吳振東 艾小群

摘要：空間視覺關系的具身性、空間維度關系的復雜性、空間數量關系的難測度性和空間感知關系的難度量性是影響空間研究深入的主要因素。基于3D GIS空間技術，采用三維空間可視域、空間占比及太陽陰影分析因子分析了大厝空間視覺特征，為空間視覺特征量化研究方法更新提供了新視角。空間實驗表明：小體量大厝整體可視域呈現兩個峰值，中、大形體量大厝整體可視域變化加大;大厝深井空間體積分布以遞增的形式發展，空間整體體量越小，深井空間占比越大;大厝建筑形制充分考慮了其受到建筑整體朝向的影響，并做到了有效的規避。

關鍵詞：空間視覺特征;三維可視化;可視域;體積比;陰影體;3D GIS;泉州大厝

作者簡介：吳振東，藝術學博士，華僑大學機電學院講師，主要研究方向：人機交互設計、用戶體驗研究、空間分析（E-mail：wzd@hqu.edu.cn）;艾小群，華僑大學機電學院副教授，主要研究方向：人機交互，交互媒體設計（福建廈門361021）。

中圖分類號：Tu-024 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1398（2020）02-0140-11

建筑空間和空間關系是設計學長期以來的熱點問題，空間通過其幾何、拓撲和視覺關系反映其空間營造理念與特色建造文化，空間視覺感知是觀察者對建筑組構空間視覺感受、意象、體驗的綜合關系集合。

一空間復雜性及其量化研究意義

（一）空間視覺關系的具身性

“形而下”的物質空間作為承載人類生產活動的場所，人是空間生產活動中的主體，人依照自己的身體尺度、活動方式、感覺、運動和審美體驗進行空間的營造，從而更好的進行生活。Vischer認為“存在于我們周圍空間的直覺形式，是由……我們身體結構的感官體驗所組成的。一旦我們了解到體驗自身，并將自身置于圍繞我們周圍空間的中心，我們就能發現其珍貴的核心，也就是建筑創作所依賴的基礎。”盡管空間體驗的直觀性十分重要，受制于技術，極少有研究嘗試從人對空間感受進行研究，把空間的體驗者視覺邏輯進行可行的表征。

（二）空間維度關系的復雜性

空間是具有方位和深度的三維空間，19世紀的德國建筑師森佩爾就認為由于人的直立行走，其營造的空間在水平和垂直方向上均進行了延伸。空間是三維屬性的世界，但由于手段的缺乏對其研究維度很難開展，比如凱文·林奇就采用認知地圖和調查問卷進行城市意象研究，蘆原義信采用二維圖示進行街道尺度的闡釋，但由于過于依賴被試的手繪與表達能力或者維度解釋的不足，使得研究偏向于主觀和經驗化。

（三）空間數量關系的難度量性

定量研究由于其能將離散的數據進行整合計算，這種基于數據的分析使得研究清晰性、精確性、可重復性都得到根本的改變。空間包含復雜的視覺、拓撲、幾何等數量關系，由于空間數據的龐大繁雜，以往確實囿于技術的制約而難以測度。近年來，元胞自動機、空間句法等方法在空間關系的表征與模擬上都取得了較大的進展，元胞自動機在大尺度空間（區域、城市）等模擬計算上具有優勢，空間句法由空間組構理論支撐，用以解釋復雜空間現象，但兩者都以抽象算法和符號工具進行計算，在強調體驗的空間視覺仿真模擬上都還待加強。

空間視覺感知研究的基本目標就是回答一個特定空間哪些區域可以被看見（可視域），怎樣被看見（視角、視距），哪些要素影響被看見的過程與結果（陰影、體積），運動過程中人與空間的相對關系（動態貼線率、天際線等）。在此基礎上能夠好的建立有效的空間知識，并進一步勾連空間特征與空間營造文化之間關系，將其發展為空間智慧，而前述的三點特性是制約其研究推進的主要因素。

二基于3D GIS的空間視覺感知量化要素分析

GIS（Geographic Information System）是以具有地理內涵的空間數據為處理對象，運用系統工程和信息科學的理論，通過空間數據的采集、管理、顯示、處理、分析和輸出進行空間知識發展的計算機信息系統。3D GIS與傳統GIS系統最大的差異在于它借助全真實的三維數據維度擴張和地理信息系統的運算精度，能夠實現空間數據分析的可重復驗證、全中心性、時空維度的擴展，彌補了傳統GIS的缺陷，是傳統GIS進一步發展的結果。三維模型不僅是空間的可視化表達，而且是構建了客觀世界的信息場域與深度解析范式，筆者總結3D GIS在仿真人的視覺感知的三個主要分析要素。

