技術工程系統的城市形態依據

程襄武

（南京化工職業技術學院機械系，江蘇 南京 210048）

1 城市工程的技術工程系統方法

1.1 城市化與可持續觀念

中國城市化經歷過大規模的縣改市的“建制城市化”或稱“表面加速”時期，城市發展要素轉型與特大城市發展時期等階段。從城市規劃角度看，特大城市發展最快，中等城市次之，小城市發展較慢。大城市是我國城市化進程的主要力量，其規模效益和輻射作用顯優?，F階段城市數量及人口數量劇增，農村人口大量向城市轉移，城市化依然處于以聚集為主要趨勢的加速時期。城市經濟對中國GDP的貢獻率早已超過70%，城市化帶來巨大的發展機遇。

可持續發展是世界發展的共同理念。可持續發展作為明確概念第一次提出，是在1980年國際自然和自然保護聯盟發布的文件《世界自然保護戰略》中，在世界范圍對可持續發展作業明確界定并取得共識的?！吨袊沙掷m發展研究》給出的可持續性發展定義為：可持續發展是為使全人類能夠在地球上永久生存與發展下去而以人為主體，以生態、環境、資源為基礎，以經濟發展為核心，以全體參與科技進步為保證，以人與社會的全面發展為目標，實現同代人之間和代際之間的公平、人與自然相協調的一種發展道路。隨著城市化加快，加劇了城市環境污染，隨之出現了能源、資源、環境、社會問題。城市的發展建設是必須的，但在工程技術層面，應解決能源、資源、環境問題。城市建設與發展的根本原則是可持續發展。

1.2 技術工程系統的系統方法

科學還原論、整體論、系統論以至目前尚有一些爭論的復雜性科學，是現代科學與工程的幾個方法論階梯。單獨的科學還原論的思維方式，會導致對環境、對自然的漠視。整體論、系統論的觀念與思維方式則會形成生態保護與環境保護觀念，并可引出全面深入、適宜可用的理論方法與理論工具。錢學森早就提出以還原論與系統論相結合，以系統工程方法進行工程建設與發展。

城市的發展與建設以城市工程為具體實現，城市工程是極具復雜性的系統工程，實現可持續城市形態，必須進行系統工程建設?，F代城市建設工程的總過程一般是：由城市規劃到城市設計，再到具體的城市建設工程。城市工程是由城市系統各分項技術工程綜合進行，例如城市給水排水、城市綠化、城市交通、城市供熱空調、城市通信、城市文化及民居以及商住建筑建設工程等。這些分項技術工程，有的以公用工程的形式顯見，有的則非常專業化并具前瞻色彩，例如以現代信息技術發展支撐并綜合許多現代科技領域的虛擬城市等。上述分項城市技術工程，在城市系統工程內，成為整體系統的技術工程系統。由系統論，城市工程系統是一種系統組成、內外作用復雜的工程系統。技術工程系統以城市規劃與設計形成的城市形態為基礎與導向。其工程技術措施既受城市形態的制約與主導，又對其主動影響。

2 技術工程系統方法的城市形態依據

2.1 城市形態基本概念通識

人類生活的聚居由早期穴居，到部落鄉村，再到城市?，F代城市是人類最主要的生活空間。城市的一個根本的特點是集中，是人類生活的物質資源與精神資源集中及交流區域，最主要表現為建筑與人口。建筑占據土地與空間，人的活動以用為本，體現可用功能。城市規劃原理給出城市“形態”概念表達，城市在空間與功能上的兩個特點，以標示區分以及深入認識城市。

2.1.1 城市空間形態

城市空間形態一般以城市呈現的建筑、道路等城市實體要素形成的空間幾何特征劃分。城市空間結構形態是城市空間形態在空間結構上的表現，城市空間以一定結構在形態上表現出來。城市的空間結構形態分內部、外部形態。內部、外部形態組合表現出來的城市空間形態是相當復雜的。城市的空間形態是功能形態的一定實現形式，城市空間形態通過功能形態呈現相當的復雜性。內部形態分工業區、居住區、商業區、行政區、文化區、旅游區等且呈現各自的空間、結構；外部形態依伸展軸演變呈塊狀、星狀等不同幾何形態。城市的外部形態可有星形、衛星城、線形、棋盤形等格狀模式，巴洛克軸線系統式、花邊式、內斂式、巢狀等形式。

