城市的大小、规模与形态

TheSize,Scale,andShapeofCities城市的大小、规模与形态目录1.文章大意与背景分析2.正文分析与结论概括3.文章评析4.拓展阅读一、文章大意背景分析前言城市规划师是把握空间尺度的能手，他们通过经验掌握不同尺度下社会经济发展的机制和城市增长的逻辑。但他们是否能够真正理解不同尺度下城市问题的复杂性，并概括出确定性的规律呢？比如，是否存在最佳的城市空间尺度？城市的生长和衰亡与尺度有什么关系？城市的空间形态与其中的个体行为有什么关系？对于规划师来说，在经验的表皮之下似乎隐匿着一种秩序和逻辑。问题只在于，规划师能否获得关于城市发展的知识？这种知识的性质是什么？如果答案是否定的，那么规划的局限在哪里？人为规划与城市的自发性两者之间的关系是什么？这篇文章将要讲述的就是尺度背后的故事。摘要

尽管经历了一个世纪的努力，我们对于城市如何发展的理解仍严重不足。然而最近的研究表明，城市是一个自下而上生长的复杂系统，他们的规模和形态遵循因强烈的空间竞争而形成的定义明确的标度律。一个集成了城市如何演化的理论,连接了城市经济学和交通行为在网络科学中的发展、异速增长以及分形几何，正在缓慢发展。这门科学在密度、集中度、城市扩张以及一些相关问题发面对于城市面临的资源限制提供了新的见解。它有可能丰富当前城市规划方法，替代传统的由上而下的现实城市规划策略，这将使得全体城市居民受益。自组织城市

