祝薇雅

李鵬波*

1 背景

21世紀以來，全球城市化水平在經(jīng)濟社會快速發(fā)展的推動下進一步提升。截至2020年底，中國常住人口城鎮(zhèn)化率已超過60%[1]，城市將成為未來經(jīng)濟產(chǎn)出與人民福祉創(chuàng)造的主戰(zhàn)場[2]。然而快速與高強度的現(xiàn)代化建設(shè)也加劇了城市與自然的矛盾，資源、環(huán)境、生態(tài)與健康問題愈發(fā)尖銳，嚴重影響著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與人居環(huán)境的品質(zhì)[3]。如何緩解城市病帶來的負面影響，營造綠色和諧的城市山林，將成為未來城市發(fā)展的重要議題。城市公園作為第二自然，以植被為主要存在形態(tài)，是改善人居環(huán)境的重要實施空間[4]。

目前，專家學(xué)者多從空間構(gòu)成[5]、觀賞效果[6]、生態(tài)效益[7]及使用行為[8]等方面展開植物造景的景觀評價及配置設(shè)計相關(guān)研究，多為定性描述，缺乏對植物景觀布局的宏觀把控，往往重“設(shè)計”而輕“規(guī)劃”，具有較強的主觀性與偶然性。AHP、SBE及SD等定量研究方法[9]在原始數(shù)據(jù)的獲取上高度依賴受訪者的社會人口統(tǒng)計特征，難以擺脫主觀因素的桎梏[10]。如何以科學(xué)、理性的方法分析植物景觀的設(shè)計原理，并構(gòu)建量化的設(shè)計方法，是指導(dǎo)城市公園植物景觀設(shè)計向精細化邁進的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

數(shù)字時代的大發(fā)展帶來了技術(shù)方法的革新，遙感與大數(shù)據(jù)[11]、GIS系統(tǒng)與建筑信息模型[12]、仿真模擬[13]等參數(shù)化方法被應(yīng)用于數(shù)據(jù)的采集、分析，方案的模擬，數(shù)字化建造和績效的測控五大環(huán)節(jié)[14]，設(shè)計工作不再是設(shè)計師個人意志的表達，而是科學(xué)計算模擬與多因素耦合的結(jié)果。有學(xué)者研究提出了風(fēng)景園林數(shù)字化策略綱要[15]，總結(jié)了參數(shù)化在風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計全流程中的應(yīng)用方式及相關(guān)軟件平臺，并指出Grasshopper軟件在邏輯設(shè)計方面的直觀表達優(yōu)勢[16]。針對參數(shù)化生成設(shè)計，構(gòu)建“邏輯-模型-結(jié)果”的設(shè)計流程以體現(xiàn)變量與輸出之間的衍生關(guān)系[17]，借助Grasshopper平臺進行參數(shù)化編程設(shè)計成為風(fēng)景園林的熱點方向。但受發(fā)展程度與研究深度所限，目前對于風(fēng)景園林要素形態(tài)與生態(tài)相關(guān)的數(shù)字技術(shù)研究數(shù)量最多，以地理與測繪等方面的技術(shù)為主[18]，參數(shù)化在植物景觀生成方面的應(yīng)用集中在輔助種植制圖方法研究[19]與前期分析應(yīng)用[20]等，且種植設(shè)計局限于平面填充，僅以單株植物間的距離關(guān)系作為參數(shù)，缺乏設(shè)計邏輯的構(gòu)建，且未對各植物景觀的布局進行討論，因此需作進一步探討。

本研究的目的在于建立耦合設(shè)計場地及人群需求的布局生成模型，探討更科學(xué)高效的城市公園植物景觀設(shè)計方法。以天津市水西莊公園為例，將植物景觀布局的設(shè)計邏輯與參數(shù)化方法相結(jié)合，通過梳理多因素之間的邏輯關(guān)系，依據(jù)“目標-規(guī)則-算法”的設(shè)計思路，探索植物景觀的參數(shù)化布局，為植物景觀參數(shù)化由制圖與建模向生成設(shè)計的轉(zhuǎn)變提供理論與實踐基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 技術(shù)框架

