程襄武

（南京化工職業(yè)技術學院機械系，江蘇 南京 210048）

1 城市工程的技術工程系統(tǒng)方法

1.1 城市化與可持續(xù)觀念

中國城市化經歷過大規(guī)模的縣改市的“建制城市化”或稱“表面加速”時期，城市發(fā)展要素轉型與特大城市發(fā)展時期等階段。從城市規(guī)劃角度看，特大城市發(fā)展最快，中等城市次之，小城市發(fā)展較慢。大城市是我國城市化進程的主要力量，其規(guī)模效益和輻射作用顯優(yōu)?，F(xiàn)階段城市數(shù)量及人口數(shù)量劇增，農村人口大量向城市轉移，城市化依然處于以聚集為主要趨勢的加速時期。城市經濟對中國GDP的貢獻率早已超過70%，城市化帶來巨大的發(fā)展機遇。

可持續(xù)發(fā)展是世界發(fā)展的共同理念?？沙掷m(xù)發(fā)展作為明確概念第一次提出，是在1980年國際自然和自然保護聯(lián)盟發(fā)布的文件《世界自然保護戰(zhàn)略》中，在世界范圍對可持續(xù)發(fā)展作業(yè)明確界定并取得共識的?！吨袊沙掷m(xù)發(fā)展研究》給出的可持續(xù)性發(fā)展定義為：可持續(xù)發(fā)展是為使全人類能夠在地球上永久生存與發(fā)展下去而以人為主體，以生態(tài)、環(huán)境、資源為基礎，以經濟發(fā)展為核心，以全體參與科技進步為保證，以人與社會的全面發(fā)展為目標，實現(xiàn)同代人之間和代際之間的公平、人與自然相協(xié)調的一種發(fā)展道路。隨著城市化加快，加劇了城市環(huán)境污染，隨之出現(xiàn)了能源、資源、環(huán)境、社會問題。城市的發(fā)展建設是必須的，但在工程技術層面，應解決能源、資源、環(huán)境問題。城市建設與發(fā)展的根本原則是可持續(xù)發(fā)展。

1.2 技術工程系統(tǒng)的系統(tǒng)方法

科學還原論、整體論、系統(tǒng)論以至目前尚有一些爭論的復雜性科學，是現(xiàn)代科學與工程的幾個方法論階梯。單獨的科學還原論的思維方式，會導致對環(huán)境、對自然的漠視。整體論、系統(tǒng)論的觀念與思維方式則會形成生態(tài)保護與環(huán)境保護觀念，并可引出全面深入、適宜可用的理論方法與理論工具。錢學森早就提出以還原論與系統(tǒng)論相結合，以系統(tǒng)工程方法進行工程建設與發(fā)展。

城市的發(fā)展與建設以城市工程為具體實現(xiàn)，城市工程是極具復雜性的系統(tǒng)工程，實現(xiàn)可持續(xù)城市形態(tài)，必須進行系統(tǒng)工程建設?，F(xiàn)代城市建設工程的總過程一般是：由城市規(guī)劃到城市設計，再到具體的城市建設工程。城市工程是由城市系統(tǒng)各分項技術工程綜合進行，例如城市給水排水、城市綠化、城市交通、城市供熱空調、城市通信、城市文化及民居以及商住建筑建設工程等。這些分項技術工程，有的以公用工程的形式顯見，有的則非常專業(yè)化并具前瞻色彩，例如以現(xiàn)代信息技術發(fā)展支撐并綜合許多現(xiàn)代科技領域的虛擬城市等。上述分項城市技術工程，在城市系統(tǒng)工程內，成為整體系統(tǒng)的技術工程系統(tǒng)。由系統(tǒng)論，城市工程系統(tǒng)是一種系統(tǒng)組成、內外作用復雜的工程系統(tǒng)。技術工程系統(tǒng)以城市規(guī)劃與設計形成的城市形態(tài)為基礎與導向。其工程技術措施既受城市形態(tài)的制約與主導，又對其主動影響。

2 技術工程系統(tǒng)方法的城市形態(tài)依據

2.1 城市形態(tài)基本概念通識

人類生活的聚居由早期穴居，到部落鄉(xiāng)村，再到城市?，F(xiàn)代城市是人類最主要的生活空間。城市的一個根本的特點是集中，是人類生活的物質資源與精神資源集中及交流區(qū)域，最主要表現(xiàn)為建筑與人口。建筑占據土地與空間，人的活動以用為本，體現(xiàn)可用功能。城市規(guī)劃原理給出城市“形態(tài)”概念表達，城市在空間與功能上的兩個特點，以標示區(qū)分以及深入認識城市。

2.1.1 城市空間形態(tài)

