城市天際線美感定量指標評價研究比較

■ 呂圣東 LYU Shengdong 嚴婷婷 YAN Tingting 李 藍 LI Lan

0 引言

歐洲風景公約（The European Landscape Convention，簡稱ELC)認為，在所有感官中視覺占主導地位，其比例高達87%[1]。感受城市、理解城市、塑造城市在視覺的感知也超過其他方式。凱文·林奇認為，道路、邊界、區(qū)域、節(jié)點和標志物是城市空間意向的主要構(gòu)成內(nèi)容[2]，城市天際線是邊界與標志物的復合要素，是城市設(shè)計的重點之一。天際線的尺度與視點的位置存在關(guān)聯(lián)，可理解為宏觀、中觀、微觀三個從輪廓到細節(jié)的層次。不同層次的構(gòu)成要素也不盡相同[3]。《牛津英語字典》中，天際線被定義為“天空襯托下的土地和建筑物輪廓”，現(xiàn)實中土地的輪廓往往是指山體地形的輪廓。因此，天際線的構(gòu)成或有山體等自然要素與建筑輪廓共同構(gòu)成。智能規(guī)劃時代的到來[4]，定量評價具有與智能平臺對接的先天優(yōu)勢。天際線美感是視覺的分支，定量評價天際線美感對天際線研究具有時代意義。

1 國內(nèi)外天際線定量研究的現(xiàn)狀

各大城市諸如倫敦、芝加哥、紐約、中國香港等城市在城市設(shè)計中陸續(xù)通過高度、體量等要素的控制來設(shè)定合理路徑，引導更美好的城市天際線。通常天際線研究的方向有保護性研究控制與美感引導型研究控制。諸如倫敦的戰(zhàn)略眺望景觀，旨在保護歷史遺跡觀賞性的天際線控制，《香港城市設(shè)計指引》中，對山體可見性與協(xié)調(diào)性的天際線控制，而芝加哥、紐約的天際線控制更多旨在美感度的提升。

目前關(guān)于天際線的研究較多，其中關(guān)于天際線定量評價的有以下成果：澳大利亞學者Tom Heath通過模擬天際線類型，以人群喜好試驗，判斷復雜程度高的天際線具有更高的美感度，可以通過輪廓曲折度與空間層次度來定量描述[5]；鈕心毅等借鑒Tom Heath對天際線美感評價提出了天際線的曲折度與層次感為天際線美感度的評價指標，并以北外灘為例，提供優(yōu)化方法與思路[6]；Arthur Stamps 通過實驗從幾何分形視角提出，天際線美感，受到形狀( 凸面、凹面和平整)，建筑屋頂輪廓線的轉(zhuǎn)折點數(shù)量，單體建筑在面寬、凈高、進深及后退紅線等屬性上的變化程度等三者對天際線的感知影響[7]；黃立等以Arthur Stamps的模擬評價方法，研究了武漢沿江大道的天際線，運用了天際線形狀、平均轉(zhuǎn)折點數(shù)、建筑高度的變化程度等指標評價美感度[8]；曹迎春等從幾何學角度以分形維數(shù)論證了美妙的天際線分形維數(shù)高，但分形維數(shù)高并不能證明天際線的美感[9]。從現(xiàn)有研究中整理較有應用價值、前沿價值的評價指標，用以研究比較。

2 天際線定量研究的指標分析

依據(jù)各研究的指標及其個性特點，存在宏觀尺度形體抽象的指標與微觀尺度建筑組群變化指標，前者更多用來描述整體特征，后者用來描述細節(jié)特征，而建筑色彩等要素與天際線形體特征并無關(guān)聯(lián)，故不納入研究。按尺度將定量指標分為兩種類型：宏觀形體抽象角度描述和中微觀建筑組群角度描述。

2.1 宏觀形體抽象角度

視覺認知中有很多視覺屬性很少被人注意到，并且不會影響視覺評價，為了管理提升視覺美感度，集中研究在影響天際線美感的核心要素屬性上，可以有效地提高天際線美感度評價的準確性。宏觀形體抽象的研究更具有概括性，常見的有描述形體感知的輪廓曲折度、輪廓節(jié)奏指數(shù)、空間層次度以及從數(shù)學分形角度提出的分形維數(shù)方法。

