城市设计工具的历史演进与逻辑特性

任 宇

徐小东

城市设计工具是人们实现设计目标的主要技术载体，在城市设计的不同阶段不断发展演变，发挥出积极作用，并逐渐成为城市设计不可或缺的组成部分。当下，城市建设逐步由外向生长到内向提升转变，在新型城镇化背景下城市设计被寄予更大期待，对设计工具提出了新要求。当下，加强城市设计工具研究具有多重意义，在梳理城市设计工具演化进程的基础上，确保城市设计的科学性与前瞻性，加强对传统城市设计工具价值的再度挖掘。

设计工具的更迭，常常伴随着新的方法和思路的出现，为城市设计发展带来新机遇。工具、方法与思路三足鼎立，依托于城市设计过程发挥作用，助力这门学科的前进。工具可定义为：依附于人而不属于人的肉体本身、为人所利用来作用于环境以表达和实现人的意志的物质实体[1]；方法是指为实现一定目标所行的方式与步骤；思路则指思考的条理、线索。以匠人用刀斧将原木雕刻成工艺品这一过程进行类比，可明晰三者存在差异：雕刻用的刀斧是工具；匠人工作时使用的劈、砍、刻、磨等技巧是方法；如何利用这些技巧操控工具，将木材制作成工艺品的思考流程是思路。所以，狭义来讲，城市设计工具是指：以城镇物质空间环境的组织优化为基本目的，对特定时空背景下的形态秩序及其环境要素组织[2]进行综合性设计的过程中所使用的器具与设备。但随着城市设计工具的不断发展与数字化倾向，三者间的界限越发模糊。在目前众多与城市设计相关的实践和研究中，更倾向于将城市设计的“工具”、“方法”、“思路”结合在一起进行讨论，统称为“城市设计工具（或技术）”。

目前，我国对城市设计工具领域的研究大致可分为两类：其一，主要致力于对某一种或某一类城市设计工具的开发、运用、验证和总结，譬如贺志军《GIS 在生态城市设计中的应用框架研究》（2012）、王昱《基于车载LiDAR数据和街景照片的街道美景度评价》（2016）等；其二，偏重对工具体系的研究，但大多是针对先进的数字化工具展开，对于目前仍然大规模使用的传统城市设计工具的涉及相对有限，比如赵紫晔《城市设计数字工具及其应用思想研究》（2017）。在此基础上，本文从城市设计工具的演化出发，分析不同阶段出现的工具、现象与规律，尝试对不同阶段城市设计工具之间的相关性进行探讨，以进一步明晰城市设计工具在其演化过程中所处的位置与发展方向，为未来城市设计研究与实践提供参考。

1 城市设计工具的演进历程

当设计工具、方法与思路之间达到一种相对稳定的状态时就可以形成一个新的发展阶段；前期发展阶段通过技术变革打破稳定，建立新的秩序后就发展到下一个阶段[3]。20世纪90年代，城市设计从手工绘图、人工制模转变为计算机制图与建模，设计工具迎来第一次革命；此后，随着GIS、BIM等技术工具的普及，城市设计不可逆转地进入三维化、数字化阶段；近年不断涌现的各种数据处理技术、机器学习技术进一步反映了城市设计在此方面的多种需求。相应地，设计工具的演进过程大致可划分为三个阶段。下文主要从时间、构成、特性及其优缺点对不同阶段的设计工具进行介绍，力求较为系统、清晰地展示城市设计工具的演进历程。

1.1 传统工具主导阶段

工业文明兴起之前，城市设计师多由精英阶层担任，譬如统治者、艺术家或建筑师等；群众无法真正有效参与到设计中[4]。相应地，设计成果大多遵循美学原理，通过空间序列、尺度比例等来体现设计意图。这一阶段城市设计工具尚未分化出较高的独立性——譬如用于勾画草图的炭笔，也完全可以成为艺术家手中描摹人像的工具。它们按功效可分为测量（如定位、定向、度量）、绘图（如划线、填色）及制模等工具类型（表1），设计信息则大多以图纸与模型为载体，保障了最基本的储存与交流功能。

