基于GGIISS的城市街道界面連續(xù)性研究
——以濟南市為例

姜 洋，辜培欽，陳宇琳，毛其智

(1.宇恒可持續(xù)交通研究中心，北京100004；2.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京100084)

基于GGIISS的城市街道界面連續(xù)性研究
——以濟南市為例

姜 洋1,2，辜培欽1，陳宇琳2，毛其智2

(1.宇恒可持續(xù)交通研究中心，北京100004；2.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京100084)

在當(dāng)前中國城市街道設(shè)計回歸以人為本的背景下，街道界面連續(xù)性問題日益受到關(guān)注。評述街道界面連續(xù)性相關(guān)研究，指出已有測度方法多采用主觀評價或人工計算形式，難以在片區(qū)或城市層面開展系統(tǒng)、定量的評估分析。借鑒國外建筑貼線率計算方法，結(jié)合中國實際情況，提出基于GIS的街道界面連續(xù)性測度方法——最大切面法。以濟南市為例，開展路段和區(qū)域路網(wǎng)尺度的實證分析。研究發(fā)現(xiàn)，濟南市街道界面連續(xù)性在空間分布上呈現(xiàn)由市中心向外圍逐步下降的趨勢，而新建地區(qū)街道界面缺失的問題尤為突出。影響因素方面，街道界面連續(xù)性與建筑密度、容積率和路網(wǎng)密度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，與道路寬度存在負相關(guān)關(guān)系。

街道界面；連續(xù)性；建筑貼線率；GIS

20世紀(jì)90年代以來，中國城鎮(zhèn)化步入高速發(fā)展階段。傳統(tǒng)大街區(qū)、寬馬路的城市建設(shè)模式屢見不鮮，往往伴隨建筑后退道路紅線距離過大、街道界面連續(xù)性嚴(yán)重不足等問題，進而導(dǎo)致城市空間品質(zhì)不佳、街道人氣活力缺失、步行和自行車出行分擔(dān)率持續(xù)下滑。近年來，隨著國家提出新型城鎮(zhèn)化發(fā)展戰(zhàn)略，城市規(guī)劃由增量規(guī)劃逐步轉(zhuǎn)向存量規(guī)劃，街道回歸以人為本議題日益受到關(guān)注，進一步要求街道設(shè)計重視小尺度、運營維護、整合協(xié)調(diào)、街道活力和愉悅舒適等原則[1]。街道界面是城市街道的重要組成部分，但相關(guān)實證研究較為缺乏。本文提出基于GIS環(huán)境的建筑貼線率測度方法，并以濟南市為例分析街道界面連續(xù)性在城市內(nèi)的空間分布及影響因素，為街道空間形態(tài)定量分析、交通設(shè)計和城市規(guī)劃管理等提供技術(shù)方法和實證基礎(chǔ)。

1 街道界面連續(xù)性研究現(xiàn)狀

街道界面又稱街道墻、街墻(Street Wall)，一般指街道兩側(cè)由建筑物形成的實體界面。這一概念最早由美國建筑師William Atkinson于1916年提出，并被納入當(dāng)年紐約市首次頒布實行的分區(qū)法中。中國學(xué)界已認識到街道界面對街道空間塑造的重要意義，倡導(dǎo)通過沿街完整、連續(xù)的建筑立面來營造統(tǒng)一有序、充滿活力的城市街道[2-6]。近年來，在中國城市規(guī)劃管理和實踐中加強對街道界面連續(xù)性引導(dǎo)管控的實例越來越多，而設(shè)置建筑貼線率指標(biāo)是較為通用的做法[7]。例如，深圳市中心區(qū)22，23-1街坊城市設(shè)計方案規(guī)定主要街道的建筑后退線必須一致，并提出建筑貼線率應(yīng)達到90%[4]。濟南市商埠區(qū)城市設(shè)計方案規(guī)定，除規(guī)劃確定的主要出入口外，建筑貼線率要達到80%[8]。昆明市呈貢核心區(qū)規(guī)劃中，為營造宜人尺度的街道空間，規(guī)定小距離建筑退線，臨南北向道路的建筑貼線率為70%～90%，臨東西向道路為65%～85%[5]。上海市2011年出臺《上海市控制性詳細規(guī)劃技術(shù)準(zhǔn)則》，提出城市次支路、步行街與公共街道兩側(cè)設(shè)定60%～80%的建筑貼線率指標(biāo)[9]。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部2013年發(fā)布《城市步行和自行車交通系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則》，規(guī)定步行重點片區(qū)和生活性道路的底層建筑貼線率不宜小于70%[10]。

