城市設(shè)計工具的歷史演進(jìn)與邏輯特性

任 宇

徐小東

城市設(shè)計工具是人們實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的主要技術(shù)載體，在城市設(shè)計的不同階段不斷發(fā)展演變，發(fā)揮出積極作用，并逐漸成為城市設(shè)計不可或缺的組成部分。當(dāng)下，城市建設(shè)逐步由外向生長到內(nèi)向提升轉(zhuǎn)變，在新型城鎮(zhèn)化背景下城市設(shè)計被寄予更大期待，對設(shè)計工具提出了新要求。當(dāng)下，加強(qiáng)城市設(shè)計工具研究具有多重意義，在梳理城市設(shè)計工具演化進(jìn)程的基礎(chǔ)上，確保城市設(shè)計的科學(xué)性與前瞻性，加強(qiáng)對傳統(tǒng)城市設(shè)計工具價值的再度挖掘。

設(shè)計工具的更迭，常常伴隨著新的方法和思路的出現(xiàn)，為城市設(shè)計發(fā)展帶來新機(jī)遇。工具、方法與思路三足鼎立，依托于城市設(shè)計過程發(fā)揮作用，助力這門學(xué)科的前進(jìn)。工具可定義為：依附于人而不屬于人的肉體本身、為人所利用來作用于環(huán)境以表達(dá)和實現(xiàn)人的意志的物質(zhì)實體[1]；方法是指為實現(xiàn)一定目標(biāo)所行的方式與步驟；思路則指思考的條理、線索。以匠人用刀斧將原木雕刻成工藝品這一過程進(jìn)行類比，可明晰三者存在差異：雕刻用的刀斧是工具；匠人工作時使用的劈、砍、刻、磨等技巧是方法；如何利用這些技巧操控工具，將木材制作成工藝品的思考流程是思路。所以，狹義來講，城市設(shè)計工具是指：以城鎮(zhèn)物質(zhì)空間環(huán)境的組織優(yōu)化為基本目的，對特定時空背景下的形態(tài)秩序及其環(huán)境要素組織[2]進(jìn)行綜合性設(shè)計的過程中所使用的器具與設(shè)備。但隨著城市設(shè)計工具的不斷發(fā)展與數(shù)字化傾向，三者間的界限越發(fā)模糊。在目前眾多與城市設(shè)計相關(guān)的實踐和研究中，更傾向于將城市設(shè)計的“工具”、“方法”、“思路”結(jié)合在一起進(jìn)行討論，統(tǒng)稱為“城市設(shè)計工具（或技術(shù)）”。

目前，我國對城市設(shè)計工具領(lǐng)域的研究大致可分為兩類：其一，主要致力于對某一種或某一類城市設(shè)計工具的開發(fā)、運(yùn)用、驗證和總結(jié)，譬如賀志軍《GIS 在生態(tài)城市設(shè)計中的應(yīng)用框架研究》（2012）、王昱《基于車載LiDAR數(shù)據(jù)和街景照片的街道美景度評價》（2016）等；其二，偏重對工具體系的研究，但大多是針對先進(jìn)的數(shù)字化工具展開，對于目前仍然大規(guī)模使用的傳統(tǒng)城市設(shè)計工具的涉及相對有限，比如趙紫曄《城市設(shè)計數(shù)字工具及其應(yīng)用思想研究》（2017）。在此基礎(chǔ)上，本文從城市設(shè)計工具的演化出發(fā)，分析不同階段出現(xiàn)的工具、現(xiàn)象與規(guī)律，嘗試對不同階段城市設(shè)計工具之間的相關(guān)性進(jìn)行探討，以進(jìn)一步明晰城市設(shè)計工具在其演化過程中所處的位置與發(fā)展方向，為未來城市設(shè)計研究與實踐提供參考。

