在全球各大城市的地下潛伏著一種"無聲的危險"，而我們的建筑物在設(shè)計時并沒有考慮到這一點。美國西北大學(xué)的一項新研究首次將地下氣候變化與城市地下的地層移動聯(lián)系起來。隨著地面升溫，它也會發(fā)生變形。這種現(xiàn)象導(dǎo)致建筑物地基和周圍地面過度移動（由于膨脹和收縮），甚至開裂，最終影響建筑物的長期運行性能和耐久性。

研究人員還報告說，過去的建筑損壞可能就是由這種溫度上升造成的，并預(yù)計這些問題將在未來幾年繼續(xù)存在。

芝加哥河套地區(qū)測量到的地面溫度。圖片來源：Alessandro Rotta Loria/西北大學(xué)

(相關(guān)資料圖)

盡管氣溫上升對我們的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成了威脅，但研究人員也將其視為一個潛在的機遇。通過捕捉地下交通系統(tǒng)、停車場和地下室設(shè)施排放的廢熱，城市規(guī)劃者可以減輕地下氣候變化的影響，并將這些熱量重新利用為尚未開發(fā)的熱能資源。

該研究報告將于今天（7月11日）發(fā)表在《通信工程》（《自然》旗下期刊）上。這是第一項量化地下熱島引起的地面變形及其對民用基礎(chǔ)設(shè)施影響的研究。

西北大學(xué)的Alessandro Rotta Loria領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，他說："地下氣候變化是一種無聲的危害。由于溫度的變化，地面正在發(fā)生變形，而現(xiàn)有的民用結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)設(shè)施在設(shè)計上都無法承受這些變化。雖然這種現(xiàn)象不一定會危及人們的安全，但會影響地基系統(tǒng)和整個民用基礎(chǔ)設(shè)施的正常日常運行。"

西北大學(xué)博士生Anjali Naidu Thota將溫度傳感器安裝在芝加哥環(huán)形路地下的一根管道上。資料來源：西北大學(xué)

"芝加哥粘土在受熱時會收縮，就像許多其他細(xì)粒土壤一樣。由于地下溫度升高，市中心的許多地基都在緩慢但持續(xù)地發(fā)生不必要的沉降。換句話說，你不需要生活在威尼斯，也可以生活在一個正在下沉的城市--即使造成這種現(xiàn)象的原因完全不同"。

羅塔-洛里亞是西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院土木與環(huán)境工程系助理教授。

什么是地下氣候變化？

在全球許多城市地區(qū)，熱量不斷從建筑物和地下交通擴散，導(dǎo)致地面以驚人的速度升溫。先前的研究人員發(fā)現(xiàn)，城市地下的淺表層每十年升溫0.1至2.5攝氏度。

這種現(xiàn)象被稱為"地下氣候變化"或"地下熱島"，已知會導(dǎo)致生態(tài)問題（如地下水污染）和健康問題（包括哮喘和中暑）。但是，直到現(xiàn)在，地下氣候變化對民用基礎(chǔ)設(shè)施的影響仍未得到研究和了解。

芝加哥環(huán)形路地下一個溫度傳感器的特寫。資料來源：西北大學(xué)

"如果你想到地下室、停車場、隧道和火車，所有這些設(shè)施都會持續(xù)散發(fā)熱量，"Rotta Loria說。羅塔-洛里亞說："一般來說，城市比農(nóng)村地區(qū)更熱，因為建筑材料會周期性地截留人類活動和太陽輻射產(chǎn)生的熱量，然后將其釋放到大氣中。這個過程已經(jīng)被研究了幾十年?，F(xiàn)在，我們正在研究其地表下的對應(yīng)過程，這主要是由人類活動驅(qū)動的。"

近年來，Rotta Loria和他的團(tuán)隊在芝加哥河套地區(qū)的地上和地下安裝了150多個溫度傳感器組成的無線網(wǎng)絡(luò)。這包括在建筑物的地下室、地鐵隧道、地下停車場以及下瓦克路等地下街道安裝傳感器。為了進(jìn)行比較，研究小組還在格蘭特公園埋設(shè)了傳感器，格蘭特公園是密歇根湖畔的一片綠地，遠(yuǎn)離建筑物和地下交通系統(tǒng)。

