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第三章《空间——设计的意义》 篇目一 【数字化城市】建筑环境网络译者：数字化城市中文版
发布：2014-11-06 21:42:20 作者 | Andres Sevtsuk 译者 | Yaoqi （《FPGA快速系统原型设计权威指南》译者之一，点击查看纸书亚马逊链接） 审校 | supernova1984 （复旦大学物理系硕士） 独眼一点五 （华东师范大学中文系硕士）
“城市正因为其组织的复杂性而会出现问题，”对于1960年代，曼哈顿的哈德逊街上的日常生活中的“芭蕾舞曲”，简·雅各布斯（Jane Jacobs）是这样评论的，“变化繁多，但并不是杂乱无章；它们之间相互关联，自成一个有机整体。”（Jacobs，1969：433）。那时雅各布斯正在研究了当时流行的城市设计理论，该理论认为通过正规干预可以使复杂的社会生活变得有序。雅各布斯认为，问题在于，对发生在密集的城市环境中社会和经济的相互作用，城市建筑师和规划师缺乏理解，因此造成他们所实行的干预与一个地方真正的需求相脱节。进一步说，完全不清楚环境形态在他们干预成功中所起到的作用，因为众多的文化、历史和地理因素塑造了哈德逊街的活动方式，远不止于形式因素。 “某种程度上说，一个公园的使用程度取决于公园自身的设计，”雅各布斯说，“但即使公园的设计会部分影响公园的使用，反过来，取决于谁在什么时候使用公园，而这反过来又取决于公园周边的城市使用。进一步来说，这些使用因素对公园的影响，其中一部分来自每种因素独立于其他使用因素对公园的影响；另一部分来自与其他因素组合一起对公园作用的共同影响，对于某些组合来说，会刺激彼此互相影响的程度……无论你想尝试对其做些什么，城市的一个公园表现出来的是一个组织复杂性的问题，这就是问题所在。”（Jacobs，1961:433） 50年过去了，描述和分析建筑环境中的复杂空间相互作用仍然是城市设计所面临的主要挑战之一（Batty，2007）。如果以为城市设计师缺乏兴趣或意愿去深入研究社会组织和塑造当代城市的无形力量，会显得有些天真。可恰恰相反，有足够的证据表明，详细地调查多样和复合的城市环境的工作原理很受设计师欢迎（例如，Belanger等人，2001；Rienets、Siegler等人，2009；Busquets 2006；Sorkin 2009）。 一些评论家认为，城市设计师在社会科学领域内受到的有限教育阻碍了对交互的社会化进程与城市形态进行进一步理解。很多城市社会学家已经提醒城市设计师，要警惕韦伯（Webber）所说的：“一些根深蒂固的教义只是在一些简单的映射模式下寻找秩序，可事实上它潜藏在极其复杂的社会组织中”（Webber 1963）。事实上，虽然大多数设计师没有在社会分析的定性和定量的方法上受过训练但在城市设计领域内外，仍然有着丰富的文献，提供了优秀而严谨的社会分析案例，这些案例涵盖了空间的物理配置和其占据模式之间的复杂交互作用（Gehl，2010；Whyte，1980；Peatti，1968；Gans，1962）。研究表明，对于外行来说可能很复杂的东西，通常隐藏着有待发现的秩序，或如雅各布斯说描述的，有组织的复杂性。 在本章，我们认为，管理复杂城市环境的空间和社会分析，挑战不仅仅来自于用来描述和研究空间形式和功能之间的交互作用的研究方法和分析技巧，还来自于描述研究的问题所用空间表示的规范。我们认为，描述建筑环境最普遍的手段——平面图——带有一定的局限性，使得其难以被用于研究某个街道不同用户之间复杂的空间交互作用。每种建筑环境包含了一种空间秩序，决定了不同建筑、公共空间和连接它们的路线之间的近邻和链接关系。这些关系影响了不同行走路线的使用，公共空间的明显程度或连接程度，或建筑彼此之间交通便捷程度。反过来，这些空间模式决定了对于特定的土地用途来说，选址结果的好坏；不同楼内的住户经常会在哪些公共空间相遇；以及一个空间的活动会对其他空间造成什么样的影响。我们认为，建筑环境的网络表示，为采集和利用这些城市形态的关系提供了一种行之有效的框架。 