（一）全中心性下的視域分布分析

Tandy在1964年首次提出視域概念，將它定義為從特定的角度可以看到的區域。視域是一個空間結構最具有識別度的指針，是進行空間視覺感知研究的主要要素。通過視域分析，研究者能夠清晰地指導特定的建筑空間中哪些是其容易被看到的區域;哪些是被遮擋的區域;哪些是影響了該空間的視線障礙;從指定的觀察點我們能到看什么？通過對這些問題的分析進行空間特征歸納總結。

按照空間句法計算方法，視域被認為是通過空間中的單個點（一般為眼睛高度）并且占據相同平面（一般與地面平行）的無限數量的視線（或軸線）的總和。視域的量化分析是由模擬觀察點和被觀察物之間計算產生的。每個物體初始被認為是可見的，然后由計算機去計算其被障礙物進行遮擋并進行統計，它產生一個光柵表面，對于可見單元格指示“1”，而對于不可見單元格的指示為“0”，通過“二進制”計算，最后在以可視化方式進行呈現。視域又包含多個子維度包括視域、視覺開放性和視覺聚焦中心等。空間句法的視域分析在量化城市環境和空間指標得到了很好的應用，但其二維的局限性也受到了很大的限制，缺乏z軸向使得大量基于高度的空間體驗關系無法得以闡釋。

3D GIS利用其高程數據優勢，可依靠地理坐標進行是三維觀察點的布置，采用全三維數據進行遮擋計算，大幅提高了視域分析的空間維度和精度，是對空間句法視域方法的有效更新。

（二）時空關系下的陰影體分析

勒·柯布西耶認為建筑是陰影影響下的形狀正確、絕妙、神奇的游戲，路易斯·康也強調“設計空間就是設計光亮”。光通過照射建筑體表現，形成空間的亮部與暗部，勾勒了建筑空間的形體與尺度關系，極大的改變了空間的視覺感知狀態。一個建筑體的光照陰影首先是滿足其基本的采光、遮陽等功能性需求，更進一步的是從視覺審美的感受出發，進行光影的塑造，通過建筑體勾勒光影，提升了建筑空間的氛圍。建筑光影不是可有可無的，而是建筑空間營造的重要語匯，是建筑空間的重要組成要素，它和建筑體一起構成了動態的建筑空間視覺感知。要清晰的了解不同時區的陽光，就需要借助3D GIS中的陰影分析模塊，通過時域設置進行陰影體分析。

3.維度關系擴展下的空間體積比較分析

阿恩海姆在《建筑形式動力學》談到，空間作為建筑之間的關系，并不是虛空的，空間可以被知覺力所遍及、被密度所填充。視覺力不是孤立的變量，建筑體通過構成組合，由組構其成分的大小、形狀、體積形成了不同空間的視覺感知特征，使得建筑空間充滿了互動與飽滿的視覺力場。因此，通過透析不同空間體塊分布，研究其相互間的比較關系在空間視覺特征研究匯總是十分有必要的，而3D GIS的三維數據屬性為該類提供技術可行性支撐。

綜上，人類是通過視覺來觀察和感知空間的，不同的空間特征形成了完全不同的空間感知，而對這些空間視覺感知的記錄、存檔、定量分析和關系擬合能夠推進幫助該類空間的定性解釋，筆者嘗試構建一個基于3D GIS空間分析框架見圖2。

三基于3D GIS的泉州大厝視覺感知量化分析案例

泉州從兩漢時期，就是我國主要港口城市之一，發達的經濟和文化極大的促進了居民對其府邸宅院的營造，如官式大厝、手巾寮都呈現了較強的城市性空間特征。本節通過結合實地測繪及攝影測量綜合得到的三維信息，建立了7組不同官式大厝全三維數據，并對其進行空間要素分析，研究樣本見表1。

（一）官式大厝內空間可視域分析

官式大厝是很典型的“中庭型”平面形制，應用三維視域矩陣的方法建立了完整的大厝空間視域分布數據及可視化，借助三維可視區域熱區圖，可以建立整體的大厝可視區域數據并對其進行建造文化解讀。

（二）實驗方法采用在ArcGIS軟件中布設視點網格矩陣一設置地面與墻面視線碰撞點一構造三維視線一計算遮擋物一可視化顯示一數據合并與統計，結果如圖3一圖9。

（三）在官式大厝中處于“四正”方位的四個廳堂分別是北面的“上大廳”，上大廳是家祠，設有祖宗牌位，后部隔著板壁的是“后軒”;南面與上大廳相對應的是“下廳”，也是門廳、過道，是臨時待客之處;東西兩面的廳叫做“櫸頭”，可供日常活動，休閑。處于“四維”方位的四個房間住著父母及其直系親屬。房屋空間布設表征一種權利關系：中=天地、北=祖先、南=次子、東=父母、西=長子。

