基于武漢長江主軸橋梁空間色彩特征的優化設計

文／易西多，王長曦（武漢理工大學 藝術與設計學院）

城市是人類文明傳承與發展的載體，其景觀色彩特征蘊藏著地方文化氣息的積累與沉淀，也向外傳遞著地域文化和生態價值符號[1]。武漢市作為 “九省通衢” 之地，處長江黃金水道重要部位，城市文化特征主要體現在以下3個方面：（1）多元融合性。武漢市2 400多年的建城史，實質上是一個多種地域、經濟、民族、時代文化類型碰撞、交融的過程。這一過程伴隨一部分文化的日漸式微或消失，以及另一部分文化的保留、傳承、演進與積淀。近代以來，多民族、多地域人群的聚居共存，血緣、親緣的廣泛交織，多樣性文化的積聚融合，以及時代變革對城市文化的沖擊與洗禮，使武漢市成為一個文化的大熔爐。（2）荊楚文化符號。荊楚文化因楚國和楚人而得名，是周代至春秋戰國時期在江漢流域興起的一種地域文化，主要是指以當今湖北地區為主要輻射地的歷史文化，繼承了許多商周文化特點，具有鮮明的地域特色和巨大的經濟文化開發價值。（3）高度的集聚性和強大的輻射性。作為湖北省省會城市，武漢市系統地集聚了高層次的文化機構設施、文化人才以及文化產品和服務，而且以經濟、文化、科技、教育的中心地位，以國家歷史文化名城、中國優秀旅游城市、中國衛生城市、中國中部地區中心城市、世界橋梁之都等 “品牌”，發揮其巨大的輻射力。

武漢獨特的地理位置組成和濃厚的歷史文化價值，使得整個城市的經濟發展和科技進步都與跨江主軸橋梁密切相關。武漢跨江橋梁是連接區域交通、生態特色、文化交流和信息傳遞等基本民生活動的關鍵基礎設施，不僅具有交通運輸的功能屬性，同時也是城市文化景觀的重要載體[2]。然而隨著服役年限的遞增，武漢跨江主軸橋梁呈現出新舊各異、色彩混雜且缺乏整體設計感等問題，極大地阻礙了城市區域經濟的發展腳步。因此，深入調研武漢跨江主軸橋梁的空間色彩分布規律能夠有效塑造城市的綜合價值符號，促進武漢城市文化的積極輸出，提升城市諸如旅游業、金融投資業等領域的發展效率。

色彩是視覺特征的重要表現形式，Michael Lancaster[3]認為色彩景觀是通過人的視覺反映出來的所有要素的群體面貌，色彩是城市景觀重要的組成元素，要針對景觀特點設計色彩方案。Jean-Philippe Lenclos[4]的色彩地理學主張對某個區域的綜合色彩表現方式做調查與分析的工作，以確認這個區域的“景觀色彩特質”。目前國內外研究中景觀色彩的提取分析方法較多，主要有色彩直方圖法、聚類算法、光譜分析測量法、顏色量化算法等。趙源萌等[5]應用直方圖法對區域紋理進行統計，獲得自然感優越的彩色化圖像；任艷博等[6]基于聚類算法對蝴蝶色彩進行分析，得到色彩網絡模型；基于光譜分析技術，韓煒師等[7]對壁畫彩繪進行顏料分析；陳登凱等[8]選擇顏色量化算法對布老虎的色彩搭配進行特征分析，形成了可視化的配色圖譜。然而，目前國內外鮮有研究結合多種色彩分析方法對城市橋梁色彩進行深入探討，尤其是對于類似武漢這種跨江主軸橋梁分布較廣且與城市經濟和科技發展密切掛鉤的地區，如何科學地對其景觀色彩進行調研提取和分析并進行合理優化設計具有重要的理論和實踐意義。

