楊 滔 羅維禎 林旭輝 鄧成汝 YANG Tao, LUO Weizhen, LIN Xuhui, DENG Chengru

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化由外延式擴(kuò)張向內(nèi)涵式提升方向轉(zhuǎn)型發(fā)展，城市更新過程中對于土地容量與價值的判斷變得越來越迫切，而這又與建成環(huán)境的幾何形態(tài)構(gòu)成密切相關(guān)。這在本質(zhì)上回歸到劍橋大學(xué)馬丁研究中心于20世紀(jì)60年代提出的研究問題，即怎樣的建設(shè)形態(tài)才能最好地利用土地價值。他們討論諸如大街坊、小街坊及院落等不同的建筑物布局形態(tài)（見圖1），同時也辨析了街道空間結(jié)構(gòu)對于土地價值的影響[1]。這對于后續(xù)各種流派的城市空間形態(tài)研究都有深刻影響。從我國實(shí)踐角度而言，控制性詳細(xì)規(guī)劃重點(diǎn)關(guān)注用地結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、交通市政構(gòu)成、公共服務(wù)設(shè)施布局等，城市設(shè)計(jì)則從日照、行為模式、微環(huán)境、美學(xué)、業(yè)態(tài)運(yùn)營等角度對三維幾何形態(tài)進(jìn)行更為深入的剖析，而這兩方面又彼此關(guān)聯(lián)互動，并都對土地容量與價值有直接影響。這可回歸到地塊上構(gòu)筑物的三維形態(tài)與更大范圍的空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的抽象互動中，也可探討城市形態(tài)與城市功能的多元聯(lián)動，還可辨析城市中跨專業(yè)、跨行業(yè)、跨部門的協(xié)同設(shè)計(jì)。

圖1 大街坊、小街坊和院落的布局形式Fig.1 The layout of the main street, the small street, and the courtyard

本文試圖從理論上回歸到城市這個復(fù)雜巨系統(tǒng)的本源，探究跨專業(yè)的子系統(tǒng)基于人的行為對城市空間形態(tài)的互動性作用力，同時強(qiáng)調(diào)在數(shù)字模擬環(huán)境中，人對各種變量或參數(shù)的選擇而仿真各個子系統(tǒng)的彼此演進(jìn)，在人機(jī)互動的過程中優(yōu)化城市巨系統(tǒng)的涌現(xiàn)機(jī)制。在這種意義上，本文引入信息科學(xué)中人工演進(jìn)（artificial evolution）的概念，即計(jì)算模型或仿真可根據(jù)人對變量與參數(shù)的選擇，形成自動演進(jìn)的算法，從而模擬人干預(yù)下的系統(tǒng)演進(jìn)過程[2]；研究人機(jī)互動下人工城市系統(tǒng)的演進(jìn)模式，試圖建立起科學(xué)的洞察力，明晰城市原初系統(tǒng)的核心要素及其關(guān)聯(lián)，即元城市系統(tǒng)。

基于此，本文期望以數(shù)字化的方式去模擬城市空間形態(tài)的生成，而其過程又依賴于人參與建構(gòu)和運(yùn)行城市各個系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律。從方法角度，本文力圖從城市空間形態(tài)入手，逐步建構(gòu)城市其他系統(tǒng)與之的聯(lián)動關(guān)系，搭建初步的元城市系統(tǒng)。

1 理論基礎(chǔ)

元城市系統(tǒng)的建立基于對城市科學(xué)經(jīng)典理論的深入研究，從復(fù)雜系統(tǒng)、新陳代謝、可持續(xù)發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)理論、空間句法、形狀語法等，試圖建構(gòu)不同尺度的城市空間形態(tài)生成與社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境動態(tài)交互的理論模型，強(qiáng)化“空間—實(shí)體—規(guī)則”之間的多維度聯(lián)動，試圖讓城市科學(xué)與城市藝術(shù)有機(jī)融合。

1.1 生成式設(shè)計(jì)

借助計(jì)算機(jī)算法，人們對城市空間形態(tài)的生成進(jìn)行了一定的探索，如生成式設(shè)計(jì)。一般而言，這是指使用者在定義設(shè)計(jì)目標(biāo)和條件約束后，運(yùn)用算法快速生成設(shè)計(jì)方案，為設(shè)計(jì)師等相關(guān)利益方提供決策輔助[3]。其中開發(fā)人員對業(yè)務(wù)場景進(jìn)行探索，把設(shè)計(jì)生成的邏輯結(jié)構(gòu)化和規(guī)則化，并提供可視化平臺[4]4。

