当前村庄规划建设实践中形成了众多冰冷、机械、单一的“类城市”的新村形态的形成, 极大程度上破坏了有机、丰富的传统空间肌理, 割裂了村落空间形态传统性传承的脉络^[1-2].究其原因是缺乏对村落空间形态内在规律和价值的重视.

乡村道路是构成村落空间形态的骨架, 是村落空间形态的重要组成部分.对道路空间形态内在规律量化研究主要有2种方法：1) 空间结构分析法, 如苑思楠^[3]探讨了针对街道网络空间形态定量分析的方法, 周钰^[4]从“物理形态-心理认知”联合的角度切入, 对街道界面形态进行了量化解析.该方法所研究的空间对象并不是欧氏几何所描述的可用数学方法测量的对象, 而是一种拓扑关系, 关注的是不同空间之间的通达性和关联性^[5]；2) 路径结构分析方法, 如Marshall^[6]在《街道与形态》一书中, 对路径分析方法进行了详细的阐述.该方法的本质是对空间句法的局部深化与优化, 主要用于街道布局的分析和街道网络内的运动流分析, 以及用于对道路整体结构性的复杂性程度的分析和异质性程度的度量.这2类方法主旨均是通过量化分析来寻找现状道路空间形态的普遍性秩序和规律特征, 参数较为宏观和抽象, 无法用于重构原有道路肌理, 对道路形态规划设计的指导作用有限.

自从派特里克·舒马赫(Patrik Schumacher)于20世纪初在研究和教学中提出了参数化城市主义(Parametric urbanism)的概念, 参数化设计逐渐由工业设计领域向城乡规划设计领域发展^[7].计算机参数化设计技术具有运算速度快、脚本自定义、易于修改和更新等优势, 在建筑、规划领域具有较大发展潜力, 已经成为该领域的研究新热点^[8-14].

为此, 本文从形态学的视角出发, 以乡村道路形态为例, 尝试借助计算机参数化设计技术, 探索一套道路形态参数化解析与动态重构的方法.

参数化是一种方法, 其实质是用数字关系量度几何关系.本文中的参数化解析是指用“参数”度量道路几何形态, 进而建立参数与几何形态之间的联系；而重构是指根据参数与道路几何形态之间的关系构建起一套生成规则体系, 然后将现状道路的特征值代入该体系进行运算, 进而由计算机模拟生成新的道路几何形态, 使新道路延续原有道路的肌理特征.

整个研究思路如图 1所示：1) 初步构建参数集, 研究各个参数的统计算法, 并从案例村落中统计各参数值, 此步骤即为参数化解析；2) 将这些参数值输入城市引擎(city engine, CE)系统的道路生成模块, 进行路网模拟生成, 此步骤即为参数化重构；3) 将生成道路与道路原型进行对比, 若相似度较低则对参数集、各参数提取规则或者CE中的参数运算规则进行调整；4) 重复步骤1~3, 直至模拟生成的结果与原型具有较高的相似度, 则说明参数和相关算法规则有效；5) 最后将输出的参数集、参数提取规则应用于动态规划实践.

图 1

图 1 道路形态参数化解析与重构技术路线图 Fig. 1 Technology roadmap of parametric analysis and the refactoring method of road morphology

参数化解析的步骤如下：1) 选取研究范围, 一般选取肌理特征比较明显的连续区域；2) 对所选路网进行简化——提取骨架, 删除不必要的、低层次的冗余细节；3) 选取参数集, 并确定各参数值的提取算法.之所以要进行第2步是因为参数化解析要把握的是路网的整体特征, 不可能也无必要准确描述道路的所有细节特征.具体简化策略为：1) 保留村庄内部主要道路、次要道路2个层次, 去除内部街巷, 过境道路作为特殊情况单独处理；2) 使同一路段的宽度统一, 这里的路段是指两相邻节点之间的直线, 而本文的道路特指两相邻交叉口间的多段线；3) 对圆弧、曲线路段采用“道格拉斯-普克算法”(Douglas-Peucker algorithm)进行直线段拟合^[15-16].

对于上述步骤3, 参照了CE系统道路生成模块(简称“生成模块”)中提供的参数和相关文献, 并通过大量的参数化实验, 最终确定了控制路网形态的参数集及其提取算法如表 1所示.