平面图——是一种二维的描述形式，有时候描述的是建筑环境的某些功能——在城市设计师和学者中仍然是最著名、最有用的空间表现媒介（Conzen，1960；Moudon，1986；Anderson，1993）。平面图是一种传达空间信息的强有力工具，所采用的表达方式使跨学科的专业人士更容易理解。然而，平面图可能会被误解，而且其所包含的种类丰富的内容和意义很容易被忽略（Mandelbaum，1990；Hoch，2002；Ryan，2011）。也许，研究复杂城市环境最重要的问题是，平面图中所存储的关于建筑环境的大量信息，但是丢弃了在各种元素之间近邻、链接以及互相连通所有这类相互关系，这些关系都需要靠读者的眼睛去测量和解读。平面图并不体现图中元素（如街道、建筑、机构等等）之间明确的关联信息；这些连接需要通过可视化的方法去估计，观察谁与谁进行了互联、如何连接以及为什么连接。另外，平面图拥有丰富的建筑环境元素，但是缺乏传达元素间相互关系的描述；这些分析结果的质量很大程度取决于分析师的素质。 从平面图中读取空间关系是可能的，但劳心劳力，而且远非易事。而且，从平面图中通常容易读取一对一的关系——读取从地铁站到某个特定建筑的路线相对简单——但以相同方式读取一对多的关系就变得极其复杂。计算距离地铁站步行10分钟路程内，所有可能到达建筑以及可用的步行路线并非易事，需要花不少时间。然而，这可能是决定新车站位置的一个重要指标。增加十字路口的约束（例如交通信号灯，地下通道），只关注在某种特定使用类别的建筑上（例如居民住宅）和不同规模的建筑（例如，每栋建筑中居住单元的数量），很快我们就找到了一个复杂到难以消化的问题。企业主根据他们的客户或供应商来选取位置，居民则根据附近的便利设施做出选择，而城市基础设施投资更可能在使用更多的场所得到批准。如果规划的环境是为了吸引所期望的用户，规划的公共空间是为了所期待的活动模式而准备，那么了解这些关系就非常重要。从平面图中衡量建筑环境对这些决策的影响程度很困难，而且需要同时读取空间关系的多种关系集。而更具挑战性的是做这些事能足够的快，跟上某个城市设计师思维过程的步伐。人类的大脑倾向于串行方式运作，而不擅长同时处理多个并行计算（Minsky，1988）。例如，读者可能会尝试同时去记忆两个或三个有限的数字集合。在实际的城市环境中，空间关系的分析可能需要并行处理成百上千条这样的关系。 为了表示和分析这些复杂空间关系，城市设计师和规划师已经开始使用基于网络模型的建筑环境。与传统的平面图不同，基于网络表示的城市空间对网络元素之间的显性关系进行了编码，例如，记录了一条街道与另一个街道是如何连接的；不同区域、建筑、或房间之间行走需要花多长时间；或者有多少人在这些地方出入。这样的链接信息通常用两种方法中的一种存储。第一种方法，信息可以存储在一个完整的起讫点（O-D）矩阵，其中每列数据表示了平面图中的所有元素（例如，区域、街道、建筑、公司等）附近的全部目的地；而单独的一列用来指示每个这样的连接所需的链接信息。这种链接信息列包含了任意类型的链接信息，如出行时间，出发地和目的地之间上下班工人的数量，在两地之间经济投入或产出的流通总量，等等。这种方法采用了数据库查询，分析相对容易，可以检索出一系列出发地和目的地之间所需的空间关系。但这种便利是以信息存储为代价——用来表示每个位置对之间关系需要一张表格中单独的一行，而所有的位置对就需要很多的表格，以观察地点数目的平方关系增加。对于只有100个地点的情况来说，连接的数量是10,000。如果所有的关系都是对称的，也就是说，从A到B的连接特点与从B到A的相同，那么表格可以减小一半。但是对于成千上万的地点，表格仍然太大以致很难分析。 第二种方法更为经济，即用邻接矩阵表示所有的空间关系。邻接矩阵并不是汇总了环境中每个相关位置对之间完整的路线信息，而是只存储了每个位置直接的邻接关系。如果将环境建模成一个邻近网络，那么邻接矩阵就会采集每个相邻位置之间直接的邻接关系。如果将环境建模成一个建筑和街道的网络，那么邻接矩阵就会捕获沿街道网络上每个邻近建筑之间直接的邻接关系。