數字技術背景下的街區設計方法變革研究

葉子蕓，張 月

(清華大學美術學院，北京 100084）

根據《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中，從國家層面戰略指引建設我國數字化城市。目前北京、上海、深圳、杭州、武漢等多個城市均開始推進 智慧城市建設。在如今信息化的時代，要融合利用三個空間、三種資源，即物理空間、社會空間和數字空間，以及物質資源、人力資源和數據資源[1]，才能更好地創造適宜人居、生態可持續的街區環境。在這樣一個設計方式變革的轉型期,設計將會越來越多地被視為一種內在的推動力，促進社會創新[2]。

數字技術作為當代街區設計研究必不可少的工具，目前技術前端和應用實踐之間還存在著鴻溝。例如：數據技術服務于城市規劃時，由程序員為主導開發的應用程序往往需要耗費設計師大量時間用于學習操作軟件上。其次，在街區設計的理論研究中，數字技術參與成分較少，尚未形成數字技術背景下的新理論體系。由于街區設計是城市設計的組成部分，街區亦是城市的組成單元，目前大部分應用數字技術的理論研究出發點都是基于城市的宏觀尺度。因此現階段有必要將數字技術進行分類，與傳統街區設計方法中所應用的技術手段進行比對，探究街區設計方法中因數字技術帶來的設計方法變革。而將設計過程理性化、系統化，是很多設計師試圖用一種科學的方法編碼設計過程[3]，本次研究將有助于形成科學范式。

1 數字技術發展及應用現狀

數字技術是一項與電子計算機相伴相生的科學技術，它是指借助一定的設備將各種信息，包括：圖、文、聲、像等，轉化為電子計算機能識別的二進制數字“0”和“1”后進行運算、加工、存儲、傳送、傳播、還原的技術，也稱為數碼技術、計算機數字技術等[4]。數字技術能夠根據街區所在地理位置、人口信息、交通流量等多維度信息計算出場地現狀，形成設計前的重要調研結果。并根據設計目標和所在地塊信息推演出新方案，或是設計師根據場地調研的信息結果展開設計。

1.1 數字技術發展歷程與街區設計的關系

本文以現代主義設計和第四次信息革命為兩個關鍵時間節點，將街區設計的基本方法分為三個時期，見圖1。第一階段即數字技術發展普及之前：在現代主義設計開展之前，街區設計依附于城市的自然資源，形成的街區風貌沒有特定規律，是自然形成的一種聚集和疏離狀態，此時還未出現數字技術的概念。第二階段即數字技術發展和普及初期：有了前期的設計實踐積累，形成了一定的實踐經驗，在此期間第三次工業革命給人們的生活方式和審美帶來了新的變化，因此形成了以實踐經驗為基礎的理論方法，這一時期的理論體系已經初步建立并有序發展；20世紀80年代計算機的普及，在街區設計實踐中解放了設計師一部分生產時間，逐步由手工繪圖轉為計算機制圖，這為形成較為科學的街區設計理論提供了堅實的基礎。第三階段即數字技術發展和普及后：是指從第四次工業革命發展至今，這一時期利用信息化技術促進了各項技術發展，尤其是智能化手段的介入，街區設計方法在這一時期逐漸形成以客觀數據為依據的設計方法，逐步擺脫依賴設計師主觀經驗為主的設計方式。

圖1 街區設計與數字技術發展的三個時期

當然對于數字技術的發展長河來說，目前還處于萌芽階段，但對于街區設計而言，目前的技術應用、學術研究相較于前兩個階段屬于相對普及的時期。這一時期也是本文的研究重點。

基于目前海量的數字技術，筆者選用VOSviewer共現詞網絡為可視化工具，對街區設計產生強影響的數字技術進行篩選，檢索設計見圖2。通過CNKI和Scopus兩個數據平臺上的關鍵詞檢索及特征關鍵詞檢索，分析共現詞網絡中高頻出現的詞語或單詞得到研究重點、趨勢及研究空缺，再根據技術特征將散點化的數字技術進行歸類。

