?；鶊D的可視化圖式在建成環(huán)境領域的應用

周忠凱，趙繼龍，林佳潞，劉長安

（山東建筑大學 建筑城規(guī)學院，山東濟南250101）

0 引言

桑基圖主要用于對能源、材料等各類資源要素的流動過程進行可視化表達，在不同的行業(yè)領域有著廣泛的應用和發(fā)展，國外學者對此進行了詳細的論述［1］。在20世紀早期，傳統(tǒng)意義上的?；鶊D主要應用在工業(yè)領域，對原材料消耗、熱量傳遞等工業(yè)生產(chǎn)過程中各種復雜的能流和物流關系進行可視化表達，以提高整體技術系統(tǒng)的運行效率［2］。第一次世界大戰(zhàn)之后，?；鶊D已廣泛應用于玻璃、水泥及鋼鐵制造行業(yè)，對生產(chǎn)系統(tǒng)的熱量平衡及能量輸入進行優(yōu)化，其在物質(zhì)流動和效率管理等方面的優(yōu)勢得以展現(xiàn)和重視。1990年代至今，此類圖式在數(shù)據(jù)可視化方面得以全面應用，Schmidt在某研究中對?；鶊D在展示發(fā)電站的分析和運行狀況，生物質(zhì)燃料的使用狀況及汽車零部件在全壽命周期內(nèi)的生產(chǎn)消耗等方面的應用進行了系統(tǒng)的闡述。如今，除了傳統(tǒng)的能源管理、材料制造和金融數(shù)據(jù)分析行業(yè)，桑基圖的應用逐步擴展至物資配送、貨幣流通和生態(tài)學等領域［4］。

?；鶊D作為一種闡述要素流向和流量的可視化圖式，對于研究建成環(huán)境領域中的資源要素代謝過程等內(nèi)容有重要意義。其作用主要體現(xiàn)在：（1）可以將建成環(huán)境領域內(nèi)復雜的系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，通過簡明緊湊且標準化的表現(xiàn)圖式進行闡釋；（2）將各類要素的動態(tài)變化信息轉(zhuǎn)換為量化數(shù)據(jù)，以可比較的方式再現(xiàn)與物質(zhì)空間維度相關的能量、水體、各類材料的生產(chǎn)消耗及人口流動過程。因此，在定量分析工具和方法相對有限的建成環(huán)境領域，?；鶊D逐漸應用于不同尺度的各類設計分析和成果評價之中，如全壽命周期評價LCA（Life-Cycle Assessment）、物質(zhì)流分析 MFA（Material Flow Analysis）［5］、市政基礎設施配置以及生態(tài)設計中的養(yǎng)分代謝循環(huán)分析等。然而，?；鶊D作為評價空間設計操作和系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效能的有效工具，目前為止，在國內(nèi)建成環(huán)境領域內(nèi)的前期決策、設計過程分析及成果評價驗證等方面的研究及應用較為有限，與國外相比有一定差距［6］。因此，文章基于其應用特點和作用機制，對于?；鶊D在建成環(huán)境領域的實踐應用價值和發(fā)展?jié)摿M行探索和梳理。

1 ?；鶊D概述

1.1 ?；鶊D的概念

?；鶊D是一種對各類資源要素的流動過程進行可視化表達的特殊形式的流程圖式，闡明了系統(tǒng)中不同要素的流量、流向、轉(zhuǎn)換關系等定量信息，在表達系統(tǒng)運行效率、不同資源要素配置及流動規(guī)律方面有重要作用。桑基圖早期主要用于能源流動的可視化表達，Sankey首次繪制“蒸汽機的熱能效率圖”，此后便以其名字命名為“桑基圖”［7］。?；鶊D最明顯的特征是始末端的各要素分支寬度總和相等。

1.2 桑基圖的組成要素特征

作為以表達物質(zhì)流動為主要內(nèi)容的量化信息圖式，?；鶊D具有特定的圖形樣式和結(jié)構表現(xiàn)特征，從組成要素和系統(tǒng)結(jié)構2個方面，可以歸納其基本特征如下：