实用的网络分析算法可以查询这些信息，并且可以从这张更短的表中推测出网络中所有元素之间完整的空间关系。比起完整的O-D表，查询邻接矩阵需要更加高级的算法，但所需存储空间会大大缩小。如今处理这种表格的算法允许大量的空间交互分析，几秒钟就能得到结果（Vanegas等人，2009）。 用于表示网络和表格中的这些信息有很多不同的方法。然而，重要的不是网络表示所用形式的精确程度——而是围绕在土地使用或城市形态上（Bhat等人，2000），使用实际网络线路或连接的直线距离（Anselin，1988），原始或双重网络表示法（Hillier，1996；Porta等人，2005），双元素或三要素网络（Sevtsuk，2010）——但事实上，在特定环境中的空间关系是用数值描述的，所有这些位置之间的所需的连接都在一个关系表中进行了明确的编码。这些空间关系可以描述交通、材料、信息或者金融交易方面的连接。这与传统的平面图有很大不同，而在过去10年中，这种方式已经悄无声被大多数城市设计者和规划师所采用。平面图的读者并不需要用可视化和直观化的方式去推断嵌入在环境中的复杂空间关系，因为基于网络的表示明确地对这些信息进行了编码，并且允许用户在运行中访问空间连接的大量组合概要。网络模型会自动分析城市空间中大量的并行关系，并允许分析师即时地将这些信息应用在城市设计的决策中。这深刻地改变了我们描述和分析复杂城市环境的方式，为实际规划问题制定更明智的决策铺平了道路。 接下来，我们将描述这些模型中的其中一种——在城市形态实验室开发的城市网络分析工具箱——（Sevtsuk和Meknoonnen，2012）。用于描述建筑环境的有很多其他基于网络的方法；我们使用了一种自己开发的方法来阐述城市空间网络中更普遍的功能。（Levin，1964；Casalaina和Rittel，1967；Rittel，1970；Tabor，1970；March和 Steadman，1971；Hillier，1996；Porta等人，2005；Xie和Levinson，2007；Okabe和Sugihara，2012；Miller和Wu，2000；Jiang 和Claramunt，2002；Peponis和Bafna，2008；Vanegas等，2012）。 城市网络分析工具箱——是地理信息系统软件（ArcGIS）中一个开源免费的插件——用三种基本元素对建筑环境进行建模：边缘，表示旅客可以行走的路线；节点，表示两个或以上的边缘相交的十字路口；以及建筑，表示人流在街道与室内环境之间进出的地方。建筑可以由网络中的其他任意位置点替代：公共空间、公交站点、公用设施等。因此，我们要分析的单元变成了某个建筑（或网络中的其他位置标识符），使得可以分别计算每个建筑的相互关系。 每一建筑、街道和十字路口都带有一种额外的属性集，用于描述其现实生活中的属性。这些属性存储在另一个表中，可描述这些元素任意可测量的属性：对于建筑来说，它们的尺寸、高度、构成的混杂度、居住的人口等等；对于街道来说，它们的走向、交通容量、人行道特征等。互联元素的权重表示为研究城市街道网络中建筑之间不同类型的空间关系，提供了一系列的可能性。这种网络表示框架如图1所示。左图是位于马萨诸塞州，剑桥的哈佛广场上一部分区域。在平面图中，用颜色表示土地用途。右图同样是平面图，展示了一个网络。网络中的每个建筑在一个离散的位置——在该案例中是建筑的入口大门——与最近的行走路线相连接。但要注意，一个建筑可以有多个门，与网络有多种连接。
