技術(shù)工程系統(tǒng)的城市形態(tài)依據(jù)

程襄武

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，江蘇 南京 210048）

1 城市工程的技術(shù)工程系統(tǒng)方法

1.1 城市化與可持續(xù)觀念

中國(guó)城市化經(jīng)歷過大規(guī)模的縣改市的“建制城市化”或稱“表面加速”時(shí)期，城市發(fā)展要素轉(zhuǎn)型與特大城市發(fā)展時(shí)期等階段。從城市規(guī)劃角度看，特大城市發(fā)展最快，中等城市次之，小城市發(fā)展較慢。大城市是我國(guó)城市化進(jìn)程的主要力量，其規(guī)模效益和輻射作用顯優(yōu)?，F(xiàn)階段城市數(shù)量及人口數(shù)量劇增，農(nóng)村人口大量向城市轉(zhuǎn)移，城市化依然處于以聚集為主要趨勢(shì)的加速時(shí)期。城市經(jīng)濟(jì)對(duì)中國(guó)GDP的貢獻(xiàn)率早已超過70%，城市化帶來巨大的發(fā)展機(jī)遇。

可持續(xù)發(fā)展是世界發(fā)展的共同理念?？沙掷m(xù)發(fā)展作為明確概念第一次提出，是在1980年國(guó)際自然和自然保護(hù)聯(lián)盟發(fā)布的文件《世界自然保護(hù)戰(zhàn)略》中，在世界范圍對(duì)可持續(xù)發(fā)展作業(yè)明確界定并取得共識(shí)的?！吨袊?guó)可持續(xù)發(fā)展研究》給出的可持續(xù)性發(fā)展定義為：可持續(xù)發(fā)展是為使全人類能夠在地球上永久生存與發(fā)展下去而以人為主體，以生態(tài)、環(huán)境、資源為基礎(chǔ)，以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為核心，以全體參與科技進(jìn)步為保證，以人與社會(huì)的全面發(fā)展為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)同代人之間和代際之間的公平、人與自然相協(xié)調(diào)的一種發(fā)展道路。隨著城市化加快，加劇了城市環(huán)境污染，隨之出現(xiàn)了能源、資源、環(huán)境、社會(huì)問題。城市的發(fā)展建設(shè)是必須的，但在工程技術(shù)層面，應(yīng)解決能源、資源、環(huán)境問題。城市建設(shè)與發(fā)展的根本原則是可持續(xù)發(fā)展。

1.2 技術(shù)工程系統(tǒng)的系統(tǒng)方法

科學(xué)還原論、整體論、系統(tǒng)論以至目前尚有一些爭(zhēng)論的復(fù)雜性科學(xué)，是現(xiàn)代科學(xué)與工程的幾個(gè)方法論階梯。單獨(dú)的科學(xué)還原論的思維方式，會(huì)導(dǎo)致對(duì)環(huán)境、對(duì)自然的漠視。整體論、系統(tǒng)論的觀念與思維方式則會(huì)形成生態(tài)保護(hù)與環(huán)境保護(hù)觀念，并可引出全面深入、適宜可用的理論方法與理論工具。錢學(xué)森早就提出以還原論與系統(tǒng)論相結(jié)合，以系統(tǒng)工程方法進(jìn)行工程建設(shè)與發(fā)展。

城市的發(fā)展與建設(shè)以城市工程為具體實(shí)現(xiàn)，城市工程是極具復(fù)雜性的系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)城市形態(tài)，必須進(jìn)行系統(tǒng)工程建設(shè)?，F(xiàn)代城市建設(shè)工程的總過程一般是：由城市規(guī)劃到城市設(shè)計(jì)，再到具體的城市建設(shè)工程。城市工程是由城市系統(tǒng)各分項(xiàng)技術(shù)工程綜合進(jìn)行，例如城市給水排水、城市綠化、城市交通、城市供熱空調(diào)、城市通信、城市文化及民居以及商住建筑建設(shè)工程等。這些分項(xiàng)技術(shù)工程，有的以公用工程的形式顯見，有的則非常專業(yè)化并具前瞻色彩，例如以現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展支撐并綜合許多現(xiàn)代科技領(lǐng)域的虛擬城市等。上述分項(xiàng)城市技術(shù)工程，在城市系統(tǒng)工程內(nèi)，成為整體系統(tǒng)的技術(shù)工程系統(tǒng)。由系統(tǒng)論，城市工程系統(tǒng)是一種系統(tǒng)組成、內(nèi)外作用復(fù)雜的工程系統(tǒng)。技術(shù)工程系統(tǒng)以城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)形成的城市形態(tài)為基礎(chǔ)與導(dǎo)向。其工程技術(shù)措施既受城市形態(tài)的制約與主導(dǎo)，又對(duì)其主動(dòng)影響。

