地理设计理念及应用进展

地理设计理念及应用进展

地理设计是一种设计和规划的方法。该方法将设计方案的设计与环境分析、系统思维和数字技术应用的影响分析相结合。地理设计是设计与地理学结合的产物,是对这个世界的一种基于科学理念的干预方式。地理设计的出现是一种适时的契机,为我们解决现代社会资源紧张、人口城市化、环境恶化、气候变迁等诸多问题提供了一个行之有效的方法论。正因如此,地理设计理念诞生以来,便具有很强的面向应用的生命力,于是,有关的应用探索迅速发展起来。本文基于既有文献及本期所刊论文,从应用框架构建、应用领域探索及应用平台研发3个方面,梳理关于地理设计理念在规划设计领域的应用研究进展。1设计地理设计地理设计的技术框架涉及工作环境、工作流程与设计工具3个部分的创新。最为经典的地理设计框架当属卡尔·斯坦尼兹(CarlSteinitz)在《地理设计框架》(AFrameworkforGeoDesign)中提出的“四类人、六模型、三循环”框架(图1)。“四类人”明确了参与地理设计的相关人员。1)本地居民:他们扮演2个基本角色,一是提出地理设计的基本需求,二是审核最终设计方案带来的影响。2)地理科学家:包括自然和社会科学家在内,诸如地理学家、水文学家、生态学家,以及经济和社会学家等。3)信息技术人员:包括信息处理及地理信息系统(GIS)应用专家等。4)规划设计人员:包括规划师、城市设计师、风景园林师、建筑师、土木工程师等。4类人围绕研究区域精诚合作方能完成地理设计,并为获得优化方案奠定基础。“六模型”明确了地理设计必须回答的6个问题。1)表达模型:如何描述研究区域?在内容、空间和时间上描述所研究的区域。2)运作模型:研究区域如何运作?明确要素间相互的结构和功能关系。3)评估模型:研究区域是否工作正常?评估研究区域的现行状态。4)变化模型:如何改变该研究区域?确定何时、何地、通过什么政策和行动进行改变。5)影响模型:改变提案将如何对该区域造成影响?预测改变可能导致的结果。6)决策模型:如何对该区域进行改变?解答区域应该如何被改变。显然,“六模型”是地理设计框架的核心内容,也是“四类人”的工作重心。“三循环”明确了地理设计的完整过程。1)自上而下顺向循环一:从表达模型到决策模型,回答为什么要开展此项研究。2)自下而上逆向循环二:从决策模型到表达模型,回答怎样开展此项研究。3)自上而下顺向循环三:从表达模型到决策模型,回答做什么、在哪里、何时做的问题。当然,最后的规划设计方案,需要由利益相关者做出决策,以便作为变化实施的依据。此外,伊恩·比索普(IanBishop,2013)的优化地理设计框架强调“通过地理背景生成影响模拟”,影响模拟的生成需要一个与优化要求非常相似的输入数据范围和输出系数,GIS通常被认为是地理设计的基础,为影响模拟或优化提供了必要的启动条件。史蒂芬·埃文(StephenM.Ervin,2013)的地理设计技术框架注重通过数字计算、运算流程和通信技术来促进协作化、信息化,并通过设计模拟和系统化的思考方式获得及时的反馈;并将地理设计的要点概括为3个C:复杂性(Complexity)、算法(Computation)和合作(Collaboration)。基于卡尔·斯坦尼兹的地理设计框架,许多学者根据规划设计的具体应用需求,发展了一系列面向应用的地理设计框架,诸如迈克尔·古德柴尔德(MichaelF.Goodchild,2013)的海洋生态环境保护地理设计框架、俞孔坚(2012)的区域生态安全格局地理设计框架、罗灵军(2012)的地理设计服务模型、朱战强(2014)的城市生态景观格局地理设计框架、周文生(2014)的城市总体设计框架等。众多应用框架的构建,为地理设计理念在规划设计领域的应用奠定了坚实的基础。2地理设计的主要领域地理设计是多学科的交叉,既涉及城市规划及景观设计学,也涉及地理学、生态学、水文学、社会学、经济学等自然与社会学科。人们也期望地理设计能够应用于诸多不同领域,并通过规划设计寻求解决不同领域面临的问题,早在2010年的世界首届地理设计峰会上,地理设计的应用领域就成为讨论的重要议题,涉及区域景观尺度、都市尺度、建筑尺度中地理设计,以及地理设计与三维设计和建筑信息模型(BIM)的关系等。以下将从5个方面梳理不同领域的应用实践探索。2.1基于地理设计的城市景观生态安全格局规划设计北京大学俞孔坚和他的研究团队,一直致力于用空间规划途径解决人地关系矛盾。他们应用地理设计框架的规划方法论,强调设计应尊重生态过程的安全与健康,对环境中水、生物、地质等自然过程及游憩、乡土遗产等人文过程给予了充分的考虑,完成了从国土尺度的“国土生态安全格局研究”到区域尺度的“北京市生态安全格局研究”等不同尺度的景观安全格局和生态基础设施规划,体现了地理设计的优势。