相較規(guī)劃實踐層面的熱度，中國學(xué)界針對城市街道界面連續(xù)性的實證研究尚顯不足。文獻[11]基于廣州市體育東路核心路段4個街區(qū)的調(diào)查和定性分析，認為街墻立面的缺失、建筑后退空間的封閉等是造成該街道線性商業(yè)空間喪失凝聚力的主要原因。文獻[12]選取天津市大理道、巴黎卡布西納大道、倫敦牛津街、柏林沃爾特大街開展細致科學(xué)的街道界面連續(xù)性評估，發(fā)現(xiàn)4條街道的建筑貼線率均在90%以上。文獻[13]運用谷歌地球(Google Earth)分別在歐美和中國12個城市內(nèi)部隨機取樣，對取樣單元內(nèi)125條街道的界面連續(xù)性進行視覺主觀判定，發(fā)現(xiàn)中國城市的街道建筑貼線率普遍較低。街道界面連續(xù)性的影響因素研究方面，文獻[14]通過對6個城市共64個500 m×500 m取樣片區(qū)進行分析，在AutoCAD中人工描出街道中心線、街道界面線和建筑基底輪廓線，據(jù)此計算建筑貼線率與街區(qū)建筑密度，發(fā)現(xiàn)兩者有中等程度的正相關(guān)關(guān)系。既有研究雖具有重要意義，但在測度街道界面連續(xù)性時多采用主觀評價或人工計算方法，且限于小規(guī)模樣本分析，結(jié)論的普適性易受質(zhì)疑，且難以在片區(qū)或城市層面開展系統(tǒng)、定量的評估分析。因此，有必要探索更為科學(xué)有效的測度方法，并通過國內(nèi)實證驗證其適用性和可操作性。

2 街道連續(xù)性測度方法

2.1 國外測度方法

建筑貼線率是衡量街道界面連續(xù)性的一項核心指標(biāo)，一般指由多個建筑立面構(gòu)成的街墻長度占所在街道長度的百分比，比值越高，街道界面越連續(xù)、齊整。建筑貼線率計算公式為：建筑貼線率(P)=街墻長度(B)/路段長度(L)×100%。

然而，現(xiàn)實中城市道路兩側(cè)建筑往往前后錯位布置，清晰的街道立面線并不存在，給測度街道界面連續(xù)性帶來了很大挑戰(zhàn)。2014年，英國學(xué)者哈維首次提出基于GIS的街道界面識別方法，并應(yīng)用于美國紐約、波士頓和巴爾的摩3個城市的研究[15]。具體而言，利用采集的道路中心線和建筑基底矢量信息，由道路中心線向外側(cè)做間隔1 m步長的一系列緩沖區(qū)(最寬為40 m)。對于每個緩沖區(qū)，計算該緩沖區(qū)總面積與去除建筑基底后剩余面積的比值。查詢相鄰兩個緩沖區(qū)的比值之差最大的情況，將該情況下較小緩沖區(qū)的外緣線定義為街墻。該線與建筑基底相交的線段總長度除以路段長度即得到建筑貼線率。將該方法在中國應(yīng)用存在以下挑戰(zhàn)：1)在GIS中的操作流程較為煩瑣，運算量大；2)未考慮道路紅線寬度，對中國較寬的主干路可能出現(xiàn)無法識別街道界面的問題；3)缺乏對街區(qū)尺度計算方法的探討。