1 城市設(shè)計工具的演進(jìn)歷程

當(dāng)設(shè)計工具、方法與思路之間達(dá)到一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)時就可以形成一個新的發(fā)展階段；前期發(fā)展階段通過技術(shù)變革打破穩(wěn)定，建立新的秩序后就發(fā)展到下一個階段[3]。20世紀(jì)90年代，城市設(shè)計從手工繪圖、人工制模轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)制圖與建模，設(shè)計工具迎來第一次革命；此后，隨著GIS、BIM等技術(shù)工具的普及，城市設(shè)計不可逆轉(zhuǎn)地進(jìn)入三維化、數(shù)字化階段；近年不斷涌現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)一步反映了城市設(shè)計在此方面的多種需求。相應(yīng)地，設(shè)計工具的演進(jìn)過程大致可劃分為三個階段。下文主要從時間、構(gòu)成、特性及其優(yōu)缺點(diǎn)對不同階段的設(shè)計工具進(jìn)行介紹，力求較為系統(tǒng)、清晰地展示城市設(shè)計工具的演進(jìn)歷程。

1.1 傳統(tǒng)工具主導(dǎo)階段

工業(yè)文明興起之前，城市設(shè)計師多由精英階層擔(dān)任，譬如統(tǒng)治者、藝術(shù)家或建筑師等；群眾無法真正有效參與到設(shè)計中[4]。相應(yīng)地，設(shè)計成果大多遵循美學(xué)原理，通過空間序列、尺度比例等來體現(xiàn)設(shè)計意圖。這一階段城市設(shè)計工具尚未分化出較高的獨(dú)立性——譬如用于勾畫草圖的炭筆，也完全可以成為藝術(shù)家手中描摹人像的工具。它們按功效可分為測量（如定位、定向、度量）、繪圖（如劃線、填色）及制模等工具類型（表1），設(shè)計信息則大多以圖紙與模型為載體，保障了最基本的儲存與交流功能。

傳統(tǒng)城市設(shè)計工具的主要特點(diǎn)是工具自身不具備信息處理能力，使用者需要直接操作工具完成每一個信息處理步驟。比如，持筆速寫時筆不可能自己繪畫，每一根線條都需要操作者親自描繪；且所得繪畫成果不論粗細(xì)大小都要經(jīng)過人腦的預(yù)先處理，正如速寫的每一細(xì)節(jié)都要經(jīng)過繪制者的觀察思考產(chǎn)生，那些沒被觀察到的部位，往往成為畫面上的留白。同時，這一階段的設(shè)計工具也未呈現(xiàn)出較強(qiáng)的階段性和針對性，而是較為均質(zhì)地參與到城市設(shè)計的各個階段——調(diào)研與分析、立意與構(gòu)思、設(shè)計與深化以及評價與反饋。設(shè)計過程中基本以尺規(guī)、紙筆、刀具為工具，以人作為操作主體，以圖紙、文字、模型為主要輸出成果，即：調(diào)研階段通過速寫、筆記等記錄、轉(zhuǎn)化信息，再通過模型、草圖等來輔助立意構(gòu)思、推敲方案，最終由圖紙、文字、模型來展示成果、進(jìn)行評價反饋。

傳統(tǒng)城市工具在城市設(shè)計中一直扮演著重要角色，如今雖然在信息采集、評價反饋、成果輸出方面逐步淡出，但在立意構(gòu)思、設(shè)計深化階段（尤其是方案設(shè)計初期）仍有著不可動搖的地位。此外，這一工具體系尤其適用于城市設(shè)計從業(yè)者的基本功訓(xùn)練和素質(zhì)培養(yǎng)。因為該階段城市設(shè)計工具大多由人直接操控，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，與復(fù)雜的機(jī)械或電子產(chǎn)品相比更容易成為“人類肢體的延伸”，及時跟上人的思維變化。在此過程中，人工操作的結(jié)果不確定性更強(qiáng)，不像計算機(jī)作圖那樣每一根線條都須清晰明確。在反復(fù)地涂抹、描摹中，動作的速度與大小、持續(xù)性與頻率不盡相同，能激發(fā)大腦不斷思考，更易達(dá)到收放自如的效果。然而，傳統(tǒng)城市設(shè)計工具也有相對落后之處：對設(shè)計者思維的表達(dá)存在偏差，圖紙、模型往往并不精準(zhǔn)；與實際建設(shè)之間也存在鴻溝，受載體的限制，設(shè)計信息的儲存與傳遞效率低下。上述因素限制了城市設(shè)計的深度和科學(xué)性，致使其中的感性成分多于理性成分。