通過可視域圖像可以清晰的看到，盡管大厝的空間分布有一進、二進之分，但是空間高可見度區域基本圍繞天井空間展開，從圖中可以看出從深色（高可見度）到淺色部分（低可見度）的中心擴展式展開，形成“天井引導，中軸對稱”的高可視區域。而圍繞天井和廊道形成了大量的中等可視域空間，即灰空間，這些灰空間起到引導視覺分散及疏導交通流線的作用。

在建筑內部，大廳是大厝的核心，是閩南人祭祖的場所，同時也是家庭舉行大型活動的主要地方，如安厝、舉行婚禮、辦理喪事、慶祝生日等儀式都會選擇大廳，是室內可視域最集中的呈現。從天井的空間尺度、空間關系和使用情況來分析，天井實際上是大廳空間的一個重要的組成部分，甚至就是整個廳堂大廳的中心，不僅是日常活動的中心，也是整個建筑空間組織的核心。在這種模式中，圍繞天井的四正為廳堂，四維為正房，完全是九宮格圖式在民居空間形制中的體現。

主厝天井的側面沒有實體墻面圍護，而只通過四個角落的四根柱子限定出了一個開敞的空間。借助官式大厝地坪高低差及主厝天井的四個角柱，限定出了天井北側的頂廳巷道，南側的下廳巷道，還有東西兩側的櫸頭口這些巷道空間。如果沒有這四根柱子存在，主厝天井便無法從它四周的巷廊空間中得到明確肯定的限定和強調，也無法突出它作為整個大厝空間組織架構的核心地位。

大厝通過圍合造成空間產生內外之分，包圍狀態限定度最強，比較封閉，從而具有強烈的包容感和居中感;借助圍合的多向開口，形成了高度可視域向中度可視域（灰空間）的舒緩過度，正是由于這些開口，形成了天井結合大廳形成的內聚性空間張力，圍合狀態的開口越多越大，形態對外部的聚合力越強，對內部的限定度越弱。這些中度可視域巧妙地限定出了一個介于私密和開放的過渡空間，豐富了空間視覺層次。從心理上也制造出一個內部的室外空間，在這里人們有明顯區別于其他內部空間的外部體驗，然而前提是人們對它又有強烈的內部認同感。大廳相對于地坪標高做的凸起，突出了頂落中大廳部分空間的主體地位，也與頂廳家祠祭祖和登堂會客的使用功能相契合，使得整體的可視域得以有序排列組合。

通過整體可視域分析得以發現，泉州官式大厝“祠宅合一”“四廳相向，中涵一庭”的空間特征十分明顯，空間關系十分強調祖先（天）、父母（地）和兒子（人）三個“等級”，就是以祖祠為中心向四周分出父母和子女的住房，泉州官式大厝里的“天井”和“上大廳”、櫸頭、下廳一起構成了一個十分流暢的視覺中心，這里的主廳堂和天井呈現的是“中心”與“外延”的“軟”關系，中心到外延通過開口連通，保證了氣流流通功能性的同時，也營造了一定的中度視覺可視域空間，小體量大厝空間可視域私密和開放空間占比較多，大體量大厝空間可視域私密和過度空間占比較多。

（四）官式大厝太陽陰影體分析

光影是空間關系中特殊的存在，進行定量化的陰影關系研究有助于我們深入解析地域光照條件影響下的建筑空間設計方法。筆者選取2016年泉州地區夏至日（6月21日）、冬至日（12月21日）當天中的3個時間段進行光照驗證，在已知泉州大厝所處經度為118.58449左右，緯度為24.91304左右，通過suncalc提供的計算器求出其真太陽時，得出每個時間段的太陽高度角（Sun Altitude）與太陽方位角（Sun Azimuth）參數，并在Arc GIS中進行對應設置，結果如圖10。從不同時間點的太陽陰影模擬分析，能完整清晰的了解大厝時間變化下的空間陰影關系。整體來看，官式大厝由于泉州地區的氣候特征，為了提高居住的舒適性，主要是以遮擋強烈的日照為目的的，其天井高坡度、小開口、檐口伸出較長的建筑特征有效的隔絕了一天當中的主體日照。通過分析圖可以看出，在夏令時當天，早晚時間段，天井中的陰影體占比都較小，主體空間都不受陽光直射，只有在中午太陽高度角較高的時段，天井才受到陽光直射，但直射時長較短。在冬令時時，這種遮擋效果表現的則更為明顯。