以下典型城市形態由歷史積淀形成，是已實現及現在階段可實現的現實形態：①放射形或星形。有人口密集多功能區，以此為核心向外放射運輸主干道。干道上分布次中心，干道間為較偏僻的V形地帶，環形公路繞核心區建成，為可無限擴張的適宜大中型城市的城市形態，見圖1。②衛星城。距中心城市外分多個小城鎮，保留城市中心并限制規模及人口數量，衛星城與田城由綠色生態地帶連接。③線性城市。城市中心設施分布于主干線兩側，次要設施分布于主干線側平行地帶。離開主干線為郊區，城市無核心，可無限擴張，房前為交通要道，房后為生態田野區等。④棋盤形城市。街道將城區分割為相同的長方形街區，可向任何方向擴展，城市無需中心與邊界，見圖2、圖3。⑤其他格狀模式。為棋盤形格狀的細微變形，如三角形格式布局等。⑥巴洛克軸線系統式。在復雜、大范圍的地形上，選擇一組控制點，建立重要象征設施，以足夠寬的大道連接象征物為節點，控制大道兩側邊緣地帶。整體性感覺強，放射性的街道網絡連接主要建筑物及空間元素，具有一組不均等的矩形格狀街道，見圖4。⑦花邊形城市。城市中心如花邊分布街道兩側，低密度，建筑物分布松散，交通暢通，接近生態自然，類同放大格狀結構的線性城市。⑧“內斂式”城市。城區、街道，由住宅區到街道以至每個房間一切都被包容圈住，由主要街道延伸出眾多樹形的兩側分布店面、墻壁的街道及巷子，通向私宅的大門，城市像緊湊的實體。⑨巢狀城市。城市為城墻包圍，像層層相套的盒子，形狀規則，街道為環形，非傳統的輻射形。環形街道與城墻平行，是城市中心活動場所，連接環形道路的街道窄小不連續。

2.1.2 城市功能形態

圖1[2] 星形城市形態

城市功能形態反映了人類城市活動的功用特點，如活動的范圍、種類、效能等。城市發展的環境、能源、資源問題都可歸納為城市功能形態的范疇?？沙掷m城市建設，如生態城市建設等，可歸屬一定城市空間形態上的城市功能形態。典型城市功能形態為：①廣畝城市。是一種極度分散城市形態。致力于實現人工環境與自然環境的結合，通過新技術回歸自然。道路系統遍布廣闊的田野與鄉村，居住建筑單元分散布置，密度極低。復興前工業社會的城市結構，是沒有城市的城市。②田園城市。實質為城鄉結合體，規模適中，滿足城市功能需要，又不超出一定范圍。田園城市是生態自然的可持續城市功能形態。③山水城市。中國文化風格，具備藝術美，加強生態綠化建設，是中外文化的有機結合、城市園林與城市森林的結合。④生態城市。以生態學原理建立的社會、經濟、自然三者協調發展的，高效利用物質、能量、信息的，特別是生態良性循環的可持續城市形態。

圖2[2] 棋盤形城市形態

圖3[1] 唐代長安城平面圖

2.2 可持續城市形態研究簡要分析

可持續城市形態，在資源、能源、環境等方面具有可持續發展效應，是當今世界各國城市建設與發展的基本原則，城市形態體現為城市空間形態與功能形態，兩個方面相互依托與影響。在可持續效應的產生與表現上，功能形態較為直接，可表現為城市的可持續效應等方面的特點與差異，如城市微氣候等方面體現的生態環境與居住舒適度等。但功能形態往往是由空間形態的影響形成的，并不僅僅由功能形態的直接設計產生。例如，特大城市的超大規模以及超高集中度等方面界定其空間形態，其形成的城市熱島效應以及空氣污染問題，很明顯地表現出功能形態，其可持續效應較低。此種影響效應，并不僅由相關的分項技術工程設計決定，而更多是由其實施的整體效應形成。城市工程的整體性與系統性往往較明顯地體現在空間形態上，功能形態的整體關聯則更深層、更不易見。