表1 傳統(tǒng)城市設(shè)計工具分類及相關(guān)要素

表2 初級數(shù)字化階段設(shè)計工具構(gòu)成

表3 多元數(shù)字化城市設(shè)計工具的構(gòu)成

圖1 工具疊合構(gòu)架示意

1.2 初級數(shù)字化工具主導(dǎo)階段

工業(yè)革命后，城市快速擴(kuò)張，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會環(huán)境變化與越來越多不確定因素產(chǎn)生[5]，城市設(shè)計的方法與思路也產(chǎn)生了巨大變化，但設(shè)計工具并沒有太大的革新。直至20世紀(jì)40年代，計算機(jī)的問世為設(shè)計工具的數(shù)字革命提供了必要條件，同一時期，美國學(xué)者率先提出城市設(shè)計概念[6]。經(jīng)過40年，數(shù)字化終于在設(shè)計領(lǐng)域如火如荼地展開。最明顯的轉(zhuǎn)變體現(xiàn)為城市設(shè)計由手工畫圖、制模轉(zhuǎn)變?yōu)樵谟嬎銠C(jī)上操作；與此相應(yīng)，信息載體也從羊皮、紙張變?yōu)榇疟P，兼具可復(fù)制性和便攜性。初級數(shù)字化階段代表性工具有CAD、SketchUp等，它們初步具備了處理基本幾何信息的能力，但還未能整合更多更復(fù)雜的城市與建筑信息。該階段工具多由硬件、軟件兩部分組成（表2）。其中設(shè)計軟件為了便于認(rèn)知和接受，大多參考傳統(tǒng)非數(shù)字化設(shè)計工具的分類情況[7]，相應(yīng)地分為制圖軟件、建模軟件等類別；但究其工作邏輯可發(fā)現(xiàn)，定向、定位、劃線程序在功能和命令層面上已有很大交集。

這一階段的設(shè)計工具與上一階段呈現(xiàn)出若干本質(zhì)差異。首先，就工具本身而言，第一階段的工具往往是一個物質(zhì)實體，其更新迭代往往可以在形態(tài)結(jié)構(gòu)上找到痕跡；而該階段工具通常是硬件和軟件的結(jié)合，其中硬件的完善尚有跡可循，軟件卻更像是一種嵌入式的數(shù)字化知識[8]，需要從抽象層面去認(rèn)知。其次，設(shè)計者和信息載體之間的關(guān)系不如從前那么直接，在以紙張為載體的時代，人們可以直接從圖紙上獲取信息；而數(shù)字化時代的信息被記錄在磁盤上，通過電磁轉(zhuǎn)換形成的數(shù)字陣列來表示不同信息，人們需要特定的轉(zhuǎn)譯工具才能獲取其中的信息。最后，工具的操作方法也有很大不同。傳統(tǒng)設(shè)計工具往往需要不同的身體部位與技巧來操作，且因個人理解與操作目標(biāo)的差異，產(chǎn)生的結(jié)果也不盡相同。數(shù)字化工具的操作方法則很少受工具類型、操作者理解與目標(biāo)的影響。使用者的動作僅限于對鍵盤、鼠標(biāo)的點(diǎn)擊。這也意味著原先在操作工具時使用的部分方法與思路都已經(jīng)融于工具中。

初級數(shù)字化工具的出現(xiàn)，有助于城市設(shè)計人員提高計算、分析、表達(dá)的效率和精度，信息儲存與傳遞也更加便捷。因此，這一階段與城市設(shè)計相關(guān)的研究與實踐進(jìn)展迅速。隨著初級數(shù)字化工具的規(guī)模化應(yīng)用，不少潛在問題日益顯現(xiàn)：城市環(huán)境的同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，逐漸喪失在地性特色，人本精神日益缺乏。

