保護山體背景景觀的建筑高度控制方法及其實現(xiàn)技術(shù)*

鈕心毅 宋小冬 陳 晨

0 引言

在山地城市中，自視野開闊處觀察城市，自然山體山脊線形成的天際線尤為醒目。尤其在山地城市的濱水區(qū)，自水面方向觀察城市，濱水的自然山體形成了山水交融的特色景觀。隨著高層建筑的出現(xiàn)，建筑會影響自然山體形成的天際線，可能對背景山體形成遮擋，突破山脊線形成的天際線，導(dǎo)致原有特色景觀消失。為了保護背景山體形成的天際線，就需要控制建筑高度，這已經(jīng)成為城市規(guī)劃領(lǐng)域的常見議題。建筑高度控制是山地城市控制性詳細規(guī)劃中的一項重要內(nèi)容。尤其在山地城市濱水區(qū)規(guī)劃設(shè)計和規(guī)劃管理中具有強烈的現(xiàn)實需求。

在控制性詳細規(guī)劃階段，若將山體作為保護背景，對建筑高度控制方法至少有3項要求。

（1）建筑物與背景山體的關(guān)系。山脊線形成的天際線曲折多變，在不同觀測點看到的山脊線形狀各不相同，要控制的建筑高度也隨著視點不同而變化，無法簡單劃一。

（2）如果可看到山體的觀測點很多，每個觀測點都要滿足視覺景觀保護要求，需要控制建筑高度的區(qū)域范圍不能太小。由于人的視野范圍較寬，實際控制范圍可能更大。

（3）控制詳細規(guī)劃階段尚無建筑設(shè)計方案，不能事先確定具體的控制對象。

為了滿足山脊線曲折多變、需要大范圍控制、無具體建筑物3項要求，本項研究將探索有效的建筑高度控制方法以及實現(xiàn)技術(shù)，應(yīng)用于控制性詳細規(guī)劃階段，能適應(yīng)山地城市、尤其是山地城市濱水區(qū)的山體景觀的保護要求。

1 現(xiàn)有的建筑高度控制方法

目前規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)管理中控制建筑高度，最簡單的方法是靠觀察角度，計算觀測點、控制對象、保護背景三者關(guān)系，一般采用點對點圖示法，確定需要控制的建筑高度。實際工作中，可以在實地放置不同高度氣球，檢驗控制效果。這一方法在控制對象已經(jīng)確定、已有了初步建筑設(shè)計方案的前提下才能使用，也僅能用于單個建筑的高度控制，適宜在修建性詳細規(guī)劃和建筑設(shè)計方案審批時使用，不能用于控制性詳細規(guī)劃編制。目前在控制性詳細規(guī)劃階段控制建筑高度方法主要有分區(qū)控制法、眺望控制法。

1.1 分區(qū)控制法

分區(qū)控制法在規(guī)劃設(shè)計中應(yīng)用較廣。該方法首先確定保護區(qū)域，然后在保護區(qū)域的周邊劃分若干控制區(qū)域，在每一控制區(qū)域里確定建筑控制高度。越接近保護區(qū)域，建筑高度限制越嚴格[1]。在劃分控制分區(qū)時，往往以仰視角度為依據(jù)。用不同的仰角，計算出控制面，作為不同控制帶內(nèi)建筑高度上限，從而得到分區(qū)域的建筑高度控制值（圖1）。例如，在歷史名城保護規(guī)劃中，有采用以仰角45°計算不可建設(shè)控制帶、以仰角27°計算多層建筑控制帶、以仰角9°—18°計算小高層建筑控制帶[2]。

分區(qū)控制法比較簡單明確，易于實施管理，比較適宜由保護區(qū)域出發(fā)、對周邊建筑高度進行控制的場合，尤其在傳統(tǒng)城區(qū)、歷史街區(qū)保護周圍使用較多。這一方法的控制區(qū)域范圍較大，但不考慮視線遮擋，也不涉及保護觀測背景。