2 技術(shù)工程系統(tǒng)方法的城市形態(tài)依據(jù)

2.1 城市形態(tài)基本概念通識(shí)

人類生活的聚居由早期穴居，到部落鄉(xiāng)村，再到城市。現(xiàn)代城市是人類最主要的生活空間。城市的一個(gè)根本的特點(diǎn)是集中，是人類生活的物質(zhì)資源與精神資源集中及交流區(qū)域，最主要表現(xiàn)為建筑與人口。建筑占據(jù)土地與空間，人的活動(dòng)以用為本，體現(xiàn)可用功能。城市規(guī)劃原理給出城市“形態(tài)”概念表達(dá)，城市在空間與功能上的兩個(gè)特點(diǎn)，以標(biāo)示區(qū)分以及深入認(rèn)識(shí)城市。

2.1.1 城市空間形態(tài)

城市空間形態(tài)一般以城市呈現(xiàn)的建筑、道路等城市實(shí)體要素形成的空間幾何特征劃分。城市空間結(jié)構(gòu)形態(tài)是城市空間形態(tài)在空間結(jié)構(gòu)上的表現(xiàn)，城市空間以一定結(jié)構(gòu)在形態(tài)上表現(xiàn)出來。城市的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)分內(nèi)部、外部形態(tài)。內(nèi)部、外部形態(tài)組合表現(xiàn)出來的城市空間形態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。城市的空間形態(tài)是功能形態(tài)的一定實(shí)現(xiàn)形式，城市空間形態(tài)通過功能形態(tài)呈現(xiàn)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。內(nèi)部形態(tài)分工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、行政區(qū)、文化區(qū)、旅游區(qū)等且呈現(xiàn)各自的空間、結(jié)構(gòu)；外部形態(tài)依伸展軸演變呈塊狀、星狀等不同幾何形態(tài)。城市的外部形態(tài)可有星形、衛(wèi)星城、線形、棋盤形等格狀模式，巴洛克軸線系統(tǒng)式、花邊式、內(nèi)斂式、巢狀等形式。

以下典型城市形態(tài)由歷史積淀形成，是已實(shí)現(xiàn)及現(xiàn)在階段可實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)形態(tài)：①放射形或星形。有人口密集多功能區(qū)，以此為核心向外放射運(yùn)輸主干道。干道上分布次中心，干道間為較偏僻的V形地帶，環(huán)形公路繞核心區(qū)建成，為可無限擴(kuò)張的適宜大中型城市的城市形態(tài)，見圖1。②衛(wèi)星城。距中心城市外分多個(gè)小城鎮(zhèn)，保留城市中心并限制規(guī)模及人口數(shù)量，衛(wèi)星城與田城由綠色生態(tài)地帶連接。③線性城市。城市中心設(shè)施分布于主干線兩側(cè)，次要設(shè)施分布于主干線側(cè)平行地帶。離開主干線為郊區(qū)，城市無核心，可無限擴(kuò)張，房前為交通要道，房后為生態(tài)田野區(qū)等。④棋盤形城市。街道將城區(qū)分割為相同的長(zhǎng)方形街區(qū)，可向任何方向擴(kuò)展，城市無需中心與邊界，見圖2、圖3。⑤其他格狀模式。為棋盤形格狀的細(xì)微變形，如三角形格式布局等。⑥巴洛克軸線系統(tǒng)式。在復(fù)雜、大范圍的地形上，選擇一組控制點(diǎn)，建立重要象征設(shè)施，以足夠?qū)挼拇蟮肋B接象征物為節(jié)點(diǎn)，控制大道兩側(cè)邊緣地帶。整體性感覺強(qiáng)，放射性的街道網(wǎng)絡(luò)連接主要建筑物及空間元素，具有一組不均等的矩形格狀街道，見圖4。⑦花邊形城市。城市中心如花邊分布街道兩側(cè)，低密度，建筑物分布松散，交通暢通，接近生態(tài)自然，類同放大格狀結(jié)構(gòu)的線性城市。⑧“內(nèi)斂式”城市。城區(qū)、街道，由住宅區(qū)到街道以至每個(gè)房間一切都被包容圈住，由主要街道延伸出眾多樹形的兩側(cè)分布店面、墻壁的街道及巷子，通向私宅的大門，城市像緊湊的實(shí)體。⑨巢狀城市。城市為城墻包圍，像層層相套的盒子，形狀規(guī)則，街道為環(huán)形，非傳統(tǒng)的輻射形。環(huán)形街道與城墻平行，是城市中心活動(dòng)場(chǎng)所，連接環(huán)形道路的街道窄小不連續(xù)。

2.1.2 城市功能形態(tài)

圖1[2] 星形城市形態(tài)

