城市天际线美感定量指标评价研究比较

■ 吕圣东 LYU Shengdong 严婷婷 YAN Tingting 李 蓝 LI Lan

0 引言

欧洲风景公约（The European Landscape Convention，简称ELC)认为，在所有感官中视觉占主导地位，其比例高达87%[1]。感受城市、理解城市、塑造城市在视觉的感知也超过其他方式。凯文·林奇认为，道路、边界、区域、节点和标志物是城市空间意向的主要构成内容[2]，城市天际线是边界与标志物的复合要素，是城市设计的重点之一。天际线的尺度与视点的位置存在关联，可理解为宏观、中观、微观三个从轮廓到细节的层次。不同层次的构成要素也不尽相同[3]。《牛津英语字典》中，天际线被定义为“天空衬托下的土地和建筑物轮廓”，现实中土地的轮廓往往是指山体地形的轮廓。因此，天际线的构成或有山体等自然要素与建筑轮廓共同构成。智能规划时代的到来[4]，定量评价具有与智能平台对接的先天优势。天际线美感是视觉的分支，定量评价天际线美感对天际线研究具有时代意义。

1 国内外天际线定量研究的现状

各大城市诸如伦敦、芝加哥、纽约、中国香港等城市在城市设计中陆续通过高度、体量等要素的控制来设定合理路径，引导更美好的城市天际线。通常天际线研究的方向有保护性研究控制与美感引导型研究控制。诸如伦敦的战略眺望景观，旨在保护历史遗迹观赏性的天际线控制，《香港城市设计指引》中，对山体可见性与协调性的天际线控制，而芝加哥、纽约的天际线控制更多旨在美感度的提升。

目前关于天际线的研究较多，其中关于天际线定量评价的有以下成果：澳大利亚学者Tom Heath通过模拟天际线类型，以人群喜好试验，判断复杂程度高的天际线具有更高的美感度，可以通过轮廓曲折度与空间层次度来定量描述[5]；钮心毅等借鉴Tom Heath对天际线美感评价提出了天际线的曲折度与层次感为天际线美感度的评价指标，并以北外滩为例，提供优化方法与思路[6]；Arthur Stamps 通过实验从几何分形视角提出，天际线美感，受到形状( 凸面、凹面和平整)，建筑屋顶轮廓线的转折点数量，单体建筑在面宽、净高、进深及后退红线等属性上的变化程度等三者对天际线的感知影响[7]；黄立等以Arthur Stamps的模拟评价方法，研究了武汉沿江大道的天际线，运用了天际线形状、平均转折点数、建筑高度的变化程度等指标评价美感度[8]；曹迎春等从几何学角度以分形维数论证了美妙的天际线分形维数高，但分形维数高并不能证明天际线的美感[9]。从现有研究中整理较有应用价值、前沿价值的评价指标，用以研究比较。

2 天际线定量研究的指标分析

依据各研究的指标及其个性特点，存在宏观尺度形体抽象的指标与微观尺度建筑组群变化指标，前者更多用来描述整体特征，后者用来描述细节特征，而建筑色彩等要素与天际线形体特征并无关联，故不纳入研究。按尺度将定量指标分为两种类型：宏观形体抽象角度描述和中微观建筑组群角度描述。

2.1 宏观形体抽象角度

视觉认知中有很多视觉属性很少被人注意到，并且不会影响视觉评价，为了管理提升视觉美感度，集中研究在影响天际线美感的核心要素属性上，可以有效地提高天际线美感度评价的准确性。宏观形体抽象的研究更具有概括性，常见的有描述形体感知的轮廓曲折度、轮廓节奏指数、空间层次度以及从数学分形角度提出的分形维数方法。

