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秦统一后，咸阳成为大一统王朝的政治、经济和军事中心。对于秦朝而言，有两大问题需要面对：其一，关中六国虽已俱灭，但潜在的反叛势力还在，需要严加防范。其二，北边匈奴已经开始崛起，由于空间地近咸阳，能够对其造成直接威胁。都城地区的稳定是国家政权能够延续的基础，所以要处理好北边与关东问题，完善咸阳防御体系是重要的前提措施之一。对关东异己势力的防御，对军事设施的利用，主要还是依靠函谷关、武关以及临晋关等，这与战国时并无太大变化，在此不重复议论。面对北边新的形势，咸阳防御体系也发生新的变化。
北部防御体系的完善
为了应对北边危机，秦始皇凭借帝国强盛的武力，先发制人，趁匈奴还未完全崛起，主动发动进攻。为方便大军北征、秦人在咸阳外围防御北部的云阳为出发点，修建了规模巨大的军事工程——秦直道，使得征讨匈奴的大军能够直接从关中开往北边作战。
为了加强云阳的军事防御能力，秦始皇三十五年（前年），迁徙“五万家云阳”。林光宫在云阳附近，在当时应该与望夷宫、谷口宫一样，军事色彩较为浓厚，与防范匈奴南下有很大关系。遗址在今淳化县西北的甘泉山。《史记刺客列传》提到：“秦地遍天下，威胁韩、魏、赵氏，北有甘泉、谷口之固，南有泾、渭之沃”，说明林光宫一带在战国时就是一处比较著名的兵家必争之地了。秦朝修直道时，就将其从这里经过，可见此处除了山水俱佳外，在军事方面也是不容忽视的因素之一。西汉就在秦林光宫处建立甘泉宫，作为长安城北部抗击匈奴的前哨。
史念海先生指出：“东西对峙的子午岭和黄龙山两条山脉，以子午岭山脉较为重要。子午岭山脉的重要，联系六盘山，黄龙山以及黄河以东的吕梁山来观察更为明显。这几条山脉直线形成的几条重要的军事通道，都曾经是北方游牧民族向南进攻的必经之路”秦直道是沿子午岭山脊走向的％无论是对秦军还是匈奴，争夺此路的控制权，意义重大。枸邑在云阳的北部，也是咸阳防御体系外围最北的城邑，直道从中经过，故而对云阳、咸阳有一定的保卫作用，是进军匈奴一个重要的中转站。秦廷还在直道沿线关隘，例如石门关、调令关等增设机构，为北上大军进行粮草补充，同时也加强了直道的警备。
秦人还在咸阳周边防御的北部谷口要塞修建谷口宫，在距离咸阳北面8公里之处又修建望夷宫，并将二者作为防范匈奴攻入咸阳的重要军事设施。这样，秦都咸阳北部防御就形成了望夷宫一一谷口、谷口宫一一云阳、林光宫一一石门关一一枸邑一一调令关在内的多层军事防线。虽然秦朝在进攻匈奴方面取得了巨大成效，但这些防线的对于保护咸阳的防御意义是非诚重要的。
城区防御的完善
随着统一后咸阳城区规模的增大，在一定程度上也增加了防御的难度。宫城、宫殿区是咸阳城区军事防御的核心，因此在一开始的建设上，无论是选址、还是规划设计，都有从保护统治者安全方面的考虑，比如建立在地势高亢之处、修建宫墙等等，城内还有专门的宫廷宿卫军、都城卫戍部队把守。武库、仓储及兵器作坊是重要的后勤保障，要担负数十万军队的作战需要，咸阳作为秦帝国的军事中心，这些设施应该在城内不止一处，唯有如此才能满足秦军对外征讨、抵御外寇进攻都城的需求。
章邯为阻止周文进攻咸阳，言于二世：“郦山徒多，请赦之，授兵以击之。”此次抽调骊山徒和奴产子,并在短时间内组建三十万大军。从秦始皇兵马俑坑中所见七千武士俑，按每人手中一件兵器，此次作战至少要三十万兵器，由于时间紧迫，大部分应当是由咸阳武库提供，可见咸阳武库兵器储存量之巨大，令人叹为观止。粮草供应也是保证军队战斗力的重要方面，秦军能够在戏水战胜周文军，也与咸阳城区的仓储能够满足前线作战军队的需要有很大关系。反观周文军，使用的是“鉏擾白梃”，随处“望屋而食”，极度缺乏后勤保障，军队疲惫，是其失败的重要因素之一。
