地理设计方法在无锡地铁概念性规划中的应用

陈介山 党安荣 许怀群

1 引言

1.1 地理设计概念起源

地理设计（Geo-design）一词可从广义与狭义2个层面进行讨论。回溯至地球上有人类活动起始之时，决定一个部落的选址、建立一个遮风避雨的构筑物、设置一个狩猎的策略、开辟庄稼田园，这一切活动都可被纳入地理设计的范畴中。地理设计是人类为适应地球上的各种生存环境，因地制宜改变环境的一系列活动[1-2]。总的来说，人类在各种不同的环境条件约束下，为适应环境所产生改变环境的行为都可归纳为广义地理设计的范畴。

1993年德国著名空间规划学家昆兹曼（Kunzmann）首次使用地理设计一词讨论空间与规划的问题[3]。直至2008年在美国加州圣巴巴拉（Santa Barbara）召开GIS与设计的空间概念专家会议中（Spatial Concepts in GIS and Design）“Geo-design”一词被建议作为探讨 “GIS”（地理信息系统）与“设计”在地理空间尺度中应用研究的一个总称[4]。2010年美国环境系统研究所公司（Environmental Systems Research Institute, Inc. 简称Esri）地理设计峰会正式宣告地理设计时代的来临[5]。地理设计是描述数字空间分析与设计技术（CAD；BIM；GIS等）及新载体（网际网路；移动装置；多媒体等）与传统的规划设计分析技术方法整合的概念[6]。狭义的地理设计，可解释为数字空间分析及设计技术与传统规划设计方法论进行整合应用的总称，也是本文主要的研究方向。

1.2 地理信息系统与地理设计在规划应用的发展

伊恩·麦克哈格（Ian McHarg）在1969年建立的生态规划理论与叠图分析方法，作为一种常用的多因子环境分析方法论，确立了现今环境可持续发展的规划理论价值观与基础[2-3,7]。麦克哈格的叠图分析方法也是GIS技术在规划设计决策分析中广泛应用的常见方法[1]。GIS一直都将支持规划设计应用，作为技术平台发展的重要目标[4]。GIS也是提供各种空间资料集成与可视化等空间分析应用的重要工具，所以GIS在地理学或规划设计的应用之外，也是跨学科、跨领域的空间问题研究工具。但也因为GIS的多元应用特性，现有的GIS可以支持环境规划设计工作的应用，但仍非专门为环境规划设计需求所打造的工具，在规划设计的应用上依旧有所局限。

由于人类活动对环境影响冲击的与日俱增，自然资源开采、土地开发、人口增长等问题不断挑战环境可持续发展的价值观。例如：土地资源开与自然景观的冲突、全球气候变迁、生物多样性的递减，都是现今环境规划工作领域面临的重大挑战。在这样的背景下，提出地理设计[8]作为整合GIS与设计方法相关技术研究的概念总称，地理设计将着重“GIS技术支持设计工作时的草图工作思维”与“计算机拟真运算能力提升”两大范畴，作进一步的研究与技术发展[4]。总的来说，地理设计（Geo-Design）是基于GIS技术与环境规划设计方法整合强化的发展概念与发展方向。

1.3 概念性城市规划与空间分析技术应用

国内概念性城市规划（简称概规）一词的提出，源自于2001年为补充《广州市总体规划1991-2010》所发展的规划咨询研究工作[9]。概规不同于既有法定规划体系，以提出策略性与建议性的内容[10]，补充现有法定城市规划编制的不足。

概念性城市规划发展至今，涵盖的项目类型多元，概规的主要工作成果，常作为描绘城市空间物质型态与远景发展的参考依据。然而快速的城市化现象，导致概规编制工作无法摆脱短平快的粗放作业模式。概规编制过程中也常存在有价值判断重于经验分析的特性。

概规名词的提出发展至今约10年的时间，已成为一种常见用来补充现有法定规划方案的规划编制工作。由于概念性城市规划的尺度与课题多元性的特质，数字空间分析技术时常作为主要的量化分析工具。本文将以概念性城市规划的案例作为地理设计应用研究的案例主体，使地理设计的应用研究有更多元的讨论范围。