1） 左图：哈佛广场的平面图表示。右图：哈佛广场的网络表现，下面附带一个邻接矩阵 某个区域形态和功能的网络表示，为复杂空间分析提供了基础。城市形态的三种元素描述了城市基础设施的物理模式——建筑形态和其行走路线的二维和三维几何表现形式，公共空间的形状，以及连接它们的路径。使用这些类别的属性允许我们进一步区分这些元素的参数——建筑的体积，有关路线中心附近建筑的间距或位置，路线的容量或走向等等。表格属性也允许我们描述每个元素的各种功能——有哪些活动在什么地方发生，有多少人参与了这些活动，以及活动如何彼此连接的。通常可以将活动按照松散型的分组归类，例如生活、工作、或游乐场所，但活动也可以从一种活动转变到另一种，或在每天的某段时间或每周的某些天增强了使用程度。综上所述，这些指标聚合成了某个地方的复杂描述，其中的所有东西可与它周围一切相关联（Tobler，1970）。这些关系不是杂乱无章的，由分析师组织对其进行了明确地编码，并存入邻接矩阵和属性列表中。现在来看看新加坡的白沙浮地区，将这种类型的表示应用在一个真实的复杂城市环境中。 白沙浮位于新加坡市区，约有一平方公里。它是一个旧城区，曾经作为莱佛士计划的一部分开发起来的，该地区坐落了从19世纪到20世纪最初几十年的传统商铺。自1960年代以来，该地区已经逐渐用多层大进深平面的商业结构重建，以适应大规模的、各种类型混合的活动。 图2表示了白沙浮街的内景图，该区域中心有着一个多层的集市，里面有着数以百计的小型零售和食品商店。总计有超过4,000个个体工商户，包括1,769家零售商，559个服务提供商，519家餐饮场所，130间办公室，38家酒店，24个教育机构，以及19个游乐设施，这些都坐落在一个约0.8平方公里的地方，附近是白沙浮大众捷运（MRT）站。白沙浮是新加坡最忙碌的地方之一，确实有着新加坡最复杂的城市环境。
2）新加坡白沙浮街的小巷实景 2012年秋，城市形态实验室的研究人员调查了该区域，详细记录了每扇门、每个建筑和每种商业，以及他们的规模、用途类别和一些其他经济特征。调查涵盖了该区域中所有可以公共出入的楼层，大约有一半的商业区在底楼，另一半在楼上或地下。研究人员还记录了该区域的整个人行通道网络，包括了室内和室外，并且区分了地上和地下——在不到1平方公里的地方，观察了超过32公里的线性步行路线：35%的路线位于室外，26%位于室外但有覆盖物（例如拱廊），以及37%位于不同楼层的室内。 图3表示了网络中这种信息的编码。红点表示个体工商户，灰色线条表示人行通道，黑色线条表示底楼建筑的墙结构。
3）新加坡白沙浮地区的三维网络示意图 我们展示的该地区的网络分析使用了两种类型的空间连接指数：中间状态（Betweenness）和可及范围（Reach）（Sevtsuk 和 Mekonnen ，2012）。第一种类型涉及该区域不同位置的行人交通预测；第二种则是对餐饮机构的便利性进行了建模。 为了估计在该地区的不同部分行人在哪里行走以及如何行走，我们观察了整个地区的捷运站到零售目的地的行走路线。根据现场采访，白沙浮的很大一部分人群搭乘捷运来这里购物的。我们的分析基于这样一个假设：从白沙浮捷运站到不同区域的1769个零售商店中的其中一个商店，走的是最短路线。我们使用了UNA工具箱中的中间状态分析，对这些路线进行了建模，并且记录了哪些网段在行走过程中最拥挤。因此，中间状态指标采集了在每个网段大致行人数量，这些人都是沿着最短路线从捷运站到达某个零售目的地。 图4显示了分析结果，用颜色对客流进行了编码，从绿色到红色依次变化来表征流量的逐渐增加。我们发现流量最高的步行街活动是在阿尔伯特广场、白沙浮街和白沙浮枢纽站——这些是该地区中所有主要的购物目的地。在阿拉伯街和哈吉巷也存在一个流量高峰，都是有历史的街道，街道两侧几乎都是老店面。这些区域确实特别拥挤（图2）。或许更重要的是，网络分析不仅仅让我们能够预测一般区域的活动中心，甚至还可以预测出一些特定的路段或贯穿了整个区域的室内走廊有可能吸引更多客流。不同地段的客流移动变化对于解释商业混合和使用模式都是一个重要的因素。例如，餐饮场所常常倾向坐落在其他出发地和目的地之间有较多行人的路线上。不全部依赖行人，还依赖从其他商户流出的有价值客户的商户，可能占据着第二优越的位置，仍然靠近客流，但坐落在街的两边，租金更低的地方（Sevtsuk，2010）。
4）中间状态分析，表示了在该地区中从白沙浮捷运站到所有单个零售目的地预期的客流。 当分析该区域中哪些地方到餐饮机构有最佳行走路线时，我们看到，餐馆和酒馆会坐落在与零售目的地非常近的地方，而且步行的路线可以直接导向它们。图5表明，一个基于网络的可及范围指标指定了200米步行半径之内的餐饮机构。可及范围指数估计了有多少特定类型的目的地——在案例中指的是餐饮机构——在出发地开始到给定的步行半径之内（例如，200米）。在给定范围内餐饮目的地越多，指数越高。