2.1.1 輪廓曲折度——韻律感

研究表明，曲折度越高，觀察者的喜好程度隨著升高[10]，符合經(jīng)典美學中韻律感的美好感知。曲折度的量化方法：通過實景照片矢量化，三次樣條曲線抽象天際線輪廓，最后，以低點劃分段落，相鄰兩低點與中間高點組成波段，低點與高點差值之和（△h1+△h2）與兩低點水平距離（△L）之比的百分數(shù)來計算輪廓曲折度。曲折度的指數(shù)越高，說明單個波段輪廓變化越豐富，地標建筑形象越突出。加和平均后可以比較連續(xù)天際線的起伏變化程度，鑒于天際線的類型有單峰、雙峰、多峰類型，因此，單一曲折度比較不足以完整評價天際線美感，但具有極高的應用價值。輪廓節(jié)奏指數(shù)的計算原理與之類似，但前者表達的是整體曲折狀況，后者表達的是波動起伏狀態(tài)。輪廓節(jié)奏指數(shù)是將相鄰建筑高差30m作為臨界值，＞30m則認為是起伏輪廓，＜30m則認為是平緩輪廓。以此為依據(jù)量化天際線長度上的比值，輪廓節(jié)奏指數(shù)＝輪廓波動段長度／城市輪廓總長度×100%[11]?？梢钥闯?，輪廓曲折度與輪廓節(jié)奏度，分別對天際線段落節(jié)奏與整體節(jié)奏具有較強描述價值，后者結(jié)論更為抽象。兩者的運用可以通過虛擬視野面為基礎(chǔ)的真實視野模擬方法結(jié)合cad、三次樣條差值計算，來實現(xiàn)天際線美感的節(jié)奏維量化（圖1）。

2.1.2 空間層次度——層次感

層次感是經(jīng)典美學法則之一，天際線的層次性也是宏觀抽象維度非常重要的評價指標之一[6]。層次度的定量描述可以依據(jù)從視點到天際線的整體立面，將立面依據(jù)建筑層次分為前廓、中廓、后廓，設(shè)定前、中、后三輪廓面不重疊的面積分別為Sf、Sm、Sb，三者的比例總計100%，以Sf∶Sm∶Sb描述天際線的層次度，若三者比例相對均勻，則認為層次度較好，若三者存在某項差距懸殊，或一項獨大，可認為層次度較低（圖2）。

2.1.3 分形維數(shù)——協(xié)調(diào)性

空間可索性可以提高視覺空間的神秘感[12-14]，可索的空間通常富有層次性以激發(fā)空間興趣。分形刺激的心理學研究表明，人們對刺激特性的變化作出反應，而不是對分形維數(shù)作出反應[15-16]。數(shù)學家曼德布羅特( B. B.Mandelbrot) 提出的分形( Fractal)用來描述相似或同一形狀在不同尺度下的重復，具有一定的統(tǒng)計學意義，但是受限于天際線尺度的相對宏觀與人眼觀察的局限，層次過多的分形在實際上對天際線美學評價的意義并不是很大。也有研究表明，天際線的復雜度與分形維數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系，可在一定程度上彌補主觀美學評價的不足，具有復雜度吸引力的天際線通常分形維數(shù)較高，而反之則未必成立[9]。有學者研究了分形維數(shù)與天際線的喜好關(guān)系，如果天際線的分形維數(shù)與周圍景觀的分形維數(shù)相匹配，天際線會看起來更好[17]。Fractalyse2. 4(計算獲得天際線分維數(shù))是用于計算分形維數(shù)的輔助軟件，其應用程度相對專業(yè)，對于規(guī)劃人員科普及程度不高（圖3）。

圖1 輪廓曲折度計算[6]

2.2 中微觀建筑組群角度

關(guān)于形狀感知的心理學研究得出結(jié)論，形狀的邊緣可能比形狀內(nèi)部更重要[18-19]。這些對建筑組群或個體描述中，有三個值得研究的微觀形體視覺屬性：天際線上建筑物的轉(zhuǎn)彎數(shù)、建筑物空間形體屬性的變化和地標首位度[10-11]。

2.2.1 建筑平均轉(zhuǎn)折點數(shù)——趣味感

建筑平均轉(zhuǎn)折點是物理變量角度對建筑形體屬性的描繪，有研究表明，眾多客體特性的描述中，復雜性受到了最廣泛的研究關(guān)注。Zusne 認為，感知的復雜性更激起觀察者興趣，而復雜性與屋頂線的轉(zhuǎn)彎次數(shù)關(guān)系密切相關(guān)[20]。天際線輪廓的場景復雜性與建筑平均轉(zhuǎn)折點數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系。關(guān)于形狀感知的心理學研究也表明，形狀的邊緣可能比形狀內(nèi)部更重要[21]。因此，可將屋頂線的轉(zhuǎn)彎抽象為平均轉(zhuǎn)折點數(shù)，用來描繪屋頂?shù)男误w復雜程度。Stamps用實驗的方法論證了建筑平均轉(zhuǎn)折點數(shù)與天際線美感感知的正向相關(guān)關(guān)系。單個建筑屋頂線的轉(zhuǎn)彎數(shù)（4、8或12），建筑屬性的變異程度對判斷的趣味感與興趣點影響最大。無論整體形狀如何，受訪者都喜歡崎嶇的天際線而不是簡單的天際線。這些發(fā)現(xiàn)表明，對天際線外觀的規(guī)定應側(cè)重于四個建筑屬性（高度、寬度、深度和后退）的差異[10]，其中建筑平均轉(zhuǎn)折點數(shù)具有較強的可利用性（圖4）。