目前生成式設(shè)計(jì)主要有兩大類。

第一類是將城市設(shè)計(jì)方案抽象為大量相關(guān)變量的未知函數(shù)。該技術(shù)路徑借助城市設(shè)計(jì)方案和對應(yīng)相關(guān)變量的大規(guī)模訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過長時間的模型訓(xùn)練，得到穩(wěn)定的輸入與輸出關(guān)系，并結(jié)合城市設(shè)計(jì)場地的具體信息生成方案，輔助決策[4]10。案例包括小庫科技的xkool和谷歌公司的Delve。小庫科技于2017年5月開發(fā)SaaS產(chǎn)品小庫xkool系統(tǒng)[5]，根據(jù)設(shè)計(jì)師導(dǎo)入的場地信息對設(shè)計(jì)場地進(jìn)行多維分析、智能測算，并自動生成排布方案。谷歌公司旗下的AI生成式設(shè)計(jì)工具Delve[6]可通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法生成大量設(shè)計(jì)方案，并快速評估。但該方法前期依賴極大規(guī)模的訓(xùn)練樣本，且模型訓(xùn)練時間也較為漫長。由于方案生成規(guī)則僅依靠機(jī)器對訓(xùn)練樣本的學(xué)習(xí)，其自動生成的建筑和城市設(shè)計(jì)方案仍難免存在不符合形態(tài)生成邏輯的問題。

第二類是基于實(shí)際業(yè)務(wù)邏輯，通過人工直接把城市設(shè)計(jì)方案梳理為相關(guān)變量明確的函數(shù)關(guān)系，通過運(yùn)籌學(xué)算法尋找最優(yōu)解，快速生成符合輸入條件的結(jié)果。這類也有廣泛應(yīng)用的案例。KPFui開發(fā)的XIM天際線工具[7]基于用戶描繪的天際線生成建筑大致輪廓，并輔助用戶平衡容積率與城市天際線的矛盾；Doraiswamy等[8]通過建立建筑設(shè)計(jì)方案與視覺參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)生大量建筑設(shè)計(jì)體塊方案。但是大部分研究仍僅基于較為單一維度的參數(shù)自動生成方案。

本文不是從技術(shù)方法角度來切入城市空間形態(tài)生成，而是回歸到與之相關(guān)的城市作為系統(tǒng)的科學(xué)理論，先探究其可能的內(nèi)在建構(gòu)式的系統(tǒng)機(jī)制。

1.2 復(fù)雜系統(tǒng)的可持續(xù)建構(gòu)

首先，本文探究城市作為復(fù)雜系統(tǒng)論的理論。這是研究系統(tǒng)各組件之間關(guān)系如何引起系統(tǒng)的集體行為，以及系統(tǒng)與其周邊環(huán)境的相互作用。在1960年代，Mumford[9]將城市比喻為機(jī)器，這曾是系統(tǒng)論在城市領(lǐng)域的重要應(yīng)用。在隨后的研究中，將城市類比為有機(jī)生命體的論述[10]得到業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)同。這種轉(zhuǎn)變是系統(tǒng)論向復(fù)雜系統(tǒng)論的遞進(jìn)，同時更符合城市復(fù)雜多變的特點(diǎn)。復(fù)雜系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)之間的動態(tài)聯(lián)系和協(xié)同，比如交通系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的關(guān)系等。通過對各開放系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間反饋循環(huán)關(guān)系的建模，城市中不同客體、組團(tuán)、系統(tǒng)之間可形成緊密關(guān)聯(lián)[11]。

在復(fù)雜系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上，城市新陳代謝理論（urban metabolism）將城市看作類似人體的有機(jī)生命體。此生命體通過從系統(tǒng)外部攝入資源進(jìn)行本體活動，最后產(chǎn)生廢品作為輸出端從系統(tǒng)排出（見圖2）。此理論強(qiáng)調(diào)，原料、能源、水、食物等在城市生態(tài)系統(tǒng)中的流動方式定義了城市健康指數(shù)和可持續(xù)性。

圖2 城市新陳代謝理論模型Fig.2 Urban metabolism theoretical model

作為有機(jī)生命體，城市各個系統(tǒng)之間需建立可協(xié)同優(yōu)化的機(jī)制。哈佛大學(xué)可持續(xù)規(guī)劃導(dǎo)則（ZOFNASS）項(xiàng)目提出一種可持續(xù)規(guī)劃導(dǎo)則框架，包括5大發(fā)展目標(biāo)地主、7大城市系統(tǒng)和4大空間層級。其中，7大城市系統(tǒng)為：景觀、交通、水資源、能源、固態(tài)垃圾、信息和食物供給系統(tǒng)[13]，通過將各系統(tǒng)與城市用地方案接駁，構(gòu)建城市規(guī)劃多維協(xié)同模型。

1.3 網(wǎng)絡(luò)理論下的形態(tài)生成機(jī)制

城市復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化協(xié)同機(jī)制從網(wǎng)絡(luò)理論角度更具有操作性和解釋性。網(wǎng)絡(luò)理論是圖論（graph theory）的一部分，可用于解釋城市內(nèi)部非空間的交流，包括萬維網(wǎng)、社會網(wǎng)絡(luò)、知識論網(wǎng)絡(luò)等[14]。城市是人類社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境等活動的集合體，以流動和場所為主體的各類活動，都可被抽象為要素之間的聯(lián)系和節(jié)點(diǎn)，共同構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無論是傳播于社交網(wǎng)絡(luò)中的信息（見圖3），還是傳播于城市微環(huán)境中的疫情病毒，都可基于網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行模擬和解釋。

