以西山為背景的北京城市天際線模擬優(yōu)化研究

張 曦 齊 童 吳明霞

(首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院,北京 100048)

0 引 言

19世紀末20世紀初，新的建筑形式——“摩天樓”的出現(xiàn)顛覆了以往地平線線性的、水平的特征，地平線被賦予了新的內(nèi)涵，也就是現(xiàn)在所稱的天際線[1].蒙哥瑪力·席勒把由摩天大樓造就的全新城市景觀稱為“skyline”，《新牛津英語字典》[2]中定義天際線為：以天空為背景的建筑、建筑群或其他物體的輪廓或剪影.城市天際線是指在城市景觀中由建筑物所組成的輪廓線，是城市在縱向上的一種邊際形態(tài). 國內(nèi)外對于城市天際線的研究視角豐富多彩，如空間形態(tài)研究的視角[3-7]、城市景觀研究的視角[8-10]、城市高度控制的視角[11-17]、歷史街區(qū)保護的視角[18]、美學審美偏好的視角[19-21].但絕大多數(shù)研究僅作為其他主題研究的附屬品而存在，研究成果多是一些基于定性表述的原則、規(guī)定等，缺乏完整的研究體系和方法，現(xiàn)階段研究方法分為主觀方法和客觀方法:主觀方法有調(diào)查訪談法、心理和行為實驗法；客觀方法有分形幾何法[22-25]、空間句法和熵權(quán)法.

現(xiàn)代城市受全球化及科技飛速發(fā)展的影響，超高層建筑迅速崛起，城市景觀中的軟質(zhì)景觀(山脈、綠地和水域等自然元素)和傳統(tǒng)建筑被城市景觀中的硬質(zhì)景觀(雜亂無章的建筑群體和構(gòu)筑物)所遮擋.城市天際線作為無法取代的城市景觀風貌正遭受空前的破壞.目前北京城市天際線存在以下幾個問題：首先，西山作為北京獨特的自然景觀要素，是城市發(fā)展的重要載體，然而建筑一味追求高度和密度，使得西山的自然景觀價值降低，在城市的空間構(gòu)成中存在感減弱；其次，在城市空間形態(tài)方面缺乏整體城市設(shè)計，高層建筑缺乏統(tǒng)籌和分區(qū)不明確，各區(qū)在建設(shè)過程中無視城市整體性各自為政[26-29]；最后，視覺景觀走廊缺少視線的通透性，兩側(cè)緩沖區(qū)域不夠且視覺環(huán)境雜亂.基于上述情況，以北京西山為背景，本文選取銀錠橋、西三環(huán)、西四環(huán)、西五環(huán)、北四環(huán)和北五環(huán)等重要的交通節(jié)點作為觀測點，通過計算分形維數(shù)揭示北京西山天際線的內(nèi)在規(guī)律，分析城市空間形態(tài)，以指導規(guī)劃中高層建筑布局及高度分區(qū)控制，保護優(yōu)化天際線.

1 研究區(qū)概況

西山屬太行山脈，北面的軍都山屬燕山山脈，這兩大山脈在北京昌平區(qū)的南口鎮(zhèn)關(guān)溝相匯，形成一個半封閉的區(qū)域，向東南展開.大多數(shù)老北京人所說的西山，指的是靠近北京城區(qū)最近的山地，即翠微山、香山、玉泉山、萬壽山、百望山、鳳凰嶺等諸山.西山位于北京市西南部(圖1)，包括海淀區(qū)、石景山區(qū)、門頭溝區(qū)東部、豐臺區(qū)西部以及房山區(qū)東北部(本文主要涉及海淀區(qū))，走向北東，地勢西北高東南低，地帶性植被類型主要為落葉闊葉林.

圖1 西山研究區(qū)域范圍

2 數(shù)據(jù)采集與研究方法

2.1 觀測點的選擇原則

天際線會因視角、方位，觀測時間和觀測點位置的不同而發(fā)生變化.本文選點的原則首先是基于人的視角即以人為本，選在人流匯集處；其次是景觀觀賞頻率最高或最敏感的地段.具體選擇的原則如以下6個方面：(1)城市通道——西三環(huán)、西四環(huán)、西五環(huán)以及北四環(huán)、北五環(huán)以及視域良好的過街天橋；(2)制高點——高架橋、高層建筑、山體、可以鳥瞰城市的觀光點；(3)開敞空間——大型綠地公園和城市廣場；(4)人流聚集場所——商業(yè)中心、交叉路口、地鐵口和交通集散地等；(5)濱水區(qū)域——昆玉河、北沙河等河岸湖邊；(6)視覺廊道——生態(tài)廊道、游覽步道、旅游步行道.