1.3 多元數(shù)字化工具主導(dǎo)階段

21世紀(jì)初，BIM、GIS等集成海量功能的數(shù)字化工具開始廣泛應(yīng)用于城市設(shè)計。這一階段的工具往往將多種設(shè)計信息集成在同一個平臺上，方便使用者對其進(jìn)行綜合分析。由于這些平臺的數(shù)據(jù)大都儲存在云端，可隨時更新，使用者收集、整理信息的過程變得高效便捷，利于城市動態(tài)設(shè)計思維[9]的貫徹，“自上而下”和“自下而上”兩種城市設(shè)計模式[10]得以平衡。此外，這些工具還能將設(shè)計與分析的成果直觀地展現(xiàn)為圖表、色彩等，起到“思維具化”[11]的作用，易于操作和理解[12]，也利于創(chuàng)造性的激發(fā)。

根據(jù)工具自身特性以及在城市設(shè)計不同階段中發(fā)揮的作用，可將這一階段的城市設(shè)計工具分為基礎(chǔ)建構(gòu)工具、平臺搭建工具、數(shù)據(jù)顯影工具和設(shè)計評價工具[13]四類（表3）。

多元數(shù)字化工具主導(dǎo)階段，設(shè)計工具除了提升設(shè)計效率外，亦為立意構(gòu)思、設(shè)計推敲、評價反饋提供了更多路徑。此階段工具逐漸智能化，其科技黑箱的色彩愈發(fā)濃厚。譬如，在研究城市色彩時，使用者可以讓計算機(jī)自行對城市圖像進(jìn)行識別并統(tǒng)計、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，不需要對整個過程進(jìn)行全面把控，但獲得的結(jié)果卻更加可靠。如此，人們可將精力更多集中到更上層問題的思考中去。與此前相比，城市設(shè)計的科學(xué)性和理性得以進(jìn)一步提高，設(shè)計重點(diǎn)也從單純的形態(tài)推敲轉(zhuǎn)向更加本質(zhì)、科學(xué)問題的分析與思考。

隨著城市設(shè)計相關(guān)研究的細(xì)分，更多、更具針對性的數(shù)字化工具應(yīng)運(yùn)而生，如風(fēng)環(huán)境模擬工具Butter f ly、圖像識別工具OpenCV、行人流動仿真工具SimWalk等。其所能處理的信息不再局限于物質(zhì)空間層面，更可涉及資本邏輯、權(quán)力邏輯和市場邏輯[14]等。多元信息整合有助于研究者透過城市空間表象探索其內(nèi)在聯(lián)系，以此發(fā)現(xiàn)城市癥結(jié)的根源、預(yù)測發(fā)展的趨勢，從而有理有據(jù)地優(yōu)化城市空間。

2 城市設(shè)計工具演進(jìn)的邏輯特性

2.1 城市設(shè)計工具演進(jìn)的邏輯

城市設(shè)計工具一方面要滿足設(shè)計的基本需要，提高效率；另一方面也須不斷回應(yīng)相關(guān)新思路、新方法的涌現(xiàn)，推動城市設(shè)計持續(xù)完善和提升。事實上，“功效”一直是衡量城市設(shè)計工具進(jìn)步的標(biāo)桿。早期城市設(shè)計工具主要為實際建設(shè)服務(wù)，以效率提升為目標(biāo)。隨著蒸汽、電氣、信息時代的相繼來臨，工具的增效性以幾何倍數(shù)地提高，城市設(shè)計的服務(wù)對象也發(fā)生了較大變化。設(shè)計工具逐漸承擔(dān)了幫助設(shè)計者把控設(shè)計方向、深度和進(jìn)度的重要職責(zé)，為設(shè)計的精準(zhǔn)性和科學(xué)性提供保障，并潛移默化地影響著設(shè)計者的行為與思考模式。回溯歷史，城市設(shè)計工具的每一次革新都是針對原有工具的缺漏和外在需求進(jìn)行修正與補(bǔ)充。目前，設(shè)計工具正在實現(xiàn)由機(jī)械性到智能性的轉(zhuǎn)變，并逐漸兼顧設(shè)計成果的“溫度”[15]，亦即人性關(guān)懷。