文中以武漢長江主軸橋梁景觀為研究對象，基于8座跨江主軸橋梁景觀色彩的調研成果考察橋梁的建筑環境與周圍景觀色彩特征，結合空間色彩混合和色彩直方圖統計了空間色彩的分布情況，同時采用K均值（K-Means）聚類算法提取了空間景觀的特征色彩，結合城市文化和生態特色建立橋梁色彩優化設計模型，最后得出研究結論及建議。研究結果可以為相關橋梁景觀色彩的分析設計等多個方面提供參考依據，同時補充了橋梁景觀色彩研究的進展，豐富了橋梁設計研究的色彩語言，為橋梁空間色彩的提取提供了新的思路。

一、長江主軸空間特征的色彩設計模型和橋梁生態景觀調研

1.1 長江主軸橋梁空間特征的色彩設計模型

1.1.1 色彩設計方案的指導原則 橋梁城市色彩景觀應用不是單一的模仿和重復，而是要將城市的文化價值融入其中，構建具備特色文化內涵的整體城市視覺形象和生態發展。在綜合了城市文化和經濟發展背景的基礎上，本研究提煉了視覺優化指導性方案設計的5個方面原則。

（1）協調性生態原則：橋梁景觀是長江主軸景觀形象的有機組成部分，應服從武漢市整體文化定位協調生態、社會、經濟效益的關系，保證生態效益的充分發揮；協調景觀與生態、保護和開發、建設與維護的多重關系，使橋梁建筑與視覺系統相互協調，形成統一的景觀風格。

（2）人本化生態原則：城市景觀視覺設計的主要作用是美化環境、擴展生活空間、安全保護、減少交通事故和改善城市形象。無論是功能性還是裝飾性景觀照明，都應以人為本，體現對人尊重以及生理和心理健康的關懷。

（3）文化性生態原則：荊楚文化是武漢市文化建設的根脈、靈魂、精髓和品牌，是彰顯城市特色和魅力的雄厚資本，是塑造良好城市形象，提升城市影響力和競爭力的重要基礎。

（4）科學性生態原則：在符合國內景觀、照明標準的基礎上，盡量采用先進的景觀設計理念和先進的照明技術和照明設備，注重環保、節能與全壽命經濟性。

（5）經濟性生態原則：規劃、設計和建設統籌考慮。多用節能照明設備，少用耗能設備，多用經濟型設備，少用非經濟型設備。

1.1.2 主軸橋梁色彩設計三元耦合模型 基于符號學設計和空間色彩研究文獻的調研分析，提出以色彩設計組成、色彩分布特征、色彩識別分析的三元耦合優化模型，對應的內在關聯邏輯如圖1所示。根據模型可知，優化體系中需要先對研究對象進行調研，對其組成色彩進行有效分析識別，主要考察跨江主軸橋梁的橋體涂裝、周圍生態景觀情況和實際地理位置的水土特色；然后基于橋梁色彩調研情況，結合色彩空間混合、全局RGB直方圖方法對其顏色具體RGB元素分布，進而利用K-Means聚類算法提取對應橋梁顯示的色彩分布規律；最后考察城市地區的文化符號和生態背景，通過融入城市文化、周邊環境等元素，創建整體性主題圖案，合理規劃貼合城市基礎設施建設的橋梁視覺元素，提出系統性的構圖方案展現城市形象和特色。

圖1 橋梁視覺優化三要素模型

1.2 長江主軸橋梁生態景觀色彩調研

跨江橋梁作為一種特殊的構筑物，以其重要的地理位置和巨大的體量成為城市景觀的重要組成部分，具有重要的使用價值和視覺上的藝術價值[9]。橋梁自身的雄壯秀麗在大自然中是相對渺小的，其色彩及裝飾設計要與所在城市的色調定位及自然環境相協調，才能真正體現出重要的藝術價值[10]。為了科學地對武漢跨江橋梁色彩開展優化設計，本研究根據 “三元耦合模型” 開展橋梁色彩組成設計調研，對橋梁本身色彩涂裝效果和周邊環境與生態分布情況進行實地考察，武漢8座跨江主軸橋梁的相關基礎信息概述如表1所示。基于調研信息可知，目前8座跨江主軸橋梁主要存在以下5個方面的問題：（1）長江主軸8座橋梁建成時間跨度極大（1957—2019年）；（2）橋梁色彩缺乏整體規劃；（3）橋梁建設時間跨度大，橋梁色彩“新舊不一”；（4）橋梁色彩缺乏與城市環境色彩的科學融合；（5）橋梁景觀標志性略顯不足。