值得注意的是，一般的空間陰影主要是受到建筑體的朝向決定，但是將同在蔡氏古民居群中的孝友第和蔡淺別院比較，蔡淺別院坐北朝南，孝友第主要為東西朝向，而孝友第天井受太陽直射時間也沒有大幅多于蔡淺別院，這表明大厝建筑形制充分考慮了整體朝向，并做到了有效的規避。

（五）官式大厝天井空間占比分析

李允穌在《華夏意匠》一書中，就中國傳統民居的群體布局問題，認為在平面組織的系統上，建筑群是以一院一組為基本單元的。多組的建筑群的院一般是首先向縱深方面發展，院與院間作行列式的排列，一直行一連串的院則稱為路，在路中院與院間有縱的聯系，也有橫的聯系，成為了一個交叉的交通路線的網。這種觀點很好地概括了北方傳統合院式民居采用單元重復式的群體布局方式，但是泉州官式大厝卻并沒有形成這樣的特點，由于受到亞熱帶地區氣候的影響，建筑間距小，有利于形成陰影，避免建筑受到太陽直曬;同時形成風壓效應，利于通風。建筑兩側“冷巷”正體現了這點，窄而多風，多陰影，宜于停留。

由于缺乏定量數據的支撐，對于不同形制（單天井、多天井大厝）天井空間與整體大厝的空間對應關系及變化趨勢研究就顯得薄弱。為了定量大厝天井與建筑整體體積的占比關系，進而研究大厝天井建造文化與方式，筆者在此前建立三維數據基礎上，采用在3ds max中通過捕捉工具匹配其外輪廓，建立天井體積體塊和整體建體積體塊，并導入ArcGIS中進行體積比對計算，并進行了數據統計結果如圖11。

從圖12可以直觀看出，泉州大厝主要采用九宮格式的中庭式組合，天井一般為方正，采用“四廳相向”的格局，庭院既有采光、通風、遮陽、拔氣、排泄雨水的功能需求，但又是泉州官式大厝感知特征的體現，其主入口基本上都位于中軸線上，與早期中原漢式民居的布置方式相吻合，這一點從現存宋元以前的民居遺址和一些古代繪畫作品中可以得到印證。

從表2可以看出，7個樣本建筑體的天井占比的均值集中在12.19%，其中前四個小體量、單天井形制大厝的天井占比均值為14.79%，后三個大體量、非標準形制的大厝天井占比均值為8.75%。通過對比大型大厝和小型大厝的深井空間體積分布，可以發現其呈現負相關關系，即空間整體體量越小，深井空間占比越大。在三間張雙落為主的標準形制大厝中，天井起到明顯的主導地位，承擔了功能性與中路疏導的作用，而護厝中的小型天井以其軸心為核心，進行“向心合圍式”的群體布局，相較天井空間，空間占比小很多，更多是只起到通風、采光等功能性作用。而楊阿苗民居、蔡淺別院等大型大厝形制更為靈活，護厝明顯更多，護厝也不在強調完全的中軸線對稱格局。主天井盡管還是體量較大，但已不是完全居于主要地位，其余護厝天井也起到重要的空間組織作用。

通過數據及可視化圖像表明，泉州大厝天井一般居于整體大厝的中心，是采光、通風功能性需求的結果，與建筑體量的尺度比較基本占比較少，整體占比相對于其他南方民居形式都顯得更為窄小，同時又形成一種半閉合的灰空間形式，用以連接小型大厝天井的空間占比明顯高于大型大厝，因此形成了泉州大厝緊致、內斂的建筑文化特征。

綜上，從地理因素來看，泉州處于濕熱地區，同時受到亞熱帶多臺風氣候的影響，外立面尺度較小，由于其建筑的進深大，往往不利于通風。因此，泉州大厝建筑內部空間和露天空間（天井）相對尺度小，建筑灰空間（敞廊）相對尺度大。因此，通過設置天井以減小建筑內部空間進深，以利于建筑通風。官式大厝由于其敬天法祖、長幼有序的住居文化，主要采用的是“向心合圍”空間布局，這種方式集中出現在閩粵兩地的大型傳統民居中（護厝在廣東潮汕地區成為從厝），是先民在建造過程中不斷總結經驗，創造合理的居住環境而發生的。

空間視覺感受是個體的、體驗的、直覺的，但要解析空間集體、共性、能被反復驗證的認知與特征就需要依賴空間科學技術的輔助。3D GIS利用其數據維度和精度的優勢，在表征空間視覺關系具身性、復雜性具有明顯的優勢，用量化研究支撐空間的人文解讀，用人文關懷指導與服務空間技術的發展方向，共同構成空間科學多學科發展演進之路。