公园游步道设计提升健步功效的研究——以南京鱼嘴湿地公园游步道设计为例

王 南

魏维轩

刘滨谊*

体育可以促进人类身心健康，是一个民族的繁荣之本，是一个国家的振兴之源。中国国务院《“健康中国2030”规划纲要》[1]与《体育强国建设纲要》[2]中均强调，“共建共享、全民健康”是建设健康中国的战略主题，统筹利用公园游步道等公共设施是提高全民身体素质的重要手段。今天，以公园游步道为日常运动载体，慢走、快走、慢跑等中低强度健步活动因其节奏平稳、安全舒适、实施时空灵活，正在成为城市居民主要的健身方式。以风景园林学科为主导，融合运动医学和体育保健学知识，从优化公园合理健步量、识别游步道景观要素与健步功效的关系、评价公园游步道健步功效三方面着手，三位一体地开展“公园游步道设计提升健步功效的研究”，这是探索风景园林推动健康生活的一条基本而重要的途径[3-4]。

20世纪末起，合理健步量的研究多集中于运动医学和体育保健学领域[5]，采用双标水法、总耗氧量测定、代谢当量计算、跑台计步、加速度传感器、体力日记等方式[6]，以定性为主，进而通过模型量化，循证得出不同步频、步速、时长等变量与健康的增益效应[7]。然而，这些研究多在实验室进行，忽略了公园游步道等健步载体环境这一重要而真实的客观因素影响。

21世纪初，预防医学领域最早探索公园环境与健步的关系，认为公园游步道最能影响健步活动[8]。随后，利用GPS定位、GIS分析、ActiGraph加速度传感器的测试表明，游步道中更大的绿量、水体和更长的线路会促进健步功效[9]；借助智慧景区物联网理论，也在推动公园健康设计的发展[10]；采用客观测试、主观问询等方法，发现游步道长度、宽度、铺装、植栽等均与健步量存在量化关系[11]，出现了探寻影响健步的游步道空间形态与总结优化策略的研究[12]。

但是，健步者对特定要素的偏好、影响健步功效的公园游步道评价标准指标等研究尚待开展，客观数据需与健步活动对游步道要素的主观感应相结合。且相关研究多侧重于游步道的空间设计本身，健步量、健步偏好、健步路径等运动医学、体育保健学因素仅在研究初期涉及，而深入到通过游步道设计来提升健步功效的问题仍然属于未解之谜。适宜我国健步者的公园游步道健步量是多少？健步者主观偏爱哪些游步道？哪些游步道客观上更适宜健步？如何评价游步道的健步功效？如何优选公园游步道中的健步路径组合？如何以风景园林设计提升健步功效？等等，诸多问题有待破解。

以上种种问题表明，无论“景观+健康”或“运动+医疗”均局限于“二元”领域，其突破点在于实现风景园林、医学、体育学“三元耦合”而成的“公园游步道设计一体”的“三元一体”研究战略：在风景园林游步道空间内实现健康健步量的医学落地、识别游步道景观要素与健步功效之关系的体育学落实、探索评价公园游步道健步功效的风景园林学途径，即景观要素、游步道、健步活动“三元耦合”的综合研究，优选最能提升健步功效的游步道一周健步路径组合，指导公园游步道健康设计(图1、2)。这正是本研究的基本思路。该思路源于刘滨谊教授提出的“人居环境三元论”和“风景园林三元论”，并在其主持的诸项国家自然科学基金项目研究中得到了成功应用[13-14]。

1 公园游步道合理健步量的Meta分析

1.1 Meta分析方法

采用Meta分析检索目前已相对成熟的健步量研究文献，总结国际上广泛认同的合理健步量。但公园游步道中的健步量仍需通过现场实测进一步认定，后期调研测试后再修正分析结果。以“physical activity/walking/jogging”与“health/healthy”等为英文关键词，检索Pubmed、Web of Science、Scope等外文数据库；以“体力活动/步行/行走/慢走/散步/快走/健走/慢跑”与“健康/适宜/合理”等为中文关键词，检索中国期刊全文数据库(CNKI)，收集相关论文。质量评价筛选后输入Revman 5.3与Stata 14.1软件统计分析，以begg和egger法评价发表偏倚。