圖2 檢索設計

1.2 數字技術發展與研究現狀

張書杰[5]等人，通過街景圖片數據探究街道步行設施的改善狀況，并通過“現狀—改善—政策”三維評價結果反映城市政策在步行設施縱向改善不足，對慢行街區的建設提供了新的研究方法。龍瀛[6]等人基于興趣點和社交網絡平臺等新數據環境對中國人居環境監測的支持性進行了客觀分析, 并提出新數據環境下人居環境監測指標體系的構建方法。茅明睿[7]分析了大數據對城市研究產生的影響力，并從戰略層、基礎層、研究層、應用層四個方面介紹了北京市城市規劃設計研究院在對大數據應用的相關問題進行分析。

張硯[8]全面論述CityScope系統的目標、構建、貢獻,以及未來潛力，通過直覺的可觸交互界面加上增強現實可視化系統以提高決策過程的可參與性，將街區的設計決策更多的交由專家及非專家群體。麻省理工的可感知實驗室的Sonic Cities利用聲音捕捉城市公園的聽覺形態。

李昊基于Dijkstra算法、A*算法、Prime算法三種尋徑算法，分別研究了它們在城市公共設施的服務范圍搜索,城市空間內的步行系統設計，城市地塊內的路徑系統設計的應用，作為數字化的城市設計方法與分析方法探索了一種新的設計思路[9]。XKool公司用機器學習等方式，為不同業主提供多種區域設計方案，在方案生成數量和效率上有了巨大的提升。

表1 不同時期街區設計工具比較

總體來看，目前基于數字技術的研究多集中應用在設計方案生成階段，不同的數字技術對設計方法和設計成果生成過程造成了不同程度影響，因此在數字技術背景下街區設計方法發生變革是必然結果。而目前對于解析街區設計方法變革的研究并不多見，因此通過對比不同時期的街區設計理論及實踐案例，能深入了解街區設計方法變革的具體方向及變革原因有助于學者及相關從業人員更好地利用數字技術，為數字技術背景下的街區建設提供一定的理論依據和應用框架。

2 對街區設計產生強影響的數字技術

目前街區設計方法是基于數字技術發展和普及初期時的建設經驗和相對客觀的思維模型而產生。街區設計總體可以分為六個流程：項目調研、調研后分析、設計策略、設計方案及方案展示、建設、使用后評價。而數字技術的普及使得設計全流程的的方式發生了變化，因而導致街區設計思維方式發生轉變，進而影響到設計方法。

2.1 數字技術應用概況及其分類標準

本文以CNKI及Scopus兩大數據庫為檢索源，檢索式見圖2。在Scopus平臺上初步檢索結果見圖3，再根據上文檢索式設計中的特征關鍵詞檢索，再將檢索式設為：TITLE-ABS-KEY（digital AND techn* AND urban OR street AND design）得到文獻共計1847篇[10]，見圖4。從圖中可知數字技術應用于城市規劃領域及智慧城市的研究文獻最多，其中VR技術、RS、GIS、人機交互技術等使用頻率、應用研究頻率突出。

圖3 Scopus平臺初步檢索結果

圖4 Scopus平臺特征關鍵詞檢索結果

同理可得CNKI數據檢索結果，見圖5。從圖中可知以數字技術為核心展開研究的街區設計成果不多，建筑科學與工程類文獻總計1905條，其中探討數字技術的文獻多為概括性理論研究，應用研究中BIM（建筑信息模型）提及頻次最高，其次是GIS（地理信息系統）虛擬現實技術及人機協同技術（人機交互），其中虛擬現實技術在街區設計層面僅停留在探索應用階段，幾乎未投入實踐。

圖5 知網最終檢索結果

綜合圖片中高頻出現的數字技術特征和街區設計流程將數字技術分為三類：大數據技術、設計輔助技術及多媒體技術。目前大數據技術多用于項目調研、調研后分析、設計策略；設計輔助技術多用于設計策略、設計方案及方案展示階段；多媒體技術可直接干預方案展示設計建設階段，同時也能夠反作用于設計方案階段。