圖3 表達(dá)社交網(wǎng)絡(luò)上千個用戶的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Graph representing thousands of users on social network

從圖網(wǎng)絡(luò)的角度，空間句法認(rèn)為城市空間形態(tài)不是社會經(jīng)濟(jì)活動的靜態(tài)背景，而是社會經(jīng)濟(jì)活動的一部分，即城市空間形態(tài)的設(shè)計(jì)、建構(gòu)、體驗(yàn)、更新、拆除等就是社會經(jīng)濟(jì)活動的自然組成部分[16]。在此理論下，空間句法提出“空間—非空間”一體化模型，即自然地理空間、市政基礎(chǔ)設(shè)施空間、房屋立面空間、社會經(jīng)濟(jì)空間、文化習(xí)俗空間、乃至游戲故事與自然氣候等非空間因素，通過多層次的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)彼此聯(lián)系起來[17]，從而用于揭示物質(zhì)空間網(wǎng)絡(luò)形態(tài)與功能運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，解釋城市中空間環(huán)境行為、非空間影響機(jī)制、形式與功能互動模式等?；诖罅康膶?shí)證案例研究，空間句法認(rèn)為人們對社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的平衡發(fā)展追求將會以獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)建設(shè)與運(yùn)行過程體現(xiàn)出來，即“空間結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性”[18]。

在更微觀的層面上，基于建筑實(shí)體的形式邏輯規(guī)則，形狀語法（shape grammar）提出自動生成建筑物和城市實(shí)體的路徑（見圖4）。該方法通過規(guī)則構(gòu)建、形狀選擇和模塊組合等步驟，快速生成符合需求的幾何形態(tài)[19]。形狀語法通常遵循自下而上的順序，以最小形狀單元為起點(diǎn)，按照預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行組合和變化，最終構(gòu)成一個完整的幾何圖形[20]，其中所設(shè)定的規(guī)則集和生成步驟是一種建筑內(nèi)在邏輯的表達(dá)[21]。近年來，形狀語法在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多[22]。

圖4 形狀語法基于旋轉(zhuǎn)規(guī)則生成形狀的示意圖Fig.4 A shape grammar demonstrates rotation by 45 AE

2 方法框架

基于上述理論研究，本文提出3種形態(tài)生成方法，包括圖網(wǎng)絡(luò)下的物質(zhì)空間形態(tài)生成、運(yùn)籌優(yōu)化的實(shí)體形態(tài)生成和參數(shù)化的城市系統(tǒng)生成。在生成過程中，設(shè)計(jì)師進(jìn)行方案創(chuàng)作的要素將被充分考慮，作為系統(tǒng)生成的必要因素。

2.1 圖網(wǎng)絡(luò)下的空間形態(tài)生成

進(jìn)行方案創(chuàng)作時，物質(zhì)空間幾何形態(tài)的構(gòu)思是出發(fā)點(diǎn)之一；同時，此構(gòu)思與用地、交通、市政、社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面的互動也是必不可少的，但這一部分的關(guān)聯(lián)性構(gòu)思仍然存在很大的感性認(rèn)知成分。該系統(tǒng)借鑒了空間句法的理論基礎(chǔ)，即幾何形態(tài)本身也能體現(xiàn)行為模式；同時也強(qiáng)調(diào)空間形態(tài)的生成可來自人們的方案構(gòu)思本身。

對于空間要素，系統(tǒng)采用空間句法的定義，體現(xiàn)為4種常用表達(dá)模式，即像素點(diǎn)、軸線或線段、凸空間和等視域（isovist）。像素點(diǎn)是空間分割的方格塊，對應(yīng)于個體、物體或事件所占據(jù)的空間，一般根據(jù)分析對象的大小來確定。軸線為最長的且最少遍歷覆蓋空間的直線集合，對應(yīng)于視線或行走趨勢；而線段則是兩交叉口之間的線段，對應(yīng)于行走軌跡或趨勢。凸空間作為從每個局部點(diǎn)出發(fā)延伸出去所占據(jù)的最大空間，且任意兩點(diǎn)之間的直線連線與其邊長不交叉，對應(yīng)于人們的對視、聚集、交談。等視域是從每個局部點(diǎn)向四周看出去，由空間邊界和視線所圍合的最大空間，對應(yīng)于個人看周邊環(huán)境的行為。這些空間要素都可抽象為一個點(diǎn)，而它們之間的交叉或重疊等則抽象為連接，共同構(gòu)成了圖網(wǎng)絡(luò)，用于分析每個空間要素在網(wǎng)絡(luò)之中的重要程度，如距離其他空間要素的遠(yuǎn)近等[24]。