为降低研究复杂性，减少年龄差异对运动频度及强度的影响，只关注文献中25～45岁人群的健步量建议，结合重点高频次被引文献，比较其成果异同，提出本研究适合的健步量。

1.2 公园游步道合理健步量优化

Meta分析中的重要文献包括对能量消耗测定方法的研究，如用计步器、跑台、体力活动日记等推算了步行能量消耗和一日总能量消耗公式[15]，概述了体力活动与健康的关系[16]；也包括具体的指标，如通过测量场地步行的能耗特征，根据ROC curves确定的步频切点，提出我国成年人每日至少以110步/min的步频行走30min，或以相同步频每日走3 200步，或步行2km，在步行速度达到130步/min以上时有额外的健康效益[17]。

重点高频被引文献中，常提及我国的《全民健身指南(2017)》[18]与美国的《美国体力活动指南(2018)》[19]。前者指出：对于经常锻炼的人，每天有效健身活动时间应为30～90min，每周运动3～7d，进行30～60min的中强度运动，或20～25min的大强度运动；其中，运动强度主要以心率(＜100/min为小强度，100～140/min为中强度，＞140/min为大强度)、呼吸和主观体力感觉划分。后者建议：成年人每周应有150～300min的中强度(3～6METs)有氧运动，相当于每周5～7d、每次30～60min的快走或慢跑。

1.3 公园游步道一周健步量组合方案

综合上述成果，基于各类建议健步量方案的平均值，并考虑国民身体素质，咨询专家后确定：以户外空间运动为宜，长期稳定的体育健身活动至少应包括每周进行200～300min的中强度运动，经换算即为：每周5～7d，每日中强度运动30～60min，或小强度运动60～90min。

本研究的健步活动中，属小强度运动(心率<100/m i n)的包括散步、郊游、慢走等(3km/h)，属中强度运动(心率100～140/min)的包括快走(4.5km/h)、慢跑(6～8km/h)等。

结合《全民健身指南》提出的长期体育活动(一周)健身方案，暂不考虑力量训练，并将针对体能训练的快跑降级为更适宜大众体适能的慢跑活动，对健步类型、距离、时间等依Meta分析的结果进行换算，调整后的公园游步道一周健步量组合方案如表1所示。

此方案并非唯一合理的健步量组合，具体健步类型与健步量可在不同的训练日随机调整，维持总量与日间平衡即可。

2 公园游步道健步功效影响要素调查与评价标准指标设定

由于具备免费经济、方便快捷、环境优美等特征，公园游步道常成为健步的主要空间。然而，除少数体育公园外，大部分公园游步道设计并未以提升健步功效为初衷，影响了健步者在公园中的运动达标、安全与舒适，既不能适应，也不能引导健步的健康走向。因此，需分析影响健步功效的主要因素，包括健步者对公园游步道景观要素的主观偏好，以及健步活动对公园游步道景观要素的客观要求。

图1 研究战略图示——I、II、III的三元耦合构成IV的一体

表1 公园游步道一周健步量组合方案建议

2.1 南京鱼嘴湿地公园现场调查

为探寻健步量与公园游步道景观要素的关系，确定健步者的游步道空间特征偏好，于2019年5—10月，在适宜户外运动的晴朗天气下，选择运动人群较多、运动条件较好的南京鱼嘴湿地公园(以下简称“鱼嘴公园”)，在每日高峰运动时段(6：00—9：00、11：00—13：00、17：00—20：00)，共进行4组7d的有效问卷调查(n＝447)，询问以健步为目的的25～45岁人群：健步活动发生的主要路径，这些路径具有何种吸引点，对理想健步活动路径的需求等。以无人机对定点路段进行影像学调查，追踪拍照摄像健步活动较密集路段，记录健步者轨迹与活动偏好，包括：健步者常选择的公园游步道路径识别，高频健步路径的不同健步类型，高频健步路径空间特征等。