2.2 大數據技術及其應用案例研究

目前，應用于街區設計方向上的大數據技術都是基于GPS數據或傳感器數據為來源，輔以AI智能分析。通過共現詞網絡梳理發現：能對項目調研階段起到正面積極影響、且快速提升工作效率的方法有：街景圖片分析技術、公交IC卡刷卡數據、POI（Point of Interest）數據、位置照片、社交網絡數據、GPS數據、計算機視覺大數據，這幾類數據獲取難度相對容易。除此之外還有住房數據、夜光影像數據、網上消費數據、手機信令數據等，這一類型的數據目前在我國獲取困難，或需要花費大量資金從企業買入。

利用開放街道地圖（O S M：OpenStreetMap）和興趣點（POI：Point of Interest）數據生成全國297 座城市的用地現狀圖，針對目前國內城市用地數據開放程度不夠高，利用全國OSM和POI數據，對全國297座城市的土地使用布局、用地功能、城市建成區面積，建設密度等、功能混合度和其他特性的鑒定，并公開發行與免費下載[11]，為其他從業人員后續的研究工作有著重要的鋪墊作用。

伴隨著大量數據獲取，調研后分析也成為街區設計前期工作的重點。提出較為客觀的評論和設計策略是提出好的設計方案的前提，因此我們還需要借助相應的智能分析軟件，為街區設計后續的方案生成提供優質的基礎。

筆者通過文獻調研結果，羅列出以下工具包，將有助于提升數據分析準度與效率同時還具備學習時間短的特性，分別是：規劃云平臺、OSM、GPS配合可穿戴設備、QGIS、Depthmap等。

大數據技術的優勢在于：（1）通過目前較為成熟的GPS技術和街景圖片二者結合，形成更精準的調研數據。尤其是能精準調研車流量和人流量，用可視化的語言精準調研街區的使用現狀，對路網設置、節點設計、人行道與車行道的比例關系有著重要作用。（2）大數據技術能夠為異地項目提供良好的支撐。對于街區設計而言，感受人文風情之外的數據均需要大數據技術的支持。（3）大數據能量化以往難以用言語描述的感性因素，并將量化后的結果投入人們日常使用中。（4）相較于人工調研，大數據技術的調研速度和精準度更加有優勢。目前大數據技術中的分析部分由AI輔助完成，而AI有著各類型的算法，能適配不同的項目，對于由多人團隊點對點的調研任務而言，通過網絡爬取的海量數據和AI智能分析，能夠在短時間內完成多人團隊無法完成的任務。（5）大量的數據收集和多媒體技術的同時使用，能夠幫助研究者完成絕大部分的實驗，所得結果能夠直接作用于街區實踐中。

2.3 設計輔助技術及其應用案例研究

設計輔助技術在本文研究中指，對設計過程或設計成果產生影響的技術，又或是對設計產出過程產生影響的技術手段。就目前來看設計輔助技術主要應用于方案設計階段和展示階段。

設計輔助技術在街區設計過程中占有重要位置，設計師實現自己的構思是依賴于設計輔助技術。使用不同的設計輔助工具會直接影響最終作品的呈現風格，例如目前計算機算力的提升，為Rhino一類的參數化軟件提供了操作的可能，而軟件的普及使用使得參數化建筑表皮成為一種建筑風格，從而改變著街道立面風貌。而在現代主義興起后發展至第四次工業革命以前，以勒g 柯布西耶（Le Corbusier）為代表的現代主義建筑都呈現規整六面體的形態，進而影響到街道立面，這種連續的、規則排列的建筑群落又形成了十分規整的街區形態，如現階段美國紐約的大部分建筑。因此從街區的呈現形態變化過程來看，能直接反應設計輔助技術對設計過程產生的巨大影響。利用好設計輔助技術有利于創造適宜人居、可持續發展的街區空間。

