城市新生交通網(wǎng)絡優(yōu)化設計研究
——以深圳海洋新城規(guī)劃項目為例

宋靖華，周麗

SONG Jing-hua, ZHOU Li

（武漢大學）

1 引言

計算機已成為生成式設計的虛擬環(huán)境，計算機腳本的不斷發(fā)展，有助于復雜形式的參數(shù)化的模擬。該方法被不少研究者用于城市設計。在計算機的計算能力及城市大數(shù)據(jù)資源越加成熟的背景之下，參數(shù)化模擬技術(shù)與城市設計開始深度融合。

Frei Otto 在自然結(jié)構(gòu)找形實驗領域有大量開創(chuàng)性成果。以Frei Otto 自然結(jié)構(gòu)找形理論為基礎，結(jié)合參數(shù)化工具，對復雜城市網(wǎng)絡的生成進行數(shù)字模擬，并以深圳海洋新城的規(guī)劃設計為例，思考自然結(jié)構(gòu)找形理論與參數(shù)化模擬設計策略在處理復雜城市規(guī)劃中的潛力。

2 城市自組織模擬實驗的理論基礎

2.1 Frei Otto 的找形實驗理論與實驗模型

《占據(jù)與連接：對人居場所領域和范圍的思考》一書中提出城市作為一個自組織系統(tǒng)，是通過“占據(jù)與連接”兩個自發(fā)的過程發(fā)展起來的。書中提出了三種基礎網(wǎng)絡模型：直接路徑網(wǎng)絡、最短路徑網(wǎng)絡、最優(yōu)繞行網(wǎng)絡。

1)直接路徑網(wǎng)絡

如圖1a 被認為是路徑網(wǎng)絡系統(tǒng)優(yōu)化理論的基礎形式。由空間中原點兩兩相連而成，是一種簡單的網(wǎng)絡。這樣的連接導致了大量冗余路徑，空間也被切割成了無數(shù)的細碎空間，不利于城市規(guī)劃的空間分配。

2)最短路徑網(wǎng)絡

如圖1b，在一定范圍內(nèi)聯(lián)通各個空間原點生成的最短路徑網(wǎng)絡，是唯一解，另外，最小路徑網(wǎng)絡中的任意兩點相互聯(lián)通的路徑有且只有一條，通過這種方式我們得到了一條最短最經(jīng)濟的城市道路軸結(jié)構(gòu)，但是這樣的樹形結(jié)構(gòu)并不能生成城市網(wǎng)絡。

圖1

3）最優(yōu)繞行網(wǎng)絡

來源于“Wool-thread model”。該實驗中，路徑被抽象為一根根的羊毛線，濕潤的羊毛線由于水的張力作用而彼此間相互吸附，促使了大量路徑群組收斂成了單一路徑，相比前兩種較為極端的結(jié)果，它綜合了兩者的優(yōu)勢，歸并了冗余路徑，迂回道路形成網(wǎng)絡。以上三種不同的路徑網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有不同的潛力，同時考慮城市網(wǎng)絡的維護成本及承擔促進社會互動的作用，最優(yōu)繞行網(wǎng)絡被認為是能夠在這些因素之間提供最佳平衡的系統(tǒng)。

2.2 城市網(wǎng)絡系統(tǒng)的復雜性與自組織性

城市的發(fā)展過程非常復雜，難以用切片的方式進行單獨觀察和分解研究，但有其隱性的秩序和特有的規(guī)律。城市的發(fā)展與有機體有著許多相似點，是典型的復雜系統(tǒng)，這種復雜的發(fā)展方式也被稱做自組織，是一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自發(fā)生成、維持、優(yōu)化的過程，沒有額外組織干擾，在內(nèi)部機制的驅(qū)動下，由無序至有序，由簡單至復雜，由低級至高級不斷優(yōu)化發(fā)展的一個過程。