參數(shù)化布局指的是基于設(shè)計要求，根據(jù)相關(guān)標準設(shè)定參數(shù)和規(guī)則，實現(xiàn)設(shè)計語言到算法語言的轉(zhuǎn)換[21]，達到對各植物景觀元素的參數(shù)化控制，并以圖形語言顯示，以供設(shè)計決策參考。參數(shù)化植物景觀布局設(shè)計包含了3個關(guān)鍵階段：目標解析、參數(shù)和規(guī)則提取，以及參數(shù)化設(shè)計模型構(gòu)建(圖1)。

圖1 植物景觀布局參數(shù)化設(shè)計基本思路

城市公園植物景觀布局的參數(shù)化設(shè)計，首先在植物景觀解析的基礎(chǔ)上，結(jié)合各植物景觀元素的形態(tài)特征總結(jié)植物景觀的構(gòu)成類型，分析其影響因子和影響機制。其次，從影響機制出發(fā)，結(jié)合不同類型植物景觀的形態(tài)特征，以參數(shù)化的角度提煉出參數(shù)和規(guī)則，并運用Rhinoceros和Grasshopper軟件進行算法編程，構(gòu)建參數(shù)化生成模型[22]。最后通過疊圖法形成總體布局參考方案。

2.2 植物景觀解析

2.2.1 基于點線面的植物景觀拓撲同構(gòu)

將城市公園中常見的植物景觀進行“點、線、面”的簡化，構(gòu)成城市公園的3級植物景觀系統(tǒng)?；谕負渫瑯?gòu)的理論基礎(chǔ)[23]，進行點線面的參數(shù)化布局設(shè)計，疊加后得到體現(xiàn)不同形態(tài)景觀元素間關(guān)系的布局模式，即植物景觀布局的點線面拓撲同構(gòu)，在此基礎(chǔ)上衍生出豐富的植物景觀設(shè)計方案[24]，且能夠保證其布局模式的科學(xué)性與合理性，為后期的景觀設(shè)計提供指導(dǎo)。同時，基于形態(tài)的元素劃分能夠?qū)崿F(xiàn)同類型算法的合并與簡化，提高整體運算效率。

2.2.2 關(guān)鍵影響因子

影響城市公園植物景觀布局的因子多且復(fù)雜，不同場地情況各異，規(guī)劃設(shè)計定位各不相同，植物景觀布局的側(cè)重點有所差異，因而需要針對場地特點確定影響因子[25]。諾曼·布恩在《風(fēng)景園林設(shè)計要素》中提出園林植物在建造、環(huán)境與觀賞3個方面具有重要功能[26]，結(jié)合城市公園植被覆蓋在美化人居環(huán)境、調(diào)節(jié)小氣候、豐富居民生活中的重要作用[27]，以及植被生長與場地周邊環(huán)境的密切關(guān)系，確定影響城市公園植物景觀布局的三方面關(guān)鍵因子，即環(huán)境因子、景觀因子和人群需求。

三方面關(guān)鍵因子包含諸多影響城市公園植物景觀布局的因素。受軟件和算法的限制，本文簡化了設(shè)計的影響因素，選取景觀設(shè)計中常見的影響因素進行研究探索。環(huán)境因子體現(xiàn)植物景觀的生境特征，如日照條件、聲環(huán)境和風(fēng)環(huán)境；景觀因子包括地形、水體、建筑和植物，四者相互影響、相互制約；人群需求因子指的是城市居民對植物景觀的使用需求及審美需要，其中占主導(dǎo)地位的是觀賞游線，除此之外還包括觀賞點、觀賞視距、空間氛圍等，為植物景觀參數(shù)化布局提供了主觀限制因素。