從時間上來看，各階段出現(xiàn)的工具呈現(xiàn)出兩種基本關(guān)系：首先，不同階段的工具之間是一種遞進(jìn)關(guān)系；其次，這種遞進(jìn)不是后者取代前者，而是互相疊加、融合的關(guān)系。隨著城市設(shè)計工具的日益疊合與遞進(jìn)，逐步完成了由無技術(shù)到融合多元技術(shù)、由完全人工操控到自身具備學(xué)習(xí)能力和信息處理智慧的飛躍。

設(shè)計工具疊合模式主要表現(xiàn)為引介和操縱兩種類型。其中，“引介”是指借用其他學(xué)科或領(lǐng)域的技術(shù)、器具作為設(shè)計工具，用以彌補(bǔ)原有工具的欠缺，使其具備新的功能。比如城市設(shè)計領(lǐng)域常用的GIS工具，最初便是從地理學(xué)領(lǐng)域引介的。“操縱”具有兩層含義：其一，通過使用方法的拓展使原有工具具備新的功能；其二，進(jìn)行不同工具的結(jié)合進(jìn)而填補(bǔ)新需求。比如，用羅盤等度量工具進(jìn)行風(fēng)水研究，就是改變使用方法來增加工具功能的做法；將攝像機(jī)與飛行器連接整合，形成目前城市調(diào)研常用的無人機(jī)，則屬于通過工具間的組合來實現(xiàn)功能提升。從本質(zhì)上來看，這兩種發(fā)展思路都是使用者對已有設(shè)計工具的再度挖掘與開發(fā)，可以實現(xiàn)如下目標(biāo)：一是簡化操作，降低人工勞作負(fù)荷，提高設(shè)計效率；二是創(chuàng)造新功能，實現(xiàn)原有工具無法完成的任務(wù)。

上述兩種模式都是以某一層次的工具作為“制造工具的工具”的基礎(chǔ)，其在質(zhì)料組成和技術(shù)組成上屬于制造出的更高層次工具的一部分[16]。更高效、功能更完善的工具的產(chǎn)生，離不開工具疊合的作用。通常情況下，疊合次數(shù)越多，得到的工具層次也越高，而工具、方法與思路的混合程度也越高。所以，工具疊合不是簡單個體數(shù)量的疊加，亦涵蓋了相關(guān)方法和思路的融合。即便是由兩個最基本的個體疊合而成的工具，也往往具備這兩者原來所沒有的功能，因而能發(fā)揮更大效用（圖1）。

2.2 城市設(shè)計工具伴生的危機(jī)

根據(jù)工具“疊合”的發(fā)展方式可推斷出工具演化的結(jié)果，亦即：趨于將大量重復(fù)思考進(jìn)行替代，而不僅僅是人們通常認(rèn)為的體力勞動。譬如，古代工匠需要數(shù)十年如一日地磨練自己的技藝，才能用寥寥數(shù)把刀具將木材處理至理想的狀態(tài)；及至現(xiàn)代，即使是一個未經(jīng)專業(yè)訓(xùn)練的普通人，也可通過輕松操作各種專門化的刀具、磨具達(dá)到相同的效果。這里省去的不僅是繁重的體力勞作，更多的是對工具與被處理對象之間關(guān)系與變化的思考。這表明隨著工具的發(fā)展，較低層級的工具、方法、思路逐漸趨于融合，成為更高層級工具的一部分。由此便不難發(fā)現(xiàn)隨著城市設(shè)計工具的演進(jìn)可能會出現(xiàn)以下問題：