城市空間形態(tài)一般以城市呈現(xiàn)的建筑、道路等城市實體要素形成的空間幾何特征劃分。城市空間結構形態(tài)是城市空間形態(tài)在空間結構上的表現(xiàn)，城市空間以一定結構在形態(tài)上表現(xiàn)出來。城市的空間結構形態(tài)分內部、外部形態(tài)。內部、外部形態(tài)組合表現(xiàn)出來的城市空間形態(tài)是相當復雜的。城市的空間形態(tài)是功能形態(tài)的一定實現(xiàn)形式，城市空間形態(tài)通過功能形態(tài)呈現(xiàn)相當?shù)膹碗s性。內部形態(tài)分工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、行政區(qū)、文化區(qū)、旅游區(qū)等且呈現(xiàn)各自的空間、結構；外部形態(tài)依伸展軸演變呈塊狀、星狀等不同幾何形態(tài)。城市的外部形態(tài)可有星形、衛(wèi)星城、線形、棋盤形等格狀模式，巴洛克軸線系統(tǒng)式、花邊式、內斂式、巢狀等形式。

以下典型城市形態(tài)由歷史積淀形成，是已實現(xiàn)及現(xiàn)在階段可實現(xiàn)的現(xiàn)實形態(tài)：①放射形或星形。有人口密集多功能區(qū)，以此為核心向外放射運輸主干道。干道上分布次中心，干道間為較偏僻的V形地帶，環(huán)形公路繞核心區(qū)建成，為可無限擴張的適宜大中型城市的城市形態(tài)，見圖1。②衛(wèi)星城。距中心城市外分多個小城鎮(zhèn)，保留城市中心并限制規(guī)模及人口數(shù)量，衛(wèi)星城與田城由綠色生態(tài)地帶連接。③線性城市。城市中心設施分布于主干線兩側，次要設施分布于主干線側平行地帶。離開主干線為郊區(qū)，城市無核心，可無限擴張，房前為交通要道，房后為生態(tài)田野區(qū)等。④棋盤形城市。街道將城區(qū)分割為相同的長方形街區(qū)，可向任何方向擴展，城市無需中心與邊界，見圖2、圖3。⑤其他格狀模式。為棋盤形格狀的細微變形，如三角形格式布局等。⑥巴洛克軸線系統(tǒng)式。在復雜、大范圍的地形上，選擇一組控制點，建立重要象征設施，以足夠寬的大道連接象征物為節(jié)點，控制大道兩側邊緣地帶。整體性感覺強，放射性的街道網絡連接主要建筑物及空間元素，具有一組不均等的矩形格狀街道，見圖4。⑦花邊形城市。城市中心如花邊分布街道兩側，低密度，建筑物分布松散，交通暢通，接近生態(tài)自然，類同放大格狀結構的線性城市。⑧“內斂式”城市。城區(qū)、街道，由住宅區(qū)到街道以至每個房間一切都被包容圈住，由主要街道延伸出眾多樹形的兩側分布店面、墻壁的街道及巷子，通向私宅的大門，城市像緊湊的實體。⑨巢狀城市。城市為城墻包圍，像層層相套的盒子，形狀規(guī)則，街道為環(huán)形，非傳統(tǒng)的輻射形。環(huán)形街道與城墻平行，是城市中心活動場所，連接環(huán)形道路的街道窄小不連續(xù)。

2.1.2 城市功能形態(tài)

圖1[2] 星形城市形態(tài)

城市功能形態(tài)反映了人類城市活動的功用特點，如活動的范圍、種類、效能等。城市發(fā)展的環(huán)境、能源、資源問題都可歸納為城市功能形態(tài)的范疇?？沙掷m(xù)城市建設，如生態(tài)城市建設等，可歸屬一定城市空間形態(tài)上的城市功能形態(tài)。典型城市功能形態(tài)為：①廣畝城市。是一種極度分散城市形態(tài)。致力于實現(xiàn)人工環(huán)境與自然環(huán)境的結合，通過新技術回歸自然。道路系統(tǒng)遍布廣闊的田野與鄉(xiāng)村，居住建筑單元分散布置，密度極低。復興前工業(yè)社會的城市結構，是沒有城市的城市。②田園城市。實質為城鄉(xiāng)結合體，規(guī)模適中，滿足城市功能需要，又不超出一定范圍。田園城市是生態(tài)自然的可持續(xù)城市功能形態(tài)。③山水城市。中國文化風格，具備藝術美，加強生態(tài)綠化建設，是中外文化的有機結合、城市園林與城市森林的結合。④生態(tài)城市。以生態(tài)學原理建立的社會、經濟、自然三者協(xié)調發(fā)展的，高效利用物質、能量、信息的，特別是生態(tài)良性循環(huán)的可持續(xù)城市形態(tài)。

圖2[2] 棋盤形城市形態(tài)