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本研究于2017年11月，依據(jù)選點原則，選擇了北京二環(huán)內(nèi)的銀錠橋(點2)、 過街天橋(點1)、西三環(huán)(點15)、西四環(huán)(點8、13、9)、西五環(huán)(點7、14)、北四環(huán)(點10、11、12)和北五環(huán)(點3、4、5、6)重要的交通節(jié)點總共15處作為拍攝點(圖2).

圖2 天際線采集數(shù)據(jù)點位

因為天際線的特殊性，同樣的視角，不同高度會產(chǎn)生不同的效果.因此，本研究采取平視攝影——最常見的視角、焦平面與重力線平行.這樣的角度是最接近人的正常視角，主要特點是真實、自然[30].為減少數(shù)據(jù)誤差，拍攝時間選在天氣晴朗的時間(9：00—11：30和13：30—16：30)進行拍攝，拍攝的光圈值、拍攝角度及拍攝高度等參數(shù)盡量保持一致，并且所有的照片拍攝均由同一個人來完成.選取樣本點后，記錄樣本點的區(qū)位及其對應(yīng)的景觀特征.按照以上原則，進行基礎(chǔ)資料獲取，共拍攝照片566張，先利用Adobe Photoshop CS6軟件進行全景處理分析，后經(jīng)征詢專家意見討論，最終決定選取15張最具代表性的全景照片進行研究，但是在實施過程中發(fā)現(xiàn)，由于點10和13拍攝的照片無法完整觀察進而分析天際線，遂刪去點10和13.采用人工勾勒法，將全景圖片導入AutoCAD2017，勾勒出由西山背景輪廓線和城市建筑輪廓線組成的天際線見圖3(a).在此基礎(chǔ)上，將西山部分涂成綠色將城市建筑輪廓線涂成灰色，見圖3(b)，進而更直觀的感受建筑與山體之間差異．

圖3 點15的天際線

2.3 研究方法

分形的原意是破碎、不規(guī)則，而分形維數(shù)是用以定量表征分形的參數(shù).以往天際線研究大多采用專家評估法，有主觀因素在內(nèi)，較為定性.但是分形維數(shù)則是運用相似性來得出計算結(jié)果，相對定量，具有客觀性，也使得天際線研究有了新的視角.自20世紀分形幾何學提出后，很快就應(yīng)用到天際線評價研究之中.因此本文以分形維數(shù)為基底進行討論，為促進西山輪廓線與周圍建筑輪廓線相得益彰而提供參考.本研究使用的分形維數(shù)計算軟件是Fractalfox2.0，一款專門針對圖形的輪廓線的分形維數(shù)計算軟件.這款軟件提供了本研究所需的分形維數(shù)計算方法——計盒維數(shù)[31]，其是研究分形維數(shù)的主要工具.若邊界呈簡單直線或曲線，維度低，通常在1.0～1.1；但是當邊界形態(tài)復(fù)雜則維度相對較大，數(shù)值在1.1～1.5.一般情況下分形維數(shù)值越大，表明空間形態(tài)更為復(fù)雜化，更加不規(guī)則.此外還能識別多種圖片格式，能與經(jīng)過AutoCAD2017處理過的天際線實現(xiàn)對接.本文利用AutoCAD 2017軟件人工勾勒西山背景輪廓線.提取完成以后將其保存為bmp格式的位圖.將提取出的各個位圖分別導入到Fractalfox 2.0軟件中利用計盒維數(shù)進行分形維數(shù)的計算.

