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【规划设计】基于空间句法的城市设计方法与流程融合机制构建
规划师杂志社   2018/7/12 11:00:10
 

导语

      作者亚热带建筑科学国家重点实验室成员黄铎,北京大学政府管理学院硕士研究生古恒宇,华南理工大学建筑设计研究院副总规划师姜洪庆在《规划师》2018年第3期撰文,空间句法在当前城市设计中得到了一定应用并具有进一步推行的潜力,而如何实现空间句法应用的方法构建与流程融合是需要特别关注的方面。文章回顾了国内外空间句法在城市设计中的方法应用,论述了空间句法与城市设计对城市空间理解的一致性特征,从模型构建、参数运用、模型校核和方案代入四个角度讨论了空间句法在城市设计中的具体方法构建,最后结合侵华日军南京大屠杀遇难同胞纪念馆及其周边地区城市设计的案例,探讨了空间句法在城市设计各个阶段中的流程融合,并对空间句法在现阶段城市设计应用中存在的瓶颈问题进行了分析。

[关键词]城市设计;空间句法;方法构建;流程融合
[文章编号]1006-0022(2018)03-0059-07 
[中图分类号]TU984 
[文献标识码]B
[引文格式]黄铎,古恒宇,姜洪庆.基于空间句法的城市设计方法与流程融合机制构建[J].规划师,2018(3):59-65.

一 空间句法与城市设计在空间理解上的内在一致性

      城市设计以城市空间问题为工作核心与重点,而空间句法则基于数字方法进行空间研究,如何理解二者在空间理解方面的关联是空间句法应用于城市设计的基础。从理论层面看,空间句法是研究空间的理论,空间句法中的“空间”是指空间本体,即与实体对立的物质形态,市民在城市当中不同的社会活动受制于不同空间本体所对应的空间活动方式,因此空间不仅是人类社会活动的背景,更具有影响甚至决定社会模式的作用。空间句法认为对空间形态的描述应根据空间本体间相互作用的关系,即空间组构(Configuration)来确定,这种组构关系与人类日常活动的过程(如引导人流量)及结果(如城市商业聚集 ) 有着极高的关系。在城市设计应用场景下,空间句法遵循“空间形式—交通—空间功能”的分析范式,一方面可通过量化的分析手段揭示出城市空间结构规律,从而为城市设计提供技术支撑;另一方面其关注人的运动的建模分析手段从一定程度上反映出城市居民对城市空间的认知规律,符合城市设计满足市民期望的客观要求。
      在实践方面,空间句法构建了一系列的参数对空间进行描述,这些参数是对城市空间不同角度的数字化参数描述。在这些参数当中,诸如整合度、穿行度的参数计算值以可视化方式表达城市空间的形态结构特征,是空间句法空间本体理论的外在表达。这一外在的可视化表达即便是在应用实践层面,与城市设计对空间的理解也一致。以整合度参数为例,某一半径计算下的高整合度区域表达该出行半径下城市人车流动的集聚效应,也往往对应着相应的城市或行政结构商业中心,该类中心正是城市设计的城市空间结构表述当中需要识别和表达的基础内容。例如,《南京市总体规划 (2007—2020)》中提出“城市中心—副中心—新市区中心—新城 ( 地区 ) 中心及若干个居住区中心组成的公共活动中心体系”( 图 1a),其中新街口地区为都市区中心,河西中心区为副中心,该空间体系与空间句法对南京市半径为50km的整合度计算结果一致性较高 ( 图 1b)。从该案例可以看出,基于句法参数的数字化空间结构分析,符合城市规划与设计从传统社会学和建筑学方法出发定义的城市空间结构。