根據(jù)實(shí)證研究，城市空間形態(tài)在擴(kuò)張過程中遵循雙參數(shù)的韋伯函數(shù)。其中，一個參數(shù)用于描述每條街道到達(dá)其他街道的拓?fù)渚嚯x；另一個參數(shù)描述每條街道在分析半徑增加情況下連接到其他街道的數(shù)量。它們彼此制約，前者體現(xiàn)空間形態(tài)線性延伸的增長動力，后者體現(xiàn)團(tuán)狀聚集的增長動力[25]。

同時，空間句法的研究也表明街道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方式影響著交通出行，進(jìn)而影響用地的分布情況；而用地本身的吸引力又影響著空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。這是一個反復(fù)迭代的過程，其結(jié)果使得特定的交通流和用地在特定的半徑下分布在對應(yīng)的街道中[26]。例如，中小規(guī)模的商業(yè)用地將會對應(yīng)于在大尺度與小尺度可達(dá)性都較高的街道等[27]。以此，街道網(wǎng)絡(luò)、出行交通、用地性質(zhì)等將會彼此關(guān)聯(lián)起來，共同構(gòu)成空間形態(tài)，作為下一步實(shí)體形態(tài)生成的基礎(chǔ)。

2.2 運(yùn)籌優(yōu)化的實(shí)體形態(tài)生成

針對實(shí)體形態(tài)生成，本文參考了兩種方法：一是依托建筑邏輯的規(guī)則建模，二是生成對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GAN）的方法。兩種方法最終目的都是應(yīng)用算法自動生成建筑空間形態(tài)，且遵守建筑規(guī)范，滿足規(guī)劃要求。但這兩種方法由于底層邏輯的差別而明顯不同。規(guī)則式生成遵循建筑設(shè)計(jì)的內(nèi)在明確邏輯，是建筑師和算法工程師可自主控制的，但缺點(diǎn)是該方法通常需要使用迭代方法進(jìn)行多次生成和判斷。GAN建筑生成方法的優(yōu)勢在于生成結(jié)果非常生動，且速度較快，不需做多次迭代。但該方法需要進(jìn)行長時間的模型訓(xùn)練和參數(shù)調(diào)整，且生成結(jié)果的形態(tài)和質(zhì)量極大程度取決于樣本質(zhì)量。

本文試圖研發(fā)另一種自生成算法，該算法滿足如下要求：（1）遵循建筑設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃的內(nèi)在邏輯；（2）生成結(jié)果的重點(diǎn)指標(biāo)需盡可能接近規(guī)劃方案所設(shè)定的地塊目標(biāo)參數(shù)；（3）生成速度快，排除迭代算法在生成過程的應(yīng)用；（4）以數(shù)生形，建立參數(shù)與形態(tài)的強(qiáng)因果關(guān)系，降低空間形態(tài)的不確定性。

為滿足上述要求，首先需要對城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)的核心邏輯進(jìn)行總結(jié)歸納，構(gòu)建相關(guān)數(shù)據(jù)庫（包括面寬、進(jìn)深、標(biāo)準(zhǔn)層面積、層高、功能活躍度等）和各類功能的建筑、用地性質(zhì)的空間組織結(jié)構(gòu)規(guī)則庫。其次，提出“算量”概念，其目標(biāo)是保證所生成的建筑體塊滿足規(guī)劃要求。實(shí)現(xiàn)此功能的思路是將問題抽象為限定條件下的優(yōu)化問題，使用運(yùn)籌學(xué)的相關(guān)算法快速解決。該方法與以遺傳算法為代表的迭代生成方法在邏輯層面最大的不同是：遺傳算法是在每一代中尋找接近目標(biāo)的基因組，并不斷進(jìn)行變異和選擇，直到找見小于所設(shè)定容差的組合，屬于啟發(fā)式發(fā)展[28]，會有較大幾率落于局部最優(yōu)，且尋優(yōu)的難度會隨著自變量數(shù)量的增加而顯著增加；而基于運(yùn)籌學(xué)的方法則是通過構(gòu)建問題模型，在限定條件下求目標(biāo)函數(shù)極值的過程，因此該方法速度極快且準(zhǔn)確率高。最后是“生形”，該方法極大地繼承了形狀語法理論，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的相關(guān)算法，自下而上分層次生成地塊中的建筑體塊。

總體而言，該算法包括3個模塊，分別是基于規(guī)劃建筑專業(yè)的業(yè)務(wù)規(guī)則庫、基于運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化定量和基于形狀語法的形態(tài)生成。