功能形態一般是由分項技術工程系統自覺及不自覺地調控形成的?？沙掷m城市形態必需在城市建設與發展的規劃、設計、實施各環節，以城市整體系統為基礎，有意識地調控，才可形成。城市建設工程往往各自考慮分項范圍，并以技術措施作直接目的。之前界定的功能形態是技術工程系統的目的與依據，更具直接的工程技術意義。特定的城市技術工程系統，往往直接與功能形態相聯系。技術系統工程在城市范圍內應考慮技術措施的設置，采用“城市整體范圍”的系統工程方法。設計前的整體城市形態研究是必要的。研究方法與步驟應是：由城市形態到分項影響，再到技術措施。空間形態是功能形態的研究為基礎，通過對空間形態的深入研究，可得到功能形態的不同特點。前述基本城市空間形態是在較為宏觀層次上，此處可見其對技術工程系統的依據意義。具體技術工程系統以科學模型細致模擬城市形態，可定量研究其功能形態。由于城市系統的復雜性，可在科學上對通識概括的城市形態做模型簡化。例如，一些研究模型顯然是基于前述線性城市模型的假設，更為簡化直觀。整體系統及技術系統的復雜性決定一些模型很簡單，但研究有難度，有時采用CFD、分形理論等研究方法與理論工具[5][7]，這些研究結果往往對形成功能形態的技術措施有很大參照意義。

城市形態的不同特點決定技術工程系統的具體技術措施。在前述城市形態概念的基礎上，城市形態的共性因素可抽象歸納出來，進行形態特定劃分以利于技術工程系統技術措施的確定。例如，依建筑空間集散度，分城市形態為極度分散、中度分散、緊縮式3種典型城市形態，則可得出相應的符合可持續原則的建筑空間的技術形式與技術措施呈現的不同特點，結論的得出，建立在基于城市形態的技術工程系統分析基礎上。[10]原則上，不同技術工程系統的整合，可形成較為合理的整體城市可持續發展模式。具體技術工程系統的技術措施確定，可依據前述原則與方法的研究結果。城市系統以及涉及專業領域的復雜性，決定上述研究的意義與難度。分項技術工程系統的研究，可匯總成相對宏觀層次的城市形態規劃，研究方法可在不同層面上，分項及整合的基本依據都是可持續原則。當前國內外已開展的一些相關系列研究，無論在研究結論里明確此研究目的與否，其結論都與城市中長近期規劃及其具體工程實施相關。“分項”技術工程系統的不同層面的技術措施，應該建立在前述基礎上。當前的城市發展，在具體研究的開展上，尚顯不足，有待重視與采納應用。不能只看到最直接、最表面的技術措施，應該在城市整體系統角度，深入定性定量研究技術工程系統與城市形態的相互影響。研究結果可得出最適當的各類技術工程技術措施，用在控制噪聲、空氣品質、熱島效應等環境污染，構建適宜的城市微氣候，提供不斷增強的城市功能等方面，實現可持續發展。

圖4[2] 美國華盛頓特區平面圖

1 梁思成.中國建筑史[M].天津：百花文藝出版社，2005.5

2 [美]凱文·林齊.城市形態（林慶怡等譯）[M].北京：華夏出版社，2001

3 JOHN PEPONIS, CATHERINE ROSS, MAHBUB RASHIDS.The Structure of Urban Space, Movement and Co-presence: The Case of Atlanta[J]. Geoforum.28（3～4）: 341～358

4 Elena Besussi, Nancy Chin, Michael Batty and Paul Longley. The Structure and Form of Urban Settlements.Remote Sensing and Digital Image Processing[M]. 1（10）: 13～31

5 Springer Series in Synergetics. Analysis and Simulation of Urban Aggregation. Brownian Agents and Active Particles[M], 2007:295～333

6 Feng Yang, Stephen S.Y. Lau, Feng Qian. Summertime heat island intensities in three high－rise housing quarters in innercity Shanghai China: Building layout, density and greenery[J].Building and Environment 45（2010）: 115～134

7 Pierre Frankhauser. Fractal Geometry for Measuring and Modelling Urban Patterns. The Dynamics of Complex Urban Systems[M],2008: 213～243

8 GIDEON S. GOLANY.URBAN DESIGN MORPHOLOGY AND THERMAL PERFORMANCE[J]. Atmospheric Enuironment 30（3）: 45～65

9 Denise Pumain. Systems of Cities and Levels of Organisation[M], 2011: 225～249

10 程襄武、謝建等.低能耗綠色建筑空調與城市形態的形式對應[J].建筑節能，2008（1）：1～4