2.1.1 轮廓曲折度——韵律感

研究表明，曲折度越高，观察者的喜好程度随着升高[10]，符合经典美学中韵律感的美好感知。曲折度的量化方法：通过实景照片矢量化，三次样条曲线抽象天际线轮廓，最后，以低点划分段落，相邻两低点与中间高点组成波段，低点与高点差值之和（△h1+△h2）与两低点水平距离（△L）之比的百分数来计算轮廓曲折度。曲折度的指数越高，说明单个波段轮廓变化越丰富，地标建筑形象越突出。加和平均后可以比较连续天际线的起伏变化程度，鉴于天际线的类型有单峰、双峰、多峰类型，因此，单一曲折度比较不足以完整评价天际线美感，但具有极高的应用价值。轮廓节奏指数的计算原理与之类似，但前者表达的是整体曲折状况，后者表达的是波动起伏状态。轮廓节奏指数是将相邻建筑高差30m作为临界值，＞30m则认为是起伏轮廓，＜30m则认为是平缓轮廓。以此为依据量化天际线长度上的比值，轮廓节奏指数＝轮廓波动段长度／城市轮廓总长度×100%[11]。可以看出，轮廓曲折度与轮廓节奏度，分别对天际线段落节奏与整体节奏具有较强描述价值，后者结论更为抽象。两者的运用可以通过虚拟视野面为基础的真实视野模拟方法结合cad、三次样条差值计算，来实现天际线美感的节奏维量化（图1）。

2.1.2 空间层次度——层次感

层次感是经典美学法则之一，天际线的层次性也是宏观抽象维度非常重要的评价指标之一[6]。层次度的定量描述可以依据从视点到天际线的整体立面，将立面依据建筑层次分为前廓、中廓、后廓，设定前、中、后三轮廓面不重叠的面积分别为Sf、Sm、Sb，三者的比例总计100%，以Sf∶Sm∶Sb描述天际线的层次度，若三者比例相对均匀，则认为层次度较好，若三者存在某项差距悬殊，或一项独大，可认为层次度较低（图2）。

2.1.3 分形维数——协调性

空间可索性可以提高视觉空间的神秘感[12-14]，可索的空间通常富有层次性以激发空间兴趣。分形刺激的心理学研究表明，人们对刺激特性的变化作出反应，而不是对分形维数作出反应[15-16]。数学家曼德布罗特( B. B.Mandelbrot) 提出的分形( Fractal)用来描述相似或同一形状在不同尺度下的重复，具有一定的统计学意义，但是受限于天际线尺度的相对宏观与人眼观察的局限，层次过多的分形在实际上对天际线美学评价的意义并不是很大。也有研究表明，天际线的复杂度与分形维数之间存在正相关关系，可在一定程度上弥补主观美学评价的不足，具有复杂度吸引力的天际线通常分形维数较高，而反之则未必成立[9]。有学者研究了分形维数与天际线的喜好关系，如果天际线的分形维数与周围景观的分形维数相匹配，天际线会看起来更好[17]。Fractalyse2. 4(计算获得天际线分维数)是用于计算分形维数的辅助软件，其应用程度相对专业，对于规划人员科普及程度不高（图3）。

图1 轮廓曲折度计算[6]

2.2 中微观建筑组群角度

关于形状感知的心理学研究得出结论，形状的边缘可能比形状内部更重要[18-19]。这些对建筑组群或个体描述中，有三个值得研究的微观形体视觉属性：天际线上建筑物的转弯数、建筑物空间形体属性的变化和地标首位度[10-11]。

2.2.1 建筑平均转折点数——趣味感

建筑平均转折点是物理变量角度对建筑形体属性的描绘，有研究表明，众多客体特性的描述中，复杂性受到了最广泛的研究关注。Zusne 认为，感知的复杂性更激起观察者兴趣，而复杂性与屋顶线的转弯次数关系密切相关[20]。天际线轮廓的场景复杂性与建筑平均转折点数存在正相关关系。关于形状感知的心理学研究也表明，形状的边缘可能比形状内部更重要[21]。因此，可将屋顶线的转弯抽象为平均转折点数，用来描绘屋顶的形体复杂程度。Stamps用实验的方法论证了建筑平均转折点数与天际线美感感知的正向相关关系。单个建筑屋顶线的转弯数（4、8或12），建筑属性的变异程度对判断的趣味感与兴趣点影响最大。无论整体形状如何，受访者都喜欢崎岖的天际线而不是简单的天际线。这些发现表明，对天际线外观的规定应侧重于四个建筑属性（高度、宽度、深度和后退）的差异[10]，其中建筑平均转折点数具有较强的可利用性（图4）。

