技术工程系统的城市形态依据

程襄武

（南京化工职业技术学院机械系，江苏 南京 210048）

1 城市工程的技术工程系统方法

1.1 城市化与可持续观念

中国城市化经历过大规模的县改市的“建制城市化”或称“表面加速”时期，城市发展要素转型与特大城市发展时期等阶段。从城市规划角度看，特大城市发展最快，中等城市次之，小城市发展较慢。大城市是我国城市化进程的主要力量，其规模效益和辐射作用显优。现阶段城市数量及人口数量剧增，农村人口大量向城市转移，城市化依然处于以聚集为主要趋势的加速时期。城市经济对中国GDP的贡献率早已超过70%，城市化带来巨大的发展机遇。

可持续发展是世界发展的共同理念。可持续发展作为明确概念第一次提出，是在1980年国际自然和自然保护联盟发布的文件《世界自然保护战略》中，在世界范围对可持续发展作业明确界定并取得共识的。《中国可持续发展研究》给出的可持续性发展定义为：可持续发展是为使全人类能够在地球上永久生存与发展下去而以人为主体，以生态、环境、资源为基础，以经济发展为核心，以全体参与科技进步为保证，以人与社会的全面发展为目标，实现同代人之间和代际之间的公平、人与自然相协调的一种发展道路。随着城市化加快，加剧了城市环境污染，随之出现了能源、资源、环境、社会问题。城市的发展建设是必须的，但在工程技术层面，应解决能源、资源、环境问题。城市建设与发展的根本原则是可持续发展。

1.2 技术工程系统的系统方法

科学还原论、整体论、系统论以至目前尚有一些争论的复杂性科学，是现代科学与工程的几个方法论阶梯。单独的科学还原论的思维方式，会导致对环境、对自然的漠视。整体论、系统论的观念与思维方式则会形成生态保护与环境保护观念，并可引出全面深入、适宜可用的理论方法与理论工具。钱学森早就提出以还原论与系统论相结合，以系统工程方法进行工程建设与发展。

城市的发展与建设以城市工程为具体实现，城市工程是极具复杂性的系统工程，实现可持续城市形态，必须进行系统工程建设。现代城市建设工程的总过程一般是：由城市规划到城市设计，再到具体的城市建设工程。城市工程是由城市系统各分项技术工程综合进行，例如城市给水排水、城市绿化、城市交通、城市供热空调、城市通信、城市文化及民居以及商住建筑建设工程等。这些分项技术工程，有的以公用工程的形式显见，有的则非常专业化并具前瞻色彩，例如以现代信息技术发展支撑并综合许多现代科技领域的虚拟城市等。上述分项城市技术工程，在城市系统工程内，成为整体系统的技术工程系统。由系统论，城市工程系统是一种系统组成、内外作用复杂的工程系统。技术工程系统以城市规划与设计形成的城市形态为基础与导向。其工程技术措施既受城市形态的制约与主导，又对其主动影响。

2 技术工程系统方法的城市形态依据

2.1 城市形态基本概念通识

人类生活的聚居由早期穴居，到部落乡村，再到城市。现代城市是人类最主要的生活空间。城市的一个根本的特点是集中，是人类生活的物质资源与精神资源集中及交流区域，最主要表现为建筑与人口。建筑占据土地与空间，人的活动以用为本，体现可用功能。城市规划原理给出城市“形态”概念表达，城市在空间与功能上的两个特点，以标示区分以及深入认识城市。

2.1.1 城市空间形态

城市空间形态一般以城市呈现的建筑、道路等城市实体要素形成的空间几何特征划分。城市空间结构形态是城市空间形态在空间结构上的表现，城市空间以一定结构在形态上表现出来。城市的空间结构形态分内部、外部形态。内部、外部形态组合表现出来的城市空间形态是相当复杂的。城市的空间形态是功能形态的一定实现形式，城市空间形态通过功能形态呈现相当的复杂性。内部形态分工业区、居住区、商业区、行政区、文化区、旅游区等且呈现各自的空间、结构；外部形态依伸展轴演变呈块状、星状等不同几何形态。城市的外部形态可有星形、卫星城、线形、棋盘形等格状模式，巴洛克轴线系统式、花边式、内敛式、巢状等形式。

以下典型城市形态由历史积淀形成，是已实现及现在阶段可实现的现实形态：①放射形或星形。有人口密集多功能区，以此为核心向外放射运输主干道。干道上分布次中心，干道间为较偏僻的V形地带，环形公路绕核心区建成，为可无限扩张的适宜大中型城市的城市形态，见图1。②卫星城。距中心城市外分多个小城镇，保留城市中心并限制规模及人口数量，卫星城与田城由绿色生态地带连接。③线性城市。城市中心设施分布于主干线两侧，次要设施分布于主干线侧平行地带。离开主干线为郊区，城市无核心，可无限扩张，房前为交通要道，房后为生态田野区等。④棋盘形城市。街道将城区分割为相同的长方形街区，可向任何方向扩展，城市无需中心与边界，见图2、图3。⑤其他格状模式。为棋盘形格状的细微变形，如三角形格式布局等。⑥巴洛克轴线系统式。在复杂、大范围的地形上，选择一组控制点，建立重要象征设施，以足够宽的大道连接象征物为节点，控制大道两侧边缘地带。整体性感觉强，放射性的街道网络连接主要建筑物及空间元素，具有一组不均等的矩形格状街道，见图4。⑦花边形城市。城市中心如花边分布街道两侧，低密度，建筑物分布松散，交通畅通，接近生态自然，类同放大格状结构的线性城市。⑧“内敛式”城市。城区、街道，由住宅区到街道以至每个房间一切都被包容圈住，由主要街道延伸出众多树形的两侧分布店面、墙壁的街道及巷子，通向私宅的大门，城市像紧凑的实体。⑨巢状城市。城市为城墙包围，像层层相套的盒子，形状规则，街道为环形，非传统的辐射形。环形街道与城墙平行，是城市中心活动场所，连接环形道路的街道窄小不连续。