咸阳在渭南的城区有很多宫殿，例如，华阳宫、兴乐宫、甘泉宫、阿旁宫、章台等，实际上透漏出咸阳的行政中心有向渭水南岸转移的趋向，为何如此呢？一方面，这些宫室大多建立在龙首原上，地势较高，利于宫殿区军事防御。另一方面，也是最重要的原因，就是当时战略目标转移的需要。自从秦在河西战争中占据优势后，魏国将都城从安邑东迁往大梁，对秦的攻势变为守势，秦也随之将战略的重点转移到东方。从交通上看，渭河以南通过函谷关较之渭北发兵，能够节省一部分时间，而且渭南既可以向函谷关挺进，也有利于通过武关向荆楚进攻。秦统一之后，继续在渭南建立宫室庙宇，营造都邑新区，也就不足为怪了。若不是秦朝国祚短促，咸阳的行政中心就可能不久移至渭南了。
秦都咸阳，到底有没有外郭城，并无特别有证明力的考古发现。目前发现一处西门，西门门宽17-18米，门道长38.5米，城门左右两侧有夯土门墩各一，右侧门墩破坏严重，左侧门墩较好，为长方形墩台，从西侧破坏部分观察，墩基由南向北呈阶梯形，下宽上窄，计南北30米，东西38.5米。在紧靠门墩的东南（城墙里侧）部位，钻探出草泥土和秦砖瓦残块。此西门就是《史记白起列传》中“武安君既行，出咸阳西门十里，至杜邮”记载的西门。“咸阳西门”到底为宫城西门还是郭城西门，学者争论不休。如果从史料记载来看，咸阳可能未曾建造外郭城墙。其一，都城城墙的修建,对于大一统王朝而言，是一件非常重要的事情，大多都会见于史载，如西汉长安城、隋唐长安城城墙的修建等，但秦都咸阳城墙的修建并未出现在传世文献的记载并中。
雍城是秦发展历程中的第一处正式都城，秦在此活动将年后才开始修建城墙，这在史书中却有着明确的记载：“悼公享国十五年。葬僖公西。城雍。”既然雍城城墙的修建都能见于史料，那么作为秦帝国的都城咸阳，影响力、知名度要远远高于雍城，而且秦始皇统一全国后打算在此长久定都，一些规模较大建筑的修建，如阿房宫、仿六国宫殿、兰池宫等等在《史记》中都有明确的记载，却唯不见城墙的相关记载，这不合乎常理。其二，秦惠王、昭王时，有两次“狼入咸阳市”如果咸阳存在高耸的城垣，那么城门必定有专人看守，就不可能发生这种情况了。
交通与预警设施的完善
交通和预警对于咸阳防御体系而言，犹如血脉一般的重要。战国时以咸阳为中心向外辐射的道路有7条：“1.由咸阳沿渭水东行出函谷关，经雒邑至中原各处，这是秦东进最主要的道路；2.由咸阳沿渭水东行经过株阳和大荔王城过蒲津桥进入魏国，其后更溯汾水北上，途径平阳（韩国故都）、晋阳（赵国故都）抵达太原；3.由咸阳东南行，经商於、丹阳可达宛（南阳）、穰（邓县），武关是这条路的重要关卡；4.由咸阳北行，经上郡治所肤施，可抵达河上。肤施本为赵地，入秦为秦昭襄王三年事，在此之前此路南段以通至上郡塞之南（陕西富县南）；
5.通过萧关到黄河岸边。秦惠文王曾沿此路游至北河，至此成为秦通西北之大道；6.咸阳和陇西郡当有一条道路，虽未见史籍记载，由于秦先世就在陇山之西，而后辗转东迁，故此当有便利交通；7.由咸阳到褒斜道能到达西南巴蜀之地。褒斜道北段称金牛道，南段称石牛道，秦军灭蜀就是从此路进军的，后又灭巴,继续东进夺楚地设黔中郡。这条本是由咸阳西南行至于蜀国的道路，又自成都东南至于湘西。”