表 1

表 1 传统乡村聚落道路形态的参数集与提取算法 Table 1 Parameters set and parameters extraction methods of road morphology in traditional rural settlements 类型 参数名称 参数定义 参数提取算法 提取算法图示 交叉口 捕获距离f(sd) 模拟过程中生成的交叉口之间的最小距离 统计各交叉口之间的距离，并取最小值 在此处键入公式。f(sd)=Min (d1, d2，…，di) 交叉口比率f(rcr) 指主要道路节点数量和交叉口数量之间的比率 交叉口比率=主要道路节点数/交叉口节点数 交叉口最小角度f(ma) 指道路交叉口中最小的角度 统计现状道路交叉口中各角度值，取最小角度值 道路长度 较长道路长度f(lrl) 较长道路集合中的平均长度 采用3次平均法对道路长度的相关参数进行统计。即先求得所有道路长度的一次平均数“ l”，然后再分别求出长度大于“l”的集合A和不大于“l”的集合B中道路长度的平均数“l ”、“ $\overline{{{l}_{b}}}$ ”，最后，用分别求出集合A、B中最大值、最小值与“ $\overline{{{l}_{b}}}$ ”、“ $\overline{{{l}_{b}}}$ ”差的绝对值之间的平均数“ $\overline{{{{{l}'}}_{b}}}$ ”、“ $\overline{{{{{l}'}}_{b}}}$ ” l=Average (l1, l2, …, l3)； $\overline{{{l}_{a}}}$=Average (la1, la2, …, lai), 其中lai > l $\overline{{{l}_{b}}}$ =Average (lb1, lb2, lb3, …, lbi), 其中lbi≤l $\overline{{{{{l}'}}_{a}}}$ =[|max (la1, la2, …, lai)-$\overline{{{l}_{a}}}$ |+ |min (la1, la2, …, lai)-$\overline{{{l}_{a}}}$ |]/2 $\overline{{{{{l}'}}_{b}}}$ =[|max (lb1, lb2, …, lbi)-$\overline{{{l}_{b}}}$ |+ |min (lb1, lb2, …, lbi)-$\overline{{{l}_{b}}}$ lb|]/2 f(lrl)= $\overline{{{l}_{a}}}$；f(srl)= $\overline{{{l}_{b}}}$；f(lrld)= $\overline{{{{{l}'}}_{a}}}$；f(srld)= $\overline{{{{{l}'}}_{b}}}$ 较短道路长度f(srl) 较短道路集合中的平均长度 较长道路长度弹性区间f(lrld) 较长道路长度可以上下浮动的范围区间 较短道路长度弹性区间f(srld) 较短道路长度可以上下浮动的范围区间 道路宽度 主要道路宽度f(nrw) 主要道路的平均宽度 1) 确定道路等级，判断是否为主要道路；2) 在一段道路内选取3个点，计算其平均宽度，作为该段道路的宽度di；3) 计算主要道路的平均宽度$\overline{{{d}_{m}}}$，计算次要道路的平均宽度$\overline{{{d}_{s}}}$；4) 分别计算主要道路和次要道路宽度中最大、最小值与平均值之间的差值，并求出平均值，$\overline{{{{{d}'}}_{m}}}, \overline{{{{{d}'}}_{s}}}$ di=Average (di1, di2, di3), 其中di1为同一段道路中选取的点； f(mrw)= $\overline{{{d}_{m}}}$ =Average (dm1, dm2, …, dmi) (其中dmi为di中主要道路的宽度)； f(srw)= $\ \overline{{{d}_{s}}}$ =Average (ds1, ds2, …, dsi) (其中dsi为di中次要道路的宽度)； $\overline{{{{{d}'}}_{m}}}$ =[|max(dm1, dm2, …, dmi)-$\overline{{{d}_{m}}}$ |+ |min (dm1, dm2, …, dmi)-$\overline{{{d}_{m}}}$ |]/2 $\overline{{{{{d}'}}_{s}}}$ =[|max (ds1, ds2, …, dsi)-$\overline{{{d}_{s}}}$ |+ |min (ds1, ds2, …, dsi)-$\overline{{{d}_{s}}}$ |]/2 f(mrwd)= $\overline{{{{{d}'}}_{m}}}$；f(srwd)= $\overline{{{{{d}'}}_{s}}}$ 次要道路宽度f(srw) 次要道路的平均宽度 主要道路宽度弹性区间f(mrwd) 主要道路平均宽度可以上下浮动的范围区间 次要道路宽度弹性区间f(srwd) 次要道路平均宽度可以上下浮动的范围区间 道路数量 道路的段数 通过道格拉斯普客算法，将弧形道路分解成一段段直线道路，统计道路的总数量 最大道路偏角 两道路之间的较小夹角 统计两相邻道路之间的较小夹角度数，算出变异系数，剔除极端值，选取最大值作为“最大道路偏角”