二  城市设计中空间句法运用的方法构建

(一)模型建立:基于道路路网的线段模型

      以空间理论的认识为基础,空间句法对空间的分析首先需要基于数学模型对空间进行分割,建立空间句法模型。在城市设计空间句法应用中,空间句法模型一般为轴线模型。轴线模型遵循可视原则建立,是在多数情况下选择的句法模型建立方法。然而,在大尺度城市范围情况下,建立轴线模型具有相当的工作量,且不同人员对同一空间的轴线模型可能存在差异,而基于视觉的轴线模型数据与城市设计中的道路路网数据的不匹配性,也限制了轴线模型在城市设计中的应用。因此,如何建立符合城市设计专业特征的,且易于为该领域从业者所理解的句法模型,是当前城市设计应用特别是大尺度句法分析应用场景下需要考虑的问题。
      线段模型是空间句法在轴线模型之后所创建的一种模型类型,最早由特纳提出。与轴线模型的物理基础是人在空间中进行视觉引导下的直线运动不同,线段模型考虑路网偏转的角度对人(车)流出行的影响。在相关研究中,线段模型被证明在交通流量预测中更贴近实际情况,与交通流的拟合程度更高,同时线段考虑了真实距离和街道偏转角度等因素,被认为具有揭示更紧密的组构中心、更好地捕捉由几何形态变化带来的组构模式变化及揭示“不同尺度中心”等优势。由于线段模型以道路中心线为基础,其建模和分析结果更符合城市规划人员对道路的理解,且计算效率更高,因而线段模型已逐渐取代了轴线模型,成为空间句法在城市设计中最主要的量化方法。
      在线段模型的实际建立过程中,通常包括建模范围确定、模型绘制和模型校核三大重要环节。确定建模范围时要考虑线段模型的边界效应,由于沿着特定线段的人流和车流主要由线段在更大范围的城市网格中的位置所决定,必须在分析中涵盖足够多的城市网络,以确保研究区域嵌入城市网格之中。在模型绘制工作中,线段模型基于道路路网中心线绘制,且无需考虑道路等级。对线段模型边界效应而言,需要考虑规划区边界与城市建成区的关系,一般以大阻隔作用的路段作为研究边界,其范围应至少包含城市的主要中心城区以及80%左右的城市路网。模型检查则强调对建模后的线段模型的准确度进行评估和校核,在本文的 2.3 节中将着重讨论模型校核工作。

(二)参数应用:基于中心性与穿行性的城市空间分析

      在城市设计中,对城市空间节点的中心性 ( 吸引力 ) 与交通组织的穿行性( 通过性 ) 的认识描述能够帮助城市规划师更合理地设计调整城市路网布局和用地性质。在空间句法模型中与此分析对应的重要参数是整合度和穿行度,句法分析往往围绕这两个参数展开。整合度代表空间的中心性效应,能够反映网络中某个空间与其他空间的集聚或离散程度,整合度越高,代表空间越集聚,该空间的中心性与可达性也越强;穿行度代表空间的穿行性效应,反映网络中通过某一节点的最短角度拓扑距离的次数,该参数越高,在实际出行中选择通过该空间的概率也越大。
      整合度与城市设计中多尺度的空间结构的表达相关,在以往的城市空间研究中整合度应用较为成熟,但穿行度由于一直无法得到较好的标准化计算,制约了其进一步运用。结合大量的参数实验,希列尔等人于 2012 年提出标准化穿行度(Normalised Angular Choice)的概念,发现穿行度除以总深度(Total Depth) 后,参数与参与计算的路网数量相关性几乎为零,代表着该参数得到了较好的标准化。目前,对标准化穿行度的解读主要分为两大方面:一是将该参数理解成人们在空间中出行收益(穿行度)和出行成本(深度)之比,比值越高,代表空间的效率越高;二是将该参数看作传统穿行度参数的标准化结果。多数学者认同第二种观点。
      整合度与穿行度在城市设计中的应用对应两个具体问题:一是分析城市空间节点布局的两种方式,即依靠目的性交通流还是依靠通过性交通流,这个问题与城市形态布局和用地规划中的节点类型、业态布局的空间差异性分析相关。二是涉及不同尺度城市空间布局的等级与层次。在空间句法中,不同尺度的整合度与穿行度往往用于描述城市不同尺度空间联系下的中心性和穿行性效应,如高等级城市节点具有较高的整合度与穿行度。因此,整合度往往可用于城市空间结构识别、城市功能区划分、城市功能节点服务半径判定和道路可达性分析等方面,穿行度则主要用于城市路网交通流量分析与评价。在用地规划中,两个参数皆可以用于识别商业区等特色城市功能区(图2)。

