基于多源大數(shù)據(jù)的城市立體空間控制分區(qū)
——以武漢市主城區(qū)為例

韓 瑞，周 鵬，潘 悅，王 麗，王申林

武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074

城市垂直維度的開發(fā)對于城市立體空間的發(fā)展和利用效率的提升具有積極意義，中國部分城市在不同時期對不同區(qū)域的高層建筑空間布局制定了相應(yīng)的規(guī)劃和策略，但是城市高層建筑的數(shù)量和密集程度仍迅速提升，對城市立體空間形態(tài)的布局和優(yōu)化研究僅停留在起步階段。因此，要科學(xué)合理地對高層建筑進(jìn)行控制與布局，才能促進(jìn)城市立體空間健康合理的發(fā)展。

目前的城市規(guī)劃體系中，對于高層建筑空間控制分區(qū)的內(nèi)容比較少，缺乏一定的管理依據(jù)，研究方向和區(qū)域具有局部性，時點(diǎn)較近。大部分國家偏重部分因子的研究影響，如以美國為代表的城市從城市土地利用合理性上進(jìn)行分析，以土地使用功能作為控制要素。一些歐洲城市，把以歷史文化保護(hù)為目的作為唯一的重要依據(jù)，在綜合全面性方面存在著不足［1-2］。我國對此方面的研究相對較晚，對比國內(nèi)城市高層建筑空間的布局規(guī)劃制定和研究區(qū)可發(fā)現(xiàn)，除北京1985 年開始制定相關(guān)高層建筑空間規(guī)劃以外［3-4］，其他城市的高層建筑空間規(guī)劃的制定時間都集中在2010 年左右［5-9］。上海和重慶基于城市天際輪廓線和路網(wǎng)街區(qū)層面分析中心區(qū)的高層建筑布局，提出控制高層建筑高度和密度的方法［10-11］；南京市結(jié)合城市風(fēng)貌、歷史文化和交通可達(dá)性等因子研究老城區(qū)空間形態(tài)，利用綜合評價的方法劃定相應(yīng)的建筑高度限制［12-13］；成都市研究交通路網(wǎng)對于城市高層建筑的空間格局影響［14］；溫州市根據(jù)城市密度控制規(guī)劃和城市發(fā)展規(guī)劃優(yōu)化整體城市空間形態(tài)，劃定高層建筑建設(shè)分區(qū)［15］；寧波市運(yùn)用定量分析的方法研究三江片區(qū)，由高層禁建區(qū)逆向推導(dǎo)出允許興建高層建筑的區(qū)域范圍［16］；哈爾濱重點(diǎn)分析高層建筑布局結(jié)構(gòu)，對高層建筑的高度進(jìn)行嚴(yán)格控制。制定相應(yīng)的高層建筑控制規(guī)劃分區(qū)，對城市開發(fā)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)強(qiáng)度、密度和高度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，并提出一系列的城市控制規(guī)劃圖則［17］。

綜述其他城市的建筑高度控制分區(qū)規(guī)劃［18-21］，結(jié)合武漢市的城市景觀特色和城市空間結(jié)構(gòu)，不斷發(fā)展武漢市立體空間高度控制分區(qū)的相關(guān)研究內(nèi)容［22-23］，評估城市垂直空間的高層建筑的開發(fā)潛力。利用單因子評估和多因子評估的方法，采集城市多源大數(shù)據(jù)，評估城市立體空間的開發(fā)潛力。根據(jù)潛力評估的結(jié)果劃分控制分區(qū)，基于剛性控制與彈性控制，提出相應(yīng)的高層開發(fā)管控建議與措施，促進(jìn)城市三維立體空間的合理規(guī)劃和健康發(fā)展，為武漢市城市健康快速發(fā)展和城市立體空間優(yōu)化布局提供有效的控制分區(qū)建議。

1 基于多源大數(shù)據(jù)的立體空間控制分區(qū)體系

1.1 構(gòu)建基于多源大數(shù)據(jù)的控制分區(qū)評估體系

本研究主要運(yùn)用多因子評價的方法進(jìn)行城市立體空間的高度控制分區(qū)的劃分，具體方法如圖1所示。

圖1 基于多因子評價的立體空間優(yōu)化分區(qū)體系Fig.1 Optimizing zoning system in three-dimensional space based on multi-factor evaluation