表 1 传统乡村聚落道路形态的参数集与提取算法 Table 1 Parameters set and parameters extraction methods of road morphology in traditional rural settlements

依据1.2中所得的参数集和提取的算法, 即可进行道路的参数化重构.参数化重构主要依托CE软件平台进行参数化模拟生成.CE平台最大的特点在于空间要素、变量(要素属性)和生成规则之间建立了动态关联, 通过手工或编程方式调整变量或规则, 可以实时更新要素的空间形态.CE平台中的“道路生成模块”内置了一套路网生成规则, 并通过一套参数集作为接口与用户进行交互.用户通过调整参数值, 可以生成放射形、方格网形、有机形等多种路网形态, 并能控制每一种形态的细节特征.

生成模块的工作原理是根据输入的一系列参数值, 依照其内置的路网生成规则, 自动生成新的路网, 或者在现有路网基础上进行拓展延生.由于其内部生成规则中引入了随机种子变量, 因此每次模拟可以获得不同的路网方案, 使模拟具有无数种可能性, 这样可以更加贴近现实路网生成过程的不确定性和未来发展的动态性, 同时也为多方案的比较提供了便利.

重构的步骤比较简单, 只需将上述从经简化的现状路网中解析所得的参数值, 代入生成模块, 让CE系统自动执行, 即可得到由计算机模拟生成的新路网方案.而且可以通过多次运行, 得到多个不同的路网方案.由于解析所得的参数值蕴含了现状路网的空间肌理特征, 因此基于这些参数值而得的新路网可以非常好的保持原路网的空间特征.如图 2所示为由该系统生成的3种不同类型的路网.

图 2

图 2 不同类型的路网对比 Fig. 2 Compare of different kinds of road network morphology

选取岭南地区某方格网形村落和江南地区某有机形村落为例进行参数化解析与重构的实证研究：首先确定研究范围, 如图 3(a)、(d)所示；其次, 对路网结构进行简化, 提取道路骨架, 并用直线段拟合曲线, 结果如图 3(b)、(e)所示；接着, 以道路骨架为对象按照本文所述方法提取表 1中参数集的各参数数值, 得到如表 2所示结果, 这些参数值实质包含了原始路网所具有的空间肌理特征；最后, 将这些参数值代入CE的道路生成模块, 得到如图 3-(c)、(f)所示的新路网方案.

图 3

图 3 2种不同形态道路的现状、骨架及重构结果 Fig. 3 Status quo/skeleton pattern/reconstruction of the two different types of road morphology

表 2

表 2 提取的道路参数值 Table 2 Values of parameters of road morphlogy 参数名 参数值 方格网型 有机型 交叉口捕获距离/m 3 18.8 交叉口比率 2 9 交叉口最小角度/(°) 86.5 46 较长道路长度/m 60.1 99 较长道路长度弹性区间/m 20.17 51 较短道路长度/m 11.7 41 较短道路长度弹性区间/m 8.9 21 主要道路宽度/m 3 5 主要道路宽度弹性区间/m 1 1 次要道路宽度/m 2 3 次要道路宽度弹性区间/m 0.5 1 道路数量/条 147 183 最大道路偏角/(°) - 9.7

表 2 提取的道路参数值 Table 2 Values of parameters of road morphlogy

由于本文是以延续村落道路空间肌理为导向的, 因此寻找一种科学的方法来验证新路网与原始路网的相似度就显得尤为必要.本文尝试“形态”和“功能”两个方面度量路网的相似性, 参考空间句法、路径结构分析理论、几何图形相似理论, 选取了路网密度、道路交叉口密度、网格尺度、路网不规则度4个形态性指标和路径密度指数、道路层级分布指数2个功能性指标^[17-20].