(三)模型校核:空间句法模型校验与可信度评价

      空间句法模型校核通常是指基于统计学手段,通过交通流量等变量,评价句法模型对城市建成区域功能节点及交通组织等空间描述的准确性,并寻找适合的搜索半径。句法模型校核建立在句法理论的基础上,即空间本体是否表达了空间的形式,或空间组构是否体现了空间的功能。在现状线段模型构建之后,模型计算的指标体系所表达的空间形式和功能,与现状实际的城市人流活动及商业集聚形态是否具有空间上的一致性?如果这个一致性具有相当的相关性指标,则可以认为句法模型准确地表达了现状,该模型便实现了模型校核,基于该模型的分析便具有可验证的合理性和有效性。在国内研究中,段进强调了在城市设计中模型校核对于后续分析的重要性,伍敏等人在空间句法的分析中把每个城市看成独立且独特的对象,认为以前的经验与规律未必适应特定的城市。
      模型校核的技术实践是空间句法进一步运用在城市设计中的难点,以往空间句法模型的检测与校核工作主要使用交通流量和空间句法参数之间的线性拟合优度,但受制于获取数据的成本问题,这种方法在数据获取上存在一定的难度。基于当前大数据应用于城市分析的趋势,本文提出使用城市兴趣点(Point of Interest,简称“POI”)进行模型校核 ( 图 3)。POI 作为一种新的空间数据源,其分布模式、分布密度在基础设施规划、城市空间分析中具有重要的意义。这一校核的基本原理为:POI表达了城市各类设施集聚的空间特征,是表征城市商业和人流特征的重要数据类型,根据人流及车流的活动半径,以及不同用地类型及设施等级的差别,可以将POI数据划分为车行与人行两个基本类别。校核计算首先计算这两个基本类别的聚类分布,并将此聚类分布与句法模型不同半径的整合度计算进行相关性分析,通过不同半径的相关性比较,以较大相关性结果对应的整合度半径,作为判断句法模型合理性以及选取规划方案分析半径的依据。

(四)方案代入:流程融入与方案评价

      在实际的城市规划设计流程中,针对现存问题提出多个解决方案,并通过比较各方案的优劣,选择出最优方案,或针对某一基准方案中可能存在的问题进行多轮的方案调整验证,是保证方案严谨性的重要步骤。事实上,空间句法基于建模量化分析的范式,为其在城市设计方案代入与验证步骤中的运用提供了支撑,其在设计方案评价与辅助决策支持中的运用也具有广泛前景。近年来,已有部分学者将空间句法运用在设计方案的分析中,如伍敏等人在所著的论文中,对空间句法在苏州城市总体设计和北京商务核心区东扩区设计竞赛两个案例中的运用进行了论述,强调了空间句法在方案验证评估以及基于评估结果的多轮方案代入运用的重要性;徐璐等人在运用空间句法分析南京市河西地区空间结构时,也通过空间句法对最终方案的代入评价,论证了设计方案的合理性。综上,在现状分析、模型校核之后,空间句法应被进一步运用到对设计方案的评价中,一方面基于量化计算发现现存方案的不足,论证现存方案是否解决了已有的问题;另一方面可通过方案的多轮代入,最终形成最优的提升型方案,为城市设计提供决策支持。
      上述基于城市设计角度对空间句法应用的技术分析,为在整体上构建二者技术和流程的融合奠定了基础。在城市设计的应用实践中,其流程一般包括现状调研、前期分析、方案设计、方案评估与优化四个主要阶段。在不同工作阶段中,工作内容与空间分析的需求各不相同,空间句法分析也需要得到针对性的应用。表1对不同阶段城市设计需要解决的问题以及空间句法应用进行了概括和总结。

三  城市设计工作流程的融合与案例分析

(一)规划区概况与空间句法线段模型建立

      侵华日军南京大屠杀遇难同胞纪念馆 ( 以下简称“纪念馆”) 及其周边地区城市设计是该纪念馆自 2014 年开始举行国家公祭活动,在对周边地区交通、环境和安全提出新的要求的背景下开展的。规划区地处南京市老城区向西拓展轴线上,设计范围与研究范围的面积分别约为 330hm²与 1338hm²,是河西新城发展的重要区域。在规划区研究范围内,现状道路网体系基本形成,水西门大街、汉中门大街和江东中路为城市主干路。规划区以江东中路为界,西侧为新开发区域,支路路网结构还未形成,路网密度不足;纪念馆南侧主要为居住区,南部东侧老城区支路网密集,道路可达性高,南部中间区域道路网密度有所不足,支路少,对于南侧高可达性的商业需求尚不能满足。
      考虑边界效应,此次研究将规划区置于南京市中心区内进行分析(图4),空间句法建模范围包括南京市中心城区( 鼓楼区、秦淮区、玄武区、建邺区、浦口区、栖霞区、六合区和江宁区)80%以上的路网,具体数据采集以Google地图道路网为基础,建立空间句法线段模型,空间片段数量共计19073条。