1.2 多因子評價模型

多因子評價模型如下：

其中，wij為因子j 的權(quán)重，vij為評估單元i 具有的因子j潛力分值；Vi為評估單元i的潛力總分值。

2 武漢市立體空間控制分區(qū)

2.1 數(shù)據(jù)選取

本研究利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)采集城市POI（Point of Interest）大數(shù)據(jù)、泛在網(wǎng)絡(luò)信息大數(shù)據(jù)進(jìn)行城市地理信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，提取2012-2018 年武漢市主城區(qū)建筑空間數(shù)據(jù)，包含建筑高度、空間位置與分類用途等信息。

2.2 評價單元的選取

針對城市立體空間形態(tài)和城市空間結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究，不同的尺度單元劃分能夠解釋其對應(yīng)的規(guī)劃和變化規(guī)律，或者說特性的空間分異規(guī)律是建立在某種特定的采樣尺度上的。因此，本研究對比不同特性的評估單元，對城市空間進(jìn)行準(zhǔn)確的高度控制分區(qū)。由不同尺度的分區(qū)單元示意圖可知，主城區(qū)規(guī)劃管控單元［圖2（a）］的研究尺度最大，無法表達(dá)城市內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，也不能準(zhǔn)確表達(dá)城市內(nèi)部的空間分異規(guī)律；主城區(qū)社區(qū)界限單元［圖2（b）］以社區(qū)進(jìn)行劃分，但是由于社區(qū)的大小各異，尺度差異較大；主城區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)單元［圖2（c）］以道路和街區(qū)相結(jié)合，更能微觀地表達(dá)城市空間規(guī)律。綜上所述，本文選取道路網(wǎng)絡(luò)單元作為高度控制分區(qū)的基本單元。

圖2 不同尺度的主城區(qū)分區(qū)單元示意圖：（a）規(guī)劃管控單元，（b）社區(qū)界限單元，（c）道路網(wǎng)絡(luò)單元Fig.2 Schematic diagrams of zoning units with different scales of main urban areas：（a）planning control unit，（b）community boundary unit，（c）road network unit

2.3 單因子分析

2.3.1 城市主干道因子 城市主干道是主要交通樞紐和公共場所的全市性干道。地塊距離城市主干道越近，建設(shè)高層建筑的可行性越大，周邊車流量和人流量越大所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也非同小可，因而，城市主干道對高層建筑的布局規(guī)劃影響也越大。根據(jù)城市主干道評價分值圖［圖3（a）］判定，將整個城市地塊根據(jù)距離主干道的距離分為10 個等級，最高等級的地塊換算成1，剩下的等級分值則根據(jù)最高等級地塊比值取值。分值越高，距離城市主干道越近，地塊可達(dá)性越高，對高層建筑建設(shè)影響力越大。

2.3.2 歷史名城因子 高層建筑的建設(shè)和發(fā)展必須科學(xué)地進(jìn)行，對歷史名城街區(qū)不僅要限制高層建筑的開發(fā)利用，更應(yīng)該限制一切建筑的開發(fā)。根據(jù)《武漢市歷史文化名城保護(hù)規(guī)劃》將地塊分為2 類，得到歷史名城評價分值圖［圖3（b）］。分值為0 代表禁止建設(shè)高層建筑區(qū)，1 分則可以開發(fā)高層建筑區(qū)。

2.3.3 長江水域因子 長江中下游地區(qū)與上游地區(qū)相比，地形地貌、水流特征等均有所不同。長江中下游地區(qū)，不僅擁有豐富的水資源，而且在河流特殊區(qū)域形成了優(yōu)越的自然景觀旅游資源。此外，豐富的漁業(yè)資源、良好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件及便捷的航運(yùn)條件，皆使長江中下游的經(jīng)濟(jì)效益比上游地區(qū)高一些。以距離長江遠(yuǎn)近及經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)際情況為依據(jù)，將地塊劃分為10 個等級［圖3（c）］。分值越高，代表地塊距離長江的位置越近，建設(shè)高層建筑的可行性也越高。

2.3.4 主城中心因子 主城中心附近，地段優(yōu)越，交通便利，周邊配套齊全，人流量密集，經(jīng)濟(jì)效益巨大。所以高層建筑距離主城中心越近，得到的經(jīng)濟(jì)效益越高。因此根據(jù)距離主城中心的遠(yuǎn)近把地塊分為10 個等級，得出主城中心評價分值圖［圖3（d）］。分值越高，地塊距離主城中心越近，建設(shè)高層建筑的可行性越大。