2.1.2 城市功能形态

图1[2] 星形城市形态

城市功能形态反映了人类城市活动的功用特点，如活动的范围、种类、效能等。城市发展的环境、能源、资源问题都可归纳为城市功能形态的范畴。可持续城市建设，如生态城市建设等，可归属一定城市空间形态上的城市功能形态。典型城市功能形态为：①广亩城市。是一种极度分散城市形态。致力于实现人工环境与自然环境的结合，通过新技术回归自然。道路系统遍布广阔的田野与乡村，居住建筑单元分散布置，密度极低。复兴前工业社会的城市结构，是没有城市的城市。②田园城市。实质为城乡结合体，规模适中，满足城市功能需要，又不超出一定范围。田园城市是生态自然的可持续城市功能形态。③山水城市。中国文化风格，具备艺术美，加强生态绿化建设，是中外文化的有机结合、城市园林与城市森林的结合。④生态城市。以生态学原理建立的社会、经济、自然三者协调发展的，高效利用物质、能量、信息的，特别是生态良性循环的可持续城市形态。

图2[2] 棋盘形城市形态

图3[1] 唐代长安城平面图

2.2 可持续城市形态研究简要分析

可持续城市形态，在资源、能源、环境等方面具有可持续发展效应，是当今世界各国城市建设与发展的基本原则，城市形态体现为城市空间形态与功能形态，两个方面相互依托与影响。在可持续效应的产生与表现上，功能形态较为直接，可表现为城市的可持续效应等方面的特点与差异，如城市微气候等方面体现的生态环境与居住舒适度等。但功能形态往往是由空间形态的影响形成的，并不仅仅由功能形态的直接设计产生。例如，特大城市的超大规模以及超高集中度等方面界定其空间形态，其形成的城市热岛效应以及空气污染问题，很明显地表现出功能形态，其可持续效应较低。此种影响效应，并不仅由相关的分项技术工程设计决定，而更多是由其实施的整体效应形成。城市工程的整体性与系统性往往较明显地体现在空间形态上，功能形态的整体关联则更深层、更不易见。

功能形态一般是由分项技术工程系统自觉及不自觉地调控形成的。可持续城市形态必需在城市建设与发展的规划、设计、实施各环节，以城市整体系统为基础，有意识地调控，才可形成。城市建设工程往往各自考虑分项范围，并以技术措施作直接目的。之前界定的功能形态是技术工程系统的目的与依据，更具直接的工程技术意义。特定的城市技术工程系统，往往直接与功能形态相联系。技术系统工程在城市范围内应考虑技术措施的设置，采用“城市整体范围”的系统工程方法。设计前的整体城市形态研究是必要的。研究方法与步骤应是：由城市形态到分项影响，再到技术措施。空间形态是功能形态的研究为基础，通过对空间形态的深入研究，可得到功能形态的不同特点。前述基本城市空间形态是在较为宏观层次上，此处可见其对技术工程系统的依据意义。具体技术工程系统以科学模型细致模拟城市形态，可定量研究其功能形态。由于城市系统的复杂性，可在科学上对通识概括的城市形态做模型简化。例如，一些研究模型显然是基于前述线性城市模型的假设，更为简化直观。整体系统及技术系统的复杂性决定一些模型很简单，但研究有难度，有时采用CFD、分形理论等研究方法与理论工具[5][7]，这些研究结果往往对形成功能形态的技术措施有很大参照意义。

城市形态的不同特点决定技术工程系统的具体技术措施。在前述城市形态概念的基础上，城市形态的共性因素可抽象归纳出来，进行形态特定划分以利于技术工程系统技术措施的确定。例如，依建筑空间集散度，分城市形态为极度分散、中度分散、紧缩式3种典型城市形态，则可得出相应的符合可持续原则的建筑空间的技术形式与技术措施呈现的不同特点，结论的得出，建立在基于城市形态的技术工程系统分析基础上。[10]原则上，不同技术工程系统的整合，可形成较为合理的整体城市可持续发展模式。具体技术工程系统的技术措施确定，可依据前述原则与方法的研究结果。城市系统以及涉及专业领域的复杂性，决定上述研究的意义与难度。分项技术工程系统的研究，可汇总成相对宏观层次的城市形态规划，研究方法可在不同层面上，分项及整合的基本依据都是可持续原则。当前国内外已开展的一些相关系列研究，无论在研究结论里明确此研究目的与否，其结论都与城市中长近期规划及其具体工程实施相关。“分项”技术工程系统的不同层面的技术措施，应该建立在前述基础上。当前的城市发展，在具体研究的开展上，尚显不足，有待重视与采纳应用。不能只看到最直接、最表面的技术措施，应该在城市整体系统角度，深入定性定量研究技术工程系统与城市形态的相互影响。研究结果可得出最适当的各类技术工程技术措施，用在控制噪声、空气品质、热岛效应等环境污染，构建适宜的城市微气候，提供不断增强的城市功能等方面，实现可持续发展。

图4[2] 美国华盛顿特区平面图

1 梁思成.中国建筑史[M].天津：百花文艺出版社，2005.5

2 [美]凯文·林齐.城市形态（林庆怡等译）[M].北京：华夏出版社，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、谢建等.低能耗绿色建筑空调与城市形态的形式对应[J].建筑节能，2008（1）：1～4