2.2.2 建筑起伏度——节奏感

Stamps对模拟设定的21条天际线进行了两项偏好研究。第一项论证了天际线的环境背景对偏好没有影响；第二个研究论证了所有的天际线在高度、宽度、深度和后退方面都有相同的变化，但是一半的天际线具有分形结构，另一半则没有。与简单方差相比，加入分形结构对偏好几乎没有影响。以上研究可以得出了一个假设：单纯形体方差（单个建筑的四个属性的变化程度：高度、宽度、深度和后退）是一个有用的、不受其他因子干扰的天际线设计影响要素，受访者都喜欢多变的天际线而不是平直单调的天际线。而建筑这四个属性在天际线的表达中，其中尤其以建筑的起伏程度最为明显（高度）。为了避免与轮廓曲折度发生质性重叠，建筑起伏度更关注微观尺度上相邻地块的建筑高差关系，以百米街区为尺度，按水平距离100m为模块，计算单元内相邻建筑的差值，叠加后的数值(△h1+△h2+……+△hn)取其均数作为街区建筑起伏度，可从微观尺度描绘天际线的起伏度（图5）。

2.2.3 地标建筑首位度——中心感

图3 几何分形[7]

图4 建筑平均转折点数[10]

对天际线的实证研究了天际线形状和结构顺序的影响[22]。人们认为简单形状（凸形）的天际线更有序，比多个均匀起伏的拱形天际线更受欢迎。因此，更受欢迎的天际线应该具有中心感，而可以用地标建筑首位度的量化描述来表达天际线的中心感（图6）。在确定研究的天际线范围内的最高建筑减去范围内塔楼的平均建筑高度△ht，再除以最高建筑的高度ha，可以得出具有一定参考价值的建筑首位度指标，用以描述地标建筑高度的显著程度。

2.3 量化指标比较

2.3.1 各指标的尺度差异与感知类型

轮廓曲折度、空间层次度、分形维数三个量化指标，都是出于宏观轮廓抽象的美感评价。轮廓曲折度从二维抽象的方式将天际线的竖向、水平向维度结合，可反映整体天际线的韵律感；空间层次度则将前后方向的竖向层次以定量描绘；分型维数作为具有探索意义的量化方式，可用于比较前后（建筑与环境）层次的和谐感，但应用复杂度高。

建筑平均转折点数、建筑起伏度、地标首位度则是出于中微观对建筑组群与个体的比较。建筑平均转折点数是对可见于轮廓线的建筑复杂度的描述，而多元的类型便于营造趣味感；建筑起伏度是对天际线段落垂直向变化的描述，以及段落之间的关系，感知竖向序列节奏；地标建筑首位度在竖向上以中心感为感知诉求，体现地标中心的整体控制力（表1）。

2.3.2 各指标的可应用性与方法

除去分形维数需要专门的Fractalyse2.4软件，其余诸如轮廓曲折度、空间层次性、建筑平均转折点数、建筑起伏度、地标首位度，均可依据现有的空间场景，通过cad、gis模拟，以各自计算公式量化比较。反观高复杂程度的分形维数，可应用性反而更低。基于方法应用前的鉴别天际线美感优化的层次工作则显得同样重要，准确判断天际线美感的宏观或微观层面问题所在，进一步以多方案比较，选择合适指标组合，可利于方法的准确运用（表2）。

3 结语

天际线的研究与设计涵盖大量的经济、文化、政治等因素，是一个动态的、长期的、协同社会发展的过程，受到诸多变量影响，这也凸显了从理想到现实需要明确的目标来指引。关于建筑体量与组合的美感体现等技术性内容，是剥离了经济、社会等影响的理想状态研究，可以帮助天际线美感度的引导管控，而定量的方法则进一步在理想的状态下，引入了更为理性、科学的方法过程。基于城市战略性公共空间视点的判断基础上，设置天际线观察点，以动态视角，模拟天际线空间，定量研究美感体验，揭示天际线美感度的深层意义，可以从天际线不同层面的视角，对设计者或研究者提供改善方向的借鉴与参考。进而避免中心区建筑无序、均质叠加，造成标志性天际线的单调化。这些指标可以在视觉感知的韵律感、层次感、和谐感、趣味感、节奏感、中心感等方面提供定量优化评价方式，优化规划成果，形成精准决策[23-24]。

图5 建筑起伏度[10]

图6 天际线类型[10]

表1 各量化指标性质比较表

表2 各量化指标应用比较表