5）可及范围分析，表示从每个门出发，在200米步行半径内，可以到达有多少餐饮店。 图5显示的结果表明，餐馆、摊档和酒吧通常聚集在零售商店和直接导向这些商店的步行线路的附近[1]。密集程度最高的是在艾伯特广场和白沙浮街，那里的艾伯特市场和食品中心聚集着众多的食品摊位。在白沙浮街、白沙浮广场，以及地图右侧的岔路阿拉伯街和马士吉街，都有一个餐饮机构聚集区。雅柏中心前面，步行3分钟就能到达146家不同的餐饮店。这4个区域重心都是在食物上面。总的来说，在该地区有3倍的零售食品店，但即使是在地图上淡绿色的位置，200米步行半径范围内也有30到50家餐饮场所，这意味着该地区不缺乏就餐的选择。 如果我们将白沙浮捷运站与某一零售商店——例如森林商业中心电子商城4楼的一家计算机硬件商店——之间的行走路线放大那么在分析中，我们可以进一步定性分析某一特定路线的特点。这是一名普通顾客在该地区逛街经常走的路线，期间会路过86家商店，其中58家是零售商店，20家是餐饮店，8家办公室和3家服务机构。对比这些路线会导向不同的社会经济目的，比较结果对于很多实际场合很有价值——例如，解释，不同路线对于行人的吸引程度，不同人群对于该城市的体验差异，或者用来研究在机构间的微观经济聚类。
6）从森林商业中心电子商城4楼某家商店到白沙浮捷运站，一条典型的步行路线。 建筑环境的网络表示，为描述和分析复杂城市环境提供了一种强有力的框架。该方法已经使用在大量的数字化城市模型中，而且此方法的应用在未来的几年中会迅速增长。不像传统的平面图，城市空间的网络模型明确地对它们表示的不同角色和位置之间的链接信息进行了编码，使得不同环境元素间的复杂空间分析结果可能经过几秒钟的计算机运行，就能得到结果。这些模型的使用，克服了在传统平面图中读取空间关系时缓慢且具有挑战性的处理过程。但因此，空间网络分析会依赖编码进列表中的各种关系。这些关系的记录是采用这些方法重要的第一步。 然而，城市环境的网络表示并不能取代传统的平面图，而是成为它的一种补充。我们知道，作为城市设计师，通过视觉读取平面图会无与伦比的细致、敏感而且强大。平面图读取对于城市规划专家来仍将是至关重要的。嵌入在这些平面图底层的基本网络连接可以简单地使用强有力的空间互联来丰富静态表示，否则这种空间互联很难被度量。它们有助于实现费时费力的计算和测量任务的自动化，这样，平面图的读者也许就不需要费劲脑汁，而且还能同时利用这些信息来研究或处理这张平面图。 网络模型的图形规划接口也将使分析师能够克服一个过度参数化的模型所具有的缺点。当然，网络模型体现出来的形态和功能的相互关系并不很全面，而且会缺失某个地方很多重要的维度——该地方的历史或更广泛的社会、文化或环境背景。但是，网络模型的图形接口能够用传统的平面图一样的方法，去解释这些内容，以作补充。城市空间分析的一种整体方法仍然需要“一种包含了背景的务实看法，并且能够在不同观点中寻求连续性”（Hoch，2000：54）。平面图元素之间的数字互联改善了而非妨碍了整体思考。 最后，我们应该记住，某个地方的一种新型表示未必能够帮助进一步地理解其底层的复杂性。但通过提供一种清晰的框架，描述嵌入在架构中多种同时存在的空间关系，建筑环境的网络模型能够消除可视化读取那些关系的主要负担，并且允许设计者专注于分析本身，而不是问题的描述。 参考文献 1.Anderson, Stanford. 1993. “Savannah and the Issue of Precedent: City Plan as Resource,” in Settlements in the Americas: Cross-Cultural Perspectives, edited by Ralph Bennett. 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