圖1 以仰角為依據(jù)的分區(qū)控制法

1.2 眺望控制法

眺望控制法是另一類常用方法。最常用的簡單眺望控制法是事先確定眺望點（觀測點）、眺望對象，在眺望點上觀測眺望對象時，為確保視線不受遮擋影響，在眺望對象前方區(qū)域內(nèi)的建筑物高度都受到限制。如果按一定的視野廣角考慮眺望對象的寬度，就能獲取控制區(qū)域內(nèi)建筑高度控制值（圖2）。眺望控制法在國內(nèi)外許多城市的規(guī)劃設(shè)計中得到應(yīng)用[3-4]。眺望控制法的關(guān)鍵在于選取眺望點，計算眺望點和眺望對象之間的幾何關(guān)系，也能借助計算機實現(xiàn)精確控制。

與分區(qū)控制法相比，簡單眺望控制法考慮了視線遮擋，顧及保護觀測背景，但還存在兩個主要缺陷。簡單眺望控制法的控制范圍根據(jù)眺望對象的寬度確定，對于單一眺望點，控制范圍往往是一個狹窄的楔形區(qū)域（圖2的水平方向示意圖）。簡單眺望控制法只能在眺望對象的相對高度恒定不變時應(yīng)用（圖2中的垂直方向示意圖），如果眺望對象自身高度多變，就無法使用。

圖2 簡單眺望控制法

1.3 現(xiàn)有方法的適用性

對照前述保護山體背景的建筑高度控制的3個要求：山脊線的相對高度多變、需要控制范圍大、無具體控制對象，分區(qū)控制法能劃出的控制范圍可大可小，根據(jù)仰角提出控制要求，但是不能詳細考慮背景山體和建筑高度的相互關(guān)系。簡單眺望控制法假設(shè)眺望對象的相對高度不變，如果山體的形狀復(fù)雜，山脊曲線變化豐富，簡單眺望控制較難適應(yīng)。此外，簡單眺望控制法的控制區(qū)域較為狹小。因此該方法不能滿足前2個要求。

1.4 香港城市設(shè)計導(dǎo)則對建筑高度的控制

香港屬濱水山地城市，為保護維多利亞港兩岸自然山體山脊線形成的天際線，用城市設(shè)計導(dǎo)則對建筑高度提出控制要求。香港《規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則》中《城市設(shè)計指引》部分，提出“要對維多利亞港兩側(cè)的建筑高度進行控制，以保護維多利亞港兩岸的重要山脊線景觀。從兩岸主要人流匯聚的瞭望點觀察到山脊線應(yīng)維持一個‘不受建筑物遮擋地帶’。指引建議設(shè)立一個20% 至30% 山景不受建筑物遮擋地帶”[5]（圖3）。

香港的建筑高度控制的城市設(shè)計導(dǎo)則要求明確、清晰，目標(biāo)量化，尤其易于非專業(yè)人士理解，得到廣泛的認同，被多種文獻引用。在許多山地城市的規(guī)劃設(shè)計中也引用這一導(dǎo)則作為建筑高度控制的目標(biāo)。然而香港《城市設(shè)計指引》并未提出落實該導(dǎo)則的控制方法，也未制定出基于該《指引》的建筑高度分區(qū)控制圖，估計缺少技術(shù)支持是主要原因。香港的城市設(shè)計導(dǎo)則適用于山地城市建筑高度控制，仍需要在該導(dǎo)則的基礎(chǔ)上，探索適用于落實這一導(dǎo)則的建筑高度控制支持技術(shù)和實現(xiàn)途徑。

2 綜合視覺影響模型的建筑高度控制方法

圖3 香港的建筑高度控制城市設(shè)計導(dǎo)則

近年來，隨著三維地理信息系統(tǒng)及三維可視化技術(shù)的發(fā)展，為建筑高度控制帶來了新支持技術(shù)，國外已有了不少應(yīng)用案例[6-8]。此外，基于眺望方法對城市天際線等景觀定量分析控制也有了研究和進展[9-10]。筆者引入一個視覺影響模型，對簡單眺望控制法進行若干改進，形成綜合視覺影響模型的建筑高度控制方法，用于天際線和山體背景保護。該方法以GIS為平臺，三維可視分析為支持技術(shù)，能夠落實上述的建筑高度控制城市設(shè)計導(dǎo)則。