3 結(jié)果分析

將選取的13個點位的全景圖導入AutoCAD 2017軟件中依次勾勒出其點位天際線，由此觀察每個點位的具體情況(圖4).在完成天際線的提取后，轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)導入Fractalfox2.0軟件，計算每個點位的分形維數(shù). 一般而言天際輪廓越復(fù)雜，分形維數(shù)越大.但是由于西山天際線是由建筑物輪廓和山體輪廓共同組成的，不同視角中建筑物輪廓和山體輪廓在每個點位的天際線中所占比例不一樣，所以在分析過程中，把天際線分為了3類：山與建筑融合的整體、完整建筑和完整山體的天際線.然后計算各自的分形維數(shù)(見表1).

圖4 各個點位處為視角所看到的天際線

將山與建筑融合的天際線分形維數(shù)(表1)進行排序：點2>點15>點8>點14>點3>點1>點7>點4>點9>點12>點6>點11>點5.其中點2、15、8、14和3處分形維數(shù)較高，以這幾點為視角遠眺北京西山可以看到建筑較為密集，對山體有較大的影響, 其中點8處建筑對山體背景形成的天際線影響最大，山體大部分被建筑遮擋，幾乎看不見.但是也有例外，有些點位正是因為有了建筑的出現(xiàn)才使得現(xiàn)在的天際線更加豐富多彩，彰顯自然山形與老城人文建筑有機融合的魅力.比如點2，此點位于銀錠橋上，著名的“銀錠觀山”觀景點就在此地.此處分形維數(shù)最大，東望小橋流水人家，西望則遠山疊翠，風景一覽無余.

表1 3類天際線的分形維數(shù)統(tǒng)計

而在點1、4、9、6和5的建筑沖擊對于山體形成的天際線影響相對較小，山體占主導地位.其中點5地處北五環(huán)，分形維數(shù)最小，從圖5中也可看出點5建筑高度沒有超過山體，完整的保留了西山輪廓線，在此處眺望可以盡情領(lǐng)略西山之美.

4 影響因素分析

因為分形維數(shù)具有自相似性，也就是說當2條天際線的分形維數(shù)越接近，兩條天際線在形態(tài)上也就越相似，所以當建筑的輪廓線與山體的天際線相似時，即分形維數(shù)數(shù)值相近時，則建筑對山體的影響最小.本文通過建筑輪廓線分形維度與山體輪廓線分形維度的數(shù)值，以及兩者之間差值來分析建筑對自然山體天際線的影響，進而討論影響西山天際線美觀的主要因素.

(1)建筑高度的影響.

建筑高度對于天際線有壓倒性的影響，建筑高度越高對于山體的天際線壓迫感越強.從理論上分析，如果沒有人工建筑的存在，西山天際線分形維數(shù)就是完整山體輪廓的分形維數(shù).但是，通過對13個點位分形維數(shù)差值觀察，除了點1、3、4和6以外，其余9個點位完整建筑輪廓的分形維數(shù)大于完整山體輪廓的分形維數(shù)，說明了建筑輪廓極大地影響了西山天際線；從具體的點位所處的位置分析，西四環(huán)(點8和9)、西五環(huán)(點7和14)分形維數(shù)差值較高，因此建筑對山體天際線影響更大，建筑物較為緊密，帶來視覺壓迫.而北四環(huán)(點11)、北五環(huán)(點3～6)分形維數(shù)差值略低，建筑對山體的影響較小，表明建筑物疏松錯落有致，適宜得當.總體來看，北四環(huán)、北五環(huán)正好處在視覺廊道位置，視野開闊，建筑輪廓對西山整體天際線的影響較低.其他點位的建筑天際線不僅影響山脊線，也影響著城市天際線.

(2)道路走向的影響.

道路分為直線型道路和曲線型道路.由自然發(fā)展而成的大多是曲線型道路，經(jīng)過規(guī)劃的一般是直線型道路.直線型道路兩邊的建筑輪廓線與道路兩邊樹冠組成的天際線形態(tài)類似，天際線會將視野分成3部分：建筑、天空、山體或植被；曲線型道路的建筑天際線走向與道路相同，在街道轉(zhuǎn)彎處閉合，形成一道彎曲的天際線.高層建筑往往會出現(xiàn)于道路交叉口處，形成該地段的一種地標，使天際線更加豐富有趣.但對于以山體為背景的天際線而言，這是一種視線上的遮擋，阻礙了視覺走廊的通視性.比如點9位于西四環(huán)與北四環(huán)的交界處，在此遠觀發(fā)現(xiàn)有許多大型建筑存在，遮擋山體.而沿與山體垂直方向往東的點6位于北五環(huán)上，只有稍許建筑，并無太大視覺阻礙，在此點可以盡情欣賞西山風貌.