2.2 现场调查结果

鱼嘴公园共有4个出入口，主要游步道分4类(图3)：1)东西向的公园主路，人行和非机动车行，塑胶铺装；2)湿地游览路，人行，木栈道铺装；3)西侧的江河交叉口广场游园路，人行，石材和沙砾铺装；4)东侧节点游园路，人行和非机动车行，混凝土和沙砾铺装。

结合问卷调查的主观结果与影响学调查的客观佐证，表明以下几点。

1)影响健步活动的主要因素：重点在于游步道的连续度、缓弹度、平整度等客观标准指标，并辅以影响健步意愿与舒适的视觉感应美感度等主观标准指标，其各因素影响权重随健步类型的不同而不同。

2)慢跑等快速度健步活动对游步道的连续度、缓弹度、平整度等要求较高；慢跑多发生于连续度较强的主园路，因其节奏性强于其他类型的健步活动，若出现转折数量过多、交叉口打断较多，运动节奏则会受到影响，运动功效不显著，且易发生步速控制不及时而受伤等危险；慢跑人群偏爱弹性较大的塑胶铺装主园路，因运动速度较快造成关节冲击，而塑胶铺装减震效果较好；由于慢跑的大部分人群均非专业运动员，故并不刻意追求高强度训练，对坡度活动兴趣不大，甚至更倾向平坦的道路；因运动速度较快，视觉的时间感知力弱，美感度不是影响跑步空间选择的主导因素。

图2 研究框图

表2 公园游步道健步功效评价标准指标

图3 鱼嘴公园现状分析图

3)快走等中强度健步活动也主要发生在主园路，因快走活动人群也偏爱连续度较强、缓冲与弹性较好的游步道，但又需避免与跑步类快速运动不同速度的冲撞损伤，故也有选择石材和混凝土铺装的东西侧游园道路，砂砾铺装不适宜。

4)由于速度慢，慢走对游步道连续度、缓弹度要求不高，且慢速爬坡对心率体能等影响并不明显，故平整度对慢走影响不显著；人群常选择湿地栈道和西侧江河交口开阔地的游步道，景色优美、转折丰富、趣味性强，因此对美感度要求较高。

2.3 公园游步道健步功效评价标准指标设定

根据上述调查结果，结合不同健步类型，重点考虑游步道的连续度、缓弹度、平整度和美感度4度标准，依据其影响因素选取可量化的具体指标。在本研究中，针对每类标准初步采用1～2项指标进行赋分评价，并根据不同健步类型调整权重(表2)。

3 鱼嘴公园游步道健步功效评价

3.1 鱼嘴公园游步道单指标健步功效评价分析

结合合理健步量、场地调研、健步者偏爱、运动行为安全等方面的考虑，根据4度标准及初选指标，以5级评分方法分析评价鱼嘴公园游步道的健步功效。

1)连续度：调查表明，健步速度越快，越偏爱连续路径。现场较长的无转折、无交叉路段约为200m。因此，以200m为切点，结合各路段现状与偏爱程度，评价游步道连续度，评分规则为：＞200m评5分，100～199m评4分，50～99m评3分，20～49m评2分，＜19m评1分(图4-1)。

2)缓弹度：现场道路铺装多为塑胶、混凝土、木栈道、石材、砂砾，考虑运动安全与舒适，以缓冲与反弹性能为依据，塑胶5分、混凝土4分、木栈道3分、石材2分、砂砾1分(图4-2)。

3)平整度：现场游步道的最大坡度为6°，基本平整，对健步能量消耗差异较小，人群活动时的体感稍有变化，因此，<3°评5分，3°～4°评4分，4°～5°评3分，5°～6°评2分(图4-3)。

4)美感度：采用航拍卫星图观测、无人机影像摄制、现场线路全景调查、活动人群评分等方式，确定游步道的美感度。植被丰富、水景优美评5分，植被较丰富、水景较优美评4分，植被一般、水景一般评3分，植被较少、水景较差评2分，几乎无植被、水景评1分(图4-4)。