2.1 視覺影響模型

筆者曾提出過一個視覺影響模型，取人眼的視野范圍的水平視角為120°、向上視角30°、向下視角40°。該模型將常人視野范圍抽象成一個垂直于地面的虛擬視野面。在模型中，將視野面設(shè)置在需要觀察的景物后方。觀測點與視野面距離D決定了視野面的寬度和高度。由于建筑物、山體等的遮擋，虛擬視野面被劃分為遮擋區(qū)域、通視區(qū)域。遮擋區(qū)域?qū)τ^測者視覺感受產(chǎn)生直接影響，天際線是遮擋區(qū)域和通視區(qū)域的分界線（圖4）。確定觀測點后，應(yīng)用此模型能較快計算出觀察者視野中實際天際線的位置和形狀[10-11]。

圖4 綜合視覺影響模型的眺望控制法

2.2 對簡單眺望控制法的改進

綜合視覺影響模型的建筑高度控制方法對簡單眺望控制法進行了3個關(guān)鍵改進。

2.2.1 以視野范圍作為建筑高度控制區(qū)域

簡單眺望控制法的建筑高度控制區(qū)域是一個狹窄的楔形區(qū)域，眺望對象的寬度決定了楔形區(qū)域的范圍。本方法以視覺影響模型中虛擬視野面為眺望對象。虛擬視野面是120°圓柱弧面，對應(yīng)眺望點上120°視角形成的水平視野。眺望對象和眺望點之間連接形成120°扇形控制區(qū)域（圖5）。與簡單眺望控制法的楔形控制區(qū)相比，控制區(qū)域有了明顯擴展，更接近眺望點上常人的視野范圍。

2.2.2 根據(jù)天際線確定眺望高度值

簡單眺望控制法依據(jù)眺望對象確定一個眺望高度，眺望高度值只能恒定不變。本方法根據(jù)視野面上的天際線確定眺望高度。山脊線形成的天際線高度曲折多變，視野面上不同位置的眺望高度值和曲折天際線的變化同步。

香港的建筑高度控制城市設(shè)計導(dǎo)則規(guī)定建筑物高度不能突破山脊線，也可規(guī)定山脊線以下20%山景不被建筑物所遮擋，這兩個控制要點均能在視覺影響模型中得到落實。

在視覺影響模型中，眺望點出發(fā)的視線如果不受建筑遮擋，則在山脊線處被阻擋。山脊線在視野面上投影形成一條連續(xù)的天際線。根據(jù)眺望點的坐標(biāo)值、視線實際阻擋點的坐標(biāo)值，計算出視野面上天際線上任一點高度值h0。h0為建筑高度不突破山脊線時的眺望高度。顯然，h0不是一個恒定值，隨著山脊線的形狀而變化（圖4）。

在視覺影響模型中，如果山脊線以下20%不受建筑物遮擋，只要設(shè)定建筑物在視野面上投影高度不得高于0.8h0，也就是山脊線高度下降20%。獲取了視野面上的天際線，計算出不同位置0.8h0值，相互連接可得到允許遮擋高度控制線（圖4b)）。

將眺望點和允許遮擋高度控制線相連，能形成一個接近扇形的三維控制面。高度處于該控制面下方的建筑，在視野中不會突破20%不受建筑遮擋山景區(qū)域。反之，高度處于該控制面上方的建筑，在視野中會突破20%不受建筑遮擋山景區(qū)域（圖5）。

2.2.3 多個眺望點綜合控制

圖5 建筑高度控制面

簡單眺望控制法可以在多個眺望點上觀測同一個眺望對象，按不同觀測位置獲取建筑高度控制值。由于該方法的控制范圍狹窄，多個眺望點的控制區(qū)域重合范圍很小，或者不重合，因此簡單眺望控制法不一定需要對多個眺望點的計算結(jié)果進行綜合。