如今設計輔助技術的飛速發展促進了各類高效繪圖軟件的問世，從而解放了設計師的繪圖時間，他們有更多的時間用于方案創作上，同時設計輔助技術還能通過機器學習快速生成多種方案，為設計師及業主提供不同選擇。設計輔助技術在大體上可以分為兩類:一類是利用機器學習自動生成式設計技術，另一類是計算機制圖技術。自動生成式設計技術主要仰仗于計算機編程代碼，對技術人員的要求較高，對設計師而言只需要選擇最適配目標效果的設計結果；計算機輔助設計技術還是依賴于主創設計師的把控，對于設計目標的形態有了更多的發揮空間，同時對于設計師的設計效率也有較大的提升，在設計過程中有著重要的意義?；谝陨戏诸惙绞?，可將涉及輔助技術細分為以下6種，見圖6。分為六個大類：空間句法；異型算法及模型渲染技術；基于機器學習、算法生成技術；計算機輔助設計工具；集成系統中的設計技術；集成系統自身迭代所產生的技術。

圖6 設計輔助技術

圖6中所羅列的設計輔助技術工具，能為街區設計方案的形成及展示階段提升工作效率，為設計師節約更多時間成本，同時也能為街區項目提供更多方案選擇。

以基于機器學習、算法生成技術為例，XKool公司和萬科集團深圳區域公司的合作，見圖7。在智能設計云平臺的標準化產品的基礎上，小庫還直接為一些開發商提供定制開發+采購報告的服務。萬科集團深圳區域公司與小庫開發了“萬科——羅塞塔”算法，依據企業的需求編寫算法，對多種業態進行生成，滿足投拓土地初篩需求。小庫為萬科累計完成了大灣區項目方案48個。另外應用較為成熟的空間句法，不僅能夠用于方案的前期分析，還能夠通過視域分析、交通可達性分析等對設計方案進行檢驗。不僅能為設計師提供堅實的設計依據還能為設計結論提供支撐。

圖7 XKool公司和萬科集團深圳區域公司的合作

從設計輔助技術的開發和應用層面來看，對設計的生成過程、結果檢驗都產生了重要影響。不僅大量解放了制圖時間，還能更加準確地提供方案參考，同時算法生成保證了方案的有效性，設計師對街區項目的主觀影響程度在這一過程中降低。

2.4 多媒體技術及其應用案例研究

多媒體技術（Multimedia Technology）是利用計算機對文本、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻等多種信息綜合處理、建立邏輯關系和人機交互作用的技術[12]。即利用電腦把文字、圖形、影像、動畫、聲音及視頻等媒體信息都數位化，并將其整合在一定的交互式界面上，使電腦具有交互展示不同媒體形態的能力。多媒體的出現，改變了人們原有的獲取信息的方式，同時也改變了人與人之間的交流方式。真正的多媒體技術所涉及的對象是計算機技術的產物，而其他的單純事物，如電影、電視、音響等，均不屬于多媒體技術的范疇[13-14]。

本次研究的多媒體基礎按照技術基礎可以分為以下幾類：（1）由計算機硬件設備提升帶來的媒體視覺革新：極致可視化、特殊場景渲染；（2）VR、AR技術為基礎的多媒體技術：VR、AR、VR逐級交互設計、VR+AR+可穿戴設備疊加使用、VR+CG技術；（3）3D打??；（4）基于傳感器技術發展起來的交互式體驗設備；（5）智能機器人；（6）建筑表皮投影，見圖8。多媒體技術除了信息載體的多樣化之外，還有以下一些特性：集成性、交互性、智能性、易擴展性。多媒體技術之所以在近些年發展迅速、普及度超高，是因為其自身的特色和媒介產品能夠帶給人更好體驗感受。這打破了以往人們對傳統物理空間的認知和感受。多媒體技術還可以運用在各個場景中，能夠滿足人對多重世界的幻想和體驗[15]。