2.2 改進方法

本文結(jié)合中國實際情況在文獻[15]方法的基礎(chǔ)上進行改進，提出最大切面法。如圖1所示，以道路中心線為基準(zhǔn)，向兩側(cè)分別劃定一系列緩沖區(qū)，緩沖距離在道路紅線寬度1/2的基礎(chǔ)上，以1 m為單位再逐步向外拓寬，考慮建筑后退道路紅線的情況，最遠拓寬20 m(即0≤n≤20 m)。記錄每一緩沖區(qū)外緣線與建筑基底相交的線段總長度，取總長度中的最大值作為街墻長度，將其除以路段長度，即得到道路單側(cè)的建筑貼線率。以圖1為例，在道路右側(cè)，比較各條線段的總長度可得，n10＞n14＞n8＞n16＞n5＞n18，因此采用n10作為街墻長度；同理，在道路左側(cè)，由于n7＞n11＞n5＞n14，因此采用n7作為街墻長度。道路同側(cè)如有多條街墻長度相同且都為最大值，則以緩沖距離最小的切面作為該路段的街墻位置。如圖1道路右側(cè)，n10=n11=n12，取距離道路中心線最近的n10作為街墻位置；左側(cè)同理，n7=n8，取n7為街墻位置。最后，將路段兩側(cè)的建筑貼線率取均值，得到該路段的建筑貼線率。

圖1 最大切面法計算路段建筑貼線率示意Fig.1 Measuring the building conforming line ratio using the maximum transection method

對于區(qū)域路網(wǎng)的街道連續(xù)性測度，可采用加權(quán)平均方法：

式中：LR為區(qū)域路網(wǎng)的平均建筑貼線率/%；RLn為區(qū)域內(nèi)第n條路段的長度/m；LRn為第n條路段的建筑貼線率/%。

3 研究案例與數(shù)據(jù)

本文選取濟南市作為案例，研究的空間范圍為濟南市主城區(qū)(繞城高速公路所圍合的區(qū)域)，面積約533 km2，包括歷下區(qū)、市中區(qū)、槐蔭區(qū)、天橋區(qū)以及歷城區(qū)的大部分區(qū)域。首先，采集現(xiàn)狀市政道路和建筑基底的基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)(見圖2和圖3)。道路數(shù)據(jù)主要來自2013年由山東大學(xué)開展完成的濟南市現(xiàn)狀道路專題調(diào)查，其成果為AutoCAD形式，包括濟南市中心城區(qū)現(xiàn)狀路網(wǎng)中3 048條路段的道路中心線矢量信息、路段紅線寬度屬性等。將以上數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS，并使用后者內(nèi)置的線層計算工具得到各路段的長度信息。建筑數(shù)據(jù)方面，通過商業(yè)渠道購置研究范圍內(nèi)的建筑基底矢量輪廓數(shù)據(jù)，共獲得230 089個建筑物要素，并使用ArcGIS內(nèi)置的面層計算工具得到各建筑基底的面積信息。由于獲取渠道不同，在ArcGIS中對路網(wǎng)圖層和建筑基底圖層進行配準(zhǔn)，統(tǒng)一采用WGS_1984_PDC_Mercator作為投影系統(tǒng)。

圖2 濟南市現(xiàn)狀路網(wǎng)圖層Fig.2 Layer of existing roadway network in Jinan

圖3 濟南市現(xiàn)狀建筑基底圖層Fig.3 Layer of existing building footprints in Jinan

數(shù)據(jù)處理方面，首先以地理信息系統(tǒng)為平臺，對濟南市主城區(qū)3 048條道路路段逐一測算建筑貼線率指標(biāo)。需要說明的是，本文分別采用國外測度方法和改進方法(即最大切面法)測算路段建筑貼線率，后者運算速度大幅提高。Pearson相關(guān)性分析表明兩種方法得到的結(jié)果高度相關(guān)(r=0.925)，證明了改進方法的可靠性，后續(xù)分析僅呈現(xiàn)改進方法的計算結(jié)果。其次，結(jié)合濟南市不同歷史發(fā)展階段和典型街區(qū)類型，分析建筑貼線率的整體空間分布特征和地區(qū)差異性。再次，使用ArcGIS軟件中的網(wǎng)格指數(shù)工具(grid index)將研究范圍劃分為1 km×1 km的格網(wǎng)，計算每個單元格內(nèi)的路網(wǎng)平均建筑貼線率，以及建筑密度、容積率、路網(wǎng)密度、道路寬度等空間形態(tài)指標(biāo)，開展相關(guān)性分析，識別影響街道界面連續(xù)性的空間要素。