2000年，以色列特拉维夫大学地理与人文环境系学者波图戈里(J.Portugali)发表名为《自组织与城市》的理论专著。城市是一种开放的系统，城市时刻都在与环境交换物质、能量和信息。城市生长的过程，本质是一种自下而上的演化过程。城市和城市体系，无论在计划经济时代抑或自由市场国家，都是一种自组织系统，只不过自组织演化能力有一定差别。分形城市分形城市（fractalcities）是基于分形思想或者借助分形理论进行模拟和建模分析的城市研究领域。这个领域的源头可以追溯到分形理论的创始人曼德布罗(Mandelbrot)早期的城市研究，巴迪（Batty）、隆利（Longley）和弗兰克豪泽（Frankhauer）等在分别从模拟和实证的角度开展了奠基性的工作。1990年代初期，以李后强、艾南山的《具有黄金分割特征和分形性质的市场网络》一文为标志，我国学者开始了分形城市研究。随后，中国的分形城市探索很快波及城市地理学的各个领域。分形城市的基本思想二、正文分析结论概括TheSizeandScaleofCities城市的尺寸与规模Interactions,Networks,andDensities相互作用、网络及密度UrbanGeometryandMorphology城市几何学和形态学1.2.3.正文结构梳理StructureANewScienceforCityPlanning?城市规划的一种新技术？4.TheSizeandScaleofCitiesUrbancomplexityhasitsbasisintheregularorderingofsizeandshapeacrossmanyspatialscales.城市复杂性在多个空间尺度的大小和形状的规则排序中有其自身的基础。Citiesgrowlargertofacilitateadivisionoflaborthatgeneratesscaleeconomies,anditisasimpleconsequenceofcompetitionandlimitsonresourcesthattherearefarfewerlargecitiesthansmall.城市变得越来越大，促进了劳动分工并产生规模经济。在资源方面的竞争和限制造成了一个简单的后果，即大城市比小城市少得多。However,theself-similarityobservedacrossmanyspatiallevelsimpliesthattheprocessesthatdriveagglomerationandclusteringinsmallcitiesaresimilartothoseinlargecities;indeedincitiesofanysize.然而，对于多个空间层次的自相似性观察暗示出推动城市群和小城镇（/市）集聚的过程是和大城市过程相似的，且确实在任何尺度的城市中。TheSizeandScaleofCitiesAlotoftheworkonscalinghastakencities,firmsizes,andincomesaskeyexemplars.大量关于规模的工作将城市、企业大小、收入作为关键样本/范例。Inthe1930s,Christallerfirstshowedthatmarketareasorhinterlandsaroundcitiesscaledacrossageometrichierarchyintermsoftheirpopulationsize.在1930年代，Christaller首次提出在城市周围的市场区域或者内陆贸易区域的扩展通过一种几何层次的人口规模来实现。Gibratarguedthatsuchscalingcouldbeapproximatedfromlog-normaldistributions,whichemergewhenobjects(citiesandfirms)growrandomlybutproportionately,whereasSimon’ssimplebirthanddeathmodelshavebeenwidelyappliedtodemonstratethesamelogic.Gibrat认为这样的缩放比例可以近似于正态对数分布，因为对象（城市和企业）随机地但成比例地增长；然而，当时Simon简单出生和死亡模型已经广泛应用于证明相同的逻辑学。TheSizeandScaleofCitiesRecentlyGabaix,Solomon,andothershaveshownthatsuchgrowthgeneratesscalinginthesteadystate,whichisconsistentwithvariouseconomicmodelsthatexplainhowsystemsgrowthroughagglomeration.最近Gabaix、Solomon和其他人已经表明，这样的增长产生稳态扩展，这符合各种解释（城市）体系如何通过城市群而增长的经济模型。Aconsequenceofallthisisthatmanyphysical(geometric)andfunctional(economic)explanationsareconverging.对以上的推论是：许多物理的（几何学（图形）的）和功能的（经济（学上）的）解释是融合的。Thevolumeofworkisnowsoextensivethatawidevarietyofsizedistributionsarenowknowntoshowscaling.工作量现在是如此的广泛，所以各种各样的尺寸分布是目前已知的显示缩放比例。TheSizeandScaleofCitiesExamplesforcitypopulationsover1million,forcitiesintheUnitedStateswithover100,000people,andforthe200tallestbuildingsintheworldareshowninFig.1A.例子：在一个人口超过100万的城市；在美国的一个人口超过10万的城市；以及在世界上200个最高建筑的分布TheSizeandScaleofCitiesTherearestillmanypuzzlesassociatedwithsuchscaling.仍有很多关于这样扩展的谜题。Gibrat’slawassumesthatnotonlyaregrowthratesrandombutsoistheirvariance,yetthereisnowconsiderableevidencethatsuchratesandtheirvariancesscalewithsize.Gibrat定律认为不仅增长率是随机的而且它们是变异的。然而现在有大量证据表明这样的增长率和它们的变异规模随着尺寸改变。Despiteagglomerationeffectsthatrelatetosize,thereisastrongsuspicionthatthebestplacestolocatenewgrowthareinsmallerratherthanlargercities,reflectingthetradeoffbetweeneconomiesofscaleandcongestion,whichbothincreaseascitiesgetbigger.尽管有关尺寸的集聚效应表明规模经济与拥塞之间的权衡，随着城市变得更大，它们都增长了。仍有一个强烈的怀疑——新增长最好的地方是较小的城市而非较大的。Theimplicationsarecontroversial.结果是有争议的。Theage-oldquestionofwhatthe“optimal”sizeforacityisasopenasithaseverbeen.关于讨论“最理想的”城市尺寸的老生常谈的问题是和以往一样开放的。Interactions,Networks,andDensitiesWherethefocusisoninteractionsbetweencitiesintermsoftradeormigration,andwithincitiesintermsofcommuting,shopping,andothersocialmovements,scalinghasrecentlybeendiscoveredwithrespecttosuchnetworks.其中的重点是在城市的贸易和移民之间的相互作用，以及在城市的通勤、购物和其他社会运动方面，最近比例缩放被发现在这样的网络中。Inthepast,thefocuswasalmostentirelyonmodelingtrafficflowsratherthanonthepropertiesofsuchnetworksperse,althoughthedistributionoftrafficvolumesoriginatingfromordestinedfordifferentlocationsinacityhaslongbeenknowntobescaling(Fig.1B).在过去，重点几乎完全是在交通流建模而不是在这样的网络本身的特性，虽然分布的流量来自或运