2.3 最優(yōu)繞行網(wǎng)絡用于指導城市規(guī)劃網(wǎng)絡的潛力

最優(yōu)繞行網(wǎng)絡理論被廣泛運用于城市規(guī)劃的虛擬設計中，項目的尺度越大，復雜度越高，其優(yōu)越性越是突出，該理論被多次運用于城市規(guī)劃及理論中。帕特里克·舒馬赫將其運用于“參數(shù)化城市主義”理論之中。扎哈·哈迪德利用瑪雅毛發(fā)生成工具，模擬了最優(yōu)繞行網(wǎng)絡，并用于指導卡爾塔爾——彭迪克的總體規(guī)劃。利用rhino 與grasshopper 結(jié)合的參數(shù)化工具，模擬最優(yōu)繞行路徑，并用于深圳海洋新城規(guī)劃項目的設計參考依據(jù)。

3 參數(shù)化城市網(wǎng)路模型的建立

3.1 城市自組織發(fā)展的方式

Frei Otto 的找形研究往往都是由高度簡化和抽象的模型為起點，落足于復雜形態(tài)及內(nèi)在規(guī)律。這是通過生成過程來揭示混沌模式的復雜秩序的方法，簡化模型使得研究者有一個便于思考的切入點。

城市道路網(wǎng)絡自發(fā)擴張的過程被稱作是城市發(fā)展的自組織性，F(xiàn)rei Otto 歸納城市的發(fā)展模式為“占有“和”聯(lián)系“，這兩個過程組織了所有自然和人性化的空間，它們受某種吸引/排斥或擴張/收縮的內(nèi)在規(guī)律所支配，呈現(xiàn)出類似于物理過程的自我組織行為。

3.2 利用參數(shù)化工具對“占有“和”聯(lián)系“過程進行模擬

選取Rhino結(jié)合Grasshopper、Kangaroo插件的參數(shù)化環(huán)境，對“占有“和”聯(lián)系“的過程進行模擬。

首先，確定已經(jīng)完成“占有”的固定錨點，不受Kangaroo 力的影響，通過Shatter 模塊拾取錨點，錨點相互連接，得到一組初始狀態(tài)下的直接路徑網(wǎng)絡。通過SpringsFromLine 模塊，賦予已生成的直接路徑網(wǎng)絡吸引力或排斥力，作為距離的函數(shù)，創(chuàng)建彈簧-粒子系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于控制曲線變形，使得路徑在相互吸附或排斥時能夠保證較為連續(xù)的形態(tài)。通過PowerLow 接口，將冪律力分量負值運用于該系統(tǒng)，對路徑之間附加基于聚集因素的吸引力。將固定不動的錨點連接到主引擎塊Kangaroo Physics Engine 的Force Objects 接口，將系統(tǒng)中所有參數(shù)接于主引擎塊Force Objects 接口。錨點作為網(wǎng)絡路徑的頂點或高階非均勻有理樣條曲線的控制點，生成更“有機”的曲線網(wǎng)絡形狀，最后通過遺傳算法對該模型的進行迭代優(yōu)化，最終實驗結(jié)果將作為最優(yōu)繞行網(wǎng)絡的簡化模型。利用該模型來確定街道軸線，可以有效減少直接路徑系統(tǒng)的冗余程度及連接密度。

圖2 最優(yōu)繞行路徑網(wǎng)絡模型核心框架

4 最優(yōu)繞行網(wǎng)絡運用實際項目

4.1 簡化實驗模型

以深圳海洋新城新生城市規(guī)劃項目為例，展開最優(yōu)繞行網(wǎng)絡模型的應用，項目地處珠江口岸，作為新城開發(fā)，如何更好的與老城連接，盤活整個半島區(qū)成了該項目要解決的核心問題。老城與新城邊界處有明顯的道路交叉口，為最優(yōu)繞行網(wǎng)絡模型的錨點提供了有利依據(jù)。

首先對實驗對象進行了簡化：

①假設場地是平坦的；②假設場地邊緣現(xiàn)有的道路交叉口為固定不動的錨點；③假設場地中沒有任何的道路；④假設僅通過擬建地塊的位置和體積特征來表示土地的性質(zhì)及利用問題，地塊的細分及地塊內(nèi)部的局部通道不進行探究；

4.2 生成邏輯建構(gòu)

