适应性视角下山地城市地形改造与场地设计方法研究*

2019-08-27李和平罗光莲

重庆工商大学学报（自然科学版） 2019年4期

曹珂，李和平，李斌，肖竞，罗光莲

(1. 重庆工商大学旅游与国土资源学院，重庆 400067； 2. 重庆大学建筑城规学院，重庆 400044)

0 引言

在山地环境中，起伏、崎岖的原始地形较难直接加以利用，导致城市建设用地稀缺。因此，在山地城市中，地形改造与场地设计自古以来都是重要的技术问题。随着社会生产力与经济水平的进步，人类对山地原始地形环境的改造能力逐渐提升，干预规模逐步增大。在此过程中，山地城市因地制宜、随形就势，与自然环境相互适应的传统营建方法逐渐为人所忽略，被套用平原城市建设手段、粗暴改变原生地形特征的“大挖大填”与“人工轴线”处理方式所取代，造成地域特色丧失、生态环境破坏、地质灾害频发等诸多问题，严重影响到山地人居环境的可持续发展。基于上述现实问题，系统引入适应性理论，从适应观的平衡、协同与组织思维出发，从宏观的土方挖填、中观的台地划分以及微观的建筑接地等不同层面探索山地城市场地设计的适应性策略与方法，以为山地人居环境建设提供技术支撑。

1 适应性理论与山地城市场地设计

在山地环境中，高低起伏的地形地貌在阻碍人工建设拓展的同时也为城市形态的变化创造了多元化的可能性，是城市空间与景观特色塑造的基础[1]。因此，山地城市在营建过程中需从经济、便利、适用、美观等方面综合平衡，辩证地回应对立体原生地貌的处理问题。这便涉及适应性理论与思维在山地城市场地设计中的结合与应用。

1.1 适应性理论源流及其思维主旨

适应(Adaptation)原指自然界中生物以对自身机能、行为的调节顺应外部环境变化，以求得其生存发展的生物现象[2]。其概念最早源自生物学界查尔斯·达尔文(Darwin CR)的进化论。之后，英国社会学家赫伯特·斯宾塞(Spencer H)在《生物学原理》(Principles of Biology)一书中提出“适者生存”(survival of the fittest)概念，用以描述自然选择过程中生物有机体对自然环境的适应与发展。1913年，美国生物学家劳伦斯·亨德尔森在其出版的《环境的适应》(The Fitness of the Environment)一书中，明确提出了“适应性”(Adaptation)的科学概念，认为：“‘适应’是‘有机体’在发展过程中与自然之间相互协调的过程”[2-4]。至此，适应观在生物学领域发展成熟，并逐渐被应用到地理学、人类学、心理学、社会学等学科以及城乡规划、建筑与景观设计领域，成为一种重要的思维理念[5]。

1.2 山地城市场地设计的适应性思维

另一方面，就内容而言，适应观涵盖广泛，具有多种思辨方式。从山地城市场地规划与设计来看，平衡思维、耦合思维与组织思维等典型适应性思维方式与观念具有重要启示意义。

1.2.1 整体平衡

在生物主体适应客观环境的过程中，主体会不断面临改变自身抑或改变环境的各种矛盾性二元选择。在此过程中，被动顺从还是主动引领、如何把握改变的限度是适应的核心问题，此即平衡思维的体现[6]。在山地城市场地设计中，首先涉及的便是平衡问题。即山地地形改造过程中填方与挖方的平衡以及场地改造所带来的功能便利性与破坏的形体美观性之间的平衡。一方面，对山地原生地形的改造，必然涉及土石方的挖填，改造场地时需尽可能地将挖方用于填方，从而避免过多挖方产生的废弃土石的外运或因过多填方而需要从外部运入土石的情况产生，保障工程的经济性。另一方面，对山地原生地形的改造基于特定功能需求。因此，在场地设计中应充分在改造地形后所促成的城市功能便利性与可能削弱的城市形态美观性之间进行利弊权衡，找到场地改造或用地挖填适宜的平衡点，决定场地改造与利用的“度”，进而采取针对性的技术手段达到相应目标。