城市功能形態(tài)反映了人類城市活動(dòng)的功用特點(diǎn)，如活動(dòng)的范圍、種類、效能等。城市發(fā)展的環(huán)境、能源、資源問題都可歸納為城市功能形態(tài)的范疇?？沙掷m(xù)城市建設(shè)，如生態(tài)城市建設(shè)等，可歸屬一定城市空間形態(tài)上的城市功能形態(tài)。典型城市功能形態(tài)為：①?gòu)V畝城市。是一種極度分散城市形態(tài)。致力于實(shí)現(xiàn)人工環(huán)境與自然環(huán)境的結(jié)合，通過新技術(shù)回歸自然。道路系統(tǒng)遍布廣闊的田野與鄉(xiāng)村，居住建筑單元分散布置，密度極低。復(fù)興前工業(yè)社會(huì)的城市結(jié)構(gòu)，是沒有城市的城市。②田園城市。實(shí)質(zhì)為城鄉(xiāng)結(jié)合體，規(guī)模適中，滿足城市功能需要，又不超出一定范圍。田園城市是生態(tài)自然的可持續(xù)城市功能形態(tài)。③山水城市。中國(guó)文化風(fēng)格，具備藝術(shù)美，加強(qiáng)生態(tài)綠化建設(shè)，是中外文化的有機(jī)結(jié)合、城市園林與城市森林的結(jié)合。④生態(tài)城市。以生態(tài)學(xué)原理建立的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然三者協(xié)調(diào)發(fā)展的，高效利用物質(zhì)、能量、信息的，特別是生態(tài)良性循環(huán)的可持續(xù)城市形態(tài)。

圖2[2] 棋盤形城市形態(tài)

圖3[1] 唐代長(zhǎng)安城平面圖

2.2 可持續(xù)城市形態(tài)研究簡(jiǎn)要分析

可持續(xù)城市形態(tài)，在資源、能源、環(huán)境等方面具有可持續(xù)發(fā)展效應(yīng)，是當(dāng)今世界各國(guó)城市建設(shè)與發(fā)展的基本原則，城市形態(tài)體現(xiàn)為城市空間形態(tài)與功能形態(tài)，兩個(gè)方面相互依托與影響。在可持續(xù)效應(yīng)的產(chǎn)生與表現(xiàn)上，功能形態(tài)較為直接，可表現(xiàn)為城市的可持續(xù)效應(yīng)等方面的特點(diǎn)與差異，如城市微氣候等方面體現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境與居住舒適度等。但功能形態(tài)往往是由空間形態(tài)的影響形成的，并不僅僅由功能形態(tài)的直接設(shè)計(jì)產(chǎn)生。例如，特大城市的超大規(guī)模以及超高集中度等方面界定其空間形態(tài)，其形成的城市熱島效應(yīng)以及空氣污染問題，很明顯地表現(xiàn)出功能形態(tài)，其可持續(xù)效應(yīng)較低。此種影響效應(yīng)，并不僅由相關(guān)的分項(xiàng)技術(shù)工程設(shè)計(jì)決定，而更多是由其實(shí)施的整體效應(yīng)形成。城市工程的整體性與系統(tǒng)性往往較明顯地體現(xiàn)在空間形態(tài)上，功能形態(tài)的整體關(guān)聯(lián)則更深層、更不易見。

功能形態(tài)一般是由分項(xiàng)技術(shù)工程系統(tǒng)自覺及不自覺地調(diào)控形成的?？沙掷m(xù)城市形態(tài)必需在城市建設(shè)與發(fā)展的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施各環(huán)節(jié)，以城市整體系統(tǒng)為基礎(chǔ)，有意識(shí)地調(diào)控，才可形成。城市建設(shè)工程往往各自考慮分項(xiàng)范圍，并以技術(shù)措施作直接目的。之前界定的功能形態(tài)是技術(shù)工程系統(tǒng)的目的與依據(jù)，更具直接的工程技術(shù)意義。特定的城市技術(shù)工程系統(tǒng)，往往直接與功能形態(tài)相聯(lián)系。技術(shù)系統(tǒng)工程在城市范圍內(nèi)應(yīng)考慮技術(shù)措施的設(shè)置，采用“城市整體范圍”的系統(tǒng)工程方法。設(shè)計(jì)前的整體城市形態(tài)研究是必要的。研究方法與步驟應(yīng)是：由城市形態(tài)到分項(xiàng)影響，再到技術(shù)措施。空間形態(tài)是功能形態(tài)的研究為基礎(chǔ)，通過對(duì)空間形態(tài)的深入研究，可得到功能形態(tài)的不同特點(diǎn)。前述基本城市空間形態(tài)是在較為宏觀層次上，此處可見其對(duì)技術(shù)工程系統(tǒng)的依據(jù)意義。具體技術(shù)工程系統(tǒng)以科學(xué)模型細(xì)致模擬城市形態(tài)，可定量研究其功能形態(tài)。由于城市系統(tǒng)的復(fù)雜性，可在科學(xué)上對(duì)通識(shí)概括的城市形態(tài)做模型簡(jiǎn)化。例如，一些研究模型顯然是基于前述線性城市模型的假設(shè)，更為簡(jiǎn)化直觀。整體系統(tǒng)及技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)雜性決定一些模型很簡(jiǎn)單，但研究有難度，有時(shí)采用CFD、分形理論等研究方法與理論工具[5][7]，這些研究結(jié)果往往對(duì)形成功能形態(tài)的技術(shù)措施有很大參照意義。