（1）組成要素 ?；鶊D包含某些形式相對固定的組成元素（如圖1所示）：發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)換和交換的階段或分區(qū)、劃分不同階段分區(qū)的節(jié)點、跨越不同階段且連接各個節(jié)點的路徑邊界、標明流動方向的箭頭及標示流量或數(shù)量的不同寬度線條。

圖1 ?；鶊D的基本要素圖

（2）系統(tǒng)結(jié)構 表達對象的流動過程和相互作用環(huán)節(jié)，表現(xiàn)為不同線條在各個階段由于相互作用而合并或分離，具有明顯的定性和定量表達特征。

①?；鶊D中包含的不同要素轉(zhuǎn)換的節(jié)點數(shù)量需依據(jù)系統(tǒng)的復雜程度確定，但至少具有輸入端和輸出端2個基本節(jié)點，并具有相應的輸入和輸出要素。如在城市空間代謝系統(tǒng)中，輸入端要素指的是直接來源于自然界或其他區(qū)域的物質(zhì)資源（如雨水、太陽光）。

②?；鶊D表達要素流動過程，其作用機制隨著時間變化劃分為不同階段，如某個區(qū)域的物質(zhì)代謝過程表達，在要素輸入的起始階段，雨水先要收集過濾、太陽光轉(zhuǎn)化為光能；而在要素轉(zhuǎn)化和處理階段，水體和陽光經(jīng)過某些步驟，可以滿足飲用和照明等功能需求；經(jīng)過各類要素消耗使用之后的再轉(zhuǎn)化過程，如污水處理或剩余能源的回收存儲；最終，經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)化處理，將其排放到自然界或返回到其他區(qū)域［8］。

③?；鶊D表達須有足夠的數(shù)據(jù)作為支撐，其表達的各類物質(zhì)要素傳遞的量級（流量大小或數(shù)量多少）由代表傳遞路徑的線性圖形的寬度表示，而且其輸入端的總寬度要與輸出端的總寬度相等，及輸入和輸出的總量平衡。

基于以上要素特征，理論上而言，具有特定邊界，在數(shù)量上發(fā)生變化以及空間上發(fā)生位移的動態(tài)信息數(shù)據(jù)或系統(tǒng)流程，都可以用桑基圖進行表達。由于能夠?qū)ωS富的動態(tài)數(shù)據(jù)信息進行直觀表達，并在不斷地實踐中得以發(fā)展演化以具備廣泛適用性，因此一個桑基圖的信息價值超過多個不同類型信息圖式的組合（如餅狀圖、折線圖、柱狀圖等）。

2 桑基圖在建成環(huán)境領域中的應用

2.1 ?；鶊D價值和優(yōu)勢

桑基圖對于以物質(zhì)空間作為主要載體的建成環(huán)境領域相關學科，在系統(tǒng)結(jié)構設計分析及內(nèi)容表達表現(xiàn)方面有重要的指導和推動價值。學者們已對此進行了相關研究，如Moffatt等從代謝循環(huán)角度總結(jié)?；鶊D加強系統(tǒng)設計分析和設計的意義［8］；Eppler從可視化思維交互角度歸納其強化視覺交互溝通的作用［9］，都對?；鶊D在信息表達方面的重要價值和意義進行了系統(tǒng)闡述。通過對學者們的研究進行梳理整合，其意義和優(yōu)勢可以總結(jié)為以下幾點：

（1）理解系統(tǒng)整體結(jié)構

經(jīng)過科學設計的?；鶊D，可以將設計對象的整體構架和各類要素信息，迅捷高效地向具有不同專業(yè)背景的人群進行傳達。如很少有人能夠清晰地理解并描述整個城市的能量系統(tǒng)，包括能量來源的多樣性、重要能源的輸入方式、不同能源需求量的相對關系等信息。然而，借助桑基圖的可視化特性，可以協(xié)助人們在有限的時間內(nèi)，快速準確理解能源系統(tǒng)的基本構架及運行原理。