1.2.2 耦合协同

耦合协同是系统间相互契合的适应机制。有机生命主体在适应客观环境过程中逐渐创造和形成一种新的主客关系，这种关系即为两者相互耦合、协同作用的结果[7]。在山地城市场地设计中，人工建设作为一种主体行为，其在对待和处理与原生地形的关系上即需要通过一种耦合与协同的方式，尊重、顺应自然地形，在与自然地形走势吻合的基础上进行适度“裁剪”和“修补”，形成能够满足特点功能需求尺度规模的人工化场地分台。在此过程中，场地设计应尽量对原始自然地貌尽量不作过多的改变，确保改造后的场地在整体轮廓上能够与自然地形轮廓相近，保持山地特征，从而确保建成后的城市空间能够层叠错落，具有地域特色，避免人工化的均质。

1.2.3 系统组织

自然界中的适应行为均有赖于要素之间有秩序、有条理的组织予以协调和联系。因此，系统组织是适应性理论的又一重要思维特征。在山地城市中，场地改造后不同标高层的台地之间需要进行交通衔接，这便涉及“高差消化”的问题。在处理此问题时，需将场地与建筑、室外空间与室内空间作为一组整体关系予以考虑。即将不同标高的场地通过室内外综合的交通与空间单元关联组织，以建筑悬挑、退台、架空、上跨、爬坡或覆土等多种方式处理台地与台地之间的高度落差。此即山地城镇场地改造设计中系统组织思维的体现。

综上，适应性理论的思维方法对山地城市场地设计具有重要借鉴意义。在地形起伏多变的山地环境中，城市的设计与营建需结合原生地形的高度变化进行适应性改造与处理，结合系统平衡、耦合与整体组织思维，在场地挖填方分析、分台处理、高差消化等方面均对改造程度的合理把控与改造方式的有效选择具有启示价值(图1)。

2 土方挖填改用平衡

在山地环境中，确定人工建设对自然地貌的总体改造程度与改造区域是山地城市建设所需面对的首要问题[8]。在这一问题的处理上，需结合城市发展所处区域的宏观地貌条件合理划定城市建设需要改造和可资利用的区域，在功能组织便利、山地形态延续、建设用地安全、场地改造经济等原则目标下，从整体层面分析和探寻场地改造的平衡点。具体包括改造区域划分与土石挖填测算两方面内容。

图1 山地城市场地改造、设计的适应性思维与策略
Fig.1 Adaptive thinking and strategy for the reconstruction and design of mountain city sites

2.1 改造区域划分

在对山地城市进行规划建设之前，应首先对规建范围内原始地貌的整体形态与坡度走向进行识别，结合实体踏勘、地形测绘与场地模型等观察分析手段判断现状地形的大致走势，把握场地改造的整体关系与挖填区域划分。在山地环境中，可用于城市建设的平坦用地稀缺。为保障城市相关职能空间的有效使用，需尽量平整起伏地貌，争取适宜建设的用地；另一方面，大规模的场地挖填改造与挖填虽然能够开辟出大量建设用地，但却会造成区域生态环境与地质环境的安全隐患，同时也会影响到城市建设在形态方面的丰富性与特征性[9]。因此，在山地城市建设原生地形改造的问题上，不能仅以技术能力来决定地形改造的上限，而应综合功能、环境、技术、安全等多方因素，合理确定和控制场地改造的挖填区域与挖填深度：结合现状地形特征与构想的城市功能布局及空间形态，对填挖难度较大且拥有较好原生绿化植被覆盖的山脉与沟谷进行保留，作为连通和组织城市生态系统的绿化廊道；在此基础上，对另一些经过适当挖填调整后可形成较大规模与较为平整用地的小型山脉与沟谷采取全部或部分挖填的方式进行改造、平整，进而同时满足城市功能系统与生态系统的合理组织，使两者能够高效运转、相互协同，同时也有利于山地城市天人和谐有机形态的塑造(图2)。