4 濟南市街道界面連續(xù)性分析

4.1 空間分布特征

對濟南市3 048條道路路段建筑貼線率的測度統(tǒng)計結(jié)果表明，濟南市總體街道建筑貼線率均值為38%，與歐美城市相比街道界面連續(xù)性偏低，威尼斯、巴塞羅那、巴黎、阿姆斯特丹、紐約等街道的建筑貼線率均在50%以上[12]。此外，路段之間的建筑貼線率存在較大差異性，最高值為100%，最低值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為0.26。在ArcGIS中將濟南市所有道路路段按建筑貼線率大小以分位數(shù)法(quantile)歸為5類(見圖4)，可見街道連續(xù)性的分布態(tài)勢呈現(xiàn)由城市中心向外圍遞減的特征。

圖4 濟南市街道建筑貼線率空間分布Fig.4 Spatial distribution of the building conforming line ratio of streets in Jinan

文獻[16]將濟南市主城區(qū)按照建設(shè)年代劃分為1900年前、1901—1950年、1951—1985年和1986年至今四類區(qū)域(見圖5)，分別計算各區(qū)域內(nèi)的平均建筑貼線率。如圖6所示，隨著濟南市不斷向外擴張建設(shè)，城市街道連續(xù)性逐步下滑，特別是1986年至今，城市新近發(fā)展區(qū)域的街道界面缺失問題尤為突出，與之前歷史階段的傳統(tǒng)城市街道形態(tài)形成鮮明對比。

圖5 濟南市不同發(fā)展階段區(qū)域劃分及典型樣本街區(qū)分布Fig.5 Distribution of areas at different development periods and the representative neighborhood sample in Jinan

圖6 濟南市不同發(fā)展階段所形成區(qū)域街道的平均建筑貼線率Fig.6 Average building conforming line ratio of streets in areas at different development periods in Jinan

選取濟南市不同歷史發(fā)展階段形成的4個典型樣本街區(qū)，借助百度街景地圖進行直觀比較，說明各街區(qū)之間街道界面連續(xù)性確實存在差異(見圖7)：

1）縣西巷街區(qū)，位于濟南市老城區(qū)，主要由歷史街巷組成，至今仍保持明清時期的胡同肌理，窄街道兩旁低矮建筑排列緊湊。經(jīng)測算街區(qū)平均建筑貼線率為52%，街道尺度宜人，界面連續(xù)，步行環(huán)境良好，傳統(tǒng)街區(qū)風(fēng)貌特色鮮明。

2）經(jīng)四路街區(qū)，位于濟南市商埠區(qū)，20世紀(jì)初形成的密方格路網(wǎng)延續(xù)至今，轄區(qū)內(nèi)擁有眾多中西合璧風(fēng)格的近代建筑，且沿道路兩側(cè)緊密排列。街區(qū)內(nèi)街墻立面連續(xù)，沿街商鋪密集，街道富有活力，街區(qū)平均建筑貼線率為61%。

圖7 濟南市典型樣本街區(qū)空間形態(tài)與街道風(fēng)貌Fig.7 Spatial forms and streetscape of the representative neighborhood sample in Jinan

圖8 濟南市1 km格網(wǎng)建筑密度、路網(wǎng)密度、容積率和平均建筑貼線率的空間分布Fig.8 Spatial distribution of building coverage,roadway network density,floor area ratio and average building conforming line ratio for 1km grid cells in Jinan

3）解放路街區(qū)，建設(shè)始于建國初期，以中低層建筑為主，在后續(xù)城市更新中增設(shè)了華強廣場、中心醫(yī)院等大型單體建筑。街區(qū)內(nèi)高樓大廈與低矮樓房穿插并存，街道界面連續(xù)性與前兩個街區(qū)相比稍弱，平均建筑貼線率為42%。