圖8 多媒體技術

由MIT城市感知實驗室的一個團隊利用3D掃描技術Favelas4D項目，見圖9。該團隊利用3D激光掃描技術，與BRTech 3D合作，正在對Rocinha進行全面的形態測量分析。科學分析定量地捕捉了貧民窟獨特的建筑實踐和可怕的基礎設施需求，以前所未有的精確揭示了Rocinha的城市邏輯[16]。

圖9 Favelas4D

具體來說多媒體技術對街區設計產生的積極影響有：（1）對街道立面產生新的視覺美學。有了多媒體技術的應用，在街區中會形成新的景觀節點，街道的使用時間和使用方式有了新變化，例如人們在互動裝置中能夠促進交流、促進城市夜經濟的發展、促進鄰里關系的提升等；也為人們在街道上的停留時間產生了積極作用。（2）街區設計手段多樣化。利用VR和穿戴式設備能夠對街區設計方式帶來新的變革，對街區設計前期測量、成果展示也提供了更加多元的方式。（3）多種媒體設備的應用對街區空間也能產生直接影響，例如為設備留出額外空間，以供設備存儲及居民日常使用空間。（4）新媒體平臺的出現為未來的街區設計提供了無限可能性。

3 數字技術普及后街區設計方法變革及其原因

3.1 街區設計方法變革

從全球第四次信息革命發展至今，計算機已經成為街區設計的必要工具，同時得益于人工智能的幫助，不僅能夠輔助設計師快速找到真正問題（而非基于感性認知推斷出的“問題”），還能根據問題展開針對性的設計，這一時期計算機開始逐步取代人的感性設計。

首先，由于計算機的高度發達和人工智能技術的快速發展，這一時期的設計方法逐步轉化成為基于理性分析上的感性發揮。其次，街區設計不再以視覺美觀為設計思路，而是以用戶體驗感為首要因素展開設計；再次，街區設計的前瞻性可根據深度學習的結果進行預判，作為設計依據之一；最重要的數字的普及使得原來由單一團隊作業的模式改為眾包模式的設計方法。

3.2 街區設計方法變革原因

3.2.1 設計工具變革

本文提到的三類數字技術工具均對街區設計的全流程產生了巨大影響，因此筆者將數字技術普及初期及數字技術普及后所使用的工具進行對比，見圖10。這些工具的使用能夠直接影響場地調研、調研后評價、設計策劃、設計方案的形成、使用后評價這五方面的額客觀性。數字技術普及初期，多依賴人工分析及人工經驗，形成的設計結果缺乏客觀數據支撐會出現“設計荒漠”，這一現象即設計師未能客觀把控街區場地信息和周邊居民的真實訴求。

而數字技術普及后，有了大量的數據收集手段和智能分析工具的使用，為設計方案的形成提供了強有力的客觀依據，同時配合設計師的個人情感和本土文化便能形成一個以解決問題為導向、兼顧風土人情的設計方案。

3.2.2 設計出發點變革

（1）新時代背景下的街區設計，在設計上更加突出個體同整體的協調合作理念。（2）以實際問題、痛點為導向，解決真正的問題。（3）街區設計由設計師描繪未來愿景藍圖逐步轉向機器推演。（4）街區設計由以美觀和用地標準為出發點，逐步轉變成“以人為本”的角度出發。（5）城市街區空間是否能夠通過設計來建立良好的社會關系。（6）重新定義了街區空間。

4 結語

本文基于數字技術發展的時代背景，通過探究數字技術對街區設計產生的正面影響，從而發現街區設計方法變革及其產生的原因。從根本上來說是因為數字技術對城市感知的影響、對設計過程的影響及多元主體參與所構成的街區空間的影響，從而導致街區設計方法變革。而設計方法的變革主要體現在設計工具、設計立足點、設計思維方式的變革上。同時筆者總結了三類數字技術對街區設計產生強影響，并針對街區設計的不同階段羅列出對應的工具包。通過本次研究為新時代背景下的街區設計方法補全理論缺口，但在本次研究中尚缺乏對數字技術負面影響的探討，因此在今后的研究中還可對數字技術的應用成果進行深入分析及研究。