城市形態(tài)的不同特點(diǎn)決定技術(shù)工程系統(tǒng)的具體技術(shù)措施。在前述城市形態(tài)概念的基礎(chǔ)上，城市形態(tài)的共性因素可抽象歸納出來，進(jìn)行形態(tài)特定劃分以利于技術(shù)工程系統(tǒng)技術(shù)措施的確定。例如，依建筑空間集散度，分城市形態(tài)為極度分散、中度分散、緊縮式3種典型城市形態(tài)，則可得出相應(yīng)的符合可持續(xù)原則的建筑空間的技術(shù)形式與技術(shù)措施呈現(xiàn)的不同特點(diǎn)，結(jié)論的得出，建立在基于城市形態(tài)的技術(shù)工程系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上。[10]原則上，不同技術(shù)工程系統(tǒng)的整合，可形成較為合理的整體城市可持續(xù)發(fā)展模式。具體技術(shù)工程系統(tǒng)的技術(shù)措施確定，可依據(jù)前述原則與方法的研究結(jié)果。城市系統(tǒng)以及涉及專業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜性，決定上述研究的意義與難度。分項(xiàng)技術(shù)工程系統(tǒng)的研究，可匯總成相對(duì)宏觀層次的城市形態(tài)規(guī)劃，研究方法可在不同層面上，分項(xiàng)及整合的基本依據(jù)都是可持續(xù)原則。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已開展的一些相關(guān)系列研究，無論在研究結(jié)論里明確此研究目的與否，其結(jié)論都與城市中長(zhǎng)近期規(guī)劃及其具體工程實(shí)施相關(guān)?！胺猪?xiàng)”技術(shù)工程系統(tǒng)的不同層面的技術(shù)措施，應(yīng)該建立在前述基礎(chǔ)上。當(dāng)前的城市發(fā)展，在具體研究的開展上，尚顯不足，有待重視與采納應(yīng)用。不能只看到最直接、最表面的技術(shù)措施，應(yīng)該在城市整體系統(tǒng)角度，深入定性定量研究技術(shù)工程系統(tǒng)與城市形態(tài)的相互影響。研究結(jié)果可得出最適當(dāng)?shù)母黝惣夹g(shù)工程技術(shù)措施，用在控制噪聲、空氣品質(zhì)、熱島效應(yīng)等環(huán)境污染，構(gòu)建適宜的城市微氣候，提供不斷增強(qiáng)的城市功能等方面，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

圖4[2] 美國(guó)華盛頓特區(qū)平面圖

1 梁思成.中國(guó)建筑史[M].天津：百花文藝出版社，2005.5

2 [美]凱文·林齊.城市形態(tài)（林慶怡等譯）[M].北京：華夏出版社，2001

3 JOHN PEPONIS, CATHERINE ROSS, MAHBUB RASHIDS.The Structure of Urban Space, Movement and Co-presence: The Case of Atlanta[J]. Geoforum.28（3～4）: 341～358

4 Elena Besussi, Nancy Chin, Michael Batty and Paul Longley. The Structure and Form of Urban Settlements.Remote Sensing and Digital Image Processing[M]. 1（10）: 13～31

5 Springer Series in Synergetics. Analysis and Simulation of Urban Aggregation. Brownian Agents and Active Particles[M], 2007:295～333

6 Feng Yang, Stephen S.Y. Lau, Feng Qian. Summertime heat island intensities in three high－rise housing quarters in innercity Shanghai China: Building layout, density and greenery[J].Building and Environment 45（2010）: 115～134

7 Pierre Frankhauser. Fractal Geometry for Measuring and Modelling Urban Patterns. The Dynamics of Complex Urban Systems[M],2008: 213～243

8 GIDEON S. GOLANY.URBAN DESIGN MORPHOLOGY AND THERMAL PERFORMANCE[J]. Atmospheric Enuironment 30（3）: 45～65

9 Denise Pumain. Systems of Cities and Levels of Organisation[M], 2011: 225～249

10 程襄武、謝建等.低能耗綠色建筑空調(diào)與城市形態(tài)的形式對(duì)應(yīng)[J].建筑節(jié)能，2008（1）：1～4