2.3 參數(shù)化的系統(tǒng)生成

參數(shù)化概念可以很好地解決參數(shù)可控這個問題。提起參數(shù)化生成設(shè)計(jì)，人們更多地會聯(lián)想到其美學(xué)上的識別性，即有序復(fù)雜的優(yōu)雅和無縫流動感[29]10，而這只是其原則性內(nèi)核的一種外在表現(xiàn)形式。參數(shù)化的實(shí)質(zhì)是將一個物體中每個部分的約束條件，以及各部分之間的關(guān)系用可變的數(shù)值表示[29]11，任何一個部分的改變都會引發(fā)其他部分的關(guān)聯(lián)性改變。因而，任何用數(shù)學(xué)關(guān)系連接的自變量（自然因素、社會因素和技術(shù)因素）和因變量（建筑的幾何形態(tài)）[30]均屬于參數(shù)化生成設(shè)計(jì)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)屬于技術(shù)層面的概念，面對城市規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用，則還需其他經(jīng)典理論支撐，如模式語言（pattern language）[31]和精明準(zhǔn)則（smart code）[32]。本文探索了如何利用數(shù)學(xué)關(guān)系描述城市設(shè)計(jì)三維形態(tài)，最終構(gòu)建出可用參數(shù)控制的生成式設(shè)計(jì)算法模型。

本文通過大量的案例學(xué)習(xí)和業(yè)務(wù)分析，總結(jié)城市空間典型形態(tài)類型，抽取建筑主要參數(shù)，形成業(yè)務(wù)規(guī)則庫，最終構(gòu)建出高效準(zhǔn)確、參數(shù)可控、目標(biāo)限定的城市設(shè)計(jì)自動生成算法模型和工作流程。

3 功能體系

基于理論基礎(chǔ)和主要方法，遵循規(guī)劃師、設(shè)計(jì)師和建筑師進(jìn)行方案創(chuàng)作的原則，本文初步構(gòu)建了一套功能體系，尋求城市物質(zhì)空間形態(tài)的人工演進(jìn)如何與各專業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律相互協(xié)同與匹配，輔助城市空間形態(tài)及其相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境屬性關(guān)系的生成，推動精細(xì)化的城市設(shè)計(jì)與控規(guī)協(xié)同。

如圖5所示，該體系分為4個模塊，分別為控規(guī)方案制定、三維形體生成、多維量化評估和人機(jī)交互調(diào)整，其中包括空間行為形態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析、用地功能與公共服務(wù)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分析、三維形態(tài)生成、專業(yè)協(xié)同評估、人機(jī)互動調(diào)整等功能。各模塊彼此聯(lián)動，形成控制性詳細(xì)規(guī)劃與城市設(shè)計(jì)的協(xié)同機(jī)制。

圖5 功能體系Fig.5 The functional system

每一個閉環(huán)開始于控規(guī)方案制定，來自用戶提供或系統(tǒng)推薦?？匾?guī)方案提供了二維用地?cái)?shù)據(jù)和參數(shù)，經(jīng)過形體生成模塊實(shí)現(xiàn)信息升維；多維量化評估模塊使用上一模塊提供的三維幾何載體，進(jìn)行多專業(yè)量化分析模擬；分析結(jié)果可輔助設(shè)計(jì)師對方案進(jìn)行研判，并選擇優(yōu)化方向和策略，以人機(jī)交互的模式，對控規(guī)方案進(jìn)行修改；修改后的方案再次進(jìn)入模塊一，開始下一輪循環(huán)。

3.1 空間與行為形態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析

世界上多種多樣的建成環(huán)境形態(tài)源于人類活動的多樣性。人們從城市形態(tài)中所獲得的信息會影響到人們與其周圍環(huán)境交互的方式，繼而影響到身處其中的人們的行為特征[33]233。為了讓環(huán)境變得有意義且使人們使用起來感到舒適，城市形態(tài)與功能之間關(guān)系的研究便變得十分重要[33]233。

在空間形態(tài)方面，系統(tǒng)初步對路網(wǎng)的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，這是由于路網(wǎng)結(jié)構(gòu)是城市發(fā)展的骨架。路網(wǎng)的形式、密度及周邊用地性質(zhì)與開發(fā)強(qiáng)度等將會影響人們的行為規(guī)律和資源的流動，進(jìn)而作為重要因素決定城市是否能可持續(xù)發(fā)展。常用的指標(biāo)來源于空間句法理論，包括標(biāo)準(zhǔn)化全局整合度、標(biāo)準(zhǔn)化全局選擇度等[34]。

在個體行為形態(tài)方面，當(dāng)個體行為共同構(gòu)成大規(guī)模規(guī)律時，人群的集體行為又會影響到城市社會經(jīng)濟(jì)等層面的具體問題。由于大眾數(shù)據(jù)源的出現(xiàn)很好地補(bǔ)充了官方數(shù)據(jù)源，適合于對人的行為活動進(jìn)行補(bǔ)充描述，并用于研究城市形態(tài)和人的行為活動之間的關(guān)系[35]。系統(tǒng)依托規(guī)劃設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)城市空間與行為之間的規(guī)律，綜合考慮“自上而下”與“自下而上”的發(fā)展路徑，建構(gòu)起空間與行為形態(tài)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析模塊[36]。