秦始皇统一六国后，在原先各国交通的基础上大兴标准化道路，最终构成以咸阳为中心的全国交通网络体系。直道用以向北方投送兵力，征讨匈奴；驰道用以沟通全国，方便皇帝巡察各地，威慑四方，在军事行动中能提高调兵速度；栈道用以在险峻之处沟通来往、运输物资等。
通讯是都城军事防御体系重要的组成部分，能够将各个方向的战况快速传达到军事中心，有利于指挥人员及时作出防御部署和准备，以应对突发情况。为了强化军事预警，传递军情，秦人还在道路沿线增设大量的烽燧，例如在目前考古发现的彬县、淳化、旬邑、以及直道沿线等地的烽燧分布规律性强，能够随时向都城传递前方战况。程喜霖先生认为，从边塞前沿开始发烽燧，定向传递，传警速度一昼夜可达-里。
史料记载中，秦代的信息传递设施还有亭、邮、驿，当时应该在京畿地带大量分布。秦代亭有两种，一种是设置于市场，掌商贸之事，一种就是都亭，多设于交通要道，负责接待、监送，缉拿盗匪，评理诉讼等。亭有亭长，下辖亭父，“掌开闭扫除”、求盗“掌捉捕盗贼”。亭直属县尉，与乡游徼同属军事系统，配备有弓弩、刀剑等兵器。亭不仅仅是在社会治安中发挥作用，亦是联系各军事据点、要地的重要设施，也有传递信息的职能。
在文献史料中，保存设有咸阳郊区的亭有四处：杜邮亭、长平亭、轵道亭、白亭。秦杜邮亭是咸阳西去大道上的第一个邮亭，唐时为咸阳县城所在。在今咸阳市东三姓庄附近发现不少唐代遗物，确信应为唐咸阳城地，其旁今仍存有白起墓，秦杜邮亭当在此处。长平亭在望夷宫之旁，《史记解集》：“张晏曰：望夷宫在长陵西北长平观道东，故亭处是也。”故亭就是长平亭，在望夷宫处不远，应该在通往云阳的大道上，是一处重要的交通设施。《汉书武五子传》载：“长安白亭东为戾后园”又《太平寰宇记》曰：“汉戾园故秦白亭”，似白亭秦时以有。《唐两京城坊考长安金城坊》:
“北门有汉戾园”。金城坊在今西安市大土门之东。《水经注渭水》记载的汉戾园也在此，所以秦白亭当在今西安市西郊劳动公园附近。轵道亭因在轵道之中故以为名，是当时咸阳东郊的一处非常重要的据点。无论是秦统一前还是统一后，都城对外交流的主要方向实际上是关东地区。东面有两条路线通往关东最为重要：正东方的咸阳芷阳――丽邑一一戏亭一一郑县一一武城一一宁秦一一函谷关；东南方的咸阳一一蓝田一一峣关商邑武关。霸上是这两条路线的分离处，《汉宫殿疏》谓：“轵道亭东去霸城观四里，观东去灞水百步”，又《水经注渭水》谓：“灞水又北迳轵道，在长安县东十三里。”
长安县就是汉长安城，据史料可知，轵道亭在灞河西四里，又位于汉长安城东十三里的东进大道上，今址就在团结村一带。无论是从函谷关还是武关进入咸阳，都要经过轵道亭，这也造就了它在咸阳周边防御的军事价值。一旦有军情从关东传来，轵道亭是将消息传入咸阳城区的最后一站。刘邦攻入关中，屯兵霸上，秦王子婴就系颈以组，白马素车，奉天子玺符，在轵道旁等待投降，推测地点应就在轵道亭附近。
战国至秦，邮传系统已经相对完善。“邮是徒步通讯，驿是乘马通讯，大致五里一邮舍，三十里一驿站。主要任务是以接力形式传送情报、命令等文书”按其分类，主要有车传、徒步、马传、船传等，根据当地具体情况灵活而定。在涉及军事情报及机密方面，军队一般是让军官或士兵专程传送，而且沿途只在驿站换马匹而不换传递人员。秦时的传送速度已经相当迅速，紧急军事文书，平时日夜可传送里。秦廷面对突如其来的周文军时，虽然准备仓促，但却能够迅速征发关中、巴蜀军队，并由长史司马欣、董翳指挥，随时增援章邯军；又令王离率部防守匈奴的部队南下以配合作战，这在某种程度上来讲，得益于咸阳防御体系内这些完善的交通和预警设施。