往城市内不同位置一直被称为是缩放（图1b）。Interactions,Networks,andDensitiesDensitydistributionsarealsoessentialoutcomesfromurbaneconomicmodelswherethefocusisonthetradeoffbetweentravelcostordistanceandthecostofspace,asinrent,houseprices,andlandvalues.密度分布也是基本结果，这是从那些重点在权衡旅行费用或距离与空间成本之间的城市经济模型得出的，如房租、房价和地价。ThesedistributionsgenerateanapproximatescalingagainstdistancefromanestablishedcentershownforLondoninFig.1C.这些分布产生一个近似的缩放比例，在已确立的伦敦中心中的距离显示，如图1C。Interactions,Networks,andDensitiesAsyet,therearenointegratedtheoriestyingtheseideastogetherinaneconomicframeworkconsistentwithphysicalscaling,althoughprogressisbeingmade.迄今，虽然取得了一些进展，但仍然没有集成理论能把这些想法放在一个符合物理尺度的经济框架中。Norarethereanyserioususesofsuchtheorytodeterminewaysinwhichrealisticcityplansmightbedevised,althoughmanyland-use–transportationmodelsthatincorporatesuchideasarebeingusedtoevaluatethefeasibilityofnewurbanplans.虽然有许多吸收这类想法的土地利用运输模型被用来评估新城市规划的可行性，但也没有任何正式的关于用这些原理来确定实际城市规划设计的方式的使用情况。After40yearsofeffort,theiruseishardlyroutinebutthisisstillprogress.经过40年的努力，它们的使用几乎不是常规的但仍然是进步的。Interactions,Networks,andDensitiesWiththegrowthofnetworkscience,thefocushasbeenonphysicalinfrastructures,suchasthetopologyandgeometryofstreetandrailsystems.随着网络科技的发展，重点是基础设施建设，诸如街道和铁路系统的拓扑和几何结构。Thesesystemsarecharacterizedbyscale-freeactivityatthenodesasmeasuredbytheirnumberofconnections,forexample,butitisnowclearthatthistypeofscalingisalsoreflectedintrafficvolumesatnodesasweimplyinFig.1C.这些系统的特点是通过连接数量来判断节点中的无尺度活动；显然现在这种类型的测量也反映在节点中的交通量正如图1C所示；Interactions,Networks,andDensitiesMuchoftheworkinnetworksciencetodatehasbeenonclassifyingnetworktopologiesintovariousshapesofgraphsthroughtheirstatisticalproperties.迄今为止许多在网络科学的工作一直是通过它们的统计特性将网络拓扑学分类成不同的形状的图表。Whereitisbeingapplied,itisbeingusedtoinformthewayinwhichpeopleandvehiculartrafficmoveatquitefinespatialscales,suchasinpedestriandensitiesanddynamicsinstreetnetworks,whichshowsimilarscalingtocitysize.当它被运用，它被用来告知在较好的空间尺度中人们和车辆交通的移动中的方式。例如在街道网络中的人行密度和动态性，这显示了对于城市尺寸的近似尺度。BecausenetworkscienceisnotrootedprimarilyinEuclideanspacebutdealsasmuchwithtopologies,suchassocialnetworks,thissuggestswaysinwhichourlongstandingphysicalapproachtocitiescanbeconsistentlylinkedtourbaneconomicandsocialfunctionsthatonlyobliquelymanifestthemselvesingeographicalorphysicalterms.因为网络科学不是最初源于欧几里得空间，而是与拓扑学更有关系，例如社交网络。这就表明我们长期使用的物理方式来接近城市能够持续的与城市经济和社会功能联系起来，且只能间接地用地理或物理术语表明它们。UrbanGeometryandMorphologyTheseinturnreflecttheresourcesneededtoservicethemandthespatialrangeoverwhichtheirdemandissustainable.Citiesarethusclassicexamplesoffractalsinthattheirformreflectsastatisticalself-similarityorhierarchyofclusters.Largecitiesoftendevelopasexistingtownscoalesce,withnewedgecitiesbeingdevelopedontheirperipheryastheychangeinscale.Thewaysuchfractalgrowthoccurshasbeenlikenedtovariousphysicalgrowthprocessesrangingfrompercolationtodiffusion-limitedaggregation.Thesemapontothemoreestablishednotionsofdensitydecaywithrespecttodistanceincitiesfromtheirestablishedcenter.