中山大学朱战强(2014)将地理设计理念应用于中等城市的景观生态安全格局规划设计,形成了面向城市景观生态安全的地理设计应用流程与方法,通过综合生态敏感性评价构建城市景观生态安全格局,既考虑了市域生态敏感性要素的辨识与保护,又突出了城市发展的特点与需要。实证研究表明应用地理设计方法开展城市景观生态安全格局规划设计,充分体现了2个特点:1)将地理学家的专业知识融入景观生态安全格局规划设计的前端;2)在地理设计框架中贯彻了公众参与规划的思想。2.2空间管制规划中国城市规划研究院马琦伟(2014)将地理设计理念应用于空间管制规划。空间管制规划与地理环境关系紧密,涉及众多自然及社会要素,更需要借助地理设计促进规划策略的合理制定。根据我国城乡空间管制规划所面临的困境,他们探讨应用地理设计理念开展空间管制规划,提出了以综合地理单元为基本载体的空间管制系统,并通过张家界的实践,不仅形成了由综合地理单元、生态要素、管理级别、控制策略组成的空间管制规划体系;而且形成了由技术路线、分析手段、编制方法和管理途径组成的一套方法体系。北京大学洪敏(2014)面对人地关系日益紧张、气候变化、生物多样性减少等生态环境问题凸显的现实状况,结合北京市浅山区土地利用战略规划的案例,探讨如何应用地理设计的理念,打破学科间的界限,通过科学知识协作及地理信息等技术平台辅助来优化生存空间。为此,他们以北京区域整体为研究对象,采取区域与系统的研究视角,运用预景矩阵研究方法,从生态保护、市场需求及土地利用规划引导三维度出发,通过模型模拟、影响评价及方案比选,确定了北京市浅山区土地利用最终方案的选择。2.3基于调研的城市景观设计整体优化的案例新加坡城市再发展管理局以卡尔·斯坦尼兹的地理设计框架为指导,开展旧龙湖区总体规划及设计。项目以ArcGIS为技术基础,结合区域经济及商业发展,尝试了一种整合用地、基础设施、生态、文化景观建设的一整套设计思维,通过模型模拟、评估以及影响分析的多方案比较来指导最终方案选择,很好地完成了把该区建成“结合商业和娱乐的独特的湖滨胜地”的宗旨。该案例通过“城市形态总体规划—基础设施评估与建模—总体优化”3个阶段完成,过程中选择了一系列评价指标,其中的关键绩效指标包括:总生活用水需求缩减量、总居住建筑能耗缩减量、总温室效应排放量等。清华大学陈介山等(2014)针对无锡地铁三号线的概念性城市规划设计需求,应用地理设计理念开展地铁站点周边地块土地性质的优化设计。该案例将建立“TOD开发类型分类矩阵”及“四效益(空间效益、经济效益、环境效益、社会效益)规划评价指标”作为量化评价规划设计成果的“仪表板”,研究尝试建立了地理设计中的“规划仪表板”与“即时规划反馈系统”概念模型,探索应用地理设计理念将信息技术辅助规划由“规划答案的提供者”转型为“协助规划工作运行的仪表板”,取得了预期的规划设计效果。2.4基于gis的景观规划设计方法美国加州大学的迈克尔·古德柴尔德等应用地理设计理念开展了针对海洋生态保护的“海洋建模”项目研究,他们关注来自亚洲港口的大型远洋船舶对该海域的鲸鱼(尤其是蓝鲸,地球上最大的生物)带来的侵扰。应用地理设计理念并借助于GIS,通过草图模型、地图绘制等技术途径,对船舶航行路线进行细致的分析,建立了货物运输和环境保护之间的平衡关系,寻求可选的优化方案。规划设计方案形成过程中,借助于WebGIS并通过互联网将利益相关方、科学家、决策者、来自全世界的居民及个人联系在一起,充分体现了地理设计的核心就是将创意与科学相结合。清华大学刘海龙等(2014)针对我国水环境不断出现的系统失衡问题,提出基于地理设计理念的涉水生态景观规划设计方法,通过对现状和规划水生态要素中的一项或几项进行模拟评估,搭建水环境与水景观规划设计方案的桥梁,以提高涉水景观规划设计方案的合理性、生态性。并以福州市江北城区内河水系整治为例,将水文水动力要素作为项目模拟评估的重点,利用GIS将江北区划分为5个子流域,采用推理公式法计算各流域子片区的产汇流量,并与排水系统关联确定内涝情况及严重程度,综合考虑所在片区的可利用规模、功能定位,从而为影响开发措施的规划定位提供科学依据,形成水景观规划设计方案。2.5基于虚拟环境的遗产设计在我国相关研究中的中香港中文大学林天鹏等(2014)将虚拟地理环境(VGE,VirtualGeographicEnvironment)作为地理分析的平台,从地理分析的视角探索其与地理设计结合的可行性。并以香港地质公园地质遗迹保护规划中路径选择评价为例,探讨地理分析与地理设计的结合点与协作方法。