基于路网密度的城市功能空间分布评价——以西安市为例

李建伟,孙圣举,赵 丹

(1.西北大学 城市与环境学院,西安 710127; 2.青岛市城市规划设计研究院,山东 青岛 266071)

一、引言

快速城市化推动我国城市跨越式发展,致使城市建成区持续扩张,城市人口规模急剧增加,其引发的“时空压缩”效应同社会转型、体制机制滞后的脱节导致交通拥堵、环境恶化、资源短缺、人口膨胀等一系列“城市病”集中爆发[1]。积极调整城市功能的组织方式和配置模式以优化城市空间结构,推进城市品质提升,对预防和应对快速城市化带来的诸多症结,实现城市的全方位、高品质健康有序发展意义重大[2]。

作为城市系统的重要组成部分,路网形态与城市功能的良性互动共同推动城市空间结构的演进,相应地,两者之间的协同研究也一直是地理学、经济学和城乡规划学关注的重点内容之一[3-4]。伴随城市空间格局演变,城市路网对城市功能格局的影响作用日益增强,研究表明交通带动城市土地开发[5-6],对土地集约利用具有积极的空间外溢效应[7],通过路网可达性深刻影响城市活力的空间分布[3,8],表现为道路网络对城市功能的空间异质性[9-10]和交通指向性[11-12]。城市功能与路网形态作为城市复杂系统中的两大核心要素相互依存、相互作用,在空间上具有一定的契合度,可借此定量测度城市功能区的空间分布[4,9,13-15],进而通过优化资源空间配置[1],协同要素适配关系,提升空间品质和改善人居环境[16]。作为路网形态中衡量城市道路网建设合理性与交通运行效率的重要指标,路网密度相对于交通可达性、网络中心性、道路整合度与穿行度等指标,更能反映城市资源的空间配置情况[9,13-15]。目前,从宏观尺度开展关于路网形态和城市功能的关联测度方法与互动机制研究取得了较为丰硕的成果,但基于路网密度视角,从街区尺度开展城市功能的精细化空间分布评价研究仍有待进一步强化[9,15],特别是在优化策略方面的研究还相对薄弱。

城市系统的复杂性使得传统单一视角下“蓝图”式的用地布局规划和开发方式在城市动态发展过程中的时效性与科学性略显不足[17]。因而,基于POI数据、社交媒体数据、手机信令等大数据的功能空间分布与优化研究成为目前学界关注的热点问题[18-20]。大数据为城市研究开拓了新的思路,基于城市大数据的分析方法比传统方法更能精确地反映城市空间格局特征[21-23],这使得结合路网密度精细化定量测度及评判城市功能空间配置成为可能[9]。鉴于此,以西安市中心城区为例,借助POI数据和道路网络数据,从路网密度视角进行街区尺度下的城市功能空间分布评价与优化研究,旨在精细化识别城市问题空间,从而提出适宜性的功能优化策略。

二、评价框架和方法

(一)研究区概况

西安地处关中平原中部,是国家历史文化名城,也是九大国家中心城市之一。改革开放以来,随着城市空间扩张和历史文化传承的双轨推进,西安形成了相对完善的城市空间结构和独具地域特色的空间肌理,其由旧城区向外圈层蔓延式发展模式及功能空间分布特征代表了我国大多数城市的空间发展历程。在国家重大发展战略背景和社会经济发展诉求下,西安正逐渐由单中心城市格局向多中心空间结构嬗变,城市功能也将持续动态地进行空间重构。

以西安市中心城区为研究对象,包括7个市辖区49个街道办事处,总面积约为627 km2。结合西安空间结构,以环路为界,将研究区划分为4个圈层,分别为旧城区、二环内、三环内以及外围区(见图1)。数据源包括城市数据团2018年1月的POI数据和2018年6月的道路网数据。基于ArcGIS 10.5平台,提取研究范围内的POI数据和道路网数据并进行筛选、重分类[4],得到居住住宅、公共服务、办公机构、商业服务、绿地广场和工业园区6类236 283个POI点数据以及主干路、次干路和支路3类2 854条道路线数据。同时,以道路网为基础将研究区划分为1 144个街区,作为空间分析的基本单元。