图2 山地城市原生地形改造与利用区域划分Fig.2 Reconstruction and utilization of regional topography in mountainous cities

2.2 挖填规模评估

在挖填区域总体划分的基础上，为确保场地改造的经济性与可操作性，还需通过定量分析手段对场地改造区域范围内的挖填方总量进行详细计算，以便在微观层面明晰改造工程的造价与土石方运输等实施问题，进而对原始挖填平衡方案进行优化，进一步调整场地改造的挖填方边界范围，使挖填场地改造能够相互配合，降低工程总量与工程费用。在具体操作上，在详细地形勘测的基础上，场地改造设计可根据用地的高程、坡向、坡度条件对实际开发建设的用地进行筛选，明确划定原始地形的不同挖填区域与改造前后的地形标高，编制场地改造的挖填方分区图，利用CAD系统插件或GIS地理信息处理技术，对改造范围内挖填方工程量进行精密计算，尽可能减少改造工程的挖填方量(按最大挖方或填方不超过500万m3/km2控制)与弃方量(按50万m3/1 km2控制即无法平衡的土石方量。一般情况下，山地地形改造的挖方量会大于填方量)[10]。同时，结合现代计算机三维模拟与分析技术还可对比不同场地挖填方案的工程造价与改造效果，辅助场地改造的多方案比较[11]。

综上，在山地城镇建设中，当面对起伏不定的原生地形时，将山丘、水道全部推平和填埋，将用地彻底改造为平地的处理方式并不是最合理、最有效的方向。在城市建设中，应结合山地原始的地貌形态进行场地挖填区域划分与挖填方量计算，遵循平衡原则，将自然坡地适度地改造为可有效利用的人工台地，将对场地的调整控制在城市经济、美观、生态以及安全各方面均可承受的限度之内，在宏观层面实现场地设计对原始地形的结构性适应(表1)。

表1 山地城市原生场地“改用平衡”的设计案例及其相关指标参数
Table 1 Design case of "reconstruction balance" in the original site of mountainous city and its related index parameters

3 台地调节：耦合细分

对原生地貌改造、利用区域的总体划分与土石挖填方量的评估虽能保证城市建设过程中场地改造的合理性，但其分析与评估仍十分粗略，并不具备可操作性，难以指导实际的场地改造设计和施工。因此，在山地城市中将原始地貌状态下不适宜直接建设的斜坡地形根据一定高度级差处理为位于不同标高层的多级台地的台地细分手法是一种被广泛采用的营建策略[12]。这种场地改造方式既能使城市在建成后耦合、延续山地地貌原始的起伏特征，同时也能够保证改造后每级台地的相对平整，使用地更有效地服务于城市建设，具体涉及台地单元区域划分、台地边缘界限确定以及台地高宽尺度控制3方面问题。

3.1 台地单元顺应山形地势

在对原始地形进行分台设计前，应首先从总体上对需改造区域原始地形的大体走势有清晰判断，以便将复杂的原始地形分解为简单的台地单元进行改造，并结合各级台地在现状地形条件下所处的位置与将来在城市建设中所发挥的功能确定其大致的单元范围与尺度标准，以使之后的分台建设工作事半功倍[13]。具体而言，场地分台通常从需改造场地的最低高程点(滨水侧)或者最高高程点(近山侧)开始，顺应场地的总体高程走势，逐级划分。通常情况下，滨水区域作为山地城市中重要的公共空间，在进深足够的情况下可结合地形适当扩大每级台地的宽度，消减台地与台地之间的相对高差，以便承载更多的大型公共设施、为城市居民提供更为开敞的活动空间；而在山腰、山麓地段，城市建设相对密集，用地功能类型复杂，场地分台需结合用地职能需求调节高宽尺度比例，以减小台阶地之间高差，增大阶数的细分处理为宜；而在近山一侧区域，地形高差较大，常出现峭岩、崖壁地形，在用地功能设置上多以居住用地等对地形适应能力较强的功能为主，而在台地处理上则以缩减每阶台地宽度，增加台地间高差的方式予以协调(图3)。

