基于步行行為特征的城市空間拓撲結構類型研究

■李 勇 LI Yong 孫彤宇 SUN Tongyu

2015年，中央城市工作會議上明確提出了“城市空間結構優化”的要求，提出“窄密路網、步行優先”等城市空間建設和更新原則。如何建設宜步行城市，修復城市步行空間網絡，成為當下研究的熱點問題。隨著國內新城建設的放緩，城市更新逐步提上日程，為步行優先的城市空間模式提供了很好的實踐機會。本文將對高密度中心城區的空間結構進行量化，再通過量化指標數據的統計學規律，對不同案例進行類型學分析，以期得到宜步行高密度中心城區空間結構的基本類型和基本模式，為以步行優先為導向的高密度中心城區改造與更新提供有益的參考和借鑒。

1 步行的可達性與公共性

步行是人們日常生活中實現空間移動的最主要方式。揚·蓋爾（Jan Gehl）在《交往與空間》中提出了關于步行的經典論述：“步行首先是一種交通類型，一種走動的方式，但它也為進入公共環境提供了簡便易行的方法”[1]。步行行為具有交通通行和公共活動兩個基本功能，步行活動在城市空間中具有可達性和公共性這兩項基本需求。其中，步行可達性在中觀尺度的城市空間中表現為步行路徑的連續性和多樣化路徑選擇的需求；步行公共性則表現為人們通過步行，可以參與更多的城市公共活動而不受機動交通的影響。

由于受到人的體力等因素限制，步行活動對距離因素較為敏感。按照一般的步行速度，5 min的步行路程約為400 m。有關研究表明，5 min的步行路程是人們最為容易接受的步行尺度范圍，15 min社區生活圈所覆蓋的步行范圍則是人們日常生活所能接觸到的宜步行尺度的城區范圍。

2 研究樣本選取及空間抽象原則

在當代城市交通體系中，步行作為公共交通的“最后一公里”而存在。新都市主義的理論與實踐也證明了“公共交通+步行”的交通模式是未來城市空間發展的基本模式。本文以15 min社區生活圈所覆蓋的步行范圍作為研究樣本，選取基本參照。通過對大量的城市樣本進行分析，可以發現，大部分的城市中心區都存在以機動交通干道或自然水系、綠化植被等分割形成的次級區域，這些區域往往具有完整、統一、連續的城市肌理，如巴塞羅那老城區、蘇黎世等。這些區域的尺度大約在1 km2左右，是本文研究樣本選取的另一個重要參照。

研究樣本的選取要求覆蓋多樣的城市形態類型，覆蓋不同的氣候區，以及不同社會、文化、經濟背景下的城市。依據上述原則，經過層層比選，確定了覆蓋全球94個城市的106個城區樣本（圖1）。本研究的理論基礎是空間句法，城市空間網絡建模精度以步行可達的城市公共空間作為參照，即視覺軸線覆蓋城市空間中步行可達的公共空間區域（圖2）。城市空間網絡建模采用視覺軸線的建模方法，遵循“最少且最長”的原則，通過Depthmap軟件中的模型轉化生成線段模型。

3 基于距離與密度的分類

圖1 具有完整統一連續城市肌理的106個城市空間形態樣本圖

圖2 維也納內城區斯蒂芬大教堂周邊500 m×500 m范圍內城市空間網絡抽象圖

步行出行距離的遠近很大程度上決定了人們步行出行的意愿和步行舒適度，適當的步行出行距離和路線豐富多變的步行路徑，可以極大地提高城市的步行出行率以及步行出行體驗。阿蘭·B·雅各布斯在《偉大的街道》中橫向比較了97個不同的城市片區，主要采用了3個量化指標，分別是：道路交叉口數量、道路交叉口距離的平均值、街區數量[2]；邁克爾·索斯沃斯在《街道與城鎮的形成》中，對美國20世紀60—80年代形成的街道案例進行研究，通過對街道總長度、街道段數量、交叉口數量、街區入口數量、環形路和盡端路數量等量化，分析了各種不同類型的街道模式[3]。步行距離因素在城市空間結構層面上體現為空間的密度問題。結合雅各布斯和索斯沃斯等學者的研究，以及空間句法線段模型所抽象出的基本空間要素，本研究確定了4個基本的空間網絡量化指標，即：交叉口數量密度、街道段數量密度、街道段平均長度以及街道網絡線密度（圖3）。

經統計分析，4項變量指標之間存在明顯的兩兩相關或負相關關系，即在描述樣本特征時，4項變量指標存在重疊性和同質性。SPSS中的主成分分析方法可以將這種互相關聯的變量簡化成互不相關的少數變量，用較少的變量來解析樣本中的數據分布特征。用SPSS對4個變量進行主成分分析，結果表明：街道網絡線密度的主成分貢獻率達92.522%，其主成分特征根為3.701，數值大于1；而其他3個變量的主成分貢獻率均較低，主成分特征根數值也遠小于1（表1）。由此可知，街道網絡線密度作為單一變量就可以解析106個樣本中的數據分布差異，即街道網絡線密度作為單一指標，可以區分106個城區樣本的空間網絡特征。對106個城區樣本的街道網絡線密度的數據分布進行正態分布驗證，數據分布基本符合正態分布特征（圖4）。這說明，106個樣本的選取是充分的，從街道網絡線密度這一特征來說，覆蓋了不同類型的城區。