(二)基于POI的句法模型校核

      线段模型校核基于POI数据完成。研究首先获取2015年南京市中心区POI数据共50005条,将获取的POI节点划分为小型购物节点、大型购物节点、生活服务节点和汽车服务节点四大类别,计算5个经验半径下的空间句法线段模型,并求得模型中整合度、穿行度两个参数与POI数据分布的相关系数(图5)。计算结果表明,整合度 (0.5km) 与四类 POI 节点相关系数都低于 0.4,因此0.5m 并不是合适的半径。同时,商业性的生活服务节点、购物节点与空间句法参数相关性普遍较高,相关性一般高于 0.4,表明所建立的线段模型与城市实际功能分布具有较高的吻合度,可应用于后续城市设计方案分析,是具有较高可信度的线段模型。

(三)基于句法分析的规划方案完善与优化

      总体上看,基于空间句法的规划方案完善与优化是指在规划区现状空间句法参数计算和评价的基础上,提炼现状空间句法特征和梳理存在问题,并据此进行规划方案的比选、完善和优化。具体到此次城市设计的用地及路网方案优化中,是在现状分析的基础上提出空间优化策略,同时以规划区已经编制的控规方案为基础进行方案优化和调整,最后进行方案优化之后的空间句法参数评价。在这一过程中,方案调整和优化可能进行多轮评价,其主要过程包括如下步骤(图6)。

(1)规划区现状句法特征评价。

     研究基于空间句法对规划区进行建模分析(图6中表达为“现状”),主要包括局部整合度(半径为5km)、全局整合度(半径为50km)和全局穿行度(半径为50km)三个具有代表性的参数,分析发现:①区域整合度、局部整合度(半径为5km)较低,仅在东部居民区(茶亭社区一带)出现整合度次核心,这反映出规划区东部居民区及其周边的居民局部出行较多,而纪念馆附近路段仅水西门大街在该尺度上的整合度偏高,但并未与东部居民区相连接;②规划区东部全局整合度(半径为50km)较高,反映出该区域对出行半径较远的交通流具备较高的吸引力,而纪念馆周边路网整合度较局部尺度有所增加,但总体来说仍偏低;③规划区全局穿行度(半径为50km)除纪念馆西面的江东路穿行效应较强,承接较多南北向穿越式车流外,高值路段并未呈现出连续完整的网络结构。

(2) 基于句法特征的规划区空间优化策略。

      在句法理论的支持下,空间在聚集性(整合度)与穿越性(穿行度)方面的优化,可以从对句法参数优化的角度出发,提出以空间品质提升为目标的空间优化策略和思路:①片区东部具备较高的发展潜力而西部潜力不足,应通过对路网的调整,提升区域西部的整合度;②纪念馆及周边区域对近距离出行人流吸引力较弱,应进行针对性的加强;③纪念馆西侧的江东路承接了较多的穿行性车流,通勤压力较大,应考虑增加纵向疏导车流的干道;④纪念馆南侧的水西门大街和北侧的汉中门大街两条主干道相距太近,会引起局部交通量过大,可通过调整路网等级,优化路网结构;⑤纪念馆南侧区域局部整合度与全局整合度较低,与其商业职能仍有待相互协调。

(3)初步方案的优化与完善。

      规划区已有的控规方案为《南京市河西新城区北部地区控制性详细规划(修编)》(图6中简称“控规方案”),研究根据前一步骤的规划区空间优化策略,以此控规方案为初步方案进行优化后,提出新一轮方案(图6中建成的“优化方案”)。该优化方案的内容包括:①连通江东北路西侧浦江路与漓江路,吸引旧城中心(夫子庙、新街口一带)的人流,在区域内形成新的南北干道,以分担江东中路的交通流;②针对纪念馆周围局部整合度低、片区西部发展潜力不足等问题,着重增加片区的支路网,打通街区内支路与次干道的联系,提高街区支路的通过性,提升路网的通达性;③为使路网形态适应纪念馆南侧商业功能的需求,对纪念馆南部路网进行梳理和加密。