城市形态是通过不同规模的副中心或聚集群反映出来的，从整个城市到周边地区，由关键的经济功能组织起来。

因此，城市是不规则碎片型的经典案例，因为其形态反映了统计学上的自相似性或群体的层次。大城市通常是通过现有城镇的接合而发展起来的，在其外围又发展起新的城市。这张地图表明了随着其与已建的城市中心的距离的增加，其密度逐步衰减。

伦敦的城市格局如图UrbanGeometryandMorphologyModelsthatsimulatefractalstructurescanbecalibratedtorealsituationsandusedforfuturepredictionsbasedonsimplerulesoflanddevelopment.Buttheirmosteffectiveuseistodeconstructtherulesthathavebeenusedinthepasttodesignidealizedcities(Fig.2).AtypicalcityplanfromRenaissanceItaly(Fig.2C)isastylizedsymmetricconstructionwhosefractalstructureishighlycontrivedbutcouldbeformallygeneratedbytightrulesbeingplacedonthesizeandshapeofdevelopment.EbenezerHoward’s“cityoftomorrow”(Fig.2D)presentedthegeometriclogicaccordingtowhichmany20th-centurynewtownsweredesigned,againimplyingstrictrulesofmorphologicalplacementwithrespecttothecomponentsthatmakethetownfunctionatdifferentscales.

意大利文艺复兴时期的典型城市规划是对称结构，设计了破碎化结构，但通常可以通过对城市规模和形态的严格规则加以实现。

EbenezerHoward的“明日之城”表达了根据20世纪很多新城的设计而来的几何学逻辑，再次暗示着形态学的严格规则，这些规则是关于不同规模的城镇的功能组件。当规划实施后，大部分理想化的想法很难为其居民提供预期的生活质量。他们对于城市发展过程、对空间的竞争、对同时代城市的特征以及城市的多样性和非均一化等方面的看法太过天真。ANewScienceforCityPlanning?Inthestudyofcities,therearemanycompetingparadigms.Thissciencehasthepotentialnotonlytojoinsomeofthesetogetherbutalsotoimprovetheoriestothepointwherecityplannerscandevelopoperationaltoolsgroundedinextensiveempiricaldata.Intermsofsizeandscale,wedonotyethaveaclearviewofhowbigacityisintermsofthedensityofitsactivities,thevolumeofitsbuiltandnaturalspace,andthewayinwhichmaterials,information,andpeopleinteracttosustainsuchforms.Wecannothaveaclearviewofwhatdensitymeans,whatenergiesandcostsareincurredbydifferenturbangeometries,andhowfeasiblepoliciesareforincreasingcompactnessandmanagingsprawluntilwehavegoodanswerstothesequestions.

在研究城市的过程中，有很多相互竞争的示例。这门科学不仅具有将其中很多事例结合起来的潜在可能性，而且其有完善理论的潜在可能性，使城市规划工作者能够根据大量的经验数据开发可操作的工具。

关于城市的大小和规模，我们至今还不清楚其活动密度、建筑物和自然空间容量，以及材料、信息和居民等相互作用的方式。直到我们能够回答城市密度的含义，不同城市形态的能源和成本消耗，以及如何采用可行的政策来促进城市紧凑发展、控制蔓延趋势等问题，我们才能对城市有一个清楚的了解。ANewScienceforCityPlanning?Wehaveonlyjuststartedinearnesttobuildtheoriesofhowcitiesfunctionascomplexsystems.Wedoknow,however,thatidealizedgeometricplansproducedwithoutanyregardtourbanfunctioningarenotlikelytoresolveanyofourcurrenturbanills,andthisnewphysicsmakesusmuchmoreawareofthelimitsofplanning.Itislikelytoleadtoaviewthataswelearnmoreaboutthefunctioningofsuchcomplexsystems,wewillinterferelessbutinmoreappropriateways.Changesthatweproposearethenlikelytobemuchmoreeffectiveinresolvingproblemsthanthewaysinwhichcityplanninghasoperatedinthepast.Thechallengeistoaggressivelyenrichthisscienceandmoveittothepointwhereitcanbesuccessfullyusedtoplanbettercities.Wearebutatthebeginning.

