三維空間網絡分析對步行可達性的定量評價
——以上海浦東足球場周邊地區城市設計為例

■ HAN Siheng CHEN Yong ZHANG Lingzhu

0 引言

城市設計關注城市各個尺度的功能布局、空間形態和環境行為等之間的“關系”[1]。城市空間可被抽象成為不間斷網絡中的構成元素，彼此之間產生相互作用，從而改變內在的活動集散分布[2]。在較為微觀的社區鄰里尺度下，步行活動是所有空間活動的基礎。近年來，以圖論為基礎的可達性指標廣泛地應用在中微觀城市設計研究領域，并且不斷地在實例中得以驗證。步行可達性作為城市設計方案對空間活力促進作用的評價指標，通過探究空間元素之間的關系，分析行人活動的分布潛力。

方案的對比評價中，傳統上設計師往往根據所處的社會環境、自身儲備和感性認識等定性判斷行人活動的分布，選取合適的方案進行推進，缺少客觀嚴謹的定量評價[3]。現今地理信息系統（GIS）的快速發展，使得城市空間關系的定量表達成為可能，通過計算得到的流量潛力是定量評價的關鍵指標，結合城市設計師的豐富經驗，可以更加科學客觀地描述方案的步行可達性和城市空間活力。

空間網絡分析為可達性的量化提供了一個較為可靠的手段。與傳統的空間分析方法相比較，空間設計網絡分析（spatial Design Network Analysis，簡稱sDNA）軟件提供了三維空間分析的新方法[4]。本文從空間網絡的基本理論出發，將上海浦東足球場周邊地區城市設計三個方案的步行系統作為分析案例，采用空間設計網絡分析（sDNA）軟件，對方案步行可達性進行三維定量對比和評價，同時，建立同一方案的多個模型，探討不同情境下人流潛在分布。不僅通過案例來闡述空間網絡結構的理論和概念，而且從圖論可達性的角度，探討不同方案的三維步行網絡空間結構對于城市活動的微妙影響。

1 理論基礎與方法

城市設計理論主張用物質形體空間的方式影響城市的發展[5]，諾伯格·舒爾茲提出，場所、路線、領域等空間構成要素的組合使得空間開始真正成為可測出人的存在的次元[6]；克里斯托弗·亞歷山大在《城市并非樹形》中指出，“半網絡結構”的結構復雜性具有豐富的可變性和可選擇性，場所與人的活動之間具有多樣的聯系[7]；希列爾等認為，“城市形態產生運動”，即城市的道路結構決定著人在城市中的行為[8]；尼科斯·薩林加羅斯的城市網絡理論提出，城市可被視為不同節點、模塊及它們之間連接的物質形態路徑所構成的整體[9]。城市空間根據經濟和社會等方面的法則，連接城市形態和城市要素，并通過它們之間的相互作用，將其整合形成城市空間網絡結構[10]。因此，城市空間作為動態的、不確定的空間網絡，某一局部的異化都會產生聯動的效果，進而對空間網絡結構所承載的活動分布造成影響。

城市空間網絡結構為實現城市形態的量化建模奠定了理論基礎[9]。空間網絡分析最開始應用于地理信息和城市規劃專業，主要研究網絡狀態以及模擬資源在網絡上的流動分配情況，并對其進行優化分析計算。隨著空間網絡分析的推廣，近年來也出現了諸多關于步行可達性定量分析方面的研究和應用，如英國卡迪夫大學開發的空間網絡分析工具——空間設計網絡分析（sDNA）軟件，其建構元素是路徑中心線，它們集合在一起形成的三維空間網絡成為了空間和活動一體化的抽象表達，因此，空間網絡分析便具有了與實際日常生活行為的關聯。張靈珠等發現，基于三維建模的空間網絡分析能有效捕捉空間形態與行人活動的關系，幫助城市設計師解碼三維的城市空間認知[4]；劉吉祥等利用空間設計網絡分析軟件，研究香港建成環境對步行通勤通學的影響，發現“地方情境”和人群區分會影響空間與行為的關系[11]；Cooper 等結合回歸和空間設計網絡分析方法，以商店零售面積為權重計算多元的理論步行流量變量，預測了英國卡迪夫市中心的城市空間布局隨時間變化對步行流量的影響[12]。基于上述研究，本文嘗試將空間設計網絡分析（sDNA）軟件應用于實際項目的方案對比中，通過情境模型的構建，希望盡可能描述城市的真實情況，增強步行流量潛力評估的可靠性。

2 城市設計案例概況

浦東足球場周邊地區城市設計項目位于上海市浦東新區金橋城市副中心，屬于張家浜楔形綠地片區。城市設計區域西側緊鄰浦東足球場，區域內東側和北側布置有14/21 號地鐵換乘站——金港路地鐵站，東部分布有南北向河道。該設計項目倡導全程步行可達，根據周邊交通狀況、功能布局和資源分布等因素，上位規劃確定東北地塊為商業辦公區域，低層商業街區與足球場隔路相望，東南地塊分布有商業設施和居住小區。

