数字城市与空间句法：一种数字化规划设计途径

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来源:空间句法 | 作者:杨滔 | 发布时间: 2022-10-20 | 1313 次浏览 | 分享到:

在数字城市出现的过程中,城市规划开始向数字化转型,甚至与数字城市的某些发展融为一体。空间句法强调整体性的空间模式,可用于理解城市现象和规划过程中所蕴含的涌现概念,为数字城市和数字化规划设计提供一种新的思路:重视空间概念在数字虚拟世界和真实世界之间的体验和理解,定量地模拟并研究物质化的空间形态的构建;研究各种网络结构（包括虚拟和真实网络结构）之中的非对称性、整体与局部的关系、相互转化过程;提供一种数字化的直观平台,推动各方理性讨论、评估,并形成可行的方案。

数字城市与数字化的城市规划

1.1 数字城市的动态发展

20世纪末，随着计算机、互联网、信息和通讯技术及地理信息系统等快速发展，比特城市、数字城市、虚拟城市、智能城市、智慧城市、信息城市等各种新概念和新名词不断涌现。这些新概念彼此相近，却又各不相同。其中，数字城市是以虚拟的场所支持个人、团体、机构等进行各种虚拟的活动，为了彼此交流、模拟现实、交易、控制、互动、扩张甚至犯罪等。因此，它具有社会、经济、政治、文化等意义，并强化、削弱或者补充了真实的日常生活。

不过，数字城市的概念仍然在发展之中。一方面，数字城市依靠“机器设施”和软件平台支撑，需要信息通信、人体工程及大脑认知等技术的研究和应用，大到覆盖全球的信息通信基础设施，小到个人的“人机互动”界面；另一方面，数字城市提供了各种“虚拟”的服务和管理，可以取代、改善并影响“非虚拟”的服务和管理，核心是产业和生活方式的创新。首先，“机器设施”的建造将直接改变城市的物质形态。例如，很多学者将互联网类比为河流、街道网、电网、污水网等，这些都是历史上决定城市选址和布局的关键因素；甚至有学者预言真实城市的消失。其次，“虚拟”的服务和管理最直接地影响人们交流互动的方式，从而影响每个人和组织的决策，然后直接作用于“非虚拟”的生活。例如，部分学者指出“虚拟”的金融交易等将强化并决定“世界城市”的地位和发展；是否能够获得“虚拟”服务和信息将会导致社会的分化，一部分穷人无法获得，从而被困在自己的社区中，而另外一部分人能够随时随地获得，从而不受地域的约束，将随意选择工作和生活地点。不过，这些都还没有定论，将随着数字城市的发展而出现更激烈的争论。

1.2 数字化城市规划设计中的三个主要问题

在数字城市出现的过程中，城市规划学科开始向数字化转型，甚至和数字城市的某些发展融为一体，因为城市规划就是规划设计城市，包括虚拟的数字城市。这涵盖多种维度：1）建立数字化的城市规划平台，包括数据、文档、实物、环境等数字化，在本质上与城市实体模型没有差别，不过它可以实现数据的即时更新和数据之间的动态链接；2）建立数字化的城市规划互动和管理平台，实现人机互动，这也是数字城市管理的一部分；3）采用数字化的新技术去体验、研究“非虚拟”和“虚拟”的城市(社会)，以及它们的互动等，实行虚拟方案(政策)与真实世界的动态交流，实现创新的目标，并运用到城市规划和设计实践之中；4）采用数字化的理性思维方式去认知“非虚拟”和“虚拟”的城市(社会)，从新的视角去关注现象，开创新的方法论，提出新的模型，从而探索未来的城市规划和设计理论和方向。

我们需要意识到数字化城市规划中所遇到的3个基本问题。

(1) 数字城市和数字化规划如何影响物质化的城市形态？个人是物质实体，需要面对面的交流，需要解决各种物质性的问题，包括吃、穿、住、行等；信息和能源等的流动仍然依靠物质性的基础设施。因此，我们所规划设计的城市大部分仍然是物质化的，并非完全虚拟的。在这个意义上，数字化城市规划仍然不能回避传统城市规划和设计中所涉及的物质性即形式问题。