3.2 用地功能與公共服務(wù)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分析

在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，地塊性質(zhì)、開發(fā)強(qiáng)度、公共服務(wù)設(shè)施是重點(diǎn)考慮要素，特別是近年來不斷強(qiáng)調(diào)生活圈的概念，期望通過5分鐘、10分鐘、15分鐘等不同覆蓋范圍的生活圈，合理分配用地和公共資源。然而，生活圈的規(guī)模和劃定又與各地塊的用地性質(zhì)、人口、開發(fā)強(qiáng)度等密切相關(guān)，需要采用均衡或最優(yōu)解的算法來應(yīng)對。系統(tǒng)除了采用諸如《居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[37]《城市道路公共交通站、場、廠工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[38]《城市公共設(shè)施規(guī)劃規(guī)范》[39]等規(guī)范，還考慮受投資收益、城市密度分區(qū)、城市視線通廊等因素的影響。

在模型上，選擇空間句法算法和基于運(yùn)籌學(xué)優(yōu)化算法的結(jié)合?？臻g句法理論提出“前景網(wǎng)絡(luò)”與“背景網(wǎng)絡(luò)”理論[40]，與“生活圈”概念具有一定的相似性?！扒熬熬W(wǎng)絡(luò)”為“城市各類中心彼此聯(lián)系而構(gòu)成的空間網(wǎng)絡(luò)，常常與主干道有一定的重合性”；“背景網(wǎng)絡(luò)”為“城市中非中心性的、以居區(qū)為主的空間網(wǎng)絡(luò)”。其中，不同的尺度中，前景或背景網(wǎng)絡(luò)具有不一樣的空間影響范圍。根據(jù)此理論，可確定不同用地與各類各等級公共服務(wù)設(shè)施的選址。

同時，系統(tǒng)還結(jié)合重力模型，考慮離散和連續(xù)優(yōu)化在內(nèi)的運(yùn)籌學(xué)算法[41]。其算法的目標(biāo)是，在一系列的限制下，依據(jù)設(shè)施使用者的需求布置設(shè)施的位置，以使代價函數(shù)最小化[42]。

3.3 三維形態(tài)生成

在實(shí)踐中，規(guī)劃師需要面對不同類型用地，推敲相關(guān)指標(biāo)的設(shè)定，并優(yōu)化地塊所對應(yīng)的具象三維城市形態(tài)及其對應(yīng)的人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境性能等。該過程必然包含從抽象用地指標(biāo)到具象三維形態(tài)的生成工作[43]。然而，如果設(shè)計(jì)范圍較大，基于控規(guī)指標(biāo)對所有地塊進(jìn)行手動建模所投入的人員與時間成本則較高[44]8。

面向規(guī)劃實(shí)踐的城市三維模型自動生成方法采用如下算法。一方面，針對用地功能組合形式及建筑形式的風(fēng)格選擇問題，通過大規(guī)模數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，抽取實(shí)踐設(shè)計(jì)中較為常見的組合形式及建筑形態(tài)，并建立相對獨(dú)立的原型，以便復(fù)用。另一方面，基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提取設(shè)計(jì)師常用的設(shè)計(jì)指標(biāo)，例如用地性質(zhì)、地塊容積率、地塊建筑密度等參數(shù)[45]；同時，結(jié)合相關(guān)規(guī)范作為輸入約束，通過運(yùn)籌學(xué)求最優(yōu)解的方法，將上述輸入?yún)?shù)、規(guī)范限定與自動生成問題轉(zhuǎn)化為帶約束的線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型[46]，求最優(yōu)解，找出地塊內(nèi)符合該指標(biāo)的建筑形態(tài)。

3.4 專業(yè)協(xié)同評估

多專業(yè)協(xié)同評估是一種點(diǎn)與中心的信息交流模式，各參與方之間的信息交流具有唯一性與連續(xù)性[47]。該信息溝通模式將來自不同專業(yè)的數(shù)據(jù)整合在一個平臺上，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)內(nèi)、專業(yè)間的數(shù)據(jù)交流和信息最大化共享，從而保證了城市設(shè)計(jì)的高效率、高質(zhì)量和可持續(xù)性[48]。

在系統(tǒng)中，規(guī)劃方案、能源方案、交通方案、固廢處理方案，以及碳排放計(jì)算模型等需在規(guī)劃設(shè)計(jì)的前期就進(jìn)行詳細(xì)的整合。此處的“整合”并不是將不同方案統(tǒng)一坐標(biāo)然后疊加在一起，而是各系統(tǒng)聯(lián)動、數(shù)據(jù)互通的深度整合。例如，建設(shè)時是否采用綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)會直接影響城市的總體能源消耗；規(guī)劃方案的用地性質(zhì)和強(qiáng)度會直接影響交通方案[49]；交通強(qiáng)度與人口分布、用地性質(zhì)的分配有強(qiáng)相關(guān)聯(lián)[50]。因此，只有綜合考慮各專項(xiàng)方案并加以整合，才能得到方案在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會層面的影響，輔助做出正確的決策。