（2）創(chuàng)造跨學科領域的通用視覺化圖式語言

?；鶊D作為表達整體的系統(tǒng)圖式，采用一種跨學科領的通用可視化模式語言，可以幫助來自不同學科和不同知識背景的人員理解資源分配模式和運行機制，提供了可用于更為便捷地探索解決問題的整體性方案［10］。雖然?；鶊D的表達對象從區(qū)域到建筑、從能量循環(huán)到水資源流動，尺度各異，類型多樣，但將不同對象的信息數(shù)據(jù)抽取后，并與?；鶊D的核心要素和基本結(jié)構匹配整合，再運用相對統(tǒng)一的圖形樣式及色彩模式進行圖式化表達，便于不同的人群進行讀取和運用，消除溝通交流障礙［11］。

（3）構建可供選擇的發(fā)展模式及愿景

?；鶊D不僅是對研究對象所含要素的現(xiàn)狀流動和轉(zhuǎn)換過程進行闡釋，其形成的特定流程圖式結(jié)構模型，也可用于描繪該對象的未來發(fā)展情景，即未來的物質(zhì)資源流動和配置狀況可以通過?；鶊D進行模擬展現(xiàn)和迅速反饋。

若某個對象要素的相關數(shù)據(jù)資料完善，主要的發(fā)展階段及轉(zhuǎn)換節(jié)點清晰，那么運用?；鶊D對該類要素的變化場景進行再現(xiàn)就會相對簡單。由于同類要素對象的變動過程相對穩(wěn)定，僅僅是輸入、輸出端的物質(zhì)數(shù)量或構成比例有所區(qū)別，因此，基于不同的設計構想和策略，僅僅調(diào)整不同類型要素的數(shù)量，便可以模擬并生成多套具有可比性的系統(tǒng)運行方案，為構建可供選擇的發(fā)展模式及愿景提供判斷依據(jù)。如基于相同的?；鶊D表達結(jié)構，當用1000個改造過的居住單元替換1000個老舊的住宅單位，可以看到對水、能源和材料的消耗使用狀況，以及對總體經(jīng)濟成本和碳排放量的影響。特定的社區(qū)開發(fā)項目及住房類型，一個公園、購物中心、污水處理廠或一條道路的交通狀況等，都可以利用?；鶊D對其運行狀況建立相對固定的表達圖式，根據(jù)要素輸入的參數(shù)不同，對各類指標的調(diào)整狀況進行實時展現(xiàn)［8］。

（4）確定系統(tǒng)的發(fā)展秩序和重點

?；鶊D可以展示系統(tǒng)內(nèi)各類資源要素的來源（如水代謝系統(tǒng)中各類水體的來源渠道），以及不同資源的相對需求量，協(xié)助研究者確定設計與研究的重點方向，并確立優(yōu)先次序。桑基圖中的不同階段交接處的轉(zhuǎn)換節(jié)點，是物質(zhì)要素發(fā)生交換、輸出、循環(huán)、串聯(lián)及合并的部位，也是體現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)展方向、提高系統(tǒng)運行效率和優(yōu)化結(jié)構的重要環(huán)節(jié)。

（5）量化系統(tǒng)各要素的性能指標

?；鶊D不僅用于系統(tǒng)分析，還可以對相似的研究對象采用標準化的分類形式和量化方法，便于各類指標的量化比較。如在分類形式方面，各類建筑使用過程中消耗水體的來源，都可劃分為人工處理水體（自來水）、自然水體（屋頂雨水收集或湖泊水體）和其他再生水體；在量化手段方面，大多數(shù)描述物質(zhì)代謝和能量循環(huán)的桑基圖中，研究對象中各類物質(zhì)要素的輸入、轉(zhuǎn)換和排放以一種平衡、自然、流動的方式進行，可以將其流量轉(zhuǎn)換為等值的貨幣單位或排放量（如轉(zhuǎn)換為碳排放）進行比較。因此，借助標準化的?；鶊D，可以直接比較同一研究對象在不同地點和時間周期內(nèi)所產(chǎn)生的不同結(jié)果，并為建筑系統(tǒng)的性能評估提供比較基準。