圖3 106個城區樣本基本空間網絡量化數據分布圖

表1 4個變量指標的主成分分析

以上分析結果表明，街道網絡的歐式幾何特征可以用街道網絡線密度這一變量來描述。街道網絡線密度從高到低的數據分布反應出城市空間網絡從步行主導到車行主導的逐漸轉變。在上述106個城區樣本中，街道網絡線密度最高的5個城區樣本依次為：中國澳門、威尼斯、雅典比雷埃夫斯港、錫耶納、蘇黎世，這5個城區的城市空間基本是以步行為主導，排斥車行，例如威尼斯（圖5）；街道網絡線密度最低的5個城區樣本依次為：新德里、西安、北京、努爾蘇丹、大連，其城市空間基本以車行為主導，排斥步行，如北京（圖6）；位于中位數附近的城市，街道網絡線密度適中，兼顧了步行和車行的需求，典型的城市有費城、京都、米蘭、多倫多、斯德哥爾摩、巴黎、里約熱內盧等。本文依據106個城區樣本街道網絡線密度的數值區間，以四分位數作為界定，把城市空間結構分為3個類型：①機動車交通主導的城市，其街道網絡線密度小于22.7 km/km2；②步行主導的城市，其街道網絡線密度大于30.8 km/km2；③人車共享的城市，其街道網絡線密度的數值區間為22.7～30.8 km/km2。

圖4 街道網絡線密度正態分布曲線及正態性檢驗

4 空間拓撲結構類型

城市空間中的步行活動需要適宜的空間尺度，也追求多樣化的路徑選擇和較高的空間可達性。街道網絡線密度是基于城市空間形態密度要素的量化指標，可以辨識出空間尺度對于城市步行活動的影響，是討論城市宜步行性的前提條件。這些不同空間形態與密度的城市，是否具有內在的一致性規律，不同空間形態的城市又可以分為哪些類型？要回答這一問題，就需要從拓撲關系的角度對城市空間形態進行更深入的分析。

在目前的城市空間研究領域，空間句法理論提供了對城市空間進行拓撲結構分析的有效途徑和方法[4]?？臻g句法理論中最為核心的兩個指標分別是基于視覺軸線模型的整合度和基于線段模型的選擇度（也叫穿行度）。對空間網絡進行分析，半徑為全局尺度的整合度分析叫全局整合度，計算時去除了視覺軸線數量的影響（無量綱），可以直接用于不同規模樣本間的橫向比較；而線段模型的全局選擇度分析是針對本系統而言的，無法用于不同規模樣本間的橫向比較。標準化選擇度（簡稱NACH）通過引入選擇度和拓撲總深度之間的比值關系，使得選擇度數值不受系統規模的影響，可視為選擇度數值的標準化，可用于不同規模樣本間的橫向比較[5]。

圖5 威尼斯的衛星圖及空間網絡圖

圖6 北京的衛星圖及空間網絡圖

4.1 空間的分散和聚集

基于視覺軸線模型對106個城區樣本進行全局整合度均值分析，并對其數值進行排序發現，數值從高到低呈現出空間結構形態從分散到聚集的梯度變化。例如，全局整合度均值較高的多倫多樣本，高整合度的視覺軸線平均分布在整個空間結構中，空間結構呈現去中心化的分散特征；全局整合度均值較低的伊斯坦布爾樣本，高整合度的視覺軸線集中分布在空間網絡的中心區域，空間結構呈現中心性較強的聚集特征（圖7）。全局整合度均值的數值高低可以判別城市空間拓撲結構的分散與聚集特征。

4.2 空間的扁平和層級

基于線段模型對106個城區樣本進行全局標準化選擇度均值分析，并對其數值進行排序發現，數值從高到低，呈現出空間結構從扁平到層級的梯度變化特征。例如，全局標準化選擇度均值較高的巴塞羅那擴展區樣本，大部分的街道段空間單元都具有較高的選擇度，且都位于同一個或相近的層級中，空間結構呈現扁平化特征；再如全局標準化選擇度均值較低的昌迪加爾樣本，街道段空間單元的穿行度分布具有明顯的層級特征，可以清晰地反映出道路的等級體系，空間結構呈現多尺度的層級特征（圖8）。全局標準化選擇度均值的數值高低可以判別城市空間拓撲結構的扁平與層級特征。