2.3 參數(shù)與規(guī)則

參數(shù)與規(guī)則來源于植物景觀的關(guān)鍵影響因子及其影響機制。針對不同景觀元素，提取相應(yīng)影響因子作為參數(shù)，通過影響機制確定景觀效果與參數(shù)之間的關(guān)系，進行規(guī)則的提取。本文主要是從孤植樹、植物組團、防護林、草坪與樹群等方面進行植物景觀參數(shù)化設(shè)計的探討，從各植物景觀的功能性出發(fā)，確定其在城市公園中的主導(dǎo)作用，與關(guān)鍵影響因子相關(guān)聯(lián)，得到參數(shù)與規(guī)則如表1所示。孤植樹與植物組團主要考慮觀賞效果與游覽體驗，其選址以人群需求因子作為主導(dǎo)，以游覽路線、觀賞點及觀賞視距作為參數(shù)，根據(jù)人在景觀中的感受確定規(guī)則。防護林主要考慮防護效果，其選址以環(huán)境因子作為主導(dǎo)，受到場地內(nèi)的風(fēng)環(huán)境和聲環(huán)境的影響，其中防風(fēng)林以盛行風(fēng)向、風(fēng)速及活動場地位置作為參數(shù)，降噪林參數(shù)選定噪聲來源及音量，二者均以防護效果作為規(guī)則。草坪空間主要考慮選地與場地特征的結(jié)合，選址以景觀因子作為主導(dǎo)，以地形、坡度、坡向、水系岸線共同作為參數(shù)，根據(jù)用地適宜性與空間尺度作為規(guī)則。樹群主要考慮空間變化與邊界，體現(xiàn)在林緣線的形態(tài)，其布局與人群需求因子相關(guān)聯(lián)，以游覽路線、觀賞點密度與觀賞視距為參數(shù)，以游覽體驗與空間組合為規(guī)則。

表1 參數(shù)與規(guī)則匯總

2.4 參數(shù)化模型構(gòu)建

植物景觀布局的參數(shù)化設(shè)計模型通過設(shè)計邏輯的構(gòu)建將設(shè)計問題抽象簡化，并依據(jù)規(guī)則建立起參數(shù)間的關(guān)聯(lián)[28]，依托Grasshopper軟件進行運算集編制和數(shù)據(jù)計算，采用一系列算法對設(shè)計邏輯進行描述，進而利用計算機的運算尋求設(shè)計問題的解答[25]。依據(jù)植物景觀元素的點線面拓撲同構(gòu)，可將植物景觀布局的參數(shù)化模型歸納為“點狀植物景觀布局模型”“線狀植物景觀布局模型”和“面狀植物景觀布局模型”(圖2)。

圖2 植物景觀布局參數(shù)化設(shè)計模型構(gòu)建

2.4.1 “點”狀植物景觀布局模型

“點”狀植物景觀布局參數(shù)化設(shè)計邏輯與其設(shè)計規(guī)則相對應(yīng)，基于“游線-視線-觀賞點”的動態(tài)邏輯關(guān)聯(lián)，進行參數(shù)化模型構(gòu)建。為實現(xiàn)“點”狀植物景觀布局設(shè)計，本文構(gòu)建的參數(shù)化邏輯模型由“游線選取”“觀賞點模擬”“距點生成”及“位置優(yōu)選”4個部分構(gòu)成。針對上述設(shè)計邏輯與模型組成部分，在Grasshopper中選取適宜的計算方式，編寫了“游線-觀賞點”“觀賞點-距點”“觀賞點間距-視覺體驗”3項算法(圖3)，并將其關(guān)聯(lián)組合構(gòu)建“點”狀植物景觀布局參數(shù)化設(shè)計模型。

圖3 “點”狀植物景觀參數(shù)化布局算法模型

2.4.2 “線”狀植物景觀布局模型

“線”狀植物景觀布局模型可分為“防風(fēng)林布局模型”和“降噪林布局模型”兩部分，參數(shù)化設(shè)計邏輯均從環(huán)境條件入手，基于“氣象條件+場地條件+防護效果-林帶形態(tài)”的參數(shù)化邏輯，進行參數(shù)化模型構(gòu)建，分別由“場地環(huán)境數(shù)據(jù)處理”“防護林位置確定”“防護林形態(tài)生成”3個部分構(gòu)成。其中“場地環(huán)境數(shù)據(jù)處理”用以導(dǎo)入建筑環(huán)境模擬軟件Ecotect中風(fēng)環(huán)境分析的結(jié)果，作為Grasshopper中下一步運算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

“防風(fēng)林布局模型”中編寫的算法為“風(fēng)環(huán)境-防護區(qū)”“防護效果-防風(fēng)林形態(tài)”“防護范圍-防風(fēng)林位置”算法(圖4)?！敖翟肓植季帜Ｐ汀敝兴惴ǖ木帉憺椤败嚵饔绊?降噪林布局”“人流影響-降噪林布局”算法，分別針對公園外圍道路噪聲與內(nèi)部活動噪聲。