3.2 鱼嘴公园游步道健步功效综合评价

针对慢跑、快走、慢走3类运动对4度标准指标的不同需求，优化健步功效综合评价。考虑因素包括：1)慢跑——对各指标要求均较高，因速度较快，需减少转折数量，注重连续度和节奏感；因关节冲击较强，更适宜塑胶跑道；慢跑属中强度有氧运动，坡度过大易增加代谢当量，不易控制运动量；但因运动速度较快，景色因素可稍弱化，有一定绿化即可；2)快走——对连续度要求仍较高，但铺地类型可不局限于塑胶跑道，且为避免与慢跑活动的速度差异而产生碰撞，应尽量避免与慢跑路线叠合；3)慢走——常与休闲游憩相结合，速度较慢，对连续度、缓弹度要求均较低，但有更多时间欣赏周边环境，故对美感度要求较高；考虑安全性，应避免与慢跑、快走路线叠合。

根据每段游步道的4项指标评分，针对健步类型所需要的指标权重差异进行微调，优化后的健步功效综合评价以路段为单位，总体趋势仍是慢跑对道路综合评分要求更高。其中，5分为慢跑功效最优，4分为慢跑、快走功效最优，3分为快走、慢走功效最优，2分为慢走功效最优，1分为健步功效不明显(图5)。

游步道健步功效评价结果表明：连接1、2、3号入口的塑胶跑道主路评分最高，最能提升慢跑功效；其次为西侧江河交叉口广场游园主路、东侧节点游园主路、靠近南侧跑道的平行木栈道，连续度较强、缓弹度较好、美感度高，最能提升慢跑、快走功效，可作为每日不同运动方案的替换路径；夹江岸边的大部分木栈道因连续度较强、美感度较高，能提升快走、慢走功效；其余路径更能提升慢走功效，或有部分转折过多、砂砾铺装的道路，健步功效不明显。

4 提升健步功效的公园游步道健步路径优选

根据公园游步道的健步功效评价，结合合理健步量，以及优化后的一周健步量组合方案，可优选出公园游步道最能提升健步功效的运动路径，即在某一公园中，以任一日健步量组合方案为例，哪些游步道是更适宜当日类型、距离、强度、速度、时间的最优运动路径。由于人工选线工作量巨大，且缺乏科学性与客观性，故引入最佳健步功效游步道的递归模型，以大数据运算和人工筛选相结合的方式进行组合优选。

4.1 模型运算与人工优化相结合的公园游步道路径优选

4.1.1 最佳健步功效游步道的路径组合原则

1)组合距离模数原则。

模型运算根据优化后的一周健步量组合方案设定6类模数：3.5km慢走(3.5km/h)、1/1.5/4km快走(4.5km/h)、3.5/4km慢跑(7.5km/h)。

2)运动路径连接原则。

尽量以公园4个主要出入口为起点，各类健步活动的单次距离应是连续道路的长度叠加。但在实际健步活动中，包括了从居住地出发、进入公园、到达选线路径的距离，也包括了在选线路径上运动结束后，从结束点离开公园、返回居住地的距离，这些增加的健步量暂不考虑。

3)安全舒适多样原则。

出于对速度差异与安全因素的考虑，避免各健步类型路径的过多叠合；尽管高评分道路往往适宜多种健步活动，但优先考虑要求较高的慢跑；考虑健步舒适，尽量避免回头路、断头路、环境单一或较差道路；在方案中尽量避免各类活动路线的重复；结合周边居民分布，考虑4个出入口不同起点路径的均匀选择。

4.1.2 最佳健步功效游步道递归模型运算程序开发

利用Java语言开发最佳健步功效游步道递归模型，以道路线形、组合、模数为基础，实现多重选线算法。在选线组合计算的过程中，为了保证计算过程的完整性，规定起点位置可位于鱼嘴公园内任意路段起点开始计算，后经人工筛选以主要出入口为起点的路径。

为保证路径的完整与连贯，模型优化路径算法：1)为防止路径过于烦琐，路段总数不超过15段；2)不考虑路径组合的方向性；3)防止重复“跑圈”，闭环路径只计算一次；4)只按路径模数数值进行运算，即1/1.5/3.5/4.5km这4类模数，根据其健步功效总评分，归至不同健步类型；5)为保证精确性与灵活性，用m为单位计算长度，且设定±10m的波动空间。