4.3 層次聚類分析

采用SPSS的層次聚類法，對106個城區樣本進行全局整合度均值和全局標準化選擇度均值的雙變量層次聚類分析，可將其空間結構分為4個類型，即：均布-扁平型、均布-層級型、核心-扁平型和核心-層級型。其中，均布-扁平型樣本的拓撲結構特征是可達性較高的空間單元在單一或相近的層級上互相連通，均布在整個空間網絡中，其典型樣本為紐約；均布-層級型樣本的拓撲結構特征是少量穿行度較高的空間單元均布在整個空間結構中，形成空間的前景網絡，并在前景網絡的基礎上衍生出多個層級的空間子網絡成為背景網絡，典型樣本為德黑蘭；核心-扁平型樣本的拓撲結構特征是可達性較高的空間單元聚集形成空間核心，大量穿行度較高的空間單元在單一或相近層級上均布在整個空間結構中，典型樣本為巴塞羅那老城區；核心-層級型樣本的拓撲結構特征是可達性較高的空間單元聚集形成空間核心，少量穿行度較高的空間單元均布在整個空間網絡中，形成前景網絡，并在前景網絡的基礎上衍生出多個層級的空間子網絡，空間結構呈現典型的自組織特征，其典型樣本為倫敦（圖9）。

5 空間拓撲結構類型與空間密度和形式的關聯

上述研究表明，在實際的城市空間中，城市空間的尺度、密度、形式和拓撲結構是一個有機統一的整體，這些衡量城市空間結構特征的指標要素間交互影響，具有很強的關聯性。其中，均布-扁平型和核心-層級型這兩個空間結構類型代表了城市空間發展的兩個極端狀態：均布-扁平型城市更傾向于由機動交通主導的人為規劃形成的方格網形態，具有較低的空間密度；核心-層級型城市則是由步行活動主導的城市空間自發生長形成的不規則形態，具有較高的空間密度。

在106個城區樣本中，均布-扁平型樣本以高層高密的美國勻質方格網城市為典型代表，核心-層級型樣本則以低層高密且保留了完整歷史城市肌理的歐洲城市為典型代表，這兩種空間拓撲結構類型是當代城市中高密度緊湊型城市發展和演化的兩種基本空間發展模式。從城市自組織發展和演化的進程來看，歐洲城區樣本不僅保留了以步行尺度為參照的城市空間尺度，而且保留了適宜步行的空間結構模式，大量適宜步行尺度的短程連接組構形成具有冗余連接特征的步行空間網絡；美國勻質方格網城區樣本則以適宜機動交通的正交方格網路網規劃作為城市空間結構的基本原型，城市空間尺度較大，城市空間發展尚未經過長期的局部空間與人的活動競爭和協同的互饋機制作用，其城市空間結構基本保持了原有規劃勻質方格網的規劃意向，街道網絡以適合機動交通的長程連接道路為主。

圖7 空間的分散與聚集特征

圖8 空間的扁平與層級特征

圖9 4個空間拓撲結構類型

研究可知，較高的街道網絡線密度是宜步行的必要條件，均布-扁平型和核心-層級型兩種空間拓撲結構類型是分別適宜車行和步行的兩種極端狀態。從城市空間容量（容積率）的角度來說，宜步行城區的理想形態是低層高密型的。美國的高層高密型城市，大容量的城市空間人口高度聚集，機動車的數量急劇增長，機動車占據大量的路面空間，從而削弱了城市空間的宜步行性；歐洲的低層高密型城市，使人口規?？刂圃谝欢ǚ秶鷥?，機動交通的需求量得到控制，城市步行空間的品質得到保障。

針對4個不同的空間拓撲結構類型，可以得出相應的城市步行化改造措施。在均布-扁平型的城區中，較高的路網密度對于機動車數量的限制及提倡軌道交通等大運量的公共交通模式，是宜步行的保障。在均布-層級型的城區中，需要加大城市支路網的密度，提高多層級路網的連通性，來緩解機動交通壓力；同時，適當縮減機動交通道路寬度，增加步行道寬度，提升步行空間的量和品質。核心-扁平型城區是比較理想的人車共享空間結構模式，可以通過增加低整合度區域街道的連通性，來提升整個片區的可達性水平。核心-層級型的城區是以步行為主導的空間結構模式，一定程度上排斥機動交通，需要在重點區域疏通空間網絡，建立長程連接，以滿足一定的機動交通通行需求。

6 結語

隨著人們生活水平的提高，人們對城市空間品質的要求也越來越高。步行導向的城市空間是未來城市發展的主要趨勢，也是未來理想城市的基本模式。我國城市在近幾十年的快速城鎮化過程中，形成了以機動為主導的大尺度城市空間結構，城市空間被機動交通切割，街道網絡線密度普遍較低，其城市空間拓撲結構類型大多可以歸為均布-扁平型和均布-層級型兩種。如對我國當代城市進行步行化改造，一方面，需要在步行尺度的城區范圍內加密路網；另一方面，則需要重塑城市的空間結構，建立秩序化的空間層級，形成小尺度、多樣化的空間連接，在滿足城市空間高效可達性需求的同時，又能營造出適宜步行的豐富多樣的城市公共空間。