2.2.2 建筑起伏度——節(jié)奏感

Stamps對模擬設(shè)定的21條天際線進行了兩項偏好研究。第一項論證了天際線的環(huán)境背景對偏好沒有影響；第二個研究論證了所有的天際線在高度、寬度、深度和后退方面都有相同的變化，但是一半的天際線具有分形結(jié)構(gòu)，另一半則沒有。與簡單方差相比，加入分形結(jié)構(gòu)對偏好幾乎沒有影響。以上研究可以得出了一個假設(shè)：單純形體方差（單個建筑的四個屬性的變化程度：高度、寬度、深度和后退）是一個有用的、不受其他因子干擾的天際線設(shè)計影響要素，受訪者都喜歡多變的天際線而不是平直單調(diào)的天際線。而建筑這四個屬性在天際線的表達中，其中尤其以建筑的起伏程度最為明顯（高度）。為了避免與輪廓曲折度發(fā)生質(zhì)性重疊，建筑起伏度更關(guān)注微觀尺度上相鄰地塊的建筑高差關(guān)系，以百米街區(qū)為尺度，按水平距離100m為模塊，計算單元內(nèi)相鄰建筑的差值，疊加后的數(shù)值(△h1+△h2+……+△hn)取其均數(shù)作為街區(qū)建筑起伏度，可從微觀尺度描繪天際線的起伏度（圖5）。

2.2.3 地標建筑首位度——中心感

圖3 幾何分形[7]

圖4 建筑平均轉(zhuǎn)折點數(shù)[10]

對天際線的實證研究了天際線形狀和結(jié)構(gòu)順序的影響[22]。人們認為簡單形狀（凸形）的天際線更有序，比多個均勻起伏的拱形天際線更受歡迎。因此，更受歡迎的天際線應該具有中心感，而可以用地標建筑首位度的量化描述來表達天際線的中心感（圖6）。在確定研究的天際線范圍內(nèi)的最高建筑減去范圍內(nèi)塔樓的平均建筑高度△ht，再除以最高建筑的高度ha，可以得出具有一定參考價值的建筑首位度指標，用以描述地標建筑高度的顯著程度。

2.3 量化指標比較

2.3.1 各指標的尺度差異與感知類型

輪廓曲折度、空間層次度、分形維數(shù)三個量化指標，都是出于宏觀輪廓抽象的美感評價。輪廓曲折度從二維抽象的方式將天際線的豎向、水平向維度結(jié)合，可反映整體天際線的韻律感；空間層次度則將前后方向的豎向?qū)哟我远棵枥L；分型維數(shù)作為具有探索意義的量化方式，可用于比較前后（建筑與環(huán)境）層次的和諧感，但應用復雜度高。

建筑平均轉(zhuǎn)折點數(shù)、建筑起伏度、地標首位度則是出于中微觀對建筑組群與個體的比較。建筑平均轉(zhuǎn)折點數(shù)是對可見于輪廓線的建筑復雜度的描述，而多元的類型便于營造趣味感；建筑起伏度是對天際線段落垂直向變化的描述，以及段落之間的關(guān)系，感知豎向序列節(jié)奏；地標建筑首位度在豎向上以中心感為感知訴求，體現(xiàn)地標中心的整體控制力（表1）。

2.3.2 各指標的可應用性與方法

除去分形維數(shù)需要專門的Fractalyse2.4軟件，其余諸如輪廓曲折度、空間層次性、建筑平均轉(zhuǎn)折點數(shù)、建筑起伏度、地標首位度，均可依據(jù)現(xiàn)有的空間場景，通過cad、gis模擬，以各自計算公式量化比較。反觀高復雜程度的分形維數(shù)，可應用性反而更低。基于方法應用前的鑒別天際線美感優(yōu)化的層次工作則顯得同樣重要，準確判斷天際線美感的宏觀或微觀層面問題所在，進一步以多方案比較，選擇合適指標組合，可利于方法的準確運用（表2）。

3 結(jié)語

天際線的研究與設(shè)計涵蓋大量的經(jīng)濟、文化、政治等因素，是一個動態(tài)的、長期的、協(xié)同社會發(fā)展的過程，受到諸多變量影響，這也凸顯了從理想到現(xiàn)實需要明確的目標來指引。關(guān)于建筑體量與組合的美感體現(xiàn)等技術(shù)性內(nèi)容，是剝離了經(jīng)濟、社會等影響的理想狀態(tài)研究，可以幫助天際線美感度的引導管控，而定量的方法則進一步在理想的狀態(tài)下，引入了更為理性、科學的方法過程。基于城市戰(zhàn)略性公共空間視點的判斷基礎(chǔ)上，設(shè)置天際線觀察點，以動態(tài)視角，模擬天際線空間，定量研究美感體驗，揭示天際線美感度的深層意義，可以從天際線不同層面的視角，對設(shè)計者或研究者提供改善方向的借鑒與參考。進而避免中心區(qū)建筑無序、均質(zhì)疊加，造成標志性天際線的單調(diào)化。這些指標可以在視覺感知的韻律感、層次感、和諧感、趣味感、節(jié)奏感、中心感等方面提供定量優(yōu)化評價方式，優(yōu)化規(guī)劃成果，形成精準決策[23-24]。

圖5 建筑起伏度[10]

圖6 天際線類型[10]

表1 各量化指標性質(zhì)比較表

表2 各量化指標應用比較表