根据各评价指标在路网结构特征中的重要程度, 采用专家打分法, 分别赋予各个指标一定权重, 分别计算各指标的单向相似度和所有指标的综合相似度, 综合相似度为各单向指标相似度的加权.单向指标相似度计算公式如下:

式中：s为单项指标相似度, x为原路网数值, x′为新生成路网数值.

对上述实验的原始道路骨架和新生成道路进行指标统计, 获得每个单项指标值, 并按照式(1) 计算单项相似度和综合相似度, 如表(3) 所示.从表中可见, 新生成的方格网型路网与原始路网形态的综合相似度为90.38%, 新生成的有机形路网与原始路网的综合相似度为90.54%, 两者相似度都在90%以上.由此可见, 参数化解析与重构后的路网在功能和结构上与初始路网具有较高的相似性, 证明了本文方法在延续传统乡村聚落道路空间肌理方面具有可行性.

表 3

表 3 实验结果评价表 Table 3 Evaluation table of experiment results 评价 指标 指标权重 方格网形道路 有机形道路 x x′ s/% x x′ s/% 形态性指标 路网密度 0.15 0.642 km/hm2 0.667 km/hm2 96.11 0.29 km/hm2 0.30 km/hm2 96.55 道路交叉口密度 0.15 12.4个/hm2 13.3个/hm2 92.74 2.9个/hm2 3.1个/hm2 93.10 网格尺度 平均值 0.10 0.075 hm2 0.073 hm2 97.33 0.380 hm2 0.361 hm2 95.00 离散度 0.10 0.312 0.332 93.59 0.737 0.771 95.39 功能性指标 路径密度指数 0.20 10.6条/hm2 9.9条/hm2 93.40 2.2条/hm2 2.1条/hm2 95.45 道路层级结构指数 0.20 0.23 0.28 78.26 0.35 0.43 77.14 连接性指数 0.10 1.68 1.45 86.31 1.85 1.58 85.41 综合相似度/% - - - 90.38 - - 90.54

表 3 实验结果评价表 Table 3 Evaluation table of experiment results

传统乡村聚落的路网形态是在历史长河中不断演变、积累而成的, 在任何一个时间节点上它都有无数种发展的可能性, 而我们所看到的现状, 只不过是无限可能中的一种而已.从这个意义上说, 传统乡村聚落的路网规划本应是一种动态规划, 一种包含无限可能性的规划, 而非静态蓝图.另一方面, 村庄的发展环境是动态的, 新环境会对村庄发展产生新的影响, 需要规划方案在实施过程中做出及时调整与应对, 显然, 当前一张蓝图式的规划模式, 其较差的时效性难以满足村庄动态发展的需求.基此, 本文以岭南地区某村庄规划中的路网规划为例, 进行基于参数化解析与重构方法的动态规划应用实践.

应村庄经济、社会发展需要, 该村谋求向外扩展建设用地范围.首先根据自然地形条件、村庄发展规模、土地利用规划控制等因素, 划定新村扩张的边界, 该扩张边界位于旧村北侧, 与现状建设用地边界相接壤(如图 4(a)所示).其次, 提取出道路骨架, 并对其空间肌理进行参数化解析, 提取各个参数值；然后利用CE平台(综合考虑自然地形条件、聚落边界、现状旧村路网3个因素)快速生成4种可能的方案(如图 4(b)~(e)所示).

图 4

图 4 参数化方法和常规人工设计方法生成方案比较 Fig. 4 Compare of two different designing schemes generated by parametric method and manual method

此外, 另请一组设计师采用人工设计方式、按照常规设计手法, 得到如图 4(f)所示类城市化的道路规划方案.通过对比可以发现, 参数化方法生成路网保持了原始路网的小尺度性和形态的丰富性、复杂性, 与原始路网的衔接更加自然、和谐.此外, 与常规人工设计方法相比, 参数化方法的效率更高, 能在短时间内生成一大批不同的但又保持原有肌理的方案, 供决策者对比分析.