路径组合的总评分根据组合内各段健步功效评分进行加和与平均计算，根据路径组合评分进行排序(4度指标满分为20分)，以筛选出最优健步功效的路径组合。

4.1.3 模型运算与结果

通过最佳健步功效游步道递归模型运算，各健步路径模数组合详情如表3所示。

4.2 功效最优的鱼嘴公园游步道健步路径组合

4.2.1 基于模型运算结果的人工选线优化

在57段游步道中，计算机程序能够解决庞大数据的排列组合运算与评分排序问题，实现“组合距离模数原则”与“运动路径连接原则”，而“安全舒适多样原则”的主观性较强，且常需根据不同公园的不同特性分析，计算机运算复杂、工作量巨大，在本研究中以人工方式优化。

同时，根据游步道的不同类型健步功效评价，慢跑路径主要在高评分路段中依序筛选，快走路径可在中高评分路段筛选，为与慢跑、快走路径交错，慢走路径的筛选可放宽至中低评分路段，但仍需保证该路段美感度的单项评分。

因此，结合安全舒适多样原则中的要求与健步功效评价结果，根据各距离模数优选出的高评分路段组合排序，尽量以主出入口为起点，结合人工方式筛选5条功效最优的健步活动推荐路径。

4.2.2 功效最优的鱼嘴公园游步道健步路径组合

遵循上述原则，在6类路径组合内“优中选优”，挑选最高分路径(表4)，绘制功效最优的鱼嘴公园游步道健步路径组合图(图6)。

图4 鱼嘴公园游步道健步功效评价图图4-1 鱼嘴公园游步道连续度评价图图4-2 鱼嘴公园游步道缓弹度评价图图4-3 鱼嘴公园游步道平整度评价图图4-4 鱼嘴公园游步道美感度评价图

图5 鱼嘴公园游步道健步功效综合评价图

图6 功效最优的鱼嘴公园游步道健步路径组合图

但健步者不必局限于某一条或某几条路径，而可根据结合自身体力条件与习惯偏好，在优选路径的大范围内，自由调整健步时间、方向、路径及其组合，以最大化提升科学、精准、舒适、个性的健步功效。这些路径的风景园林设计，也应关注其对各种类型健步活动功效的促进性。

5 优选公园游步道路径提升健步功效的验证反馈

依据公园游步道一周健步量组合方案，在经模型运算求得的功效最优鱼嘴公园游步道健步路径组合中，请受试(n＝100)进行7d的健步活动，自测心率、呼吸，并评价主观体力感觉。79%的受试表示，优选路径与主观偏爱健步路径相符，能够主动、达标、安全、舒适的在推优选路径中完成一周健步活动方案，健步过程中心率<140/min，呼吸平缓或急促，主观体力感觉轻松或稍累，符合中小强度的合理健步量需求。

6 结语

基于风景园林学、医学、体育学“三位一体”的交叉融合，通过健步活动、景观要素、游步道“三元耦合”，以提升健步功效为目标的公园游步道设计具有重要的研究意义和广阔的应用前景。

提升健步功效的公园游步道设计应以游步道合理健步量为参考，以健步功效评价为依据，以功效最优游步道路径组合为指导：在待建公园游步道设计中，预先评价、模拟、优选提升健步功效的路径，重点关注其连续度、缓弹度、平整度、美感度等方面的设计实现；在建成公园游步道使用中，优选适宜不同健步类型的路径组合，引导健步者运动，精确认知和提升健步功效。

表3 最佳健步功效游步道递归模型运算结果

目前，公园游步道设计提升健步功效的研究仍处于起步阶段，本研究已完成的内容包括：优化游步道合理健步量、识别游步道景观要素与健步功效的关系、初步评价游步道健步功效，尝试优选最能提升健步功效的游步道健步路径组合，但仍需大量的测试、调研、分析、运算以得到更科学准确的结论。后续研究更应落实于游步道形态(长宽、高差、转折)、铺装(弹性、摩擦、肌理)、视觉(节点、通廊、场域)等要素的具体量化设计，为游步道风景园林工程实践提供科技支撑。

表4 6类路径中健步功效最优的游步道组合

注：文中图片均由王南绘制。