(4)优化方案的空间句法参数评价。

      优化方案的全局整合度、局部整合度和全局穿行度的均值,较之现状路网以及控规路网对应的句法参数均有一定的提升,结合图 6 可总结出方案在以下三个方面的优势:①从未来城市发展的角度看,方案通过打通及增加南北、东西向干道,组织起区域与南京市旧城中心的联系,提高了区域的吸引力,使区域在规划结构上得以成为一个未来新城市中心。②从城市功能分配的角度看,方案通过打通街区支路、增加支路密度等方式,增强了纪念馆及其周围的局部整合度,形成了区域中心,并与莫愁湖一带的区域中心连片,同时盘活了纪念馆南侧的商业空间。此外,方案削弱了东南侧附近老居民社区的全局整合度,减弱了其对远距离出行游客的吸引力,更好地适应了其以居住为主的职能。③从交通流合理分配的角度看,方案中形成了等级鲜明、结构完整的道路网体系,多条东西及南北干道的穿行度较高,构成了较均质的网络,对片区内车流量( 尤其是对于国家公祭日等高峰出行节假日 ) 的疏散起到了正面效果。

四 结语

      空间句法在城市设计中得以运用的基础在于其与城市设计在空间理解上存在内在一致性。在城市设计不同阶段的句法应用实践中,需要把握若干关键技术:首先,基于真实路网的线段模型已成为空间句法在城市设计中最主要的句法模型。其次,句法分析往往围绕整合度与穿行度两个参数展开,整合度已较多运用在以往的研究实践中,而随着标准化穿行度的提出,与交通流量更具相关性的穿行度也同样需要城市规划师们熟练掌握。再次,要提升对空间句法模型校核的重视,尤其是在大数据的背景下,基于城市功能点等数据能丰富模型校核的手段。最后,要注重基于空间句法的城市设计方案代入分析,发挥空间句法建模简单、计算结果直观等优势。
      空间句法在城市设计中的应用存在一些瓶颈,与此次研究内容相关的瓶颈涉及句法参数与其他专业的协调,以及句法模型的适用性等方面:一是空间句法包含众多参数,当运用在城市设计中时,这些参数如何与城市设计相关的不同专业进行协调是需要特别关注的问题。城市设计中诸如交通规划与用地规划具有特定的叙述逻辑,空间句法如何融入这些叙述逻辑并能够为相关专业的从业人员所理解,仍然存在自身的参数适用性以及参数概念的专业性内涵与外延解译问题。例如,对于城市设计中的交通问题,希列尔等学者曾指出穿行度与城市交通的相关性更强,然而部分实证研究结果显示整合度往往更契合城市的交通状况。那么,在解决城市设计中的交通问题时,整合度和穿行度孰优孰劣?二是为适应大尺度城市设计、提高模型的建模效率以及解决模型构建的多义性问题,线段模型被认为是轴线模型之后句法应用最重要的模型类型。对于线段模型的建立,一方面需要考虑模型建立的数据规范性问题,特别是如何与交通规划中关于道路等级的定义相结合,以使得线段模型不仅能在不同的建模区域具有一致的道路密度,还能考虑与交通规划建立可协调的路网基础;另一方面需要考虑的是线段模型的校核问题,完整的模型校核工作至少应包含分析半径筛选和句法模型的可靠性检验两项内容。传统基于现场的模型校核存在工作量巨大、难以广泛推广的问题。本文提出基于POI的句法校核较好地解决了这一问题,为未来句法模型校核的广泛应用提供了创新思路,但在POI数据本身的完整性及校核模型的适用性等方面,需要有基于现场的调研与进一步的论证,这是下一步研究需要进一步深入的方面。
      随着国内外空间句法理论的发展,对空间句法的改进也在逐步进行。对于城市规划师,应在实际工作中尽量避开空间句法具有局限性的部分,同时注重空间句法与城市设计各流程运用的对应性和问题指向性;对于城市研究学者,应通过实证研究进一步检验空间句法在城市设计中的运用价值。

文章全文详见《规划师》2018年03期《基于空间句法的城市设计方法与流程融合机制构建》


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