图3 山地城市台地单元、台地边界对地势地形的耦合适应
Fig.3 Coupling adaptation of topographical terrain and platform topography to terrain topography in mountainous cities

3.2 台地边界耦合地形现状

在台地单元划分范围确定后，山地城市场地分台改造工程需进一步结合现状地形的起伏情况确定场地分台的边缘界线，以便施工定位和场地与道路的交通连接[14]。具体而言，台地边缘线的划分应首先应保证相邻台地间边界线顺应等高线走势，保证分台改造后的场地与原始地形紧密结合，减少挖填改造的土石方量；但若分台线过于顺应自然，则划分出的台地空间将不利于建筑空间布局，需要进一步“修剪”以使用地尽可能规整，利于建设。因此，场地分台线的划定需根据微观地形特征与城市建设需求综合考虑(图3)。另一方面，若台地边缘线与道路相接，从交通联系的角度还需尽量控制边缘线平均标高与道路设计标高之间的平均高差，以保证地块交通连接与使用的便利；此外，当改造场地内局部区域包含现状保留建筑时，台地边缘线的划分应与既有建筑及其场地保持一定距离，确保其地基的稳定性，同时保证现状建设区与新建区域之间高差的消化与联系(通常控制距离在5～10 m左右)。

3.3 台地尺度配合使用功能

最后，在结合地形地貌划分好台地单元与边缘界限基础上，山地地形的分台改造还需结合每处场地所承载的功能需求，逐级确定台地的尺度关系。对此，前苏联城市规划与地理学家B·P·克罗基乌斯通过系统研究发现：在山地城市中，场地挖填的体积增量随挖填深度的增长呈几何量级发展。因此，改造山地原始地貌的土石方挖填操作应局限于一定深度的地层浅表。如果剧烈地形改造所造成的挖填深度超出一定控制范围，不仅会增大工程的难度与造价，更会带来对基地土层、地下水以及土壤中植物根系的破坏，对城市生态环境产生不可逆影响[15]。具体而言，场地挖填改造平均深度的经济值宜控制在原始地形高程上下20 m范围之内[10]。而当场地改造挖填深度或高度超过这一数值时，场地改造的工程量将大幅增加，同时对山地原生环境的破坏影响也极大。在改造过程中，根据改造用地总规模大小及其承载功能差异，对建设场地平整程度的要求略有不同：建设台地间的高程阶差(相邻台地间的高度差)宜控制在5～20 m之间；台地宽度(每阶台地的进深空间)则一般控制在20～100 m范围，结合用地功能关系设置，确保1∶4至1∶5的高宽比例，确保场地间在建设后既能具有一定的山地地形起伏关系，又能保证各级场地中建筑有足够采光距离，而台地长边的控制值则宜在50～1 000 m之间(使地块长宽比在1∶2.5至1∶10左右)、相对规整，以便于功能性建筑与外部空间的布局与组织(图4)。

图4 山地城市台地高宽尺度与用地功能的对应关系
Fig.4 The correspondence between the platform scale in the mountainous area and the land use function

综上，在山地城市建设中，台地细分是适应中观地形的有效方法。而在细分台地的过程中，应重点把握城市原生地形与次生功能之间的耦合关系，结合场地在城市建设中的空间位置与承载功能合理控制长宽、高宽比例，以提升场地改造工程的经济性与改造后用地空间的使用价值。

4 高差消化：接地组织

对原生地形的分台改造产生出非连续的台地空间，这些空间之间仍存在高程落差，无法直接取得交通联系，需进一步通过建筑与场地设计予以衔接，消化高差。在此过程中，应将建筑室内外空间与不同标高层的场地作为整体考虑，采用因地制宜的建筑接地方式与外部空间处理进行系统组织。