如圖1 所示，方案1 低層商業街區呈現兩軸的布局，二層步行天橋呈環狀連接足球場和商業辦公區，辦公區集中在設計區域東側，西部區域地塊也分布著居住小區；方案2 低層商業街區呈折線單軸布局，二層步行體系呈網狀連接足球場和商業設施等，西部區域地塊同時分布辦公商業功能；方案3 低層商業街區呈折線單軸布局，二層步行體系呈網狀連接足球場和商業設施，西部區域地塊也分布著居住小區。

3 空間設計網絡分析

隨著計算科學的不斷發展，空間網絡理論和分析手段逐漸從地理信息系統科學、城市規劃領域進入到更為微觀的城市設計、建筑設計領域，其中，具有代表性的空間句法軟件公司已經與國際多家知名設計公司協作，而新興的空間設計網絡分析（sDNA）軟件作為傳統空間句法的三維視角的強化和補充，也逐漸在科研學術以及實用領域嶄露頭角[4][13]。可達性的量化是空間網絡分析的一個重要部分，在不考慮路徑寬度和使用功能的情況下，研究空間網絡拓撲關系引發的活動潛力。

空間設計網絡分析（sDNA）中，最重要的兩項可達性分析指標為接近度（Closeness）和穿行度（Betweenness）。接近度描述的是某路徑到計算范圍內其他所有路徑的難易程度，穿行度描述的是某路徑在計算范圍內被其他兩兩路徑之間的最短路徑穿過的次數[14]。計算公式如下：

圖1 浦東足球場周邊地區城市設計三個方案圖

式（1）中，C為接近度指標，p（y）為計算范圍半徑R內節點y的權重；d（x，y）為節點x到節點y的最短距離；式（2）中，B為穿行度指標，OD（y，z，x）為計算范圍半徑R內通過節點x的節點y與z之間最短距離[15]。

對于具體的城市空間而言，接近度和穿行度分別對應目的性步行活動和穿行性步行活動[16]，這兩種步行活動的結果，即到達和穿行。接近度高的路徑更有可能吸引人流、聚集交往活動；穿行度高的路徑可能會經過更多的人流量，吸引非目的性的活動。在生活中，到達和穿行這兩個結果是可以互相轉換的：到達某個空間的過程中可能穿過了其他空間，而穿過某些空間的過程可能也完成了進入從而到達的動作。這兩種活動密不可分，共同參與營造了城市空間的活力[17]。因此，對步行可達性的探討中，將會同時分析這兩個計算指標，綜合評估方案對活力提升的促進作用。

計算分析半徑代表著某路徑對應的相應距離活動范圍內的路徑相互關系,根據楊·蓋爾的觀點，500 m 左右的距離對于多數行人是可接受的路程[18]，同時，上海市民步行舒適距離為500 m[19]。因此，設定城市步行系統的計算分析半徑為500 m。空間網絡分析模型需要構建由城市快速路、主干路或自然地貌分割形成的完整區域，且整體計算模型范圍應設置在主要研究行為活動的30 min 可達范圍內。本文以城市設計區域為起點，上海市民步行30 min 可達的2 km 距離作為半徑，總體計算建模范圍處于主干路和城市快速路以內，主要展示設計區域范圍的計算結果。

3.1 不同情境模型

在相同的城市環境中，不同情境（context）可能會導致不同的步行行為分布模式[11]。浦東足球場周邊地區的人群流動情況比較復雜，包含體育場賽時的瞬時大量人流[20]、地鐵站長期的持續人流和辦公區上下班高峰時期的大量人流，針對不同的情境建立模型，以期較為準確地描述人們可能的步行路徑以及流量分布（圖2）。

情境模型分別對應三個典型時段的場景：上下班、無足球體育比賽活動時段；非上下班、有足球體育比賽活動時段；非上下班、無足球體育比賽活動時段，分別命名為情境1、情境2、情境3（表1）。

根據盛強和羅克乾等學者總結的軌道交通站點周邊的步行流量規律[21-22]，以及足球場容量與上海軌交站點高峰時期30 min 客流量的比值[23-24]，本文在計算中，對地鐵站點和足球場步行路徑進行加權賦值，具體而言，通過繪制高層辦公樓室內路徑以模擬上下班活動，設定足球場疏散平臺路徑為吸引點，在OD輸入權值，模擬進行足球體育比賽活動，以此盡可能使得人流聚集部分的預測流量與周圍部分的預測流量比值符合軌交站點、足球場附近的人群活動規律，從而能夠在一定程度反映不同情境下人流集散的真實情況。