圖3 不同因子的評估分值示意圖：（a）城市主干道，（b）歷史名城，（c）長江水域，（d）主城中心，（e）綜合商場，（f）綜合醫(yī)院，（g）中學(xué)，（h）湖泊，（i）一般公園Fig.3 Schematic diagrams of evaluation scores of different factors：（a）main road，（b）historical city，（c）Yangtze River，（d）main city center，（e）comprehensive shopping mall，（f）comprehensive hospital，（g）middle school，（h）lake，（i）general park

2.3.5 綜合商場因子 綜合商場附近人流集聚量較大，在附近建設(shè)高層建筑可以使土地利用最大化，可獲得更高的經(jīng)濟(jì)利益。以《武漢市商業(yè)設(shè)施空間布局規(guī)劃》中現(xiàn)有的6 個市級商業(yè)中心、20 個區(qū)級商業(yè)中心、28 條商業(yè)街以及社區(qū)商業(yè)的人口配置標(biāo)準(zhǔn)和未來商業(yè)集中用地為依據(jù)，按照商業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ迅鱾€研究地塊分成10 個等級，得到綜合商場評價分值圖［圖3（e）］。分值越高，距離綜合商場越近，建設(shè)高層建筑的可行性越高。

2.3.6 綜合醫(yī)院因子 醫(yī)院一般建設(shè)在交通便利的地區(qū)，有利于患者前往以及急救的及時送達(dá)，或建設(shè)在人口比較密集的地區(qū)，以方便更多人就診。因此，綜合醫(yī)院附近應(yīng)配套相應(yīng)的高層建筑。由此為依據(jù)，把研究地塊劃分為10 個等級，得到綜合醫(yī)院評價分值［圖3（f）］。分值越高，地塊相對距離綜合醫(yī)院較近，建設(shè)高層建筑的可行性越高。

2.3.7 中學(xué)因子 中學(xué)一般建設(shè)在人流量集中、交通便利的地區(qū)。所以，距離中學(xué)的遠(yuǎn)近對主城區(qū)高層建筑高度控制也有重要影響。高層建筑與中學(xué)的距離，包括基地退界、建筑間距等要素，只要符合城市一般規(guī)劃條件即可。因此把各個研究地塊劃分為10 個等級，得到中學(xué)影響評價分值［圖3（g）］。分值越高，地塊相對距離中學(xué)越近，建設(shè)高層建筑的可行性越高。

2.3.8 湖泊因子 武漢市水務(wù)局最近公布武漢市共有147 個湖泊，其中主城區(qū)湖泊有38 個。濱水周邊土地價格逐年升高，建設(shè)高層建筑有利于節(jié)約資金。高層建筑的興建，在不破壞生態(tài)環(huán)境的情況下，更有利于觀賞濱水景觀。所以，同樣根據(jù)距離湖泊的遠(yuǎn)近把研究地塊劃分為10 個等級，得到湖泊影響評價分值［圖3（h）］。分值越高，距離湖泊越近，建設(shè)高層建筑的可行性越高。

2.3.9 一般公園因子 隨著城市中建筑高度的不斷增加，打破了城市的整體空間尺度。高層建筑不斷的以點(diǎn)狀、帶狀形式布局出現(xiàn)，慢慢改變了整個城市的三維空間形態(tài)。特色城市空間形態(tài)和城市面貌遭到了破壞。利用公園的開敞性可以有效地打破高層建筑帶來的圍合感，協(xié)調(diào)城市空間形態(tài)與高層建筑之間的關(guān)系。據(jù)此把研究區(qū)分為10個等級，得到一般公園影響評價分值［圖3（i）］。分值越高，距離一般公園越近，建設(shè)高層建筑的可行性越高。

2.4 多因子分析

通過一系列的定性定量分析，對每個評價因子逐一進(jìn)行了評分，得到了對武漢市主城區(qū)高層建筑建設(shè)控制評析結(jié)果。

每個影響因子分值之間的算法根據(jù)具體情況來決定是“乘積”或者“加加”。根據(jù)文獻(xiàn)［5］，假設(shè)最高的高層建筑高度是H1=1，因?yàn)槭遣煌再|(zhì)的評價因子，所以本文用“乘積”的方法：乘以某個單因子，分析了此因子對高層建筑分布的影響。例如，乘以城市主干道因子，分析了城市主干道對高層建筑分布的影響；乘以歷史名城因子，分析了歷史文化對高層建筑分布的影響；乘以長江因子，分析了長江對高層建筑分布的影響等。

