达到“城、桥”两用，能够充分发挥工程材料的使用效益。 图2. “水上圆筒城市断面 初步估算圆筒城市底部的厚度，取其中半圆，列出力的平衡条件有：pD = 2σh，得到h = pD/2σ，其中h为圆筒厚度，p为海水的压力，D为圆筒直径，σ为圆筒应力。假设海水深度为100 m，水压力约为1 MPa，圆筒直径100 m，材料的允许抗压应力取为[σ] = 20 MPa，代入算式得到圆筒厚度为h = 1 × 100/2/20 = 2.5 m，在可接受的范围内。在增加圆筒内部联接的情况下，圆筒实际的压应力可望降低，同时也可预计，圆筒由底部到高处，随着海水压力的降低，圆筒所需的厚度也逐渐变薄。另外，也可采用双筒结构分担应力，如采用直径20 m的内筒，在辅助承力的同时便于通风和引入日光，这种结构也使得外圆筒厚度减薄后仍可满足要求。若考虑浇筑楼层的刚性支撑，如竹节一样，则外圆筒的厚度计算可简化为两端固支的受弯构件来处理，此时壁厚与圆筒直径并无直接关系，这样圆筒城市的规模可进一步扩大，特别适合于水深较小的海域。 3.4. 浸没式建筑 水上城市容易受到风浪的影响，如果建立在水下，形成浸没式建筑，则可避免此问题，但随之而来其它弊端。由于水下城市与大气隔离，不能像潜艇一样上浮和下沉(不包括前述可调节深度的水上建筑设计)，因此水下城市要具有空气维持系统、温度调节系统、淡水循环系统等。根据处于海面下的不同位置可分为，一种是在水面以下一定深度，一种是直接坐落于海底。如果水深不大，可直接设置在海底，但若水深过大，为达到结构抗压要求将使工程造价过大，这时可考虑将整体结构悬浮在水面以下一定深度。此时需要克服的问题是水下悬浮城市可能随着洋流缓慢飘移，因此需要一定的固定装置，可以是用锚链系牢于海底，也可以用推进装置来对抗漂移。通过定位系统的协助，水下悬浮城市用推进装置进行无锚固定的方法非常类似于潜艇，灵活性好，在需要的时候还可迁移到不同的海域，但这需要增加推进系统和消耗一些能量，造价上和控制要求上都有所提高。海底城市控制上很简单，但需要克服巨大的海水压力，如果不能解决抗压材料的问题，建设的困难较大。但是，较深的海底城市可利用深海低温优势来发展计算中心或数据中心等设施，可以在很大程度上减少散热费用，提高能源的使用效率。还可利用海底城市的高寂静性和高安全性来安置静音制造工厂、安全等级苛刻的博物馆和实验室等，此时主要利用高智能机器进行自动操作，常驻人口较少，运行维护经验也可为大型空间站建设所用。 另外，还可结合海底隧道来建设海底城市，一般海底隧道作交通之用，是否可将隧道作为海底城市使用呢？此处提出一种构想，如图3所示，在浅海海底修建半圆型的拱形建筑，利用拱形来抵抗水压，拱形和海底地面构成的断面内一部分作为隧道，而其余部分就可作为居住区，提供各类生活设施，为人口常驻创造条件。可初步估算拱壁厚度，假设海水深度为100 m，拱形建筑的最高点为避免碍航，离海面30 m，因此拱高即为圆半径为70 m，水平宽度则为圆直径为140 m。与水上圆筒城市的壁厚计算类似，若材料的允许抗压应力仍取为[σ] = 20 MPa，底部拱壁厚度则为h = (1 + 0.3)/2 × 140/2/20 = 2.275 m，也在可接受的范围内。该类型海底城市在水下如同一条大型隧道，呈长条式分布，可形象称之为“龙宫”海底城市。由于与陆地相通，因此维持城市运转所需的空气、食物、能源、交通等问题都容易解决，发展困难较小。在城市断面规划时，可在其中一侧留10米作为铁路交通之用，再留10米作为内部公路交通之用。剩下120米宽度的中间位置，可预留20 m的人行步道和休闲广场，其余宽度可布置居住区。在居住区的顶部可设置观光人行步道，也同时作为安全通道。 图3. “龙宫”海底城市断面