城市更新中的实例辅助方法探索

文章摘要

针对复杂的城市更新问题，利用数字技术提取网络数据，建立城市空间实例库，探索辅助城市更新的新方法。以罗马火车站周边区域的更新设计为例，运用开源地图数据提取道路、建筑、功能信息，制定街区面积和形状特征规则，建立实例库并探索其应用。尝试了建筑与城市设计的新方法，催生以实例为基础的优化更新结果。

参数化表皮设计中基于性能的洞口生成

Performance-Based Generation of Openings in Parametric Surface Design

徐佳楠 | 东南大学建筑学院

李鸿渐 | 东南大学建筑学院

李 飚 | 东南大学建筑学院

◀精彩摘录▶

一　研究背景

本文中的实例库是指根据城市街区单元及建筑的特性和共性对其加以分类、组织、存储所形成的集合。建立实例库首先确定实例的来源途径与范围，并对网络获取的相关信息和数据进行分类整合与处理，最终生成三维实例。在设计过程中，针对需求条件的限制，在实例库中检索符合条件的案例为建筑师提供参考。

▲　课题研究区域

大跨度的时间段，丰富的建筑类型，以及现代城市形态功能日益完善的需求、不同文化的碰撞都对本区域城市复兴与发展提出了更高的要求。而利用开源城市地图易于得到大量设计所需数据，将其信息进行分类整合，建立实例库则可以对当地的城市空间形态和日常的使用行为快速地分析和归纳。基于实例库对街区进行形态搜索与肌理织补，探究快速设计并加以验证的更新方法。

▲　场地现状

二　实例库建立

地理信息系统数据主要来源为遥感、GPS等技术，它将实际的地理环境记录为综合的数据。初步得到的信息经过整理和排错后存储于数据库中。对于城市设计而言，开源网络地图数据库是较为常用的地理信息数据库。通过开源地图可以获得建筑、道路、植被、公共服务设施等详细的城市地理数据。这些数据不仅包括尺寸等物理信息，还记录了功能使用情况、相邻信息、历史等详细的相关属性。

将基础数据整理后，建立建筑密度、开放性等相关评价指标和评价规则，作为案例存储在实例库。进行城市设计时，根据需要的相关指标在实例库检索，得到相似的已有参考案例并进行比较，可为快速介入设计提供可靠的工具。

▲　实例库建立流程

1　信息提取及处理

考虑到罗马的历史因素和城市肌理，结合空间模式、建筑形态等因素，根据街区容积率、密度等指标设置所需的数值范围，将满足数值要求且地图数据完整的街区整理，作为实例搜索的范围。

信息来源为OpenStreetMap（OSM）开源地图数据库。其便利性在于可以将所选区域底图导出为矢量文件，通过具有多层信息的点和多段线记录地图中的信息，对其提取并分类整理后，可方便地计算判断相应数据。将道路边界限定出的封闭多边形定义为城市街区，作为实例信息的基本储存单位，地图中提取出的各项信息整理存储在相应的实例中，以便访问实例时取用。

（1）相邻道路信息

包括街区相邻道路数量、等级、名称。地图文件中的道路信息包含道路的名称，道路中心线由多段线表示，根据等级分为步行道路、城市道路、城市快速路和高速公路。

（2）建筑信息

包括街区内建筑轮廓线、建筑高度、建筑密度。地图中的建筑轮廓信息由封闭的多边形表示，这里通过地块多边形与建筑多边形的包含关系确定地块内的建筑。多边形的拓扑关系判断较为复杂，可以由专业的图形计算工具包实现（如vivid-solution的JTS工具包）。各建筑占地面积由建筑轮廓线构成的多边形面积表示，结合地图中可以获得的建筑高度信息，可以估算出地块的建筑密度等指标，记录在实例中。

（3）功能信息

网络地图上的餐饮、酒店、公园、广场等公共服务设施的信息，以及特殊的建筑或区域功能（如历史建筑、遗址等），都记录在具有坐标信息的点中。提取这些信息，可以作为街区功能概况的基本参考。同时也可以记录相邻街区或一定范围内可达的公共设施信息，作为街区可达性便利性的参考信息。其余信息（如历史建筑的名称、年代、宗教属性等）可以根据具体的实际目标作进一步选取。

▲　数据图形化

2　规则制定

制定街区面积及形状特征的规则，并将其置入可调整的权重评价体系中，通过实例信息的检索，提取库中的相似实例。改变控制条件的权重、数据条件可以得到不同的实例。在实例库筛选过程中，根据待更新街区的形状、面积、长宽比等信息搜索出与之相匹配的实例，也可以加入包括建筑占地面积、容积率等其余条件，使最终得出的结果更满足条件。

（1）街区面积

将道路边界限定出的区域处理为封闭的多边形，其中各关键点的坐标可以由地图数据获得，从任意顶点开始顺时针遍历多边形各边，求出该边与其在x轴投影所组成的梯形的面积，访问方向在x轴投影沿x轴正方向时记为正，反之则为负。向量叉乘是有方向的，那么所得面积也有正负，将所得梯形面积求和即可得到多边形的面积。