2.2 桑基圖類型及應用

?；鶊D在不同尺度層面有著廣泛應用，表現(xiàn)形式多以二維圖式為主，但隨著建成環(huán)境領域內(nèi)與設計學科結(jié)合越加深入，出現(xiàn)了如三維軸測等多樣的表現(xiàn)形式。二維桑基圖主要用于表達能量流動關系，在建成環(huán)境領域內(nèi)，多針對與可持續(xù)設計和生態(tài)環(huán)境評價相關的物質(zhì)代謝、水體循環(huán)、基礎設施配置等內(nèi)容進行可視化分析表達。而且，相較于其他領域的大部分信息表達而言，由于具備了空間的維度屬性，因此建成環(huán)境領域中的?；鶊D更加強調(diào)空間屬性特征，其圖式表現(xiàn)形式也更加具體生動（如三維軸測?；鶊D），進一步增強了圖式的設計感和可讀性。?；鶊D對要素對象的表達和表現(xiàn)主要具有2方面特點：①通過量化分析法追蹤空間中發(fā)生的能量、水及各類資源流動，構建系統(tǒng)性的物質(zhì)流程表達；②通過簡潔和標準化的可視化方式，將復雜的數(shù)據(jù)信息與具體空間維度整合，推動量化的圖式思維構建。結(jié)合國外相關機構和學者的研究成果，可以從物質(zhì)流、能量流、信息流和社會流等4個角度對相關案例進行分類梳理，見表1。結(jié)合建筑、社區(qū)及區(qū)域3個不同尺度層級，對桑基圖的實踐應用通過典型案例進行解讀。

表1 ?；鶊D表達類型舉例

續(xù)表1

2.2.1 建筑層面

在建筑設計層面，?；鶊D的應用主要關注建筑的可持續(xù)生態(tài)設計方面，與建筑的能量流動、材料循環(huán)再生及各項生態(tài)指標的效果評價檢驗相關。荷蘭FABRICations事務所結(jié)合建筑學的表達和信息讀取特點，借助三維?；鶊D，對海牙CBS辦公樓拆除后的廢棄物管理及建筑材料循環(huán)再利用流程進行系統(tǒng)的可視化表達，展示如何利用和挖掘建筑內(nèi)在剩余價值的可持續(xù)生態(tài)設計策略［12］（如圖2所示）。?；鶊D中的輸入元素是待拆除的CBS辦公建筑，可以再生使用的組成構件被分類篩選（如結(jié)構鋼材、木材及玻璃等），再經(jīng)過不同的加工利用和組合搭配方式，轉(zhuǎn)換行成的不同元素組件被用于新的建筑及場地建設（即輸出端）。不同階段中各個構件的數(shù)量多少、轉(zhuǎn)化方式、組合形式、流程路徑，結(jié)合代表不同組件的多種圖形圖符和文字，通過不同寬度的各類色條進行關聯(lián)。從中可以看到拆除建筑后的剩余材料，經(jīng)過分揀提取，鋼材、木材等多數(shù)材料可以回收，并用于新的建造過程。借助?；鶊D的表現(xiàn)形式。建筑拆解過程中的材料管理、循環(huán)利用方式等可持續(xù)再生流程得以清晰展現(xiàn)，易于不同專業(yè)背景的人士讀取、理解。