①分析場地現(xiàn)狀，為實驗錨點進行精準定位，避開某些重點區(qū)域，維護環(huán)境和遺產(chǎn)；②運用最優(yōu)繞行網(wǎng)絡模型確定街道軸線；③通過對軸線的連續(xù)性的評估，以及軸線的收斂程度，確定街道網(wǎng)絡的等級，進而分配街道；④定義公共空間，如城市公園、廣場、居住區(qū)等；⑤對模擬生成的網(wǎng)絡進行評估，結(jié)合基地條件布置城市輪廓；

4.3 街道軸線生成過程

根據(jù)生成邏輯，研究展開了實驗的初始設定工作。分析東面人流的主要來向，依次在老城與新城的主干道交接口設置了7 個路徑起點，同時在沿海一側(cè)的道路交叉口上設置了7 個路徑起點，將作為網(wǎng)絡模型錨點，接入最優(yōu)繞行路徑網(wǎng)絡模型中，如圖3a 為路徑網(wǎng)絡優(yōu)化過程。

圖3

圖4 網(wǎng)絡節(jié)點度統(tǒng)計表

5 最優(yōu)繞行路徑的復雜特征分析

5.1 網(wǎng)絡特征分析

將優(yōu)化結(jié)果進行簡化，簡化原則是去掉聚集度小的冗余線條，保留聚集度大的主要線條束，得出如圖3b 所示的簡化模型。

在復雜網(wǎng)絡科學中，將網(wǎng)絡定義為由邊連接在一起的節(jié)點組成的集合,進出一個節(jié)點的邊的數(shù)量稱為這個節(jié)點的度。觀察圖4 網(wǎng)絡節(jié)點度統(tǒng)計表，可以看出網(wǎng)絡中有少數(shù)高連接度的節(jié)點，同時存在大量的低連接的節(jié)點，網(wǎng)絡具備中心節(jié)點結(jié)構(gòu)，復雜網(wǎng)絡科學稱具有該特點的集合為集群。

由于連接度低的點在網(wǎng)絡中占有極大的比例，假如隨機刪除網(wǎng)絡中的某些節(jié)點，刪除低連接度點的可能性遠高于刪除中心節(jié)點的概率，不會改變網(wǎng)絡的基本特性，仍然會存在多樣不均勻的度分布、很短的平均路徑和集群性。因此，復雜網(wǎng)絡應對外界環(huán)境的改變，具有一定的穩(wěn)定性。我們也以此特征來驗證通過最優(yōu)繞行網(wǎng)絡模型具備一定的穩(wěn)定性。

5.2 最優(yōu)繞行路徑實驗總結(jié)

如圖5，是在最優(yōu)繞行網(wǎng)絡指導下生成的海洋新城的規(guī)劃總圖，過程中所用到的城市數(shù)據(jù)是有限的，因此生成的城市街道網(wǎng)絡不一定是合理的，但這其中，更值得關注的是研究背后的理論思想，自然現(xiàn)象與參數(shù)化模擬的關系，參數(shù)化與城市設計的關系，簡化模型與復雜現(xiàn)實之間的聯(lián)系。

6 結(jié)語

圖5 海洋新城規(guī)劃總平面圖

通過對城市內(nèi)在規(guī)律性及最優(yōu)繞行網(wǎng)絡理論的深入分析和參數(shù)化拓展，建構(gòu)了基于最優(yōu)繞行網(wǎng)絡的城市新生網(wǎng)絡模型，旨在通過自組織方式而不是上位規(guī)劃的方式來實現(xiàn)集約高效的城市交通網(wǎng)絡設計。迄今為止對自組織城市結(jié)構(gòu)的研究表明，這些受自然界啟發(fā)的參數(shù)模型對初始條件極其敏感，加上它的交互性，研究者認為，參數(shù)化模擬在縫合再生城市或者新生城市的項目中是很有幫助的。

模擬所要的不是最終的圖案，而是優(yōu)化的過程，城市項目應該從形式的獨創(chuàng)性走向過程的獨創(chuàng)性，尊重城市的多樣性與復雜性，用解決的態(tài)度，發(fā)展的模式去面對城市問題。