3.5 人機(jī)互動調(diào)整

人機(jī)交互模塊是面向用戶的系統(tǒng)研發(fā)中的重要內(nèi)容。通過交互式平臺，可以將規(guī)劃師或設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖以普適、直觀的方法進(jìn)行表達(dá)。同時，也能幫助專業(yè)/非專業(yè)人員在短時間內(nèi)了解規(guī)劃設(shè)計(jì)意圖，加深對方案的認(rèn)識并提出對應(yīng)需求[44]16。此模塊可以從4個方面開展：輸入規(guī)則模塊、自主生成模塊、輔助決策模塊和方案評估模塊（見圖6）。

圖6 人機(jī)交互式設(shè)計(jì)流程Fig.6 Human-machine interactive design workflow

用戶可以交互式地調(diào)節(jié)系統(tǒng)中現(xiàn)有的城市相關(guān)規(guī)則，并將其作為基礎(chǔ)資料和設(shè)計(jì)參考用于三維形態(tài)生成。在自主生成模塊中，通過參數(shù)化增強(qiáng)設(shè)計(jì)使得方案與數(shù)據(jù)無縫聯(lián)動[51]，提高城市設(shè)計(jì)工作的效率和準(zhǔn)確度，生成基于上位指標(biāo)的城市設(shè)計(jì)草模。設(shè)計(jì)師可再根據(jù)自己的想法進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，系統(tǒng)依托于方案精細(xì)化評估功能，可輔助進(jìn)行快速的方案修改、方案比選、方案優(yōu)化等工作。因此，通過人機(jī)互動調(diào)整的系統(tǒng)構(gòu)建，能夠?qū)⑿б娣治雠c規(guī)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化一體化，大大提高設(shè)計(jì)的效率[52]。

4 實(shí)踐案例

上述的理論與方法需要經(jīng)過實(shí)際案例的檢驗(yàn)，以推動該系統(tǒng)在實(shí)踐中不斷完善。該系統(tǒng)的科學(xué)性和可行性有幸在深圳前海媽灣片區(qū)的規(guī)劃編制工作和兩個教學(xué)工作營活動中得到初步驗(yàn)證。

4.1 媽灣片區(qū)

深港國際服務(wù)城位于深圳前海媽灣片區(qū)。其總用地面積為3.574 km2，總建設(shè)量為600萬m2，規(guī)劃就業(yè)人口和居住人口均為10萬人。該規(guī)劃在編制的過程中強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)交通、重生活”的理念，提出TOD（Transit-Oriented Development）的發(fā)展方式。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，該片區(qū)的規(guī)劃采用了前文提出的方法論，按照“指標(biāo)確定—模型生成—多維評估”的流程編制規(guī)劃方案。

在“指標(biāo)確定”階段，系統(tǒng)基于已有路網(wǎng)與地塊數(shù)據(jù)，計(jì)算不同出行半徑（包括全局、1 200 m、500 m和300 m）下道路與地塊的可達(dá)性（見圖7）?！翱蛇_(dá)性”同時考慮基于路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的可達(dá)性，以及媽灣片區(qū)規(guī)劃的TOD中心對可達(dá)性的影響（見圖8，表1）。

圖7 基于空間句法的路網(wǎng)及地塊可達(dá)性分析Fig.7 Accessibility analysis of roads network and planning sites based on space syntax model

圖8 地塊復(fù)合可達(dá)性計(jì)算Fig.8 Planning sites comprehensive accessibility analysis

表1 地塊復(fù)合可達(dá)性權(quán)重表Tab.1 Weights of different factors for the composite accessibility of sites

然后，系統(tǒng)基于不同生活圈大小，包括15分鐘（對應(yīng)1 200 m步行半徑）、10分鐘（對應(yīng)500 m步行半徑）和5分鐘（對應(yīng)300 m步行半徑），對媽灣片區(qū)地塊進(jìn)行聚類，自動劃分組團(tuán)，形成不同等級生活圈（見圖9）。接著，系統(tǒng)基于生活圈劃分結(jié)果、已有的用地平衡表（見表2）、各類用地重要性排序（見表2），以及前文計(jì)算得到的地塊復(fù)合可達(dá)性，把用地性質(zhì)分配到各地塊上（見圖10）。最后，在計(jì)算結(jié)果中各地塊的用地性質(zhì)和復(fù)合可達(dá)性的基礎(chǔ)上，依據(jù)容積率和可達(dá)性的關(guān)系，以及已有的各類功能的開發(fā)建設(shè)量（見表3），系統(tǒng)把各類功能的總建設(shè)量分配到各個地塊上，完成容積率的分配（見圖11）。

表3 各類用地的開發(fā)建設(shè)量Tab.3 Floor area of construction within sites of different land use