(3)地形地勢的影響.

由于不同的海拔觀測視角，因此給人們呈現(xiàn)的天際線也各不相同，點7與14位置相近，點7海拔高度為51 m，與建筑之間的視角基本上是仰視或平視.點14位于山上，海拔高度為151 m，對于建筑是一種相對俯視的視角，因此更容易觀測到西山地區(qū)的天際線全貌，從圖5可以得出，西山天際線測幅寬度更大，在此看來有2/3建筑高度要低于山脊線高度，建筑更加密集，天際線更為復(fù)雜，但是點14天際線主要還是由山體統(tǒng)領(lǐng)，而點7處則相反.

一般而言，視角從仰視到平視再到俯視，建筑的高度對天際線的統(tǒng)領(lǐng)作用也由強變?nèi)?，隨著視點升高建筑疊加增多，間隙填充，錯落減少，天際線趨于平緩，分形維數(shù)下降，當鳥瞰時，天際線消失．

(4)屋頂轉(zhuǎn)角的影響.

天際線中屋頂基本有3種形式：弧形、三角形、直線型，其中大部分以直線型為主.中國傳統(tǒng)房屋大多是平緩?fù)Π蔚奈蓓斠约吧钸h舒展的出檐，與自然山水相融合，線型起伏舒緩而平穩(wěn)、委婉而流暢，讓天際線具有律動感.但是現(xiàn)代的建筑中大多是直線型屋頂，大多數(shù)的屋頂連成一片以橫向方向沿兩邊延伸，縱向方向上只有高低起伏的變化，如點9處的屋頂，由大面積的直線與直角構(gòu)成，與自然山體的起伏變化完全不同，分形維數(shù)差值為0.090，因此屋頂轉(zhuǎn)角也是影響天際線的因素之一.在《北京城市總體規(guī)劃(2016—2035年)》(以下簡稱總規(guī))中提到：“保護老城傳統(tǒng)建筑色彩和形態(tài)特征，加強老城第五立面管控，以傳統(tǒng)坡屋頂形式為主，平屋頂形式的現(xiàn)代建筑應(yīng)進行平改坡或開展屋頂綠化”.所以規(guī)劃過程中要注意加強第五立面設(shè)計.

其他地區(qū)西山天際線多少受到影響深層次的原因是在現(xiàn)行城市規(guī)劃編制體系中，城市天際線規(guī)劃的內(nèi)容一直依附于城市設(shè)計，缺少自身系統(tǒng)性，在實施過程中缺少嚴格約束，天際線規(guī)劃流于形式，無法真正有效地指導天際線的規(guī)劃建設(shè).但在總規(guī)中卻提到：“加強天際線塑造，保護老城平緩有序的城市天際線，保護城市北部及西部壯麗、連綿的山巒背景，嚴格控制淺山及山前地區(qū)建筑高度與體量，整體保護和塑造長安街、通惠河等重要街道，河道等沿線城市天際線，塑造特色鮮明、錯落有致、富有韻律的城市天際線”.以上可以得出天際線已經(jīng)被國家相關(guān)部門重視.

5 模擬優(yōu)化

本文對點7的天際線進行模擬優(yōu)化.優(yōu)化原則采取圖5，在不影響山體輪廓線的情況下，合理控制建筑高度，為研究區(qū)域高層建筑分區(qū)管控提供參考.

點7位于西五環(huán)上，路旁建筑比較密集，天際線前半段起伏明顯，后半段較平緩；視覺廊道僅有1個；建筑總體高度低于山體；高度地標性建筑少，沒有形成集團式的天際線波峰，見圖6(a).對其中8段天際線進行了優(yōu)化，見圖6(b).第1段天際線建筑高度高于山體，因而降低了建筑高度，并增加了1個視覺廊道；同時在第2、4和7段天際線處增加視覺廊道；第3段天際線嚴格控制山谷處的建筑高度，建筑高度不可高于山體；第5和6段天際線增加建筑高度，打破原有平緩的天際線，形成集團式的高層建筑群成為天際線的控制點，成為波峰；第8段天際線的建筑體量較大且屋頂單一，適當增加屋頂?shù)钠鸱兓筛纳茊我坏奶祀H線形態(tài).經(jīng)過優(yōu)化后的天際線虛實變化明顯，天際線具有節(jié)奏性，此外，增加視覺廊道可改善觀看西山的視域條件，突顯天際線的自然屬性；同時也可形成風道，使西山的氧氣進入市區(qū)，改善生態(tài)環(huán)境.