2 地理设计的应用发展与方法评析

2.1 地理设计在规划领域中的应用发展

地理设计的发展，预期将现有设计和规划方法与数字技术进一步整合形成新的设计方法。这种方法将设计方案的创作与基于地理环境分析、系统思考和数字技术应用的影响分析模拟耦合在一起[11]。因此地理设计的发展现状我们可以区分为“应用领域探索”与“应用平台研发”两大方向进行讨论[12]。地理设计的“应用领域”目前呈现多学科交叉与多尺度应用的发展状态。目前常见的地理设计应用领域可概分为：（1）区域及城市生态安全格局研究；（2）空间管制及土地利用规划；（3）城市规划与设计；（4）海洋生态保护及水景观规划；（5）自然及文化遗产保护等5个应用领域。“应用平台的研发”着重于提升现有GIS技术对设计规划工作支持的效率，开发符合设计工作快速更迭作业需求的新应用平台为目标，具体的成果可分为3种类型：（1）高效三维建模与制图系统（CityEngine，ArcSketch等），（2）GIS与CAD技术整合系 统（ArcCad，SDE CAD Client，ArcGIS for AutoCAD），（3）规划方案效益评估系统（NatureServ的Vista、Orton的CommunitzVis和Criterion Planner的Index、Aecom的 SSIM、What if? 2.0 等）[12-13]。

2.2 地理设计在规划中的应用方法评析

地理设计的技术发展远景，在于提供一个能耦合规划设计方法需求的数字运算平台，让规划设计的结果，能更真实切合地理环境中的各种发展需求与限制。地理设计的运算平台发展将聚焦在：（1）运行框架（Operational Framework）；（2）数据模型（Data Model）；（3）创建与修改工具（Creation and Modification Tools）；（4）推理引擎（Inference Engines）；（5）可视化工具（Visualization Tools）；（6）地理运算工具（Geoprocessing Tools）；（7）成果反馈仪表板（Feedback Displays and Dashboards）；（8）方案情境管理工具（Scenario Management Tools）；（9）多团队协作工具（Collaboration Tools）；（10）互操作工具（Interoperability Tools）10项关键技术[1]。这10项技术可概括出3个地理设计技术的革新方向：

1 空间尺度与决策风险成本关系[14]

2 土地利用规划优化成果反馈系统

（1）弹性高效的规划模型创建平台

现有GIS中常见的典型建模方法与规划设计工作思维方式的落差，造成现有的GIS技术在规划设计工作执行时无法深入应用的原因之一。因此地理设计技术的提升，将提升现有的数字建模与数据模型整合方法，使数字空间分析技术能更好地与城市规划的操作方法整合。一如米勒（Miller）提出的：数据模型（Data Model），创建与修改工具（Creation and Modification Tools），推理机（Inference Engines），视觉化工具（Visualization Tools）等技术领域的发展，都是创建弹性与高效的模型创建平台所需关注的技术重点。

（2）多情境的成果模拟与即时反馈机制

斯坦尼兹（Steinitz）认为环境开发的尺度与风险的关系如（图1） ，尺度越大，其所面临的决策风险成本越高，决策的准确率越低。因此，城市规划师在小尺度的决策问题上能较容易地依据经验与直觉进行有效的决策，但是在大尺度的空间决策问题上，纯粹仰赖经验法的规划决策方式将面临极大的风险挑战，其决策风险就如在赌场进行博弈的活动[14]。理想的地理设计平台，需要能让规划师能明确地理解多种情境的规划行为可能对环境产生的影响与付出的代价。

与其说地理设计给出规划决策方向的辅助系统，倒不如说地理设计将发展为一种能客观即时反应方案量化状态的仪表板，如同米勒提出的成果反馈仪表板（Feedback Displays and Dashboards），情景管理工具（Scenario Management Tools）[1]，仪表板的规划支持方式与传统的规划决策系统最大的差异，在于仪表板的反馈系统更着眼于实时地呈现不同方案的可能性与代价，而传统的规划决策系统更多在假设的模型基础上给出最佳的决策解答。

（3）多团队与多学科整合的决策整合平台

现代的城市规划工作，是一多学科的交叉的应用科学。实际城市规划编制工作，时常面临多专家或多团队同时分工协作的工作

需求。地理设计将被设定为能提供多方协同作业的动态工作平台。如同米勒提出的协作工具（Collaboration Tools）、互操作性工具（Interoperability Tools）便是对地理设计在跨领域与跨平台专业的技术整合，所需要发展的关键技术。

3 案例背景与地理设计应用方法

本研究案例着重于地理设计在城市规划领域的应用方法研究，在技术面上关注于地理设计技术中，多情境的成果模拟与即时反馈机制的研究，并以无锡地铁沿线站点的土地利用概念规划方案为例，提炼典型的概念性规划工作整合规划成果反馈机制的工作方法研究。