我们才刚刚开始热衷于建立城市复杂系统的理论。我们清楚地知道，不考虑城市功能的理想化几何学规划是不可能解决目前城市的病症，而新的物理学方法使我们更加关注规划的局限性。

这有可能会产生一种新的观点，随着我们更多地了解城市这个复杂系统的功能，我们的人为干预会减少但干预方式会更加合理。我们会采用更为有效的方式解决问题，而不是像过去，样沿用城市规划中的方法。我们所面临的挑战是，必须强化和完善这门科学，并运用它使城市规划得更好。目前，我们仍然处在刚刚开始的阶段。三、文章评析评析采用图表分析法，清晰直观反映数据的大小及发展趋势研究结合几何学等方法对城市尺度中隐藏的秩序进行了研究最后建议过于笼统创新创新优点缺点四、拓展阅读尺度背后的故事Exponents:TheOrderHiddeninScale幂律：隐藏于尺度中的秩序BiographicalOrderofCity城市的生命秩序UnseenHand—ExplainingUrbanComplexity看不见的手—城市复杂性的解释HumanScale—From“Biggerisbetter”to“Smallisbeautiful”?人性尺度—从“越大越好”到“小即美好”幂律：隐藏于尺度中的秩序Exponents:TheOrderHiddeninScaleGeoffreyWest利用异速生长尺度律研究城市（异速生长尺度律：体积的增长与新陈代谢的增长速度并不相同）通过下载大量的人口统计数据，购买各国的统计年鉴，汇总了世界各个城市的统计指标，诸如天然气站、个人收入、流感爆发率、自杀率、咖啡店数目和行人步行速度等。经过分析发现：即使城市的自然、历史、地理背景差异再大，仅一个公式就可以将它们统摄起来，

即城市规模倍增所需的基础设施和资源量只需增加约85%据此得出的结论是：“城市越大就越可持续”。重新发现了JaneJacobs所珍视的城市多样性和社区互动等重要价值。人们聚集到城市的根本原因并不是节省资源和增加基础设施利用率，而是为了达成更有效的互动。同样是通过搜集一系列统计数据，如银行存款、专利数、研发部门人员数、GDP等，他们得出的结论是，城市越大，人与人之间的互动就越多，经济活动越频繁，越有效。2007年，West教授等人的研究成果在《自然》杂志上刊登，名为《增长、创新、规模标度及城市生命节奏》（Growth,Innovation,ScalingandthePaceofLifeinCities）

结论称“由创新驱动增长和规模经济驱动增长之间有巨大差异。这种差异表明，伴随人口增长，

主要的创新周期必须持续加速运行，这样才能维持城市增长，从而避免停滞及垮塌。”城市的生命秩序BiographicalOrderofCity19世纪初，城市被当作各种社会问题和病态的来源，这种负面情绪主导了那个时代的规划师和建筑师的城市认知和规划实践。对于城市的无序和混乱，规划师和社会改良者努力构想理想几何平面和空间形式，以自上而下的姿态对城市发展施加控制，纠正偏离轨道的城市化，医治城市病。20世纪中叶，这种逻辑一直占据主导地位；对于最优城市规模，最佳城市形态的探索是现代主义思潮下城市规划的主要实践之一。不论是LeCorbusier的《明日城市》，还是EbenezerHoward及其拥护者们的“田园城市”实践，城市或被当作一架机器，或一件艺术作品；规划师们相信只要假以时日，总可以将一种“先天”优化的城市模式贯彻于现实中。城市也是有机的生命体城市的生命秩序BiographicalOrderofCity20世纪60年代的JaneJacobs《美国大城市的死与生》中这样说道：“当我们面对城市时，我们面对的是一种生命，一种最为复杂、最为旺盛的生命。因此在处理城市问题时，我们会碰到一种基本的美学局限；一个城市不是一件艺术作品。”我们无法总能从全局的角度取得对城市的认识，而要承认城市生长的复杂性，就像我们承认自然界中生物体的复杂性一样。要认识到，在自发生长的城市街道和社会交往中，总有一些规划者们无法完全掌控的原则在起作用；正如并没有人指挥蚁群，而蚁群就会组织觅食和归巢；没有人疏导河流，但从山顶泻下的水流就会自然形成最合理的路径一样。20世纪60年代的ChristopherAlexander《城市不是一棵树》（ACityisNotaTree）》中这样说道：

“人造城市”依照树状结构进行组织是对城市的社会空间结构进行一种简单化约的处理，而历史上那些精巧的“自然城市”则是以一种更为复杂、自然而精细的半格状结构（semi-lattice）而发展延伸着。对人的思维而言，树是进行复杂思考时最容易的工具。但城市不是、不能也绝不可是一颗树。城市是生活的一个容器，如果这个容器是一棵树，其中交叉的生活都会被切断。人对城市的规划和干预是有限的，未完全理解其复杂性的程度看不见的