传统城市设计工具的主要特点是工具自身不具备信息处理能力，使用者需要直接操作工具完成每一个信息处理步骤。比如，持笔速写时笔不可能自己绘画，每一根线条都需要操作者亲自描绘；且所得绘画成果不论粗细大小都要经过人脑的预先处理，正如速写的每一细节都要经过绘制者的观察思考产生，那些没被观察到的部位，往往成为画面上的留白。同时，这一阶段的设计工具也未呈现出较强的阶段性和针对性，而是较为均质地参与到城市设计的各个阶段——调研与分析、立意与构思、设计与深化以及评价与反馈。设计过程中基本以尺规、纸笔、刀具为工具，以人作为操作主体，以图纸、文字、模型为主要输出成果，即：调研阶段通过速写、笔记等记录、转化信息，再通过模型、草图等来辅助立意构思、推敲方案，最终由图纸、文字、模型来展示成果、进行评价反馈。

传统城市工具在城市设计中一直扮演着重要角色，如今虽然在信息采集、评价反馈、成果输出方面逐步淡出，但在立意构思、设计深化阶段（尤其是方案设计初期）仍有着不可动摇的地位。此外，这一工具体系尤其适用于城市设计从业者的基本功训练和素质培养。因为该阶段城市设计工具大多由人直接操控，转换环节少，与复杂的机械或电子产品相比更容易成为“人类肢体的延伸”，及时跟上人的思维变化。在此过程中，人工操作的结果不确定性更强，不像计算机作图那样每一根线条都须清晰明确。在反复地涂抹、描摹中，动作的速度与大小、持续性与频率不尽相同，能激发大脑不断思考，更易达到收放自如的效果。然而，传统城市设计工具也有相对落后之处：对设计者思维的表达存在偏差，图纸、模型往往并不精准；与实际建设之间也存在鸿沟，受载体的限制，设计信息的储存与传递效率低下。上述因素限制了城市设计的深度和科学性，致使其中的感性成分多于理性成分。

表1 传统城市设计工具分类及相关要素

表2 初级数字化阶段设计工具构成

表3 多元数字化城市设计工具的构成

图1 工具叠合构架示意

1.2 初级数字化工具主导阶段

工业革命后，城市快速扩张，经济、技术、社会环境变化与越来越多不确定因素产生[5]，城市设计的方法与思路也产生了巨大变化，但设计工具并没有太大的革新。直至20世纪40年代，计算机的问世为设计工具的数字革命提供了必要条件，同一时期，美国学者率先提出城市设计概念[6]。经过40年，数字化终于在设计领域如火如荼地展开。最明显的转变体现为城市设计由手工画图、制模转变为在计算机上操作；与此相应，信息载体也从羊皮、纸张变为磁盘，兼具可复制性和便携性。初级数字化阶段代表性工具有CAD、SketchUp等，它们初步具备了处理基本几何信息的能力，但还未能整合更多更复杂的城市与建筑信息。该阶段工具多由硬件、软件两部分组成（表2）。其中设计软件为了便于认知和接受，大多参考传统非数字化设计工具的分类情况[7]，相应地分为制图软件、建模软件等类别；但究其工作逻辑可发现，定向、定位、划线程序在功能和命令层面上已有很大交集。

这一阶段的设计工具与上一阶段呈现出若干本质差异。首先，就工具本身而言，第一阶段的工具往往是一个物质实体，其更新迭代往往可以在形态结构上找到痕迹；而该阶段工具通常是硬件和软件的结合，其中硬件的完善尚有迹可循，软件却更像是一种嵌入式的数字化知识[8]，需要从抽象层面去认知。其次，设计者和信息载体之间的关系不如从前那么直接，在以纸张为载体的时代，人们可以直接从图纸上获取信息；而数字化时代的信息被记录在磁盘上，通过电磁转换形成的数字阵列来表示不同信息，人们需要特定的转译工具才能获取其中的信息。最后，工具的操作方法也有很大不同。传统设计工具往往需要不同的身体部位与技巧来操作，且因个人理解与操作目标的差异，产生的结果也不尽相同。数字化工具的操作方法则很少受工具类型、操作者理解与目标的影响。使用者的动作仅限于对键盘、鼠标的点击。这也意味着原先在操作工具时使用的部分方法与思路都已经融于工具中。

初级数字化工具的出现，有助于城市设计人员提高计算、分析、表达的效率和精度，信息储存与传递也更加便捷。因此，这一阶段与城市设计相关的研究与实践进展迅速。随着初级数字化工具的规模化应用，不少潜在问题日益显现：城市环境的同质化现象严重，逐渐丧失在地性特色，人本精神日益缺乏。