3.2 計算結果分析

3.2.1 接近度

圖2 三個方案不同情境的步行路徑建模圖

表1 不同情境所代表的活動時段以及建模范圍

如圖3所示，三個方案到達性步行潛力最大的空間（圖3 紅色部分）都聚集在商業區和東北部辦公區。情境1 中，方案1 的東南部地塊的辦公區、方案2 酒店和西南部商業辦公區、方案3 東南部地塊的商業區和酒店區以及部分居住小區也有一定的到達性步行潛力分布（圖3 橙黃色部分）。情境2 中，方案1 和方案3 的西南部區塊居住小區到達性步行潛力較高（圖3 紅色部分），方案2 酒店部分和西南部區塊辦公有一定到達性潛力（圖3 橙黃色部分）而居住小區部分潛力很低（圖3 藍色部分），方案3酒店部分到達性步行潛力較高。情境3 中，方案1、方案2 東部地鐵站到達性步行潛力較大（圖3 紅色部分），方案3 潛力分布較平均。

對設計區域和商業區域各路徑接近度分別取均值，結果如表2 所示，方案2 的預測到達性步行流量在三種情境下比值均最高，其中，情境1 上下班時最占優勢（是方案3的2倍）。這說明方案2 不管是設計區域總體還是商業部分都具有更強的到達性步行活動潛力，并且也符合辦公樓業態最影響人目的性交通的規律。對比其他兩個方案，首先，方案2 的功能布局更為合理，居住區位于東南部緊鄰周邊居住小區，賽時足球場大量聚集性人流并不會影響居住人群的進出；其次，與地鐵站建立了有效的聯系，利用地鐵的高可達性促進設計區域到達性活動的增多。

3.2.2 穿行度

如圖4 所示，情境1 中，三個方案穿過性步行潛力最大的空間（圖4紅色部分）都聚集在兩個地鐵站到各辦公樓之間，然而，方案3 的低層商業區和周邊的住宅區部分也有一定的穿過性步行活動的潛力分布（圖4 黃色部分）。情境2 中，方案1 和方案3 除足球場的賽時人群穿過性潛力極強外（圖4 紅色部分），經過低層商業區和辦公區的穿過性步行潛力與足球場二層平臺等級相似，而方案2 賽時穿過性潛力人流，主要從足球場直達地鐵站或者疏散到人行道和沿河景觀廊道（圖4 橙黃色部分）。情境3 中，三個方案中沿河景觀廊道穿過性潛力均較高（圖4 紅色部分），高潛力空間還分布在：方案1 低層商業中軸和辦公區，方案2 東北部地塊通向周邊居住小區的東西向人行道，方案3 東北部地塊中間的南北向和東西向人行道。

圖3 接近度分布（顏色從暖到冷表示數值從大到小）

表2 三個方案接近度均值和比值

對設計區域和商業區域各路徑穿行度分別取均值，表3 結果表明，方案2 的預測穿行性步行流量在三種情境下比值均最高，其中，情境1 上下班時最占優勢（是方案3 的2.6 倍）。這說明方案2 不管是設計區域總體還是商業部分都具有更強的穿行性步行活動潛力。對比其他兩個方案，首先，對賽時足球場二層平臺的大量聚集性人流，方案2 采取了直接通向地鐵站的步行路徑引導，有利于觀賽人群的安全疏散；其次，呈網狀分布的、較為密集的空中—地面—地下立體步行體系，使得商業部分更吸引人們穿行其中，從而提升了商業的可達性，帶來更多商機的潛力；第三，方案2 沿河周邊的二層步行廊道結合景觀和商業形態多變（折線形和鋸齒線形）的設計，有利于吸引更多的潛在穿行人流；第四，方案2 和方案3 東北部區塊與居住小區的東西向人行道銜接，有助于引導周邊居住人群對設計區域的穿過性步行活動。

4 結語

根據空間網絡分析方法，對浦東足球場周邊城市設計中的三個方案進行三維定量評價，通過建立不同情境的分析模型，結合接近度和穿行度兩個指標所繪制的圖像與表格，評估上述三個方案的三維步行空間可達性，以評價其城市設計方案聚集交往活動的潛力。同時，進一步了解不同功能布局所導致的步行空間形態結構的局部區別對步行活動潛力分布的影響，表明城市空間形態與人們的聚集活動的相互關系。

城市空間的網絡結構與活動聚集密切相關，它們之間的規律蘊含在城市空間的物質形態中，通過抽象出來的三維空間網絡進行分析闡釋，從而根據具體數值，客觀、清晰地展現不同空間位置和空間關系所導致的不同步行潛力。本文為方案的對比評估提供了除依據經驗定性描述外的三維定量評估的嘗試，然而，城市空間中的步行活動不僅會受到空間形態結構的影響，還會因為紛繁復雜的城市活動、內部具體的功能業態分布、后期運營和維護、周邊活力的相互關系等造成城市空間活力的變化。因此，空間網絡分析僅能在一定程度上描述步行人群的潛在活動聚集，在方案的對比評估中還需更多實際案例來驗證。

（圖表來源：方案1、3 為張旭、郝雅瀅、胡嘉偉團隊和賴庭蓁、倪曉峰、鄭樺團隊設計完成，方案2 為陳泳教授項目團隊設計完成。）

圖4 穿行度分布（顏色從暖到冷表示數值從大到小）

表3 三個方案穿行度均值和比值