4）西客站街區(qū)，是濟南市近年重點開發(fā)建設(shè)的新區(qū)，多采取大退線、寬馬路的開發(fā)模式。沿街建筑多為20層以上高層塔樓，排列稀松，街道界面連續(xù)性很低，平均建筑貼線率僅為13%，街道缺乏活力，幾乎沒有底商，本地居民出行以小汽車為主。

造成1986年以來新建地區(qū)街道界面缺失問題的原因有多個方面。1)受現(xiàn)代主義規(guī)劃思想影響，城市建設(shè)往往追求較高的建筑形體、較大的開敞綠地以及道路的交通功能屬性，而對人本尺度的街道環(huán)境重視不足。2)在市場經(jīng)濟作用下，道路紅線分割了城市公共空間和業(yè)主私有空間，房地產(chǎn)開發(fā)商在布局建筑時主要關(guān)注地塊內(nèi)部的居住品質(zhì)(如封閉安全、良好景觀、遠離噪聲等)，未考慮沿街建筑對地塊周邊街道界面連續(xù)性的外部性價值。3)與北方居住文化有關(guān)，市民多青睞朝南住宅，導(dǎo)致東西向沿街建筑較少，過去傳統(tǒng)的建筑圍合式布局方式在新時期難以為繼。4)新建地區(qū)包含部分工業(yè)用地，周邊道路無臨街建筑，建筑貼線率處于極低水平。

表1 平均建筑貼線率與其他城市空間形態(tài)要素相關(guān)分析Tab.1 Correlation analysis between average building conforming line ratio and other urban spatial form elements

4.2 影響因素

首先基于1 km×1 km格網(wǎng)計算各單元街區(qū)的容積率、建筑密度、路網(wǎng)密度以及路網(wǎng)平均建筑貼線率，并將各指標(biāo)數(shù)值根據(jù)自然斷點分級法(Natural Breaks)分為五類，對濟南市研究范圍內(nèi)這些指標(biāo)的整體空間分布特征進行比較。如圖8所示，除西部片區(qū)路網(wǎng)密度較高、城市邊緣局部村莊處建筑密度較高以外，各個指標(biāo)均大體呈現(xiàn)數(shù)值由市中心向外圍遞減的趨勢，與平均建筑貼線率的分布特征相似。

對上述指標(biāo)開展Pearson相關(guān)性分析(見表1)，結(jié)果表明：

1）建筑密度、容積率均與平均建筑貼線率在0.01水平上顯著相關(guān)，且為正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.657，0.638)，即街區(qū)的建筑密度和容積率越高，平均建筑貼線率越高；反之亦然。這一發(fā)現(xiàn)驗證了文獻[14]的觀點，即街道界面連續(xù)性與圍合街道的建筑物多寡直接相關(guān)，街區(qū)建筑密度越高、地塊內(nèi)的建筑越多，街道界面連續(xù)性越好。

2）路網(wǎng)密度與平均建筑貼線率在0.01水平上顯著相關(guān)，且為正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.297)，即街區(qū)的路網(wǎng)密度越高，平均建筑貼線率越高；反之亦然。究其原因，當(dāng)街區(qū)路網(wǎng)較密時，單個地塊面積較小，建筑采取臨街布置可以實現(xiàn)土地使用效率和商業(yè)經(jīng)濟價值的最大化，并為設(shè)置內(nèi)部開敞空間留有余地。

3）平均道路寬度與平均建筑貼線率在0.01水平上顯著相關(guān)，且為負相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.287)，即街區(qū)內(nèi)道路總體越寬，平均建筑貼線率越低。此結(jié)論亦具有合理性，因為較窄的道路車流量小，車速慢，建筑受噪聲干擾相對較小，適合緊鄰街道布置，形成尺度宜人的街道環(huán)境。