他们基于地理设计的理念,首先确定了路径选择的评价因子,并应用地理设计的方法在虚拟地理环境平台支持下开展地理分析,评价与选择合适的规划路径,探索了基于虚拟地理环境平台的自然遗产保护地理设计的技术途径与实现方法。清华大学陈杨等(2014)以中国南方丝绸之路邛崃段文化遗产保护为研究对象,引入地理设计的理念,利用GIS空间分析(SpatialAnalysis)、叠加分析(OverlayAnalysis)等技术手段,首先对规划区域各种不同的自然要素和人文要素进行分析,然后根据遗产资源的空间特征确定遗产廊道的边界,并通过对遗产资源进行分析与评价,建立线性空间上的各个节点之间物质型遗产的联系,最后选择承载非物质型遗产内容的遗产游憩空间,获得遗产廊道结构体系,形成保护南方丝绸之路邛崃段文化遗产的遗产廊道规划方案。此外,荷兰阿姆斯特丹自由大学亨克·舒尔腾(HenkJ.Scholten)将地理设计应用于促进欧洲可持续与精明发展;日本立命馆大学矢野桂司(KeijiYano)将地理设计应用于地震海啸灾害之后的区域的重建规划;武汉大学牛强将地理设计理念应用于城市控制性详细规划,以提高规划成果的科学性。众多应用表明地理设计理念在规划设计领域的重要作用:美国德克萨斯大学费雷德里克·斯坦纳(FrederickSteiner)认为地理设计可以帮助我们适应地球的脆弱环境,为子孙后代创造一个更加宜居的环境;日本东京大学石川干子(MikikoIshikawa)认为地理设计不只是对土地进行规划和设计,而是一种能促使我们每个人的观点和观念产生改变的方法,引导我们建立更完善的社会系统。3中间级gis的应用美国环境系统研究院(esri)杰克·丹哲芒(JackDangermond)认为地理设计强调设计过程的快速迭代,从而需要规划设计人员具有运用地理数据库的分析能力,在一个反复的过程中快速进行规划设计工作。这种设计方法要求所使用的规划设计工具除了具备便捷的绘图功能,同时能直接对地理数据库中的数据进行编辑。英国伦敦大学迈克尔·巴蒂(MichaelBatty,2013)认为地理设计就是地理信息系统(GIS)与设计(Design)的结合。加州大学迈克尔·古德柴尔德(2013)认为地理设计为设计的艺术与科学的分析建立了联系,GIS则提供了一种语言(关于空间思维的语言)为这种联系构建了桥梁;但我们还要继续发展工具,包括美学方面的绘图和可视化工具、科学方面的分析及模拟工具,以及在线合作工具。由此可见,地理设计的发展与应用,离不开应用平台的支撑。应该说,美国环境系统研究院(esri)一直注重地理设计平台的研发,第一款地理设计软件是应该是ArcCAD,是第一个在AutoCAD环境中嵌入的GIS系统。ArcCAD尝试把地理数据和空间建模融入设计过程当中,提供了强大的绘图、数据管理、空间分析和显示的工具,可以直接与AutoCAD的设计与草稿工具一起作业。继ArcCAD之后,esri又研发了SDECADclient和ArcGISforAutoCAD等应用程序。ArcGISforAutoCAD是一个免费下载的工具,提供了AutoCAD与ArcGIS平台无缝的通透性,使用者在AutoCAD环境中快速且便利地取用ArcGISServer所发布的企业级GIS服务,让设计师把GIS的分析结果包含在AutoCAD设计中,能够建立、操作与定义CAD数据,并将其属性化。随后,esri又针对ArcGIS平台开发了绘图插件ArcSketch,提供了类似的地理设计功能:每一个图形都有其自身的定义和规则,对图形的修改会实时对数据库中其他关联地物产生影响。esri的另一个软件模块CityEngine则实现了基于规则的三维建模,使得设计师能在一个交互式的三维环境中对场地进行改变、评价和展示。除了esri的产品,其他一些设计工具也有了地理设计的雏形。例如NatureServ的Vista、Orton的CommunitzVis和CriterionPlanner的Index等规划软件,都支持用户在生成规划方案的同时迅速形成方案评估结果。不过,目前这些工具更多应用在大尺度的土地规划中,在小尺度设计上较少应用。建筑设计领域近年来正在尝试将建筑信息模型(BIM,BuildingInformationModeling)的范围进行拓展,将建筑与周边环境的关系纳入到建筑设计与施工管理过程中来。此外,还有一些大型规划设计公司开始独立开发产品,用以帮助公司对项目进行可持续性的开发和管理。如AECOM公司开发了低碳生态规划评估工具——可持续系统集成模型(SSIM,SustainableSystemsIntegrationModel),SSIM结合了项目所在环境的各项指标,如环境、人口、经济、土地和能源等,对不同规划方案实施后的结果进行仿真模拟和系统化的评估。清华大学周文生等(2014)根据地理设计在城乡规划领域应