表1 長江主軸橋梁色彩調研信息

二、橋梁空間景觀色彩統計分析

根據三元耦合模型分析步驟，對橋梁色彩組成設計開展調研后，應該需要根據調研信息深入探究色彩分布特征，本節主要借助 “色彩空間混合” 和 “全局RGB直方圖統計” 兩種方法表征橋梁色彩的分布特性。

2.1 色彩空間混合分析

色彩的空間混合是一種視覺生理現象，即在一定距離，人的眼睛能夠把兩種以上并置色彩自動感應與同化為新色彩的混合方法。由于距離的增加和視覺分辨力降低，從正常的角度觀看兩種及以上交叉分布的色彩時，看不清各自的色彩特征而形成綜合色覺，色彩空間混合是一種視覺上的混合。該方法實踐過程中需要注重的問題主要有3個方面：（1）形態特征：色彩空混對并置的色彩形態有著特定的要求，通常采取短小的點形或細長的線作為造型表達的元素；（2）構成方式：空混在組織結構上以密集狀的點簇或線形成的色域分布于畫面，效果與形態的排列秩序密切關聯；（3）色彩組合：互為補色關系的色彩按照一定比例并置能得到灰色系、非補色關系的色彩空混能形成中間色序列，有彩系同無彩系空混可獲得不同明度的淺紅色。考慮分析的可操作性和系統邏輯性，目前研究中“馬賽克式”色彩空間混合方法應用最多，即選擇色相感較強的作品，并將面分割為不規則的斑點，在此基礎上提煉或分解原畫色彩。

基于上述色彩空間混合原理的歸納分析，本研究同樣采用 “馬賽克式” 色彩空間混合方法，對武漢8座跨江主軸橋梁周邊環境的色彩進行分析，選取與環境色彩較為融合的顏色作為設計方案的基本色調。考慮武漢鸚鵡洲長江大橋和楊泗港長江大橋建成通車不久，其色彩涂裝鮮艷且特征明顯，因此此處主要針對6 座建成時間較久橋梁的視覺景觀開展針對化分析。從空混分析來看，主要呈現出冷、暖兩類色調，如圖2所示。

圖2 橋梁周邊景觀顏色空混分析

為了進一步明確主要色彩元素分布規律，本研究利用全局RGB直方圖統計了武漢8座橋梁視覺優化前周圍景觀及橋梁主體組成部分色彩空間混合的主色調。

2.2 全局RGB直方圖統計

顏色直方圖可以準確反映圖像中顏色的組成分布，即顏色種類以及各種顏色出現的概率。特別適用于對橋梁及周圍景觀的空間混合色彩精選描述，以圖2中調研圖像為樣本，對各主軸橋梁及景觀色彩的RGB進行直方圖統計，結果如圖3所示。

結合圖3中的色彩提取規律可以看出，主軸橋梁的色彩分布具有較為顯著的差異，其中天興洲大橋、晴川橋、白沙洲大橋、鸚鵡洲大橋以及楊泗港大橋RGB直方圖呈凸型分布，顏色較為亮麗；而二七大橋、長江二橋和長江大橋直方圖以凹型為主，色彩以灰暗為主。通過RGB直方圖，可以得到8座橋梁的主要顏色分布情況，但難以做到特征色彩的定量化捕捉。

圖3 RGB 直方統計

三、基于K-Means 聚類算法的空間色彩提取及特征色彩的設計方案

3.1 基于K-Means 聚類算法的空間色彩提取

3.1.1 特征色彩提取方法及流程 基于三元耦合模型可知，確認色彩分布規律后應精準提取并識別空間色彩特征。為實現主軸橋梁特征色彩提取的可視化，本研究采用K-Means算法對其進行定量化分析。K-Means算法屬于無監督的聚類算法，具有良好的聚類效果和極強的可操作性，使得其在色彩提取方面應用廣泛。本文采用K-Means算法，運用Python軟件實現對主軸橋梁景觀調研圖像的特征色彩提取，其流程如圖4所示。具體操作步驟如下：