在山地城市中，不同位置觀測到背景山體與建筑物之間遮擋的關(guān)系會有很大變化，可稱為步移景異。在不同眺望點上，對同一個允許建設(shè)的位置的建筑高度控制值也會不同。如果多個眺望點看到的山景都滿足規(guī)劃要求，就要對多個眺望點的計算結(jié)果進行綜合。本方法是先分別對多個眺望點進行計算，得到各自控制范圍、控制值，再對多個眺望點的計算結(jié)果進行綜合。由于本方法的單一眺望點的控制范圍大，多個眺望點的控制范圍會相互重合，在重合部位，建筑高度控制值很可能不同。所謂綜合，就是在重合部位取最小值，以確保從所有眺望點看到的建筑高度不會高于山脊線，并且視野范圍內(nèi)還留出20%不受建筑物遮擋的背景山體。

3 應(yīng)用案例

3.1 舟山沈家門舊城區(qū)概況

浙江省舟山市是國內(nèi)知名海島旅游城市。沈家門舊城區(qū)位于舟山本島東南端、山與海之間的狹長地帶內(nèi)。在舊城區(qū)以南，有魯家峙、小干島等島嶼。舊城區(qū)北側(cè)山體的山峰高度為海拔200—230m，東西向海岸線長約5 000m；南北向自山腳至海岸的距離最寬處約1 100m、最窄處不到120m。舊城區(qū)總面積3km2。沈家門舊城區(qū)與魯家峙、小干島等島嶼所圍合的海域形成寬約180—250m狹長避風(fēng)港。從魯家峙、小干島、朱家尖等島嶼觀察沈家門，以山脊為界形成了3個空間層次，以綠色山體為背景、以海港為前沿，背景與前沿之間是城區(qū)，形成了極有特色的山、海、城的景觀格局（圖6）。

沈家門舊城區(qū)內(nèi)大多在20世紀七八十年代經(jīng)歷了改建，大多為多層建筑。近年來，沈家門城市功能從傳統(tǒng)生產(chǎn)性漁港向多功能漁港轉(zhuǎn)化。隨著城市功能轉(zhuǎn)變，舊工業(yè)用地面臨轉(zhuǎn)型和改造。尤其在沿海岸的工業(yè)區(qū)內(nèi)，造船、漁業(yè)相關(guān)工業(yè)用地逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)、居住、休閑、游樂用地。由于土地資源緊缺，舊城改建中，城區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了60m以上高層建筑，對天際線產(chǎn)生了直接影響。已有多個層次的規(guī)劃提出要對舊城區(qū)內(nèi)的建筑高度進行控制，維持自然山體形成的天際線，保護山、城、海3個空間層次的特色景觀。

圖6 沈家門舊城區(qū)范圍和眺望點

圖7 魯家峙6號眺望點觀測的允許建筑高度圖層

3.2 沈家門建筑高度控制的城市設(shè)計導(dǎo)則和眺望點選擇

首先從城市設(shè)計要求出發(fā)，參考香港的經(jīng)驗，提出了建筑高度控制的城市設(shè)計導(dǎo)則。導(dǎo)則要求在沈家門對岸的魯家峙、小干島北岸濱海道路上，以正常觀測高度眺望沈家門舊城區(qū)，視野內(nèi)的城區(qū)建筑高度不能突破后方山脊線，并且山脊線以下20%山景不被建筑物所遮擋，確保背景山體形成的天際線保持連續(xù)、完整。

選擇眺望點有2個原則，一是必須正對沈家門舊城區(qū)，二是人流集中點，特別是外來游客容易到達的位置。在魯家峙和小干島北岸選取規(guī)劃中的公共綠地、廣場、主要道路交叉口、公共設(shè)施入口作為眺望點。在魯家峙北岸共選擇了13個眺望點，小干島北岸選擇了2個眺望點。沿岸線相鄰眺望點間距約為200—300m，以此模擬沿海岸線連續(xù)性（圖6）。

3.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地表模型（運用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）），范圍包括沈家門及其外圍島嶼、海域；城區(qū)建設(shè)用地圖層、道路圖層、現(xiàn)狀8層以上建筑圖層。基礎(chǔ)資料來自1:500矢量地形圖及相關(guān)規(guī)劃。