3.1 研究背景现状与范围

随着城市的扩张，无锡市居民出行的需求增加，城市轨道交通建设的内在需求日益增强。为了增强轨道交通线对城市发展和升级的带动作用,同时改善无锡交通堵塞、减少交通事故以及节能减排，增强环境保护，预计于2015年完工的无锡地铁1号线与2号线就将构成南北与东西轴向的“十”字型轨道交通网络骨架。在此基础之上,项目计划于2014年动工的地铁3号线通车后，将为无锡西北城区与东南新区提供更完善的服务,补足现有东南新区的交通运输需求，同时带动新区的发展。

3 反馈规划方案成果的仪表板(AECOM SSIMTM)

3.2 工作方法与技术整合关键

地理设计应用于土地利用规划与优化的方法由“规划核心价值观与发展目标定位”及“优化分析框架搭建”两大部分构成。这两部分的工作可细分为5个执行步骤（图2）。这5个执行步骤主要尝试由“规划语言的转译”与“计算机支持规划决策的角色定位与转变”2方面，讨论地理设计的核心概念与典型城市规划作业工作方法的整合关键。

（1）规划语言与可量化指标的转译：

在规划原则与站点发展定位的前提设置下，一系列的基础分析工作确立了方案的核心价值观与无锡3号线所有站点的发展目标定位。规划语言往往是以质性的描述方式叙述规划发展目标（如：山水低碳生活中心,综合金融商务中心等），将质性的描述语言转译为可量化的评价指标体系是数字分析工具能否应用于规划工作中的关键。本研究中设计“规划目标达成检核机制”作为转译规划语言与量化分析体系的参照标准，作为连结典型规划语意与数字分析评价指标的重要价值观转译枢纽。

（2）计算机支持规划决策的角色定位与转变

典型的PSS支持城市规划决策工作时，强调的是计算机扮演决策的“支持角色”。因此，PSS的研究工作强调规划决策模型框架与算法设计的合理性等问题，但这也使典型的PSS设计经常面临数据供应与技术普及等推广瓶颈。不同于既有PSS建立决策模型后仰赖多种数据条件输入与决策方案输出的规划支持方式，地理设计中提出规划仪表板的概念，着重于计算机由决策的“支持”转化为规划决策时“多元信息整合”的角色转变。规划仪表板提供城市规划师尝试比较多种设计方案的“代价”后，由城市规划师进行综合判断给出最后的规划决策。依据规划仪表板的设计理念，本项目根据规划目标自定义出“规划评价指标体系”作为各站点周边土地方案优化规划工作时的参考依据。技术上，借由Excel与规划方案建模时所输出的成果进行集成，尝试搭建一个松散集成的规划成果仪表板（图3），提供城市规划师执行空间布局工作时的实时反馈规划成果影响的监控工具。

4 地理设计概念在项目中的应用方法

4.1 建立规划目标检验方法

本项目是城市轨道交通沿线站点的土地利用规划项目，项目的规划策略依循公共交通导向的发展模式（Transit-Oriented Development简称TOD） ，进行无锡地铁3号线周边站点的土地利用优化。本项目经由建立规划效益评价机制，协助作为站点优化方案过程中，方案调整的参照，也作为地理设计概念技术中，成果反馈仪表板概念的实践尝试。本项目中的规划目标检验机制建立于 “确立TOD发展核心价值观”与“TOD规划原则量化”这两项基础工作之上。

（1）确立TOD发展的核心价值观：

彼得 · 卡尔索尔普（Peter Calthorpe） 提出公共交通导向的发展模式（Transit Oriented Development，TOD），强调公共交通与土地利用发展结合的方式，改善道路的服务水平、缓解城市蔓延、土地利用不可持续的城市发展等问题[15-16]。常见的TOD的发展策略如同罗伯特 · 赛维罗（Robert Cevero） 所提出的TOD 3D法则密度（Density）、设计（Design）、多样性（Diversity），多强调运用混合式的土地利用规划方式，与加强公共交通设施的服务密度，提升城市中步行与开放空间的服务机能，同时创造更多的就业与居住机会。

本次规划目的在于地铁站点周边的土地利用方式“优化”，并以站点周边的土地控制性详细规划方案为参照。在现有方案的基础下，引入TOD的发展模式作为方案的“优化标准”。项目引述TOD开发理念中的“集约的土地利用”方式与“通达的交通效能”作为两大发展重点，作为优化方案时的操作指引。

（2）TOD规划原则量化

4 无锡三号线TOD开发效能评价矩阵

5 无锡三号线规划定位与TOD开发类型定位分析图

表1 四效益表现的具体指标因子表

表2 指标因子评分标准(举例示意)