圖4 色彩提取流程

（1）隨機初始化k個點作為簇的質心；

（2）將樣本集中的每個點分配到一個簇中，計算每個點與質心之間的歐式距離見式（1），并將其分配給距離最近的質心所對應的簇中

式中：設d（x，y）為本次簇質心和上次簇質心的最大距離，xi=R，G，B為本次簇質心的R，G，B值，yi=R，G，B為其他像素的R，G，B值；

（3）更新簇的質心，每個簇的質心更新為該簇所有點的平均值；

（4）反復迭代（2）（3）步驟，直到簇心不再發生明顯的變化，即收斂為止。

3.1.2 基于K-Means 聚類算法特征色彩選取 以調研圖像為樣本，將樣本圖像的顏色分為4組（K-Means），每組顏色以平均色彩值表征，名稱以最接近的顏色命名，其中距離使用ΔE表示。各主軸橋梁及景觀的特征色彩如表2所示。

表2 長江主軸橋梁及景觀的特征色彩

3.2 基于特征色彩的設計方案

基于8座橋梁調研結果和空間景

觀特征色彩的成果，結合城市文化和整體色彩搭配的協調性，本研究分別確定了各個橋梁的色彩設計方案。如圖5所示，由上游白沙洲大橋起始至天興洲大橋終章，結合橋梁現有條件及形象特征，提出由紅、黃暖色到白、灰中性色，再到青、黛冷色的整體城市橋梁色彩規劃，形成多彩絢麗、工整有序的城市橋架整體色彩印象，展現城市人文精神及宏遠愿景。白沙洲長江大橋作為長江主軸橋梁規劃中最上游的大橋，橋梁色彩利用原有朱紅色斜拉索，將橋梁鋼梁部分涂裝成與之相呼應的曙紅，橋塔、橋墩涂裝成茶白，從而勾勒出暖陽普照、光芒濺射的景觀意向線條，塑造出最靈動溫暖的橋梁形象。武漢長江二橋建設時間較早，現狀外貌陳舊，對全橋進行整體防腐、色彩涂裝，橋塔、梁體、橋墩部分進行統一涂裝更新，對纜索部分保持原色并清潔修繕，橋梁整體涂裝色彩采用雅灰色涂裝，展現精煉雅致、穩重純粹的整體形象。同時穩重蘊合的色彩能夠在橋梁整體主題中起到承上啟下的關鍵作用。二七長江大橋高聳的3座橋塔有著獨特的景觀標志性，整體凸顯了“鶴舞祥云、三鎮騰飛”的寓意，橋梁橋塔、梁體、橋墩等結構主題部分整體采用茶白色涂裝，勾勒出跨江大橋的景觀主干線。

圖5 跨江主軸橋梁生態主色調與地理位置分布

四、結 語

武漢長江主軸橋梁是武漢生態文化及城市面貌不可忽視的關鍵節點。文中系統考量了8座跨江主軸橋梁的空間色彩特征，同時整體考慮了城市文化、環境和生態特色，提出了武漢長江主軸橋梁的視覺優化設計方案。主要結論如下：

（1）研究歸納了基于特征色彩的城市橋梁生態視覺設計方案的5項指導原則，建立了色彩優化三元耦合模型，從色彩設計組成、色彩分布特征、色彩識別分析三元素之間必要性和關聯性構建城市橋梁生態視覺色彩形象。

（2）綜合探討了武漢城市文化和發展背景，同時系統性調研分析了8座跨江橋梁存在的色彩美化設計問題，提出了橋梁視覺優化設計的目標。

（3）通過RGB 直方圖統計和K-Means聚類算法確定了橋梁空間景觀的特征色彩，同時參考橋梁色彩空間混合配色和橋梁地理位置分布，結合武漢城市符號，設計了城市橋梁色彩景觀主題方案，突顯了武漢地域符號特征的城市橋梁景觀體系。