1.3 多元数字化工具主导阶段

21世纪初，BIM、GIS等集成海量功能的数字化工具开始广泛应用于城市设计。这一阶段的工具往往将多种设计信息集成在同一个平台上，方便使用者对其进行综合分析。由于这些平台的数据大都储存在云端，可随时更新，使用者收集、整理信息的过程变得高效便捷，利于城市动态设计思维[9]的贯彻，“自上而下”和“自下而上”两种城市设计模式[10]得以平衡。此外，这些工具还能将设计与分析的成果直观地展现为图表、色彩等，起到“思维具化”[11]的作用，易于操作和理解[12]，也利于创造性的激发。

根据工具自身特性以及在城市设计不同阶段中发挥的作用，可将这一阶段的城市设计工具分为基础建构工具、平台搭建工具、数据显影工具和设计评价工具[13]四类（表3）。

多元数字化工具主导阶段，设计工具除了提升设计效率外，亦为立意构思、设计推敲、评价反馈提供了更多路径。此阶段工具逐渐智能化，其科技黑箱的色彩愈发浓厚。譬如，在研究城市色彩时，使用者可以让计算机自行对城市图像进行识别并统计、记录相关数据，不需要对整个过程进行全面把控，但获得的结果却更加可靠。如此，人们可将精力更多集中到更上层问题的思考中去。与此前相比，城市设计的科学性和理性得以进一步提高，设计重点也从单纯的形态推敲转向更加本质、科学问题的分析与思考。

随着城市设计相关研究的细分，更多、更具针对性的数字化工具应运而生，如风环境模拟工具Butter f ly、图像识别工具OpenCV、行人流动仿真工具SimWalk等。其所能处理的信息不再局限于物质空间层面，更可涉及资本逻辑、权力逻辑和市场逻辑[14]等。多元信息整合有助于研究者透过城市空间表象探索其内在联系，以此发现城市症结的根源、预测发展的趋势，从而有理有据地优化城市空间。

2 城市设计工具演进的逻辑特性

2.1 城市设计工具演进的逻辑

城市设计工具一方面要满足设计的基本需要，提高效率；另一方面也须不断回应相关新思路、新方法的涌现，推动城市设计持续完善和提升。事实上，“功效”一直是衡量城市设计工具进步的标杆。早期城市设计工具主要为实际建设服务，以效率提升为目标。随着蒸汽、电气、信息时代的相继来临，工具的增效性以几何倍数地提高，城市设计的服务对象也发生了较大变化。设计工具逐渐承担了帮助设计者把控设计方向、深度和进度的重要职责，为设计的精准性和科学性提供保障，并潜移默化地影响着设计者的行为与思考模式。回溯历史，城市设计工具的每一次革新都是针对原有工具的缺漏和外在需求进行修正与补充。目前，设计工具正在实现由机械性到智能性的转变，并逐渐兼顾设计成果的“温度”[15]，亦即人性关怀。

从时间上来看，各阶段出现的工具呈现出两种基本关系：首先，不同阶段的工具之间是一种递进关系；其次，这种递进不是后者取代前者，而是互相叠加、融合的关系。随着城市设计工具的日益叠合与递进，逐步完成了由无技术到融合多元技术、由完全人工操控到自身具备学习能力和信息处理智慧的飞跃。

设计工具叠合模式主要表现为引介和操纵两种类型。其中，“引介”是指借用其他学科或领域的技术、器具作为设计工具，用以弥补原有工具的欠缺，使其具备新的功能。比如城市设计领域常用的GIS工具，最初便是从地理学领域引介的。“操纵”具有两层含义：其一，通过使用方法的拓展使原有工具具备新的功能；其二，进行不同工具的结合进而填补新需求。比如，用罗盘等度量工具进行风水研究，就是改变使用方法来增加工具功能的做法；将摄像机与飞行器连接整合，形成目前城市调研常用的无人机，则属于通过工具间的组合来实现功能提升。从本质上来看，这两种发展思路都是使用者对已有设计工具的再度挖掘与开发，可以实现如下目标：一是简化操作，降低人工劳作负荷，提高设计效率；二是创造新功能，实现原有工具无法完成的任务。