綜上所述，在城市規(guī)劃建設(shè)時，為打造優(yōu)良步行環(huán)境、塑造連續(xù)街道界面，需要擯棄大街區(qū)、寬馬路的傳統(tǒng)做法，采取高強度土地利用、集約緊湊、路網(wǎng)細密的街區(qū)開發(fā)模式。商業(yè)、辦公、公共建筑應(yīng)將主立面朝向街道；考慮到北方的居住文化，兩側(cè)為居住區(qū)的南北向街道，建議通過裙房形成連續(xù)界面。此種新型的街區(qū)開發(fā)模式也正體現(xiàn)了《中共中央國務(wù)院關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中所提出的關(guān)于優(yōu)化街區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、發(fā)展尺度適宜生活街區(qū)、樹立窄馬路和密路網(wǎng)的城市道路布局理念等要求。值得一提的是，中國現(xiàn)行的城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計規(guī)范中對建筑密度采取較為嚴(yán)格的限制，多數(shù)情況要求低于30%，這不利于街道界面的連續(xù)性塑造，建議在規(guī)范修訂時對原有規(guī)定進行適度放寬。

5 結(jié)語

本文重點探討了基于GIS的城市街道界面連續(xù)性測度方法，并針對濟南市開展實證分析。結(jié)果表明，濟南市街道界面連續(xù)性較西方國家城市整體偏低，在空間分布上呈現(xiàn)由市中心向外圍逐步下降的趨勢，且1986年以來新建地區(qū)的街道界面缺失問題尤為突出。街道界面連續(xù)性與建筑密度、容積率和路網(wǎng)密度存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與平均道路寬度存在顯著負相關(guān)關(guān)系。鑒于此，提倡采取高效、緊湊、集約、細密路網(wǎng)的街區(qū)開發(fā)模式，在城市規(guī)劃中引入建筑貼線率指標(biāo)，引導(dǎo)界面連續(xù)和高品質(zhì)的街道空間塑造。后續(xù)研究中，還可將建筑貼線率結(jié)合步行環(huán)境友好度、居民出行行為及能耗、碳排放等開展聯(lián)動分析，推進街道形態(tài)實證研究的進一步發(fā)展。

應(yīng)當(dāng)指出，決定街道界面質(zhì)量的因素除連續(xù)性外還有很多，如界面尺度、材質(zhì)、風(fēng)格、功能、廣告招牌的位置和樣式等。特別是建筑退讓道路空間的精細化設(shè)計以及運營維護對于打造高品質(zhì)街道至關(guān)重要，如保證小尺度、通透開敞、功能混合、避免機動車停車等[17]。同時，道路橫斷面規(guī)劃設(shè)計方面，需將建筑退讓道路空間視作建筑前區(qū)的重要組成部分而與街道界面一體化設(shè)計，靈活布置綠化和街道家具，弱化道路紅線對步行空間的分割，并采取剛性控制與彈性引導(dǎo)相結(jié)合的原則，集政府、市場、社會等多方合力共同提升城市街道界面的整體質(zhì)量，激發(fā)城市公共空間活力。

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Continuity of Street Facade Analysis with GIS:A Case Study of Jinan City

Jiang Yang1,2,Gu Peiqin1,Chen Yulin2,Mao Qizhi2
(1.China Sustainable Transportation Center,Beijing 100004,China;2.School of Architecture Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Recently much attention has been paid to the continuity of street facade for promoting humancentered streets.The past studies tended to measure the continuity of street facade through subjective evaluation or manual calculation,which is difficult to make a comprehensive and quantitative assessment for a district or a city.Adapting from the emerging methods used abroad with Chinese context,this paper puts forward a GIS-based method(i.e.,maximum transection method)to measure the continuity of street facade.Taking Jinan City as an example,the paper analyzes the continuity of street facade at the levels of street segment and regional roadway network.The results show that the street facade becomes less continuous as it approaches to the city edge,and that streets in the newly-built areas have poorest continuity.The continuity of street facade has a significantly positive correlation with building coverage,floor area ratio and roadway network density,whereas it is negatively associated with the roadway width.

street facade;continuity;building conforming line ratio;GIS

2016-05-03

國家自然科學(xué)基金項目“基于空間結(jié)構(gòu)形態(tài)的城市能耗和碳排放評估模型研究”(51378278)

姜洋(1983—)，男，北京人，在讀博士研究生，注冊城市規(guī)劃師，宇恒可持續(xù)交通研究中心城市規(guī)劃總監(jiān)。主要研究方向：低碳城市規(guī)劃、綠色交通規(guī)劃。E-mail:yangjiang@chinastc.org