图1 研究区4个圈层划分示意图

(二)评价框架

基于路网密度的城市功能空间分布评价框架分为3个步骤(见图2):首先,基于ArcGIS 10.5平台,对路网密度与城市功能进行相关性分析,剔除与路网密度关联度低的功能类别。其次,引入双变量空间自相关分析进行路网密度与城市功能的空间耦合特征分析,得到“H-H”(“高—高”类型区)、“L-H”(“低—高”类型区)、“H-L”(“高—低”类型区)、“L-L”(“低—低”类型区)和“Non”(“不显著”类型区)5类区域。最后,基于耦合分析结果,将空间分为适配空间(“H-H”和“L-L”)和错配空间(“L-H”和“H-L”),实现对城市功能空间分布的合理性评价。其中,“H-H”和“L-L”是城市功能用地与路网密度高度耦合的空间,即适配空间;“L-H”和“H-L”表现为不同层级的错配空间,“L-H”是城市功能用地配置相对过剩的区域,易造成交通拥堵,视为城市功能空间分布的拥挤空间,“H-L”是城市功能用地配置不足,即土地资源未充分开发的潜力区域,视为城市功能空间分布的低效空间。在此需要说明的是,“Non”是城市功能与路网密度空间耦合不甚显著的空间,不进行具体分析。

图2 基于路网密度的城市功能空间分布评价框架图

路网密度与POI核密度的整体相关性较高(见表1),说明西安城市功能与路网密度之间具有较强的指向性和依赖性[5],但由于工业园区主要分布在城市郊区,与路网密度没有显著的相关性,故不再对其进行与路网密度的空间耦合分析。究其原因,工业园区作为政府主导型的城市功能空间,规划建设刚性控制较强,受市场规律的影响相对较弱,因此其空间分布与路网密度之间缺乏一定的关联性。

表1 路网密度与POI核密度的相关性系数表

(三)评价方法

双变量空间自相关分析可揭示空间变量的分布是否与邻近的变量有关,通过局部双变量空间自相关可以有效反映两类变量空间分布的关联与依赖特征。为了更加直观地表达城市功能与路网密度的空间关联模式,采用局部双变量空间自相关测度二者间的空间耦合特征[16]。局部双变量空间自相关分析公式如下:

(1)

三、评价结果

(一)综合评价

西安城市功能与路网密度的整体耦合度较高,功能空间分布评价结果总体表现良好(见表2)。路网密度与城市功能耦合叠加后的适配空间占空间分析单元总数的61.9%,表明西安市大部分区域的城市功能与路网密度处于空间适配的状况,空间资源的配置水平较高,土地资源的利用效率和交通运行效率也处于较高水平。各适配空间中,又以办公机构占比最高,占总数的88.1%,表明办公机构所在区域的道路体系最为完善,空间配置最为科学合理。

表2 西安城市功能与路网密度空间耦合评价结果统计表

空间格局总体呈“适配—错配—适配”的环状分布格局(见图3)。旧城区、三环内外两侧区域属于适配空间,以二环为依托形成的中间地带属于错配空间。旧城区是西安历史文化资源最集中的地区,城市功能类型多、路网密度高,为维持旺盛的城市活力提供了坚实的基础,适配空间均为“H-H”聚集。而三环内外区域作为城市开发建设的边缘地带,城市建设用地开发程度较低,城市功能类型较少,路网密度也较低,适配空间均为“L-L”聚集。以二环为依托形成的中间地带,城市发育成熟度相比旧城区较低,但比边缘区域高,城市功能与路网密度在空间上的错配现象较为明显,拥挤空间和低效空间环绕中心区在北二环南北两侧、东二环东西两侧以及南二环的南侧与西南侧,大致形成了错配空间的环带聚集区。

图3 基于路网密度的西安城市功能综合评价图

(二)适配空间

适配空间包括“H-H”和“L-L”两种聚集类型,其中“H-H”表现为中心集聚的空间分布特征,而“L-L”表现为外围环状的空间分布特征。

“H-H”总体呈中心集聚的分布特征,且空间分布重心偏南(见图4)。旧城区一直以来都是城市核心地带,随着社会经济的发展,其社会、经济、文化的中心地位不断加强,居住住宅、公共服务、商业服务、办公机构和绿地广场等功能持续集聚,空间品质不断提升。凭借宜人的步行尺度、得天独厚的历史记忆、优越的地理区位条件,旧城区成为城市的活力中心与形象地标。与此同时,受旧城区历史文化保护、开发强度控制以及北部陇海铁路线的影响,旧城区南侧区域成为承载各功能外溢的最佳区域,二环内的南稍门、小寨商圈与旧城区的钟楼商圈遥相呼应,形成城市多功能集聚区,并成为与旧城区连片的城市活力地段,由南二环继续向南三环附近延伸拓展。