圖3[1] 唐代長安城平面圖

2.2 可持續(xù)城市形態(tài)研究簡要分析

可持續(xù)城市形態(tài)，在資源、能源、環(huán)境等方面具有可持續(xù)發(fā)展效應，是當今世界各國城市建設與發(fā)展的基本原則，城市形態(tài)體現(xiàn)為城市空間形態(tài)與功能形態(tài)，兩個方面相互依托與影響。在可持續(xù)效應的產生與表現(xiàn)上，功能形態(tài)較為直接，可表現(xiàn)為城市的可持續(xù)效應等方面的特點與差異，如城市微氣候等方面體現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境與居住舒適度等。但功能形態(tài)往往是由空間形態(tài)的影響形成的，并不僅僅由功能形態(tài)的直接設計產生。例如，特大城市的超大規(guī)模以及超高集中度等方面界定其空間形態(tài)，其形成的城市熱島效應以及空氣污染問題，很明顯地表現(xiàn)出功能形態(tài)，其可持續(xù)效應較低。此種影響效應，并不僅由相關的分項技術工程設計決定，而更多是由其實施的整體效應形成。城市工程的整體性與系統(tǒng)性往往較明顯地體現(xiàn)在空間形態(tài)上，功能形態(tài)的整體關聯(lián)則更深層、更不易見。

功能形態(tài)一般是由分項技術工程系統(tǒng)自覺及不自覺地調控形成的。可持續(xù)城市形態(tài)必需在城市建設與發(fā)展的規(guī)劃、設計、實施各環(huán)節(jié)，以城市整體系統(tǒng)為基礎，有意識地調控，才可形成。城市建設工程往往各自考慮分項范圍，并以技術措施作直接目的。之前界定的功能形態(tài)是技術工程系統(tǒng)的目的與依據，更具直接的工程技術意義。特定的城市技術工程系統(tǒng)，往往直接與功能形態(tài)相聯(lián)系。技術系統(tǒng)工程在城市范圍內應考慮技術措施的設置，采用“城市整體范圍”的系統(tǒng)工程方法。設計前的整體城市形態(tài)研究是必要的。研究方法與步驟應是：由城市形態(tài)到分項影響，再到技術措施?？臻g形態(tài)是功能形態(tài)的研究為基礎，通過對空間形態(tài)的深入研究，可得到功能形態(tài)的不同特點。前述基本城市空間形態(tài)是在較為宏觀層次上，此處可見其對技術工程系統(tǒng)的依據意義。具體技術工程系統(tǒng)以科學模型細致模擬城市形態(tài)，可定量研究其功能形態(tài)。由于城市系統(tǒng)的復雜性，可在科學上對通識概括的城市形態(tài)做模型簡化。例如，一些研究模型顯然是基于前述線性城市模型的假設，更為簡化直觀。整體系統(tǒng)及技術系統(tǒng)的復雜性決定一些模型很簡單，但研究有難度，有時采用CFD、分形理論等研究方法與理論工具[5][7]，這些研究結果往往對形成功能形態(tài)的技術措施有很大參照意義。

城市形態(tài)的不同特點決定技術工程系統(tǒng)的具體技術措施。在前述城市形態(tài)概念的基礎上，城市形態(tài)的共性因素可抽象歸納出來，進行形態(tài)特定劃分以利于技術工程系統(tǒng)技術措施的確定。例如，依建筑空間集散度，分城市形態(tài)為極度分散、中度分散、緊縮式3種典型城市形態(tài)，則可得出相應的符合可持續(xù)原則的建筑空間的技術形式與技術措施呈現(xiàn)的不同特點，結論的得出，建立在基于城市形態(tài)的技術工程系統(tǒng)分析基礎上。[10]原則上，不同技術工程系統(tǒng)的整合，可形成較為合理的整體城市可持續(xù)發(fā)展模式。具體技術工程系統(tǒng)的技術措施確定，可依據前述原則與方法的研究結果。城市系統(tǒng)以及涉及專業(yè)領域的復雜性，決定上述研究的意義與難度。分項技術工程系統(tǒng)的研究，可匯總成相對宏觀層次的城市形態(tài)規(guī)劃，研究方法可在不同層面上，分項及整合的基本依據都是可持續(xù)原則。當前國內外已開展的一些相關系列研究，無論在研究結論里明確此研究目的與否，其結論都與城市中長近期規(guī)劃及其具體工程實施相關?！胺猪棥奔夹g工程系統(tǒng)的不同層面的技術措施，應該建立在前述基礎上。當前的城市發(fā)展，在具體研究的開展上，尚顯不足，有待重視與采納應用。不能只看到最直接、最表面的技術措施，應該在城市整體系統(tǒng)角度，深入定性定量研究技術工程系統(tǒng)與城市形態(tài)的相互影響。研究結果可得出最適當?shù)母黝惣夹g工程技術措施，用在控制噪聲、空氣品質、熱島效應等環(huán)境污染，構建適宜的城市微氣候，提供不斷增強的城市功能等方面，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

圖4[2] 美國華盛頓特區(qū)平面圖

1 梁思成.中國建筑史[M].天津：百花文藝出版社，2005.5

2 [美]凱文·林齊.城市形態(tài)（林慶怡等譯）[M].北京：華夏出版社，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、謝建等.低能耗綠色建筑空調與城市形態(tài)的形式對應[J].建筑節(jié)能，2008（1）：1～4