(2) 数字城市和数字化规划如何与“非虚拟”的社会经济文化互动？如何构筑交流互动网？从更广义的角度来看，数字化本身类似于人类言语、文字、符号、图像、电报、电话等，其核心是跨越“物质空间”，缩短交流距离，或者延长信息在空间中的存在等，交流互动的高效性和真实性是其本质。它们不仅是交流的工具，而且完全融入到人类社会和日常生活之中，改变了城市(聚落)形态和组织方式，以及相关的社会经济活动等；甚至可以说，城市(聚落)本身“等价”于这些交流工具之和，是为了方便交流而产生的，以应对集体的社会生活。因此，数字化城市规划和设计并未超越基于社会经济文化的城市规划和设计，只是以另外一种新方式出现，即更高效的“虚拟”交流作用于“非虚拟”的实际生活。而社会经济文化活动的基础是交流互动，数字化的过程强化了其“网络”(Network)特征，这也是数字城市和数字化城市规划的研究和应用关注“网络的根本原因。

(3) 如何采用数字化的理性思维(包括数学哲学方法论)去发展城市规划和设计，同时又能兼顾“定性”的人文思想？在一定程度上，目前的数字化规划设计其实是二十世纪六七十年代科学规划模式的升级版本，是科学理性的回归。回顾城市规划的发展历程可以发现，二十世纪六七十年代的城市规划设计借鉴了系统工程、自动化、地理学和航天工程等理工学科模式，关注数据、数理模型、理性预测等。这个趋势被后来注重社会、经济、政治的人文模式所取代，城市规划设计变得更加“文科”。而计算机、信息通信和人工智能等学科的快速发展，不仅解决了很多技术难点，而且让“定量”的理性思维再现光芒。

在这个大的背景下，空间句法是基于何种理念启发数字化城市规划发展的？又是如何促进城市科学的理性思考的？下文将就此进行分析。

空间句法理论的两个基本问题

空间句法理论和方法由比尔·希列尔(Bill Hillier)教授于1960年末至1970年初创立，其发展与广义的数字化城市规划的发展是同步的，也可以说是其中一个学派。希列尔教授当时提出了两个更大的研究课题，至今仍然是未解决的世界性难题，也是当今复杂科学的研究热点之一。

2.1 “抽象”的城市空间结构来自“具象”的真实世界？

第一个研究课题是：“抽象”的城市形态结构到底是如何自下而上地形成的。这种自组织的生长过程源于何种空间和认知机制。例如，希列尔教授将带有前院的房子看成一个标准个体，采用计算机去模拟城市是如何生长的。这种思路摒弃了自上而下的物质形态规划中固定的蓝图，或者说不变的结构，而去探索城市形态现实如何由众多个体自发地建造而成。这与当今各种探讨个体(Agent)的学派的思路是完全一致的，虽然其他研究关注虚拟个体人(Virtual Agent)或现实中的个人或者单位等。不过，希列尔教授并未沿这个方向走下去，而转向实证地分析每个真实的城市，先解决真实城市如何运作的问题，同时提出了城市形态结构并不是源于人脑结构或者某个上帝之手，而是来自真实世界，它遵循人们认知过程：真实1—认知—真实2，因此结构即真实。

图 1 对称布局与非对称布局

基于大量实证分析，当时希列尔教授提出了空间“非对称”(Asymmetry)的概念。简单而言，如图1所示，a和b是相互对称的；而加入c后，a和b变得不对称了，因为b与c直接相连，而a需要通过b才能到达c。这种“非对称”的概念说明了简单道理：对于每个空间，其属性取决于它与其他空间的关系，而不是它本身；从不同的位置看待同一个空间或者布局，其结论是不一样的。因此，虽然自下而上的空间生长过程看似无序且混乱，但是所有个体空间与系统中其他空间的局部“非对称”关系制约了所有个体空间的构成与演变，从而某种整体性的“空间模式”(Spatial Pattern)将会自发地显示出来。这种模式是所有个体空间作为一个整体网络才具有的属性，而不体现在个体空间的层面上，这被称为涌现(Emergence)。这是空间句法理论的基本出发点，也是近期“网络理论”(Network Theory)讨论的热点之一。在实践层面上，这种“非对称”关系可以用不同变量来描述，如拓扑关系、角度变化、实际距离、密度分布等。

