在对地下地上空间耦合的物质环境进行研究之初，首先应该对地下空间的环境进行定义和限制。所谓“环境”在宏观层面上可以被定义为：包围人类并对其生活和活动都给予各种各样影响的外部条件的总和^[1]。在此理解的基础之上，环境既包括以空气、水、土地、植物、动物等为内容的物质因素，也包括以观念、制度、行为准则等为内容的非物质因素；既包括自然因素，也包括社会因素；既包括非生命体形式，也包括生命体形式。环境是相对于某个主体而言的，主体不同，环境的大小、内涵及外延等也就不同，需要根据学科的特点与之相适应。

基于以上对广义“环境”内涵认知的发展分析，地下空间环境就可以被简单概括为：以地下空间中使用者作为中心事物（主体）的外部世界，是围绕着地下空间使用者的各种物质及非物质的外部客观及精神意识存在。这种外部世界既包括空间，也体现氛围，甚至反映社会性。因而，地下空间环境同时表现物质和精神两大属性。地下空间的物质环境也可被认为是物理环境，意指地下空间中各种自然因素在物质层面的反映总和，包括生物和非生物两大部分，是一个庞大而复杂的物质体系。地下空间的精神环境也是心理环境，是指处于地下空间中的各种社会集合及文化媒介对使用者精神层面所产生的影响。它包括地下空间所在城市、地区相对应的经济发展水平、生产关系及相应的政治、宗教、文化、教育、法律、艺术、哲学等，可归属为非物质体系。

传统城市地下空间普遍存在阴暗和潮湿的特性，几乎完全与地面隔离，相对于地面来说并不是一个舒适的空间。要改善这样的情况，就需要在地下与地上空间耦合的研究过程中首先充分了解其特性。地下空间物理环境的特性上大致可以分成两大类：结构特征，即密闭性、隔离性、耐压性、耐寒性、抗震性；物理特征，即隔热性、恒温性、恒湿性、遮光性、难透性、隔音性。所以，总结来说地下物质环境的特点综合表现在以下几点：

1）高防护性

地下空间的高防护性，是指在一定的工程防护措施后，地下空间对各种现代武器的袭击，具有与所采取措施相应的防护能力，如对核武器的光辐射、早期核辐射、空气冲击波、放射性污染等主要效应，都能进行有效的防护。在未来社会中，只要发生战争的根源没有消除，利用地下空间的高防护性进行城市防护性基础设施建设的行为也必将延续。另外，地下空间不但对于战争的摧毁打击具有较高的防护性，而且对于地震、泥石流、火灾等其他非战争原因引起的城市自然灾害也具有较高的防护性。

2）热稳定性

由于人工空间与岩土介质热环境的相互作用，使得地下空间内部环境与外部大气环境相互隔离，因而受大气环境的影响较小，表现出比较稳定的地下温度场。良好的热稳定性使地下空间展现出所谓的“冬暖夏凉”的热环境特性。城市中各种对热环境的稳定性有较高要求的设施，如粮库、冷库及其他各种储库，可以充分利用地下空间良好的热稳定性进行该类功能的地下空间设计利用。

3）气封闭性(www.daowen.com)

由于地下空间为岩土介质所包围，所以地下空间相对来说比较容易封闭。对于良好的岩石围岩介质，只要加以适当的开发可直接用于存储各类物质甚至是液体物质。对土层介质加以改造与加固，也可用于各类物质的储存，如对天然气形成的围岩介质空间进行必要的技术处理，则可形成具有良好封闭性的人工空间。城市中各类对内部环境要求不高的能源储存设施，尤其液体能源存储设施，可利用地下空间的易封闭性进行开发，并且各种易燃液体能源的储存也可利用地下空间从而提高城市防灾能力。

4）易操控性

由于地下空间与外部环境处于相对隔绝状态，其内部环境安全由人工所控制，如热环境、光环境、声环境、空气清洁度等，这些环境因素受外部干扰较小，因此内部环境较易控制并且容易达到所要求的标准。对于城市中各类对内部环境有较高要求的设施，如各种电视、电影的演播、录音室，医院的手术室、无菌室，以及高科技企业中的无污染厂房，等，利用地下空间内部环境易控性将其建于地下更为经济合理。

5）低能耗性

地下空间提供了一个长期稳定的热储存器或热吸收放系统，与围岩介质的相互作用，使得围岩介质成为热负荷或冷负荷的主要承担者，具有明显的低能耗特点。地下空间环境的低能耗性也具有一定的相对性，在城市地下空间设计的过程中，只有功能上与地下空间的其他环境特性相适应时，这种低能耗性才能得到充分的显示，如地下粮库、地下冷库比地面的同类设施具有较低的能耗，而将地下空间改造为居住空间时，其低能耗并不明显。

当然，地下空间在空间环境上也有许多阻碍其开发利用的特性，如恒温性、气密性等表现出地下空间的潮湿、通风不畅等不利的一面，同时地下空间在空间结构上还具有不易开拓性，使得视觉艺术等不易渗入。因此，要达到城市地下与地上的空间耦合的需求，就应该首先使得地下空间在物质环境上克服自身的弊端而满足可以和地面形成协调的基本条件。根据地下空间环境的特点，其物质环境构建的主要因素包括空间造型、色彩光线、材质装饰以及空间品质等方面。地下空间设计的作用也就是通过对这些因素合适地利用与改造，构建满足空间使用者行为需求的地下空间和地下场所环境，并在此基础之上与地面空间寻求多层次、多维度的耦合而达到城市整体空间的和谐。所以，地下空间与地上空间耦合的物质基础就可以归纳为视觉构建、声景设计、热湿环境和空气品质四个主要方面。