圖5 建筑物高度控制與山體關(guān)系示意

圖6 點7處的8段天際線模擬優(yōu)化

6 結(jié)論與建議

通過計算西山地區(qū)的天際線分形維數(shù)，得出以下結(jié)論：

(1)各個點位的分形維數(shù)排序顯示點2、15、8、14和3處分形維數(shù)較高，以這些點為視角遠眺北京西山，發(fā)現(xiàn)建筑較為密集，對山體有較大的影響,建筑一味追求高度和密度，使得西山的自然景觀價值降低，在城市的空間構(gòu)成中存在感減弱，使得人們身邊有山而不知山.點1、4、9、6和5處的建筑沖擊對于山體形成的天際線影響相對較小，山體占主導地位，可以盡情欣賞西山風貌．

(2)從空間布局來看西三環(huán)、西四環(huán)、西五環(huán)建筑對山體天際線影響更大，建筑物較為緊密，帶來視覺壓迫.而北四環(huán)、北五環(huán)分形維數(shù)差值略低，因此建筑對山體的影響較小.表明城市的建筑物疏松錯落有致，適宜得當.

(3)影響天際線的因素很多，如建筑高度、道路走向、地形地勢、屋頂轉(zhuǎn)角等特殊結(jié)構(gòu)，影響最大的是建筑高度.建筑高度對于天際線有壓倒性的影響，建筑高度越高對于山體的天際線壓迫感越強，會割裂原有天然的連續(xù)天際線.因而在城市規(guī)劃中要合理控制建筑的高度和相關(guān)建筑的屋頂結(jié)構(gòu).

雖然目前總規(guī)已將西山作為一項重要的自然遺產(chǎn)納入到歷史文化名城保護中.但對于天際線規(guī)劃方面依舊籠統(tǒng)，并未引起重視，特此提出以下建議：

(1)西山地區(qū)建筑高度應(yīng)進行分區(qū)管控.通過模擬優(yōu)化可知，在山脊輪廓線波峰處，可以適當放寬建筑高度(不超過山脊高度線的20%)，展現(xiàn)天際線地標性意象；在山脊線波谷地帶以及與波峰之間的過渡地帶，建筑高度遞次提高，使建筑輪廓線與山形輪廓線相互匹配，相得益彰；此外，以東西向道路為載體，強化視覺廊道的規(guī)劃引導.

(2)西山被認為是北京城市發(fā)展的重要自然元素，也是城市區(qū)域垂直結(jié)構(gòu)空間的客觀物質(zhì)基礎(chǔ)，在北京西部地區(qū)建筑高度和分區(qū)管控方面起著重要的制衡作用.

因此應(yīng)把西山輪廓線作為一項重要的自然遺產(chǎn)，納入到歷史文化名城保護中.除此之外還要結(jié)合北京的自然環(huán)境、重要空間節(jié)點、開放型綠地空間、地標建筑等景觀要素，根據(jù)人的視線角度、視線可達性等視覺要素，采用三維立體化來研究和組織城市空間環(huán)境的設(shè)計，塑造城市空間秩序和優(yōu)美天際線．并針對城市重要景觀節(jié)點、制高點、控制點，設(shè)置動態(tài)觀測點，每隔一段時間觀測天際線分形維數(shù)變化，為城市天際線規(guī)劃管理及天際線定量研究提供準確的分形維數(shù)數(shù)據(jù)，根據(jù)分形維數(shù)的動態(tài)變化及時對天際線進行規(guī)劃和調(diào)整.天際線是歷史塑造的，需要社會群體共同維護，只有人們足夠重視，才能使其達到自然價值、文化價值和視覺價值的有機統(tǒng)一.