圖2 海牙CBS辦公樓的材料再生循環(huán)流程?；鶊D

2.2.2 社區(qū)及街區(qū)層面

致力于可持續(xù)城市、建筑及產(chǎn)品設計的荷蘭SUPERUSE工作室發(fā)起的“Cyclifier”研究計劃，采用了標準化的圖形和色彩樣式，繪制了一系列表達城市代謝的三維軸測?；鶊D，描述城市范圍內(nèi)或社區(qū)尺度下的水、各類能源、食物、木材等物質(zhì)要素的生產(chǎn)輸入、消耗、交換、輸出等量化流動狀況［13］。在其分散式的社區(qū)基礎設施循環(huán)及物質(zhì)流動性研究中，通過三維?；鶊D，對荷蘭Flintenbreite社區(qū)利用整合式技術設備及生態(tài)處理手段，提升社區(qū)內(nèi)資源使用效率的操作過程進行可視化描述（如圖3所示）。系統(tǒng)整體運行過程被劃分為消耗和處理2個主要階段，階段的邊界用棕色體塊表示。2個階段中所包含的輸入要素（如水、食物、能源等）、輸出要素（如二氧化碳、凈化后的水體等）及不同階段的主要參與對象（如消耗物質(zhì)的自然人、排放污水的廚房及洗衣設備、凈化污水的濕地植被等）被不同色彩及各類圖形符號予以區(qū)分和標注。各類要素連接及交換處理關系，通過代表特定對象的色彩線條進行表達，而不同過程階段的物質(zhì)流量大小和流程距離，則由線條寬窄及長短表示。最終，形成包含不同色彩、大小的各類圖形圖符的軸測?；鶊D，描繪出系統(tǒng)中各類要素的完整流動運行過程。

2.2.3 區(qū)域?qū)用?/p>

在宏觀的區(qū)域或城市層面，?；鶊D可用于計算、說明資源在不同規(guī)模區(qū)域內(nèi)的流動和配置情況，如能量流動、水體消耗平衡、交通流量控制或基礎設施配置。作為來源于自然界的投入和產(chǎn)出資源要素，通過基礎設施加工、生產(chǎn)生活消費和基礎設施處理等，最后被循環(huán)利用，或作為廢物重返大自然［13］。

Moffatt等提出了“PUMIS參與性城市代謝信息系統(tǒng)”理論，通過公眾參與的方式，追蹤城市中各類資源要素的流動代謝狀況，將印度浦那市和中國上海市的能量流動狀況，及美國加州爾灣市水體流動情況通過桑基圖進行記錄和展示［8］（如圖4所示）。另外，法國咨詢公司H4在一項針對法國孔特雷鄉(xiāng)村地區(qū)空間代謝的研究中，分析了與村落經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動相關的物質(zhì)資源及能源流動過程，將研究成果繪制為?；鶊D，展現(xiàn)了資源的流動情況、配置方式和構成比例（如圖5所示）。因此，宏觀區(qū)域或城市尺度的?；鶊D，可以協(xié)助研究者檢驗系統(tǒng)運行的效率或定位問題出現(xiàn)的環(huán)節(jié)，在降低物質(zhì)輸入與排放（廢棄物和污染物）、提高本地資源使用效率及增加材料的循環(huán)再生比例等方面，建立高效的反饋機制。

圖3 Flintenbreite社區(qū)物質(zhì)代謝分析／km

此外，?；鶊D在描述建筑內(nèi)部的能量流動、能耗測評、廢棄物及氣體排放、建立熱能模型等設計信息的表達表現(xiàn)方面，也有著全面而深入的應用。

2.3 ?；鶊D的應用發(fā)展趨勢

應用于不同尺度層面的各類桑基圖，雖然具有多樣的內(nèi)容表達和圖形組織形式，但與設計學的思維方式結(jié)合之后，其信息要素的傳遞和構成具有一定的共性特征，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）結(jié)構要素標準化——通用的桑基圖（尤其是二維?；鶊D）已經(jīng)形成了一套相對固定的表現(xiàn)形式和表達結(jié)構，不同的圖形要素具備特定的使用規(guī)則。使用者可以結(jié)合已有數(shù)據(jù)及表達對象的要素特征，按照?；鶊D的不同要素分類，將表達對象內(nèi)容分類拆解后結(jié)合到標準化的圖式表達系統(tǒng)中，有效的提高了圖式繪制的效率和信息傳遞的準確率。