2.2 物质空间是“抽象”的社会经济文化活动的一部分？

第二个研究课题是：城市物质形态是否具有抽象的社会属性，以及社会经济活动又是如何投射到物质形态上。希列尔教授提出“空间”是物质形态和社会经济活动相互作用的媒介物：社会经济活动不仅具有空间性，即社会经济活动的展开依赖其在空间上的分布，而且它们的空间组织形式受制于空间自身的规律。在实践中，前者体现在宏观和中观层次上的城市或者地理规划，研究人类活动的空间属性；后者表现为中观和微观层面上的具体设计活动，研究空间本体的构成规则。在理论上，空间不再被想象为人们活动的静态背景，而是人们活动的有机组成部分，即人们的活动(包括虚拟的言语活动)就是对空间的占有、使用、交易、扩展等。

在希列尔教授看来，空间布局的建构过程体现了抽象的社会经济概念如何变成具体物质化的活动，其中个体人或集体组织会无意识(或有意识)地采用各种空间布局来展开(或限制)各种具体社会经济活动。例如，在图1中，人们知道去占据或设计空间b，而控制或管理a和c空间之间的交流活动，如接待室或者门卫职位的设立。又如，对于同一个楼盘，开发商可能更关注内部空间利益最大化，公共政府部门也许更关心其出口、密度等对外部路网的影响，楼盘的住户也许更关注内部设施，而周边居民更关心楼盘对自家的影响。各方都会从自身的“空间位置”去解读同一个空间布局。上述这些空间上的局部“非对称”暗合了局部社会运作的逻辑。

当城市被看成一个整体时，不同尺度的空间构成和行为活动(如长途出行和短途出行)之间的交织与互动才会形成“活力中心”，即经常被使用的空间。这些中心将会构成城市的“骨架结构”，并随体验(或研究)城市的尺度的变化而变化。虽然看似复杂，但是人们会“集体”感知到这些涌现的空间模式，将它们命名为城市中心或者主要干道网等，同时又会使用、改造、选择甚至复制这些空间模式。于是这些空间模式也自然地成为了各种社会经济活动的一部分，容纳了这些丰富的社会经济活动。

综上，城市的空间模式是一种集体性概念，也是动态的。空间模式正是在构成社会的各种活动之中涌现出来的，它们源于个体人的具体活动，然而又不能仅仅由一个人的单独活动而产生；同时，个体人的活动又能影响空间模式的变化。因此，城市空间模式(或者城市空间结构)是物质形态，又是具体活动，还是抽象概念。它自下而上地涌现，依赖于各个局部街道或者地区的建设，以及局部活动的展开，而局部空间和活动彼此影响。因此，局部的变化将有可能导致整体空间模式的变化，甚至突变。然而，“暂时”涌现的空间模式又相对稳定(否则人们也将无法识别)，从而影响人们局部的具体活动，如识路、购物、工作等。因此，人们在城市规划过程中往往关注空间模式(结构)，虽然它们在不同的尺度上有不同的表现形式。

具有社会经济内涵的空间结构数字化途径

3.1 空间本身的法则

城市空间形态本身就蕴含了人们如何使用城市的“非物质化”逻辑，那么城市空间形态涌现的法则是什么？又如何数学化那些城市空间形态？在过去的研究和应用中，希列尔教授发现城镇空间生长遵循一个原则：当已有的城镇增加一条街道，它如果能不打断较长的街道，就尽量不打断较长的街道，而打断较短的街道；较长的街道会尽量地被延长。这基于一种空间发展悖论：城镇空间形态一方面需要保持视觉上较高的认知度，即每条街道到其他街道的视觉认知距离尽量短，所谓“一眼望穿”；另一方面需要让每条街道到其他街道的实际距离尽可能短，这样出行不会很耗费能量。对于前者，不会迷路的最佳形态是一条直线；对于后者，最节能的形态是一个圆。城市空间形态就是在直线和圆之间摆动，最后涌现出来。于是，城镇中将会形成少量的较长街道，以及大量的较短街道，并具有分形的特征。

城镇街道上如何逐步地相互连接，从最初两条彼此相交的街道，最后演变为整个城市的空间网络的？研究发现，大部分城市街道的生长过程大致可以用幂律函数来描述：考虑视觉的拓扑关系，平均幂指数为3.0左右，即在视觉认知上，空间形态是3维左右，超越了2维限制；考虑出行的实际距离，平均幂指数大概为1.8，即在实际距离上，空间形态是低于2维，并不是一个完全2维的平面。然而，幂律函数只是一个粗略的近似描述。最近，基于世界多个城市的进一步研究发现，在城镇街道的生长过程中，几乎所有的个体街道都可以用韦伯函数来描述：