3.4 技術(shù)實現(xiàn)步驟

3.4.1 單一眺望點的允許建筑高度

每一個眺望點上，按普通觀測者視高1.65m，運用視覺影響模型，生成該眺望點上觀察到的山脊天際線，同時計算得到天際線上每一個折點高度值h0。每一個折點向下偏移遮擋高度值0.2h0，將偏移后的點連接得到視野面上的允許遮擋高度控制線。

連接眺望點和視野面上的允許遮擋高度控制線，生成一個建筑高度控制面，也使用TIN模型表示。將該控制面與地表TIN模型進行減法運算，得到基于單一眺望點控制區(qū)域內(nèi)建筑高度值，得到允許建筑高度圖層，采用5m×5m分辨率的柵格數(shù)據(jù)表示（圖7）。依次對魯家峙上的13個眺望點、小干島上的2個眺望點逐個計算，得到15個允許建筑高度圖層。

3.4.2 綜合多個眺望點的允許建筑高度

根據(jù)沈家門舊城區(qū)自身特點，以魯家峙大橋為界，將舊城區(qū)劃分為東、西兩部分。由于魯家峙大橋?qū)σ暰€阻隔，魯家峙北岸上所有眺望點均眺望城區(qū)東部山體的觀測條件較好，部分眺望點眺望城區(qū)西部山體已經(jīng)受一定影響。反之，小干島上的眺望點眺望城區(qū)西部山體觀測條件較好，眺望城區(qū)東部山體已受一定影響。魯家峙上13個眺望點的綜合結(jié)果用于控制大橋以東的舊城區(qū)建筑高度值。小干島上2個眺望點的綜合結(jié)果用于控制大橋以西的舊城區(qū)建筑高度值。

綜合魯家峙北岸13個眺望點對應(yīng)的13個允許建筑高度圖層。選用柵格分析的像元統(tǒng)計工具，對13個柵格圖層進行綜合計算，在每個位置上取最小值，得到舊城區(qū)東部建筑高度控制圖。采用同樣方法對小干島上兩個眺望點進行綜合，得到舊城區(qū)西部建筑高度控制圖（圖8）。

3.4.3 生成建筑高度控制格網(wǎng)點陣

以上得到的建筑高度控制圖層是一個連續(xù)柵格表面。由于柵格單元較?。?m×5m），一個街坊會存在多個連續(xù)變化的高度值，在規(guī)劃業(yè)務(wù)中使用不方便，確定街坊的建筑高度控制值有困難。雖然繪制等值線也能夠表達各個街區(qū)的建筑高度控制值，但是如果等值線間距過疏，確定兩條等值線之間的高度值仍有困難；如果等值線間距過密，也不適應(yīng)實際應(yīng)用。

為此采用了格網(wǎng)點陣方式。將5m×5m的高度控制柵格聚合簡化成50m×50m的柵格，聚合后的柵格單元值取聚合前的平均值，再將其轉(zhuǎn)換成點要素類，對每個點標(biāo)注高度數(shù)值（圖9）。該項結(jié)果可作為控制性詳細規(guī)劃的附加條件。在各街坊、地塊內(nèi)進行修建設(shè)計時可以參考對應(yīng)位置的控制點值確定允許建筑高度值。

上述計算，均以ArcGIS 10.1及3D Analyst擴展模塊作為軟件平臺，使用ArcObjects進行二次開發(fā)完成。

圖8 綜合后的沈家門舊城區(qū)建筑高度控制圖

圖9 沈家門舊城區(qū)建筑高度控制網(wǎng)

3.5 對計算結(jié)果的分析

由于背景山體高度多變、沈家門舊城區(qū)內(nèi)本身地形也有起伏，滿足建筑高度控制要求，各個街坊的建筑高度控制值各異?？傮w上，由濱海至山腳，允許建筑高度值逐漸遞增。對濱海的街坊建筑高度控制要求較嚴，濱海第一層面多數(shù)街坊建筑高度不應(yīng)高于24m，個別街坊應(yīng)在10m以下。在山腳地區(qū)建筑高度可以達到50—60m之間。在滿足導(dǎo)則要求的前提下，舊城改造中可以允許建設(shè)部分高層建筑。山腳的個別區(qū)域甚至可以建設(shè)80—100m的高層建筑。