圖9 基于層次聚類的組團(tuán)劃分Fig.9 Forming living neighborhood based on hierarchical clustering

圖10 用地性質(zhì)分配Fig.10 Land use allocation

圖11 容積率分配Fig. 11 FAR allocation

表2 用地平衡表Tab.2 Composition of urban development land

各個地塊的用地性質(zhì)和容積率等控規(guī)指標(biāo)確定后，系統(tǒng)即可自動生成符合控規(guī)指標(biāo)要求的城市設(shè)計(jì)方案的三維模型。利用前述的控規(guī)指標(biāo)和生成的三維模型，系統(tǒng)即可對城市設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多維度的分析（見圖12）。基于三維模型及各建筑的建筑功能，可對該方案可承載的人口數(shù)、耗能量、耗水量和固廢產(chǎn)生量進(jìn)行估算（見表4）。進(jìn)一步，基于耗能量與固廢產(chǎn)生量，系統(tǒng)計(jì)算出能源碳排放量與處理相應(yīng)的固廢垃圾所產(chǎn)生的碳排放量，以輔助評估媽灣片區(qū)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的程度。

表4 生成方案多維評估Tab.4 Multidimensional assessment for generated plan

圖12 建筑體塊自動生成結(jié)果Fig.12 The automatically generated building volume model

4.2 工作營

該系統(tǒng)作為開放性工具，用于輔助城市設(shè)計(jì)教學(xué)。在深圳大學(xué)王浩鋒教授與朱文健老師組織的“律動城市·數(shù)字生行”工作營，以及清華大學(xué)黃蔚欣副教授與北京交通大學(xué)盛強(qiáng)副教授組織的中國建筑學(xué)會計(jì)算性設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)委員會年會工作營“城市形態(tài)分析與生成”中，基于深圳北站案例，該系統(tǒng)得到了驗(yàn)證。

在工作營期間，學(xué)生們嘗試基于該系統(tǒng)進(jìn)行城市設(shè)計(jì)：結(jié)合路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和用地平衡表等數(shù)據(jù)，生成各地塊的控規(guī)指標(biāo)，自動生成城市設(shè)計(jì)草模；結(jié)合相關(guān)參數(shù)對城市設(shè)計(jì)方案從建設(shè)成本、視線、碳排放等多個維度進(jìn)行量化評估；根據(jù)評估結(jié)果的反饋對原方案進(jìn)行相應(yīng)的修改。

學(xué)生們展現(xiàn)出大量精彩紛呈的方案（見圖13）。有些方案強(qiáng)調(diào)公共服務(wù)設(shè)施配套的經(jīng)濟(jì)性，以“功能混合”“15分鐘生活圈”等概念考慮整體空間布局；有些從TOD的概念入手，綜合考慮地鐵站點(diǎn)、開發(fā)強(qiáng)度、視線通廊、綠道、商業(yè)等聯(lián)動，打造活力地段；有些以綠色生態(tài)為重點(diǎn)，在對陰影、立面太陽能利用潛力、熱島效應(yīng)、風(fēng)環(huán)境等分析的基礎(chǔ)上，力圖塑造一個綠島。

圖13 工作營部分成果Fig. 13 Collection of workshop achievement

總體而言，該系統(tǒng)的操作界面較為清晰，便于學(xué)生快速上手，有助于學(xué)生理解城市設(shè)計(jì)的要素、規(guī)則和造型之間的關(guān)系，充分發(fā)揮其專業(yè)能力進(jìn)行各種探索，促進(jìn)科學(xué)思維與藝術(shù)暢想的結(jié)合，最終提升教學(xué)質(zhì)量。

5 結(jié)語

面向未來更為復(fù)雜的城市系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，本文提出的系統(tǒng)只是初步的嘗試。該系統(tǒng)試圖定量揭示城市的形態(tài)美與社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境等多方面要素的協(xié)同規(guī)律，并尋找城市發(fā)展的價值動力。然而，這種協(xié)同規(guī)律的挖掘涉及不同尺度的涌現(xiàn)與坍塌、個體行為與集體現(xiàn)象互動、動態(tài)自適應(yīng)等多方面的機(jī)制，涉及人的主觀目的與選擇等心理因素，還涉及城市空間形態(tài)自我生成的內(nèi)在成因等。因此，借助數(shù)字孿生①技術(shù)的元城市系統(tǒng)人工演進(jìn)過程，在城市空間形態(tài)的涌現(xiàn)過程中如何平衡科學(xué)理性與藝術(shù)①數(shù)字孿生是一組虛擬信息，從微觀原子角度到宏觀幾何角度，全面描述真實(shí)或潛在的物質(zhì)世界，通過仿真模擬、實(shí)時響應(yīng)等，與物質(zhì)實(shí)體進(jìn)行交互，反映物質(zhì)世界的全生命周期過程。感性，以及這些規(guī)律如何在規(guī)劃設(shè)計(jì)中實(shí)踐應(yīng)用，仍將是未來探索的方向。