其中，Rk指半径k；NC_Rk指在半径k范围内，个体街道遇到的其他街道的数量；NC_Rn指城镇最终的街道总量；a和b都是参数。研究发现参数a控制了每条街道到其他所有街道的平均距离，这是由涌现的最终空间形态确定的；而参数b控制了每条街道连接到其他相邻街道的平均速率，这主要是由即时的局部空间关系决定的。前者体现了涌现的整体空间形态将会自上而下地限制每条街道的生长；而后者反映了局部空间关系会自下而上地影响街道的生长。因此，城市空间形态的涌现过程包含自下而上和自上而下两方面，它们彼此制约、相互影响。

3.2 “抽象”空间模式的数字化表达

那么，如何数字化地表达那些涌现的空间模式？早期的空间句法技术重点在于分析空间之间的拓扑关系，其中每个空间由一条轴线表示。根据其拓扑距离给每个空间着色，红色代表拓扑距离最近，蓝色代表距离最远。研究发现，世界上绝大多数城镇的空间模式呈“变形的风车形态”(图2)，即红色和橙色的线大概呈风车形分布，中心某些空间是暖色，然后向周边辐射，并有可能在边缘出现。这种“变形的风车形态”的涌现基关系；当个体空间的位置、形状、大小等发生变化时，涌现的风车形态也会发生变化。在这种意义上，它说明了整体性的结构源于局部空间的变化，这是自下而上的过程。因此，实践中可以在数字模型中改变局部空间的形状、大小、位置等，去预测这种局部变动对于整体空间模式有何种影响。

图 2 亚特兰大和海牙拓扑距离分析(轴线模型)

随后，空间句法发展了更为精细的“线段模型”，将两条道路交叉口之间的街道段看成基本单位，分析街道段之间的关系，包括角度变化、转弯次数、实际距离、交叉口数目等；主要分析两个变量：整合度(即一个空间距离其他所有空间有多近)和穿行度(即一个空间被路径最短的空间路线穿过的概率)。例如，图3中红色和橙色代表最有可能被穿行的空间，基于所有街道之间的几何角度变化，曼切斯特和维也纳的城市空间骨架涌现出来。如果计算机速度足够快，空间句法也可以分析每个空间点之间的关系。如图4显示了曼哈顿的空间骨架，这是基于每个空间点之间的分析。

图3 曼切斯特(左)和维也纳(右)的角度穿行度分析(线段模型)

最近，研究突破了一个技术难题，提出了比较不同规模的“线段模型”的方法。整合度其实是广义网络研究中的接近度的倒数，而穿行度是广义网络研究中的中介度。笔者提出网络效率(Efficiency)的概念，即中介度与接近度的比值。接近度可理解为某个人从其他空间到达某个特定空间所跨越的距离(拓扑、角度或者实际距离等)，这需要消耗能量，即成本；而中介度可以解释为占据某个特定空间的人被其他空间的人们拜访的概率，占据那个空间的人不需要出行而能见到其他空间的人，这是能量的节省或者收益；那么中介度比接近度可以解释为收益与成本的比值，即效率：E=B/C。

其中，E代表网络效率，C代表接近度，而B代表中介度。通过比较角度中介度与实际距离接近度的效率值，可以比较不同规模的系统。通过研究世界各地50个城市，可以证明网络效率的有效性。该公式不仅可以用于比较不同城镇，也可以用于比较同一个城镇中不同的区域，以及不同尺度下的个体街道。例如，图5显示了北京、伦敦、阿姆斯特丹的空间网络效率分析，红色、橙色和黄色构成了效率高的空间，构成了主要空间骨架，即希列尔教授定义的前景网络(Foreground Network)，对应于活跃、热闹的空间和用地；而绿色和蓝色构成了背景网络(Background Network)，主要对应住宅区等较为安静的地区。前景网络和背景网络自下而上地涌现，构成了城镇的结构。在研究的50个城市中，巴塞罗那具有最高效的前景和背景网络，而威尼斯则具有最低效的前景和背景网络。从对比研究中可知，空间结构的涌现在于所有城镇都试图同时获得高效的前景和背景网络，而这两方面是此消彼长的。

图4 曼哈顿视线分析图(点阵模型)

此外，还可以从不同的尺度来看待同一个空间系统，由此得出的空间模式络效率是不一样的，这体现了空间结构的动态变化和不确定性。如图6所示，在不同尺度下，伦敦显示出不同的空间效率(红色、橙色及黄色仍然代表效率高的空间)。在实际应用中，还可以定量地比较区域级、城市级和社区级的空间结构。