把各個影響因子在ArcGIS 數(shù)據(jù)庫中加以運(yùn)算得出數(shù)值作為高層建筑控制分區(qū)的憑據(jù)，整體數(shù)值分布處于0.00～1.00 中間。最終按照實(shí)際情況將這些數(shù)據(jù)劃分為5 個等級：0.00～0.48 做為第1 個等級；0.47～0.57 做為第2 個等級；0.57～0.65 做為第3個等級；0.65～0.72 做為第4 個等級；0.72～1.00 做為第5 個等級。因此等級越高，高層建筑開發(fā)建設(shè)的可能性越大，等級越低，則建造高層建筑的可能性相對較低，得到建設(shè)分級控制引導(dǎo)圖（圖4）。

2.5 城市立體空間的控制分區(qū)與布局建議

基于建筑大數(shù)據(jù)與規(guī)劃大數(shù)據(jù)挖掘城市三維空間的發(fā)展方向，指導(dǎo)城市三維空間利用潛力分區(qū)與管控策略制定。選取2012-2018 年建筑高度數(shù)據(jù)樣本的前5%，其平均高度為50 層；由此將城市高層潛力分為4 個層級，層數(shù)由低至高分別為0～10 層、11～16 層、16～31 層、32～50 層。結(jié)合生態(tài)保護(hù)規(guī)劃與國土空間規(guī)劃的相關(guān)要求，制定城市建筑高度管控分區(qū)。通過潛力評估，將城市高層控制分區(qū)分為以下幾類：

圖4 建設(shè)分級控制引導(dǎo)圖Fig.4 Guide map of grade-control construction

1）高層禁建區(qū)：嚴(yán)格禁止高層建筑的開發(fā)，是保護(hù)城市景觀視域功能、人居環(huán)境安全性能的重點(diǎn)管控區(qū)域；

2）開敞空間控制區(qū)：本區(qū)域是城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)的覆蓋范圍，不允許作為建設(shè)用地進(jìn)行開發(fā)，從而嚴(yán)格保護(hù)城市內(nèi)部大型自然開敞空間；

3）高層慎建區(qū)：本分區(qū)主要是有條件高層建設(shè)區(qū)，以謹(jǐn)慎建設(shè)為管控原則，在符合歷史文化名城保護(hù)、生態(tài)保護(hù)與視線控制的要求下允許11～16層的高層建筑開發(fā)；

4）高層散點(diǎn)控制區(qū)：本分區(qū)的區(qū)位條件與土地價值良好，三維空間利用潛力較高。但是，此區(qū)域多圍繞湖岸與江岸，受到地形地質(zhì)條件與視線控制的約束，可進(jìn)行16～31 層高層建筑開發(fā)，同時以散點(diǎn)控制與彈性控制為主，建議結(jié)合多層建筑進(jìn)行混合布局；

5）高層集聚鼓勵區(qū)：本區(qū)域三維空間潛力最高，屬城市經(jīng)濟(jì)集中、環(huán)境適宜且無規(guī)劃約束區(qū)域，建議以32～50 層的高層建筑布局，鼓勵商業(yè)或商住用途的高層建筑集聚開發(fā)。

3 結(jié) 論

本研究利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)采集城市地理信息大數(shù)據(jù)、泛在網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)，構(gòu)建城市高層控制分區(qū)數(shù)據(jù)平臺。本研究構(gòu)建城市三維空間利用潛力評估的指標(biāo)體系，確定各指標(biāo)與高層建筑開發(fā)潛力的關(guān)聯(lián)機(jī)制與作用機(jī)制；采用最優(yōu)的空間尺度——道路網(wǎng)絡(luò)單元，利用單因子評估城市主干道、長江水域、主城中心、綜合商場、綜合醫(yī)院、中學(xué)、湖泊、一般公園的可達(dá)度與歷史名城潛力分值；然后利用多因子評價計(jì)算綜合分值，進(jìn)行潛力分區(qū)；最后，提出高層建筑控制分區(qū)與管控措施，指導(dǎo)城市高層建筑開發(fā)建設(shè)。本研究提出的指標(biāo)體系、空間尺度選擇、管控分區(qū)措施為中國城市立體形態(tài)的空間優(yōu)化研究提供新的創(chuàng)新視角與實(shí)踐方向。