（2）內(nèi)容讀取簡明化——動態(tài)流程、變化階段及轉(zhuǎn)換節(jié)點等數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為簡明易懂的信息圖形和圖像，便于不同專業(yè)領域和知識背景的人以相似的觀察方式，對?；鶊D進行系統(tǒng)性解讀。

（3）圖式表達立體化——作為適合建筑學運用和表達的三維桑基圖，平面信息轉(zhuǎn)化為更為生動的立體圖形，將桑基圖的系統(tǒng)性量化信息與設計學的圖形思維方式進行了有效融合。

伴隨著桑基圖的表現(xiàn)形式日趨多樣，應用范圍不斷擴大，與桑基圖制作相關的軟件平臺在其推廣應用、設計輔助及提升表達質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。專業(yè)制作軟件方面，包括德國漢堡公司IFU的“e！Sankey”，奧地利 STENUM的“S.DRAW 5.x”，以及瑞士公司Gabor Doka研發(fā)的“Sankey Helper”允許使用者基于EXCEL軟件繪制?；鶊D?；诰W(wǎng)頁的在線?；鶊D制作程序更為豐富，如谷歌公司的“Google Charts／Sankey”，Bruce McPherson的“Excel to Sankey”及“Sankey Builder”等，依據(jù)表達對象的類型及復雜程度不同，可供使用者進行靈活選擇或搭配使用。而且，?；鶊D也可與相關軟件結(jié)合（如建筑表現(xiàn)模擬BPS）用于建筑建造完工之前，預測建筑的性能表現(xiàn)（能源使用、再生能源生產(chǎn)、熱舒適性及視覺舒適性等）［14－16］。

圖4 基于城市代謝信息方法（UMIS）繪制開羅的水體代謝桑基圖

圖5 法國孔特雷鄉(xiāng)村地區(qū)空間代謝?；鶊D

3 結(jié)語

信息可視化的主要目標，是將抽象數(shù)據(jù)信息中的主要內(nèi)容進行歸納提取，并以簡明直觀的方式表達和傳遞信息。桑基圖在對復雜的建筑內(nèi)部能量流動、城市空間資源代謝等各類要素的動態(tài)變化過程的表達方面，是一種簡明、清晰的可視化圖式。而且，其信息圖像特點與設計學特有的形式表現(xiàn)特征結(jié)合后，所派生出的如三維軸測桑基圖等更為直觀易讀的圖式，促進了設計信息傳遞的效率，設計策略的制定，并推動設計思維的構建。

?；鶊D作為有效的定量分析和展示工具，其自身的結(jié)構特征及建筑學內(nèi)容結(jié)合后使用效果，仍需要進一步研究論證。如?；鶊D所包含的要素類型及數(shù)量多少，會在某種程度上影響數(shù)據(jù)信息傳遞的效率及可讀性；?；鶊D的量化特性，決定了其表達對象需要相對完善的數(shù)據(jù)資料，而在很多條件下，來源于不同渠道的數(shù)據(jù)資料的完整度和真實性難以保證，影響最終的圖式信息表達的準確度。

桑基圖作為信息可視化圖式的典型代表，將傳統(tǒng)建筑領域中復雜多樣的靜態(tài)設計信息，經(jīng)過抽象加工及整合歸納，以更為系統(tǒng)、準確、動態(tài)的方式進行表達。同時依托簡便高效的軟件或互聯(lián)網(wǎng)操作平臺，進一步提升了設計信息的輸出效率，使其真正從設計信息的表達載體，轉(zhuǎn)換為促進設計構思、過程決策和成果評價的圖式工具，對建成環(huán)境領域的相關研究和業(yè)務實踐有重要的啟發(fā)和指導價值。

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