图5和图6 北京、伦敦、阿姆斯特丹的空间效率分析及伦敦在不同尺度下的空间效率分析

一种参与式的数字化规划设计

4.1 空间句法模型的应用流程

怎么将空间句法模型用于城市规划设计过程之中，又兼顾真实城市建设相关人员(特别是非城市规划设计专业人士)与虚拟模型之间的互动？首先，空间句法近三十年的应用证明了空间模式与社会经济活动是彼此关联的；且希列尔教授提出了空间形态、交通与用地等相互影响的理论和应用。这解决了城市是如何运作的问题。基于这种研究，才能开始探讨第二个问题：城市如何预测空间形态的变化和设计所带来的社会经济影响。这是城市规划设计应用的重要方面之一。

图7 空间句法应用的方法流程

其次，空间句法模型建立了一个数字平台，让参与规划设计的各方与虚拟模型互动，并融合在一起，共同构筑城市规划和设计流程(图7)。第一步，调研并数字化空间形态、基础设施、用地、交通及其他社会经济因素的空间分布，甚至详细到每栋建筑的出入口或人均收入等；第二步，基于数字化的空间模型，分析所调研整理的各种资料，注重空间与社会经济因素的相互联系，寻找或者展示问题和目标；第三步，与规划设计的各方(公共政府机构、开发商、当地居民、规划设计者等)进行讨论，数字化重构各种实际现象或者问题，探索彼此的关联机制；第四步，鼓励各方提出想法；第五步，把各方提出的想法加入到空间模型之中，进行数字化预测、评估、回馈、协调，或者提出新想法，这是多次互动反馈的过程；第六步，再讨论，提交各方满意且可行的规划设计成果，包括目标、导则和政策等，以及对应的空间物质形态。

这个过程融合了两个方面：一是客观地调研，理性展示现状，并揭示问题；二是让参与规划设计的各方充分交流，自下而上地达成基于空间的规划目标与共识。

4.2 案例分析

空间句法最初也并不是为了参与性规划而刻意发展的一种方法，它的功效是在实践中被发现的。

20世纪80年代末，伦敦国王十字车站(King’s Cross)地区城市更新再次被提到议程上。该地区是一块废旧的工业与铁路用地，也是一个交通枢纽，为英国铁路公司与国家物流联盟共同拥有。城市更新涉及的人和机构包括土地拥有者、坎姆登地方政府、开发商、规划机构与建筑事务所、伦敦大学、各种社区组织、当地居民等。坎姆登地方政府呼吁混合开发，包括商业、交通、办公、住宅、娱乐等功能，提高城市活力。这一想法已经是那个年代西方城市规划实践的共识，各方都不会反对。然而，各种功能的混合比例是争论的焦点之一。英国铁路公司、国家物流联盟与开发商等都偏向于设置更多的办公商业用地，而当地社区组织、当地居民与伦敦大学都偏向于设置更多的住宅用地。这就需要一个理性的平台供各方博弈。

图8 国王十字车站及周边地区的空间现状分析

国王十字车站及周边地区的空间现状轴线图如图8所示。红色表示空间整合度高，即相对热闹的空间，蓝色表示空间整合度低，即相对隔离或安静的空间。这也恰好反映了当地居民的直观感受：该地区南面比较热闹，商业活动频繁；北部则比较冷清，甚至某些住宅区有些荒凉，犯罪率也较高。之后，参与者们根据自己的想法提出空间布局，比如某种“方格网”“放射式”等(图9)，再把这些方案放入现状轴线图中进行分析，可以发现不同的空间整合度分析，如“方格网”很蓝，即整合度很低，而“放射式”聚集了主要的红色线条，即其中某些空间整合度很高。那么，各方可以设想，整体蓝色的“方格网”很可能类似地段北部过于冷清且不安全的住宅区，这是当地居民尽量避免的；而聚集了较多红线的“放射式”很可能比地段南部的街道更热闹，也许意味着更多的商业与办公用地，甚至成为当地的商业办公中心区，这也是当地居民不愿看到的。这说明，也许参与者在勾画“方格网”或者“放射式”时，他或她设想的是某种富有生机的住宅区，点缀一些商业与办公，而空间整合度分析图则给出了另外一种直观图景。当然这还需要进一步定量分析和评估。