图4 西安城市功能与路网密度的“H-H”聚类图

“L-L”多分布在三环内和外围区,呈外围环状的空间分布特征(如图5所示)。城市建设的不成熟使得外围区城市功能与路网密度的空间分布均表现为较低水平。需要说明的是,延续城市旧城区肌理、围绕大型历史遗址修建遗址公园是西安保护城市历史脉络的重要手段。因而,受历史文化保护的影响,大明宫国家遗址公园、大唐芙蓉园和曲江池遗址公园等历史地段的城市建设尽管相对成熟,但是在功能分布和路网配置上有很多约束和限制,表现为“低—低”聚集。同时,西北侧的汉长安城国家遗址公园受遗产保护、拆迁补偿等因素的影响,仍然大体延续20世纪五六十年代村庄的基本格局,逐渐演变成配套设施不齐、建筑质量偏低、违章搭建严重、卫生安全缺乏保障的城中村地区,已无法适应城市建设和管理的各项要求。然而,诸如此类的城中村和老旧小区为大量外来人口提供了廉价的居住出租房,有效地填补了城市中低档住房市场的需求,其社会价值不容忽略。

图5 西安城市功能与路网密度的“L-L”聚类图

(三)错配空间

1.拥挤空间

拥挤空间(“L-H”)主要集中于陇海铁路线两侧,呈现条块状空间分布的特征(如图6所示)。拥挤空间是由居住住宅、公共服务、商业服务与绿地广场的高度集聚和较低的路网密度格局引起的,其中居住住宅与公共服务的拥挤空间最为典型。随着社会经济发展与城市功能“退二进三”,聚集在陇海铁路线附近的企业社区逐渐演变成以居住功能为主的生活区,并不断吸引城市其他功能要素的集聚、更迭,现如今居住住宅以及配套公共服务等城市功能集聚程度明显高于路网密度。当然,在该区域存在着大量的居住品质低劣的老旧小区,人居环境品质急需优化提升。而陇海铁路线尽管是促进城市基本经济部类发展、提升区域竞争力的重要基础工程,却也是割裂城市功能联系、限制城市功能集聚的阻力,加之明城墙空间阻隔和大明宫遗址保护诉求,最终限制了该地区的道路建设,并削弱了该区域与旧城区的交通联系。

图6 西安城市功能与路网密度的“L-H”聚类图

2.低效空间

低效空间(“H-L”)以高新区、经开区和南二环东侧区域为主,呈组团状空间分布特征。改革开放以来,受市场经济的强烈冲击,西安开启了以开发区建设为主的增量扩张模式,三环内作为城市扩张建设的重点区域,道路建设逐步完善,产业功能得以充实,助推了城市经济发展。而与路网密度相比,城市功能的发育成熟度远低于旧城区与二环内的平均水平,以高新区、经开区、南二环东侧区域的特征最为明显。

高新区作为城市新兴区域,政策、资金的倾斜使道路体系不断完善,路网密度较高,但以产业主导的大部分区域功能混合度较低,导致诸如居住住宅、公共服务、商业服务与绿地广场等功能呈现低聚集空间分布特征(见图7)。相比于西安功能较为成熟的其他区域,高新区的低功能混合聚集度致使其产城融合不充分,直接导致城市活力不足、通勤形势严峻引发的交通拥堵,而其中居住住宅的低效空间分布范围最大,表明对居住功能的空间配置需求更为迫切。经开区发展起步较晚且邻近外围区,城市交通的通行能力良好但城市功能的聚集程度较低,其绿地广场的空间配置由于西安行政中心的北迁相比高新区稍好(见图7)。受过境交通与历史遗址的影响,经开区是西安开发建设较晚的区域,近年来城市建设虽有所起色,在张家堡、文景路等地区形成了一定规模的活力中心,但该地区底蕴仍显不足,城市各功能均表现为空间集聚度不高的特征,特别是居住住宅、公共服务、办公机构和商业服务等功能的提升空间较大。

图7 西安城市功能与路网密度的“H-L”聚类图

南二环东侧区域的低效空间功能以绿地广场的低分布特征最为明显(见图7f),用地布局以韩森寨老工业生活区和大学校园为主。韩森寨工业区始建于1953年,后随着苏联援建项目及国家“三线”建设总体战略部署,工业生产功能得以进一步加强,在“重经济轻生活”“先生产后生活”的建设理念下,城市绿化建设未受到重视。改革开放后,伴随城市空间扩张和产业结构调整,该地段逐渐演变成了以工业区家属院为主的居住生活区。因土地产权复杂、居民参与度低导致改造难度大,绿地广场配置水平仍较低,致使绿地广场的功能集聚程度低于路网密度。同时,该地段集中分布有西安交通大学、西安理工大学、西安工程大学等知名学府,其绿地规模较大但不对公众开放,因而不具有绿地广场的公共属性。近年来,随着幸福林带改造等工程的实施,绿地规模有所增加,但在土地财政驱动下,公园绿地配置水平依然不足。

四、优化策略

基于路网密度的城市功能空间分布评价充分考虑城市功能与路网密度的空间耦合关系,通过对功能空间分布情况进行精细化的评判,为城市功能空间优化提供科学技术指引。针对甄别的拥挤空间和低效空间,以绩效最优、互动平衡、公平效率为优化原则,优化资源配置,协同要素耦合关系,最大限度地实现城市健康发展。