圖4 防風(fēng)林植物景觀參數(shù)化布局算法模型

2.4.3 “面”狀植物景觀布局模型

“面狀植物景觀布局模型”包含“樹群布局模型”和“草坪布局模型”兩部分。

樹群布局參數(shù)化設(shè)計邏輯以觀賞者的視線與空間體驗感為依據(jù)，構(gòu)建“視線-空間-邊界”的邏輯關(guān)系，進行參數(shù)化模型構(gòu)建，其中空間邊界即為林緣線。模型由“距點位置信息提取”“林緣線生成”“水系干擾”“形態(tài)優(yōu)選”4個部分構(gòu)成，“距點位置信息提取”與“點”狀植物景觀布局模型相關(guān)聯(lián)，形成和諧的主配景關(guān)系。在Grasshopper中編寫了“距點-林緣線”“水系-林緣線”“面積-形態(tài)”3項算法(圖5)，構(gòu)成樹群布局參數(shù)化設(shè)計模型。

圖5 樹群植物景觀參數(shù)化布局算法模型

草坪布局模型設(shè)計邏輯為“地形+水系+空間尺度-用地適宜性”，以此為依據(jù)進行參數(shù)化模型構(gòu)建。模型采用逐級篩選的思路，由“地形篩選”“水系距離篩選”“空間尺度篩選”3個部分構(gòu)成，每一步篩選結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入下一步進行疊加運算。對應(yīng)算法為“高程-用地范圍”“坡度-用地范圍”“坡向-用地范圍”“水系-用地范圍”“空間尺度-場地邊界”5項算法(圖6)，并將其關(guān)聯(lián)組合構(gòu)建草坪布局參數(shù)化設(shè)計模型。

圖6 草坪植物景觀參數(shù)化布局算法模型

3 實例研究

3.1 研究區(qū)概況

水西莊公園規(guī)劃為天津市紅橋區(qū)的一個區(qū)級公園，位于南運河南岸、芥園一帶，占地面積25.6hm2。場地呈現(xiàn)山環(huán)水抱的山水格局，中部為開闊水面，整體地勢較為平緩。場地內(nèi)現(xiàn)狀種植以樹群為主，中心活動區(qū)點綴有梨花，整體植物布局較為凌亂，沒有形成明確的空間關(guān)系，與場地內(nèi)活動場地結(jié)合度有待提高。

3.2 植物景觀布局方案生成

3.2.1 點狀植物景觀布局設(shè)計

為確保景觀品質(zhì)，體現(xiàn)整體風(fēng)貌，沿水西莊公園主要觀賞游線兩側(cè)布置點狀植物景觀，作為道路兩側(cè)主景。選取水西莊公園一級園路及公園出入口與主路銜接的園路，作為公園的主要觀賞游線。以成年人正常步幅0.65m為參數(shù)，模擬觀賞點的分布，并以正常人明確看到景物細部的視野30～50m作為區(qū)間，確保主景的觀賞效果，隨機生成對應(yīng)的距點，即點狀植物景觀的初步位置。依據(jù)“外部模數(shù)理論”，以25m的視覺疲勞距離為條件[29]，排除間距過近的距點，得到點狀植物景觀布局(圖7)。

圖7 水西莊公園點狀植物空間布局生成示意圖

3.2.2 線狀植物景觀布局設(shè)計

為構(gòu)建綠色人居環(huán)境，在水西莊公園中設(shè)置防風(fēng)降噪林，以改善公園內(nèi)部活動場地小氣候條件，營造靜謐舒適的休閑空間。防風(fēng)林設(shè)計首先在Ecotect中導(dǎo)入水西莊內(nèi)部和周邊建筑分布模型及天津市氣候文件進行盛行風(fēng)速及風(fēng)向的分析。借助geco插件將分析結(jié)果導(dǎo)入Grasshopper，選取場地內(nèi)距地面高度1.5m的分析結(jié)果作為目標數(shù)據(jù)，體現(xiàn)大多數(shù)游人的體感風(fēng)速[30]?；谛腥梭w感舒適風(fēng)速篩選出水西莊公園內(nèi)體感風(fēng)速超過5m/s的區(qū)域。為達到理想防護效果，設(shè)定水西莊防風(fēng)林的布局應(yīng)確保目標活動場地位于林帶迎風(fēng)面10H-背風(fēng)面30H的范圍，林帶寬高比為5，林帶與風(fēng)向夾角為90°，形成符合城市綜合公園風(fēng)環(huán)境要求的林帶布局[31](圖8)。