智能手機接收來自地下溫度傳感器的數(shù)據(jù)。來源：西北大學(xué)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)顯示，Loop地下的溫度通常比格蘭特公園地下的溫度高10度。與未受干擾的地面溫度相比，地下結(jié)構(gòu)中的空氣溫度可高達(dá)25度。當(dāng)熱量向地面擴散時，會對隨著溫度變化而膨脹和收縮的材料造成巨大壓力。

Rotta Loria說："我們將芝加哥作為一個活生生的實驗室，但地下氣候變化在全球幾乎所有密集的城市地區(qū)都很常見。所有遭受地下氣候變化影響的城市地區(qū)都容易出現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施問題。"

緩慢下沉

在收集了三年的溫度數(shù)據(jù)后，Rotta Loria建立了一個三維計算機模型，模擬從1951年（芝加哥建成地鐵隧道的年份）到今天的地面溫度演變過程。他發(fā)現(xiàn)這些數(shù)值與實地測量值一致，并通過模擬預(yù)測了2051年之前的溫度變化情況。

Rotta Loria還模擬了地面在溫度升高時的變形情況。一些材料（軟粘土和硬粘土）在受熱時會收縮，而另一些材料（硬粘土、沙子和石灰石）則會膨脹。

芝加哥河套地區(qū)的三維渲染圖。彩色圓點標(biāo)記溫度傳感器的位置。圖片來源：Alessandro Rotta Loria/西北大學(xué)

根據(jù)模擬結(jié)果，溫度升高會導(dǎo)致地面膨脹并向上擴展多達(dá)12毫米。同時，氣溫升高也會導(dǎo)致地面收縮并向下凹陷--在建筑物重量的作用下--多達(dá)8毫米。雖然這看起來很微妙，人類也無法察覺，但這種變化超過了許多建筑構(gòu)件和地基系統(tǒng)在不影響其運行要求的情況下所能承受的范圍。

Rotta Loria說："根據(jù)我們的計算機模擬，我們發(fā)現(xiàn)地面變形可能非常嚴(yán)重，以至于導(dǎo)致民用基礎(chǔ)設(shè)施的性能出現(xiàn)問題。建筑物不會突然倒塌。建筑物下沉的速度非常緩慢。對結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的適用性造成的后果可能非常嚴(yán)重，但需要很長時間才能看到。地下氣候變化很有可能已經(jīng)造成了裂縫和地基沉降過大，而我們卻沒有意識到這一現(xiàn)象。"

收集熱量

由于城市規(guī)劃者和建筑師在地下氣候變化出現(xiàn)之前就設(shè)計了大多數(shù)現(xiàn)代建筑，因此他們在設(shè)計建筑時并沒有考慮到我們今天所經(jīng)歷的溫度變化。盡管如此，現(xiàn)代建筑仍將比中世紀(jì)等較早時期的建筑更好。

Rotta Loria說："在美國，建筑物都相對較新。Rotta Loria說："歐洲城市的建筑非常古老，更容易受到地下氣候變化的影響。由石頭和磚塊建成的建筑采用了過去的設(shè)計和建造方法，通常與城市當(dāng)前運行相關(guān)的擾動處于非常微妙的平衡狀態(tài)。與地下熱島相關(guān)的熱擾動會對此類建筑產(chǎn)生不利影響。"

亞歷山德羅-羅塔-洛里亞（Alessandro Rotta Loria）教授和他的博士生安加利-奈杜-托塔（Anjali Naidu Thota）在整個芝加哥地下放置溫度傳感器。資料來源：Annie Speicher/媒體與技術(shù)創(chuàng)新/西北大學(xué)

展望未來，Rotta Loria表示，未來的規(guī)劃戰(zhàn)略應(yīng)整合地?zé)峒夹g(shù)，以收集廢熱并將其輸送到建筑物中用于空間供暖。規(guī)劃者還可以在新建和現(xiàn)有建筑上安裝隔熱裝置，以盡量減少進(jìn)入地下的熱量。"最有效、最合理的方法是隔離地下結(jié)構(gòu)，使浪費的熱量降到最低。如果做不到這一點，那么地?zé)峒夹g(shù)就提供了在建筑物中有效吸收和再利用熱量的機會。我們不希望使用主動冷卻地下結(jié)構(gòu)的技術(shù)，因為這需要消耗能源。目前，有無數(shù)種解決方案可以實施"。