獲得建筑高度控制圖層和舊城區(qū)已有8層以上建筑圖層進行比較，發(fā)現(xiàn)目前舊城區(qū)大多數(shù)區(qū)域的建筑高度尚符合導(dǎo)則要求。在近期已經(jīng)改造完畢街區(qū)中，目前部分濱海街坊現(xiàn)狀建筑高度已經(jīng)突破了允許控制值。這與當(dāng)前現(xiàn)場觀測的效果一致（圖10）。

圖10 現(xiàn)狀已有高層建筑與建筑高度控制要求的對比

4 討論和結(jié)語

4.1 討論

合理選擇眺望點是眺望控制法一個關(guān)鍵議題。雖然眺望點越多，對建筑高度控制越可靠，但是也會帶來計算量大、難以操作。以往實踐選擇少數(shù)重要觀測點作為控制眺望點，估計主要原因是缺少合適的計算方法支持。例如，香港《城市設(shè)計指引》僅在九龍選擇了4個眺望點控制維多利亞港北岸建筑高度，在港島僅選擇了3個眺望點控制維多利亞港南岸建筑高度[5]。毋容置疑，眺望點數(shù)量太少，景觀整體保護的效果不佳。本項研究對計算方法進行探索，能較快完成多個眺望點的計算，選取了200—300m的間距多個眺望點，再進行綜合，已經(jīng)能夠滿足大范圍建筑高度整體控制需要。然而從視覺景觀評價出發(fā)，連續(xù)多個眺望點方法和實際連續(xù)路徑仍有一定差異。如何合理選擇眺望點位置和數(shù)量，尚有待進一步研究。

整體保護山脊線的城市設(shè)計導(dǎo)則是本方法基本前提。如果城市設(shè)計允許在山脊線的適當(dāng)位置出現(xiàn)突破山脊線的標(biāo)志性建筑，那么相應(yīng)建筑高度控制必然會有局部變化。在什么位置允許突破山脊線，允許突破多少，取決于城市設(shè)計。一旦確定了允許突破山脊線的位置、視野中允許突破山脊線的程度，目前計算方法也能適用。

4.2 結(jié)語

為了保護山體背景的自然景觀，山地城市的建筑高度控制有3個要求，現(xiàn)行控制方法均存在明顯的局限性，綜合視覺影響模型的建筑高度控制方法可滿足這3個要求。應(yīng)用綜合視覺影響模型的建筑高度控制技術(shù)，能夠落實香港《城市設(shè)計指引》中提出的保護山脊線、山脊線以下20%山體景觀不被建筑物所遮擋的城市設(shè)計導(dǎo)則，適宜于在控制性詳細規(guī)劃階段使用。

本方法以設(shè)計導(dǎo)則為目標(biāo)導(dǎo)向，使建筑高度控制易于各方人士，尤其是普通公眾、非專業(yè)人員理解，也易于直接寫入相關(guān)技術(shù)規(guī)定。在控制方法上，引入了視覺影響分析技術(shù)，對簡單眺望控制法進行了3方面重要改進。以視野范圍為控制區(qū)域，擴大了建筑高度控制范圍；以天際線為眺望高度值，適應(yīng)了背景山體眺望高度多變的要求，落實了山脊以下20%不受建筑遮擋區(qū)域的計算；采用多眺望點綜合，取最小建筑高度控制值，考慮了多眺望點步移景異的效果。在控制成果上，本項研究提出了格網(wǎng)點陣化表達方法，便于后續(xù)業(yè)務(wù)使用，避免了對連續(xù)高度控制值簡單歸并或劃分等值線帶來的弊端。舟山市沈家門舊城區(qū)規(guī)劃案例初步證明本方法適用于保護山體背景景觀的大范圍建筑高度控制，尤其是適用于山地城市濱水區(qū)的建筑高度控制，分析過程便捷精確，成果表達直觀。

（感謝舟山市規(guī)劃局、舟山市規(guī)劃局普陀分局為本項研究提供支持和幫助。）

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