4.1 建筑接地处理

在建筑接地处理上，山地建筑学家唐璞教授曾总结出传统山地建筑适应自然地形的台、吊、挑、坡、靠、拖、梭、跨、错、架、分、合等12种方式。这些多样化的传统建筑处理手法为不同条件下山地城市的建设提供了多种选择。在现代山地城市台地高差处理上，上述接地方式归纳起来可形成悬架、吊崖、错叠、覆土4种典型模式：悬架模式是通过竖柱支撑或横梁、悬索结构承担建筑荷载，使建筑底面与地表面完全或部分分离的一种接地模式，对台地高差变化的适应能力较强，可保持建筑本体平面形态的完整与内部空间采光、通风效果，同时可使出挑部分的室内空间具有轻盈感和开阔的视域，在各种文化、博览类公共建筑设计中应用广泛。吊崖模式则为建筑空间与台地轮廓相互咬接嵌合的一种接地模式，结合了吊脚、附崖等传统建筑处理手法，与分台场地的契合度较高，可利用建筑自身形态变化对上下台地空间与轮廓进行调节。错叠模式为建筑逐层错叠，通过层叠的内部空间对位于不同高程的外部场地进行连接的接地模式，其随标高层面积变化而收放，建筑出入口结合上下台地分层设置，在建筑室内空间的采光与通风问题上具有一定局限，需通过建筑依附台地堡坎的进深空间进行调节。最后，覆土模式是建筑内部空间部分或全部掩于地表之下的一种典型山地建筑模式，常利用坡台地之间的高差区域结合实际地形朝向与城市小气候环境进行建设，充分争取采光，同时保持山地原生地形轮廓与肌理，其为“洞穴”母题的再现，有利于节约用地(图5)。

图5 山地城市典型建筑接地与外部空间处理方式
Fig.5 Typical building grounding and external space treatment in mountainous cities

4.2 外部空间设计

通过多元化接地处理后，会在不同台地之间形成连接不同出入口的建筑外部空间，对于这些外部空间，可通过梯道、坡道、斜面、堡坎等方式结合室内外空间功能流线的组织对不同标高的场地进行连接和分隔。梯道是以立体的阶梯、踏步方式联系上下场地标高的典型山地外部空间组织形式，同时具有交通性与景观性特质；坡道为通过斜度不超过8.33%或1∶12的连续斜面对不同场地标高进行连接的一种无障碍高程联系方式，具有交通连贯性，在公共绿地和公共建筑中应用广泛；斜面处理则适应于场地间高差不大且在水平面具有一定延展性的台地连接，其空间特点在于连续斜面既起到上下交通连接作用，同时也是可供人驻足停留、休憩与活动的广场空间，其独特的空间形式具有趣味性的视觉效果；最后，堡坎为台地间保持分离状态的一种处理方式，具有可望而不可及的空间效果，有利于塑造山地城市外部空间的层次感。为保持上下台之间的有效联系，也常通过垂直电梯或阶梯的方式对场地进行竖向连接(图6)。

综上，在面对场地与场地之间以及场地内部微地形的台地高差时，山地城市的场地分台还需进行系统的空间联系与组织，以悬架、吊崖、错叠、覆土的建筑接地方式以及梯道、坡道、斜面、堡坎等外部空间处理手法消解微观层面的地形高差，将建筑室内与室外空间结合起来统筹考虑，形成富有特色的山地城市形态特征与空间环境。

5 结语

我国是一个多山的国家，辐员面积70%为山地，半数城镇建设、发展于山地环境之中[16]。伴随城镇化进程由东部平原人口稠密地区向中西部山地、丘陵地区的推进，山地城镇的数量与建设强度将进一步增长。因此，山地城市的空间规划与建筑设计方法在我国未来城镇化过程中具有重要价值。在山地环境中，如何结合自然地形建造人工场地是山地城市规划建设必须首先回应的问题。山地地形的高低起伏与平原地区城市有着显著差异，其场地设计需更加契合客观地形特征与交通联系机制。为此，引入“适应性”的理论视角，结合适应性理论的平衡、耦合与组织思维，从宏观挖填改造、中观分台调节与微观接地处理3方面分别探索符合山地城市地形特征与营建规律的场地设计方法，以完善相关规划、设计理论，指导山地城市建设实践。