圖8 水西莊公園防風(fēng)林布局參數(shù)化生成圖

水西莊公園的主要噪聲來源為周邊道路及場地內(nèi)活動廣場，屬社會及交通噪聲，其中噪聲污染的強弱序列為：咸陽路＞紀念館路＞公園內(nèi)活動廣場。以此為依據(jù)，對這幾處道路和場地相對應(yīng)的降噪林寬度進行權(quán)重分配，通過OFFSET運算器模擬形成林帶范圍(圖9)，滿足城市公園一類聲環(huán)境功能區(qū)晝間不超過50dB、夜間不超過40dB的要求。

圖9 水西莊公園降噪林布局參數(shù)化生成圖

3.2.3 面狀植物景觀布局設(shè)計

化解信訪矛盾的關(guān)鍵在于抓好源頭治理。習(xí)近平總書記指出：“要切實依法及時就地解決群眾合理訴求，注重源頭預(yù)防，夯實基層基礎(chǔ)?！毙旁L評議堅持防治結(jié)合，通過構(gòu)建市鎮(zhèn)村三級信訪矛盾糾紛終結(jié)機制、延伸評議層級、困難群眾幫扶救助等舉措，預(yù)防和化解了矛盾，降低了信訪工作成本，真正實現(xiàn)了“小事不出鎮(zhèn)、矛盾不上交”，促進了社會穩(wěn)定與發(fā)展。

水西莊公園的樹群與草坪共同構(gòu)成植物空間的虛實結(jié)構(gòu)，二者對比調(diào)和，空間體量以親切感為主調(diào)。針對水西莊基地現(xiàn)狀條件進行不同尺度草坪空間的營造，豐富游人的觀賞體驗；結(jié)合現(xiàn)狀植被營造樹群景觀，構(gòu)成曲折有致的林緣線景觀。

草坪空間的選擇為逐級疊加篩選，第1階段以栽植地表的最小坡度0.5%作為下限，自然式草坪設(shè)計坡度的最大值15%作為上限，進行坡度篩選，滿足場地排水的要求；第2階段在Grasshopper中測算出水西莊場地高程變化為7m，為營造富有起伏變化的審美體驗，設(shè)定高程限制范圍為4～6m，并通過坡向篩選出場地內(nèi)陽坡，保證陽光充足；第3階段提取出水西莊內(nèi)的水系岸線，設(shè)定草坪空間與水系相距不超過50m，滿足禾本科植物的養(yǎng)護需求，初步完成草坪空間選址。在此基礎(chǔ)上，借助MetaBall運算器整合破碎場地，選取最小3.5m的小尺度草坪空間和最大100m的草坪空間作為選擇區(qū)間[32]，最終得出多樣且符合標準的草坪空間(圖10)。

圖10 水西莊公園草坪空間參數(shù)化生成圖

樹群空間作為植物景觀背景，應(yīng)與點狀植物景觀的分布相呼應(yīng)，因此在拾取水西莊公園的道路中線后，觀賞點模擬的參數(shù)選擇應(yīng)與點狀植物空間相同。以1～25m為參數(shù)區(qū)間隨機生成相對應(yīng)的距點，將模擬生成的每組距點作為擬合點，形成沿游線兩側(cè)分布的林緣線，營造親切的空間感受[33]。將生成的林緣線與水西莊內(nèi)水系進行位置判斷，篩除位于水系范圍內(nèi)的部分，并沿道路進行分組，同組相交初步產(chǎn)生樹群范圍(圖11)。