公共交通导向发展模式，CTOD（The Center for Transit-Oriented Development）①依据站点周边的“职住比”及“交通周转率”，提出评价TOD站点的类型与发展效能的量化方法[17]。本研究参考CTOD所提出的TOD站点类型与效能评价方法，提出无锡地铁3号线TOD开发效能评价矩阵（图4）。评价矩阵中9种不同站点的空间发展类型，将由“容积率”、“交通接驳”、“建筑高度”、“公共设施配置”、“主导土地利用方式”、“土地利用结构”等8种不同的规划策略所定义。不同的站点类型将对应不同的发展特征。“居职比”与“开发密度”成为衡量各站点开发类型的主要标尺。在沿线站点的发展定位上，参考原有上位规划给定个站点的发展目标，重新将原有的上位规划发展目标与开发类型矩阵进行重合（图5） ，使接下来的规划优化方案可以量化的方式进行评价，并使规划的语言可以用量化的方式进行描述（例如：在上位规划定义的综合商业核心区中的山墩凹站，可落于评价矩阵中的TOD B3高密度综合区，在规划策略上会是高容积率，与商住混合类型的土地利用模式）。

4.2 建立规划效益评价指标

在TOD开发效能评价矩阵的基础下，不同站点的发展目标都可以对应到专属的发展类型中。在确立了每个站点的发展目标后，本项目中依据 “经济”、“社会”、“环境”、“空间”4种指标作为指引优化站点周边空间型态与方案布局的标尺，这里简称四效益指标（表1）。四效益指标提供规划师在进行方案设计时，反馈不同设计方案布局所创造的效益，与TOD开发效能评价指标共同形成类似“规划仪表板的功能”。

由于本项目的数据来源有限，四效益指标依据“土地利用现状图”、“控规土地利用规划图”所取得的数据，每种效益挑选两项具代表性的评量因子进行运算与评分（表2）（图6）。

4.3 方案优化效益反馈输出机制

以无锡新区站点周边的土地利用优化为案例（图7），我们以GIS技术提取现有土地利用，原控规与优化方案中的数据作为方案效益反馈机制的基础数据，对优化方案的“发展目标”与“方案四效益”进行评价，并逐步优化方案。

（1）发展目标反馈评价机制

在发展目标的定位上，我们对应规划目标检验指标，无锡新区站在TOD的开发模式中属于TODB3高密度综合区的开发模式。因此，相较于现有的控规方案，进行方案优化时参考空间布局在发展目标上（图8）土规调整应提高居职比与开发密度2项数值， 通过规划目标检验指标的对比（图8）我们能清晰的比较同一站点在方案优化前后与规划目标定位的差异。

依据土地利用现况图（图8A） 对各站点以TOD开发效能评价矩阵进行开发类型的检验归纳，大部分站点周边的呈现开发密度低使用性质单一的土地利用现状，因此多数站点分布于低密度住宅区（TODR1）与低密度产业区（TODE1）2种类型。

6 各站点土地利用优化程度评价图

7 无锡新区站方案优化成果对照表

依据现有控规方案（图8B） 以TOD开发效能评价矩阵对各站点的控规方案进行开发类型的检验，由于经过一轮控规的调整，各站点的土地使用性质有呈现较为多元化的分布，但土地的使用密度仍然略显不足，因此多数站点类型仍落在土地使用强度较低的低密度住宅区（TODR1）、低密度综合区（TODB1）、低密度产业区（TODE1）3种类型，开发的密度仍不符合集约的TOD土地发展需求。

依据不同站点的规划定位进行方案优后（图8C） ，各站点在土地使用的性质上依循控规的定位，并较现有的土地使用方式呈现出多元发展的特性，较显着的是整体的土地开发密度经过方案优化后多达到中级以上的使用强度。

开发类型定位图作为方案发展目标的优化成果反馈工具，显示出整个方案优化工作在依循各站点不同的发展定位下，将现有低密度与使用方式单一的土地使用方式，往中高密度与多元使用的开发目标进行引导，并具体显示出方案优化前后的差异与个站点在优化后的具体发展类型。

（2）方案优化效益评价机制

进行方案优化后，规划四效益回馈机制的运用着重于空间布局调整后，对整体方案效益提升与修正的变化程度。同样以无锡新区站点周边的土地利用方案的优化为例，在规划判断上，除了增加原有缺乏的住宅类型用地，也须增加其他类型的商业与绿地配套，才能有效提高本地块在四效益上的表现。在不同规划目标的设定下，着重的效益发展方式也会有所差异，技术执行上调用GIS的分析功能模块，进行各项指标数值统计②，在完成各项指标的运算操作后，依据（表2）的评分标准分别针对四效益指标进行评分，图表（图7）显示原始土地利用、现有控规与优化方案3者在4项指标效益上的综合表现。由无锡新区站的土地利用优化成果及四效益优化分析中可以发现，无锡新区站周边的土地利用基本上依循原控规方案的高经济效益与高环境效益作为方案优化基础，布局型态调整着重于空间效益的优化，设计手法采用步行网络的密度提升及用地容积率优化两种规划手法进行空间效益的提升。