上述两种模式都是以某一层次的工具作为“制造工具的工具”的基础，其在质料组成和技术组成上属于制造出的更高层次工具的一部分[16]。更高效、功能更完善的工具的产生，离不开工具叠合的作用。通常情况下，叠合次数越多，得到的工具层次也越高，而工具、方法与思路的混合程度也越高。所以，工具叠合不是简单个体数量的叠加，亦涵盖了相关方法和思路的融合。即便是由两个最基本的个体叠合而成的工具，也往往具备这两者原来所没有的功能，因而能发挥更大效用（图1）。

2.2 城市设计工具伴生的危机

根据工具“叠合”的发展方式可推断出工具演化的结果，亦即：趋于将大量重复思考进行替代，而不仅仅是人们通常认为的体力劳动。譬如，古代工匠需要数十年如一日地磨练自己的技艺，才能用寥寥数把刀具将木材处理至理想的状态；及至现代，即使是一个未经专业训练的普通人，也可通过轻松操作各种专门化的刀具、磨具达到相同的效果。这里省去的不仅是繁重的体力劳作，更多的是对工具与被处理对象之间关系与变化的思考。这表明随着工具的发展，较低层级的工具、方法、思路逐渐趋于融合，成为更高层级工具的一部分。由此便不难发现随着城市设计工具的演进可能会出现以下问题：

其一，低层级思考、操作的缺失会对高层级思考、决策产生影响。数字化工具在大量替代人的体力与脑力劳动、简化操作的同时，不可避免地减少了人在设计过程及环节上的参与，从而降低了设计者与基础设计信息互动的机会，限制了设计成果的多元性。譬如，人们常常会思考，一个疏于手绘训练的学生能否利用计算机辅助制图软件设计出丰富而优秀的方案？现实中存在许多习惯使用CAD的设计者，但由于此款软件在三维曲面设计能力上的不足，导致使用者逐渐在潜意识中将非线性形体率先排除。此类现象可以视为由于工具限制、替代了特定的操作与思考而对设计者思维产生的反作用。

其二，高层级工具中包含低层级的工具、方法、思路是否客观、完善会直接影响高层级的思考结果。由于低层级的工具、方法与思路的作用常常是为高层级思考奠定基础，如果这些用以分析的信息有疏漏，其结果必然会有不足或偏差。例如，在进行城市色彩研究时，利用爬虫进行现有街景图片抓取，由于代码不完善，未能获得这些图片的拍摄时间、天气，会对色彩分析的准确性产生不利影响。由于工具叠合后产生的增效效应，亦即被用来代替大量重复性思考与操作，其适用的范围越大、替代的重复性思考与操作越多，漏洞的不利影响也就越大，对城市设计成果潜在的破坏性也就越大。由此可见，在进一步进行叠合以求提升工具的功能与效率的同时，也应不断地对低层级工具系统进行论证和优化。

结语

传统城市设计工具的创造和使用多以建造为核心、以增效为目的；随着初级数字化阶段的到来，生产力飞速提高，设计工具也日新月异，它们逐渐承担了帮助设计者把控设计方向、深度和进度的重要职能，自身也通过实践不断反馈优化；而在目前的多元数字化阶段，大数据、深度学习等技术工具方兴未艾，开启了量化研究、人工智能分析和以预测为导向的城市设计新路径。

城市设计工具的每一次革新，都是以叠加、融合的方式对原有工具的缺漏和需求进行修补。体现为设计工具由机械性向智能性转变，并逐渐兼顾人性关怀。就目前实践来看，不断叠合、递进的数字化工具在未来城市设计中将日益成为中坚力量，有助于人们更加全面、精确地收集和分析各类信息，加深对城市设计意义的解读。城市设计所追求的公平与效率，也可以通过探索更加完备的数字化工具来逐步实现。传统城市设计工具也将与数字化工具一起，继续维系城市设计体系的平衡。因为除了技术要素，社会文化也是推动城市设计发展的重要条件。目前，社会文化和数字化工具的协同程度尚不足以支持其渗透到生活的各个层面，城市设计仍需要非数字化工具来支持与补益。即使有朝一日文化与工具能够相互匹配，但人类记忆与感知不能遗传的特性也决定了传统工具在城市设计基础素质的培养方面不可或缺，仍将持续发挥其不可替代的作用。

资料来源：

文中所有图表均为作者根据文献综合与编绘。