在上述实践所得参数化生成路网方案(图 4(d))的基础上, 通过适当的人工修正和调整, 得到最终的规划方案, 如图 5所示.现假设该村庄规划实施一年后, 部分道路与地块已经建成, 但由于城乡一体化发展的需要, 有一条新增的连接城镇与乡村地域的主要干道穿越新村的东北角(如图 6所示).该过境道路对原道路规划方案产生了破坏, 需要进行较大幅度的调整.若采用传统方法, 相当于重新做一个方案, 需要耗费大量的物力、财力和时间成本.而采用本文所述的参数化方法, 只须将环境变量——即新增道路和过境道路作为输入系统, 系统能够实时作出反馈, 生成新的路网方案, 而且依旧保持原路网肌理特征, 如图 7所示.由此可见, 本文所述方法能够对规划现状的变化实时作出反馈, 保证规划方案的现时性和动态性.

图 5

图 5 根据方案(图 4(d))人工调整的最终路网方案 Fig. 5 Final scheme based on fig(4-d) by manual adjustment

图 6

图 6 规划实施1年后的路网与外部插入的道路 Fig. 6 Road network after a year's implementation of the plan and the new road inserted from outside

图 7

图 7 基于参数化方法更新后的新路网方案 Fig. 7 New scheme of road network updated manually based on parametric method

研究结果表明：(1) 参数化解析与重构方法可较好地延续原始道路的空间肌理特征, 能够为村庄规划实践提供形态学视角的参考方案；(2) 该方法在乡村空间形态规划中应用具有一定可行性；(3) 参数化技术所具有的多样性为规划方案注入了无限可能性, 扩展了人类规划的极限范围, 为动态规划提供了一条有效的技术途径.虽然参数化技术有利于提高规划设计效率, 提供多样性的参考方案, 但参数化技术毕竟只是辅助工具, 它至少在相当长的时间内都无法取代人工规划与设计, 因此可将其作为传统规划设计手段的一种补充和拓展.

本文是参数化技术在城乡规划领域应用的一次探索性研究, 属于技术理性的研究范畴.诚然, 除了空间形态因素外, 影响村落空间肌理的要素还有文化、制度、权属、经济等.乡村聚落景观格局背后蕴含着丰富的历史故事和乡愁, 其形成是历代村民全民参与、人与自然和谐共生的漫长积累过程, 对其保护与延续必然离不开文化解释.上述矛盾归结起来, 其本质是“技术理性(工具理性)”与“价值理性”能不能融合以及如何融合的问题.

笔者认为, 从事物螺旋式上升发展的规律来看, “技术理性(工具理性)”与“价值理性”起源于“统一”, 发展于“分裂”, 并终将归宿于“再融合”.而从本文研究的参数化设计方法与乡村的文化性之间的关系来看, 是具有融合的可能性的：1), 虽然人的行为模式与社会经济在塑造生存空间时具有重要的作用, 但是空间本身的主体性并不能忽视, 空间本身也具有规律性, 在村庄规划建设中, 从形态学视角对聚落空间进行研究是必要的, 规划中需要“空间地”去思考社会经济发展和人的行为诉求以及相关的文化、制度；2) 参数化设计技术本身只是一个工具, 其核心是将构成空间要素细化, 并通过函数和规则将各要素关联在一起, 实现各形态要素的实时联动变化.本文通过几何和功能相似度评价, 并反演出传统乡村聚落的道路形态, 其目的是找出能够控制道路形态生成的关键参数(基因)和参数(基因)的提取方法, 在实践应用中规划师可以将文化、制度、经济等因素通过参数值和重构规则融入到参数化设计方案中, 从而重构出兼具传统性特征又能够满足现代生活需求的新形态^④；3) 当前村民参与式规划之所以难以有效推进, 重要原因在于参与门槛和成本过高, 导致规划效率大大降低, 而参数化技术具有动态性、关联性、高效性、三维可视化等特征, 可以将各种碎片化信息实时整合在一起, 未来结合互联网的思维, 可以有效解决这一难题.

当然, 任何一个新技术、新方法的出现都难以做到完美, 无法解决所有问题.本研究针对的是当前村庄规划设计领域缺乏空间肌理特征提取和反演的行业痛点, 期望通过参数化技术手段, 来获取较接近于原始肌理特征的空间方案, 以此来取代“排排坐”的兵营式布局.本文是参数化技术与村庄规划结合的初期尝试, 仍有许多技术性和理论性问题尚待研究和深化, 特别是如何借助规划设计师在方案中适当引入文化、制度、经济等非空间因素, 是本课题下一阶段的研究重点.