（2）形状特征

形状特征包括街区的长宽比及其方正程度。由于街区形状的不确定性，通过长宽比可以筛选排除掉完全不相似的形状，将街区长宽比近似定义为其最小外接矩形的长宽比，其公式为长宽比=a/b。长宽比的差值在限定范围内的即为长宽比相似的实例。仅仅通过长宽比并不能保证其相似性，因此通过算法判断街区的方正程度同样重要，由实际面积与其最小外接矩形面积的比值（形状）来近似表示。该比值介于0～1之间，越接近1街区形状越方正。同理，该数值在限定范围内的即为方正程度相似的实例。

▲ 规则图解（上：多边形面积计算；下：长宽比及方正值）

▲ 实例信息数据

三　实例库应用

探索实例辅助设计方法的过程中，将待更新区域进行划分并将实例置入街区是至关重要的步骤。在应用的过程中，需要明确的是更新设计的目标，比如该区域是否需要开放空间供市民进行休闲活动等。在目标明确的情况下，对实例的筛选条件设置权重，最终选出最符合条件的实例。更新结果可通过所建立的反馈平台，对实例进行优化及再设计，并得出更新前后的结果对比。

1　实例检索

（1）场地规划确定指标

根据场地中存在的问题，首先进行城市尺度上的区域规划和整体策略的制定。如确定区域的功能规划，对原有面积过大、可达性不高的区域进行重新整理和划分，确定街区相关的控制指标，为进一步结合实例库为更新目标街区打下基础。

（2）相似街区检索

进行相似街区检索，目的在于检验以街区为单元的情况下，面积及形状特征规则足以保证得到满足条件的实例。通过这样的方法可以得出置入目标街区的实例，在此基础上，对目标区域提出进一步的设计目标是必要的操作，后文将以街区开放度作为目标进行示意。基于实例的图形检索方法不仅可以高效地给建筑师提供信息，也可使地图数据得到多方面的应用。

▲ 相似实例检索

2　更新设计及评价反馈

（1）实例调整及置入

建筑师首先确定更新区域的设计构思，赋予其设计目标，通过改变需求条件权重后进行实例库检索，如设计具有高绿地率及容积率的绿地综合体，但检索范围内不存在相似的建筑类型时，以这两个指标为主，依次检索指标最相似的实例，可能得到的是当地的开放绿地和商业综合体，其外部空间形态作为城市生活习惯、气候、历史影响下的产物，可以作为在地性案例对设计师的方案构思提供重要参考。

实例检索结果可按存储实例的相似度高低依次排列，建筑师在预览检索结果后可手动进行调整，也可确定某一空间特征通过计算机进行街区适应性调整，实例辅助方法的操作核心是帮助建筑师借助网络快速检索原有城市空间，使设计过程更加理性和高效，设计构思及目标仍掌握在建筑师手中，下图为部分街区及建筑的三维模型实例存储，其信息包括编号、占地面积、建筑密度、形状、长宽比。

▲ 部分街区及建筑实例

（2）反馈优化

在对罗马Termini火车站周边区域建立评价与筛选体系时，地块的开放度为主要评价标准，条件越利于开放，其所占的权重越大，更新后的街区越能激发周边的活力。利用OSM开源地图中提取的建筑功能等信息，对街区进行开放度评分，对不同的实例进行比对，得出更符合设计者要求的实例。

▲ 开放度评分图解

在细化设计中可以进一步发挥多维度信息综合的优势，结合其余场地信息进行深化设计，可延伸至如停车场、建筑立面设计、景观设计等，在启发设计师灵感的同时可增进各学科之间的知识交流，为设计提供更多的可能性。

四 总结与展望

基于实例库与数字技术的城市设计方法，充分发挥了网络数据的丰富性和计算机解决复杂问题的优势，将成为传统城市设计的有力工具。随着计算机及网络技术的进步，未来将会有更多可能性，如结合人工智能技术使实例库自身可以不断扩充和优化。大数据与城市设计结合将成为未来城市设计的发展趋势。基于实例库的城市更新设计不仅仅是城市空间表达方式的改变，更是分析方法的拓展。

“数字设计方法与工具”

主题专栏文章检索

4. 徐佳楠，李鸿渐，李飚. 城市更新中的实例辅助方法探索[J]. 新建筑，2018（4）：19-23.

5.熊璐，张红霞，冷天翔. 形状语法参数化城市设计模型初探——以江南水乡滨水空间生成为例[J]. 新建筑，2018（4）：24-27.

6. 孙磊磊，闫婧宇，薛强. 集群空间的“结构性”重塑——数字方法介入“历时性”城市更新的可能性[J]. 新建筑，2018（4）：28-33.

7.华好，李飚，卢德格尔·霍夫施塔特. 运算化住宅设计——从科研到教学[J]. 新建筑，2018（4）：34-39.

全文详情请查阅《新建筑》2018年第4期（总第179期）。

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