在规划过程中，藉由规划成果的自动化评价与分析比较成果输出，将让方案布局的调整更科学化与直观的显现。“高效的方案评价”与“直观的反馈机制”，将有效提升规划师进行方案优化方案布局型态时进行决策判断的精准度。

5 结语

地理设计概念的提出，使仰赖经验判断的规划设计工作方法，能进一步与数字技术的应用进行整合。地理设计的概念不同于现有的数字规划辅助决策技术，地理设计更着重于兼容规划设计的感性思维与空间分析技术的理性运作。未来的地理设计发展，将从新定义人脑决策与计算机辅助决策支持的角色与定位。就本文案例的操作经验进行总结，未来地理设计概念若要与既有的概念性城市规划编制工作进行整合，可归纳4项原则：

（1）以科学发展观为基础的工作方法

随着计算机技术、互联网技术、大数据与地理信息科学的成熟发展，数字空间分析方法已成为在城市规划工作中被广泛运用的科学分析方法。地理设计的核心理念，是促使数字空间分析技术在应用于规划实践工作时，能在科学发展的价值理念上，进一步的与规划行为中感性的思考与工作方式寻求更好的兼容方式。

（2）价值观与评价体系建立

以概念性城市规划的编制为例，为因应不同的规划目标需求，不同的规划项目也有不同的工作目标、工作重点、工作方法。因此地理设计的概念，将不在是以单一价值观的决策支持模型辅助规划决策。地理设计应能弹性的对应不同的规划项目发展目标，提供规划者依据项目需求，自行依据不同目标导向的核心价值观及规划评价体系设置相应的评价机制。

（3）合理与可行的量化评估模型

现有城市规划工作时常在有限的基础资料下开展规划编制工作，这也是造成目前许多空间分析技术中量化评估模型无法妥善运用的常见瓶颈。地理设计概念下理想的量化评估模型，应该是能适应现有常见的数据取得条件，或满足规划工作的基本使用需求。而不是打造能解决所有问题但难以操作的量化评估模型。

（4）明确计算机辅助规划的功能定位

城市规划工作的任务多元，且时常面临工作目标与深度不同的挑战。不同的规划项目，无法使用相同的量化评估体系进行方案的评估。因此，针对不同类型的项目提供案例或指标知识库参考，并具备自定义的指标评估系统，将更有机会适应多元的城市规划工作需求。

城市规划的课题，经常处于寻求相对正确或多情景的解决解决方案。因此，未来的地理设计与分析技术，应着重于多情境的方案分析比较或方案设计效能的即时修正与反馈机制开发，如同反馈显示板（Feedback Displays）与规划仪表板（Planning Dashboards）的概念，计算机在规划决策支持的角色，由规划答案的提供者，转变为规划行为代价的提示者。更进一步的的明确了人脑与计算机在规划工作上的角色分工。

8 无锡新区站方案优化成果对照表

致谢：

特别感谢AECOM上海团队曾经参与无锡3号线概念性规划的团队成员，感谢郭洁、赵韵菲、宋宜鸿、李卓璇等人，建构本项目的效益分析模型与规划优化回馈机制并协助参与进行数据处理与分析等重要工作。同时也感谢AECOM Ltd.提供项目相关数据资料进行学术分享与项目经验交流。

注释：

①CTOD 是美国一个提供TOD发展实践所需的研究和工具，并整合城市规划、经济学、等多专业人才的非营利机构。

②指标计算模块运算流程：空间连接性:1.建立网络数据集（Network Dataset），2.地铁出口10分钟的服务区域（Service Area），3.转多边形（Polygon），4.计算面积；空间紧凑度:1.站点出口缓冲100m（Buffer100m）；2.选择位缓冲区内的地块；3.计算平均FAR；4.再除以站点研究范围内平均FAR；公共设施完善度:1.公共设施地块转为点（Point）；2.通过网络（Network）寻找站点出口的最短路径；3.计算时间，1/时间+1/时间……；开放空间可达性:1.开放空间缓冲200m（Buffer 200m）；2.回形（Clip）站点研究范围；3.除以研究范围总面积。

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