其一，低層級思考、操作的缺失會對高層級思考、決策產(chǎn)生影響。數(shù)字化工具在大量替代人的體力與腦力勞動、簡化操作的同時，不可避免地減少了人在設(shè)計過程及環(huán)節(jié)上的參與，從而降低了設(shè)計者與基礎(chǔ)設(shè)計信息互動的機(jī)會，限制了設(shè)計成果的多元性。譬如，人們常常會思考，一個疏于手繪訓(xùn)練的學(xué)生能否利用計算機(jī)輔助制圖軟件設(shè)計出豐富而優(yōu)秀的方案？現(xiàn)實中存在許多習(xí)慣使用CAD的設(shè)計者，但由于此款軟件在三維曲面設(shè)計能力上的不足，導(dǎo)致使用者逐漸在潛意識中將非線性形體率先排除。此類現(xiàn)象可以視為由于工具限制、替代了特定的操作與思考而對設(shè)計者思維產(chǎn)生的反作用。

其二，高層級工具中包含低層級的工具、方法、思路是否客觀、完善會直接影響高層級的思考結(jié)果。由于低層級的工具、方法與思路的作用常常是為高層級思考奠定基礎(chǔ)，如果這些用以分析的信息有疏漏，其結(jié)果必然會有不足或偏差。例如，在進(jìn)行城市色彩研究時，利用爬蟲進(jìn)行現(xiàn)有街景圖片抓取，由于代碼不完善，未能獲得這些圖片的拍攝時間、天氣，會對色彩分析的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。由于工具疊合后產(chǎn)生的增效效應(yīng)，亦即被用來代替大量重復(fù)性思考與操作，其適用的范圍越大、替代的重復(fù)性思考與操作越多，漏洞的不利影響也就越大，對城市設(shè)計成果潛在的破壞性也就越大。由此可見，在進(jìn)一步進(jìn)行疊合以求提升工具的功能與效率的同時，也應(yīng)不斷地對低層級工具系統(tǒng)進(jìn)行論證和優(yōu)化。

結(jié)語

傳統(tǒng)城市設(shè)計工具的創(chuàng)造和使用多以建造為核心、以增效為目的；隨著初級數(shù)字化階段的到來，生產(chǎn)力飛速提高，設(shè)計工具也日新月異，它們逐漸承擔(dān)了幫助設(shè)計者把控設(shè)計方向、深度和進(jìn)度的重要職能，自身也通過實踐不斷反饋優(yōu)化；而在目前的多元數(shù)字化階段，大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)工具方興未艾，開啟了量化研究、人工智能分析和以預(yù)測為導(dǎo)向的城市設(shè)計新路徑。

城市設(shè)計工具的每一次革新，都是以疊加、融合的方式對原有工具的缺漏和需求進(jìn)行修補(bǔ)。體現(xiàn)為設(shè)計工具由機(jī)械性向智能性轉(zhuǎn)變，并逐漸兼顧人性關(guān)懷。就目前實踐來看，不斷疊合、遞進(jìn)的數(shù)字化工具在未來城市設(shè)計中將日益成為中堅力量，有助于人們更加全面、精確地收集和分析各類信息，加深對城市設(shè)計意義的解讀。城市設(shè)計所追求的公平與效率，也可以通過探索更加完備的數(shù)字化工具來逐步實現(xiàn)。傳統(tǒng)城市設(shè)計工具也將與數(shù)字化工具一起，繼續(xù)維系城市設(shè)計體系的平衡。因為除了技術(shù)要素，社會文化也是推動城市設(shè)計發(fā)展的重要條件。目前，社會文化和數(shù)字化工具的協(xié)同程度尚不足以支持其滲透到生活的各個層面，城市設(shè)計仍需要非數(shù)字化工具來支持與補(bǔ)益。即使有朝一日文化與工具能夠相互匹配，但人類記憶與感知不能遺傳的特性也決定了傳統(tǒng)工具在城市設(shè)計基礎(chǔ)素質(zhì)的培養(yǎng)方面不可或缺，仍將持續(xù)發(fā)揮其不可替代的作用。

資料來源：

文中所有圖表均為作者根據(jù)文獻(xiàn)綜合與編繪。