(一)拥挤空间

集中于陇海线两侧区域的拥挤空间,通过疏解置换和有机更新策略,对城市功能空间进行配置优化,实现空间品质提升和街区健康发展。优化重点是提高居住容量,改善人居环境质量,以及置入多元化的高端办公功能。

疏解置换策略是通过疏解与区域职能无关或滞后的不适宜功能,并引入与其职能相契合的功能业态,从而实现土地价值的最大化。该策略适用于土地潜力大、开发建设灵活的地段。在疏解与路网密度不匹配或关联度低的城市功能(如低品质居住空间、不兼容的产业空间等)的基础上,置换为办公、商业、文化旅游等高品质功能空间,合理调整道路交通与居住住宅、公共服务、绿地广场等主要用地类型比例[12],并通过提供一定的就业岗位解决当地人群的工作需求以减少通勤压力。

有机更新策略是通过采用微更新而非推倒重来的城市功能大规模置换模式,倡导循序渐进的城市更新理念,以群众需求和参与为导向,延续和发展街区传统功能,维系当地居民传统生活方式,从而改善人居环境并提升城市空间品质。该策略适用于由于历史文化、制度政策等因素限制,不便进行功能大规模置换或疏解的街区,如城市老旧小区、历史文化街区等。经改造提升后的街区,在城市风貌上与周边区域相协调,在城市经济上注入活力,在社区文化上则保留了城市记忆。对散布在城市各处的城中村,需要综合考虑利益主体尤其是弱势群体的诉求,通过以人民为中心的包容性改造梳理功能布局并全面提升物质空间品质,实现土地资源的高效利用和多元人群的交融共生[24]。

此外,针对开发受限的街区,从交通管制、公共交通改善等方面优化街区内部及其与邻近地区的功能联系与交通效率,借此实现土地利用与道路资源的空间适配协调。

(二)低效空间

集中于高新区、经开区和南二环东侧的低效空间,通过功能混合和集聚提升策略,提升空间品质,激发城市活力,充分发挥土地潜在价值。

功能混合策略是在考虑居民多样化需求的基础上,将多元功能有机组合于同一街区,通过提高功能多样性与联系效率,营造慢行交通舒适便捷、富有多元活力的城市环境。通过功能的多样性、土地利用的兼容性和交通可达性提升街区的土地利用混合度,从肌理、密度、渗透性和交织性等方面着手[25],融合居住、工作、娱乐、休闲等多种功能,在提高通达性的基础上倡导用地兼容,提高土地混合利用程度,促使街区活力、空间利用效率和人民幸福感得到明显提升[11]。高新区的重点则是提升居住、公共服务配套、商业与绿地的功能混合度。

集聚提升策略是提升城市各功能的集聚程度,补齐公共服务设施和市政基础设施短板,实现土地资源的高效利用。该策略通常与功能混合策略共同作用于低效空间,但应合理控制开发强度,不能因此降低城市空间的环境品质,如居住区的日照条件以及城市天际线轮廓等。此外,还需要综合考虑历史文化保护对建筑高度、开发强度的控制。经开区的重点是居住、公服配套和绿地广场功能混合度与集聚度的全面提升,补齐人民群众急需的医疗、教育、文化等公益性公服设施配置短板。此外,南二环东侧的重点是通过绿地配置提升区域的城市风貌及空间品质,并逐步增加办公功能空间,提升土地价值,提高区域活力。

五、结语

城市问题的日益严峻与新时期城市发展诉求使得城市功能的空间优化研究成为热点。聚焦路网密度对城市功能的空间配置影响能够对城市功能空间分布情况做出较为精准的评判,进而提供科学合理的优化技术指引。鉴于此,依托大数据技术,以西安市为例,结合POI数据和道路网数据,采用双变量空间自相关方法开展路网密度与城市功能的空间耦合分析,并针对错配空间提出结合路网密度的适宜性功能优化策略。研究结论如下:(1)西安适配空间占空间分析单元总数的比率达61.9%,表明城市功能用地与路网密度整体耦合度较高,城市空间资源的配置水平较高,土地资源的利用效率和交通运行效率整体较高。(2)除工业园区外,西安城市功能与路网密度之间具有较强的指向性和依赖性,总体呈“适配—错配—适配”的环状分布格局,其中,旧城区、三环内外两侧区域属于适配空间,以二环为依托形成的中间地带属于错配空间。

针对错配空间,应结合路网密度优化城市功能布局。其中,拥挤空间主要位于城市二环以内,提高路网密度难度较大,故以疏解置换和有机更新策略为主;低效空间则应结合城市道路分布,以增加功能混合与功能集聚提升策略为主,从而实现城市资源的集约高效利用。