圖11 水西莊公園樹群空間參數(shù)化生成圖

3.3 植物景觀布局總體模式圖

經(jīng)過參數(shù)化運算過程得到的各類型空間布局示意圖，可作為各自獨立的圖層，將圖層進行疊加，最終得到水西莊公園總體植物空間布局模式圖。在圖層疊加過程中，依據(jù)項目特征和設(shè)計需求設(shè)定重要層級，確定主導(dǎo)元素以進行布局上的調(diào)整。在水西莊公園植物空間布局的最終生成過程中，首先將功能性林帶進行整合，之后確定重要層級為：防護林＞草坪空間＞點狀空間＞樹群空間。調(diào)整后的植物空間布局如圖12。

圖12 水西莊公園植物景觀參數(shù)化布局總體模式圖

4 討論

4.1 探索耦合設(shè)計場地及人群需求等多因素的精細化布局方法

研究設(shè)置的生成模型反映植物景觀布局系統(tǒng)性、精細化與多因素綜合分析的目標取向。通過植物景觀解析對植物景觀元素進行形態(tài)分類，對植物景觀的影響因子進行量化解析，得到參數(shù)與規(guī)則，在Grasshopper軟件平臺上進行點線面模型算法的編寫。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)水西莊公園的建設(shè)需求，代入相關(guān)參數(shù)進行總體布局模式圖的生成，從而為設(shè)計方案提供科學(xué)指導(dǎo)。

與傳統(tǒng)設(shè)計方法更多依賴設(shè)計者主觀經(jīng)驗判斷不同[34]，參數(shù)化的設(shè)計方法以算法體現(xiàn)設(shè)計原理，將傳統(tǒng)設(shè)計流程轉(zhuǎn)化為計算機的多步運算，對設(shè)計要素的參數(shù)調(diào)控進行實時反饋；將場地條件與設(shè)計目標量化，在模型中實現(xiàn)了各形態(tài)類型下、多影響因素間的獨立運算與組合搭接，能夠表達耦合設(shè)計場地及人群需求的多因素設(shè)計邏輯，設(shè)計結(jié)果與場地結(jié)合更為精準，有效提高植物景觀設(shè)計工作的效率與精準度。該方法是參數(shù)化在城市公園植物景觀布局上的一次初步探索，提高了植物景觀設(shè)計的工作效率與設(shè)計精度，有助于系統(tǒng)整合植物布局，建立穩(wěn)健的設(shè)計決策，符合當下“數(shù)字景觀理論與方法”對園林事業(yè)創(chuàng)新與進步的引領(lǐng)[14]。

4.2 豐富風(fēng)景園林參數(shù)化規(guī)劃設(shè)計體系

4.3 研究局限與展望

由于參數(shù)化設(shè)計平臺與算法的限制，本研究僅選取較有代表性的影響因子進行初步探索，然而城市公園植物景觀布局設(shè)計涉及生態(tài)學(xué)、美學(xué)、植物學(xué)、工程建設(shè)等多學(xué)科交叉，影響因素多且復(fù)雜，隨著軟件升級和學(xué)科研究的深入，應(yīng)擴展影響因子，從景觀、生態(tài)、經(jīng)濟等方面優(yōu)化算法，結(jié)合美景度、生態(tài)效益及建設(shè)可行性等方面完善植物景觀參數(shù)化布局的方法[35]，為公園植物景觀布局提供更為科學(xué)的依據(jù)。

5 結(jié)語

在城鎮(zhèn)化發(fā)展更快更好的今天，城市公園建設(shè)順應(yīng)自然生態(tài)環(huán)境，更加注重對于植被環(huán)境的塑造。“完美的植物景觀，必須具備科學(xué)性與藝術(shù)性的高度統(tǒng)一”[36]，本文基于植物景觀的形態(tài)特征與關(guān)鍵影響因子，構(gòu)建了“點線面”的城市公園植物景觀參數(shù)化設(shè)計模型，探討了設(shè)計邏輯主導(dǎo)下的參數(shù)與規(guī)則，通過參數(shù)的設(shè)定得到植物景觀布局模式圖，實現(xiàn)設(shè)計方案的動態(tài)調(diào)整，為參數(shù)化方法在風(fēng)景園林中的應(yīng)用提供參考，有助于提升植物景觀設(shè)計的科學(xué)性，為城市公園的植物景觀布局設(shè)計提供了精細化的技術(shù)手段，助力人居環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展。

注：文中圖片均由作者繪制。