数字技术背景下的街区设计方法变革研究

叶子芸，张 月

(清华大学美术学院，北京 100084）

根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中，从国家层面战略指引建设我国数字化城市。目前北京、上海、深圳、杭州、武汉等多个城市均开始推进 智慧城市建设。在如今信息化的时代，要融合利用三个空间、三种资源，即物理空间、社会空间和数字空间，以及物质资源、人力资源和数据资源[1]，才能更好地创造适宜人居、生态可持续的街区环境。在这样一个设计方式变革的转型期,设计将会越来越多地被视为一种内在的推动力，促进社会创新[2]。

数字技术作为当代街区设计研究必不可少的工具，目前技术前端和应用实践之间还存在着鸿沟。例如：数据技术服务于城市规划时，由程序员为主导开发的应用程序往往需要耗费设计师大量时间用于学习操作软件上。其次，在街区设计的理论研究中，数字技术参与成分较少，尚未形成数字技术背景下的新理论体系。由于街区设计是城市设计的组成部分，街区亦是城市的组成单元，目前大部分应用数字技术的理论研究出发点都是基于城市的宏观尺度。因此现阶段有必要将数字技术进行分类，与传统街区设计方法中所应用的技术手段进行比对，探究街区设计方法中因数字技术带来的设计方法变革。而将设计过程理性化、系统化，是很多设计师试图用一种科学的方法编码设计过程[3]，本次研究将有助于形成科学范式。

1 数字技术发展及应用现状

数字技术是一项与电子计算机相伴相生的科学技术，它是指借助一定的设备将各种信息，包括：图、文、声、像等，转化为电子计算机能识别的二进制数字“0”和“1”后进行运算、加工、存储、传送、传播、还原的技术，也称为数码技术、计算机数字技术等[4]。数字技术能够根据街区所在地理位置、人口信息、交通流量等多维度信息计算出场地现状，形成设计前的重要调研结果。并根据设计目标和所在地块信息推演出新方案，或是设计师根据场地调研的信息结果展开设计。

1.1 数字技术发展历程与街区设计的关系

本文以现代主义设计和第四次信息革命为两个关键时间节点，将街区设计的基本方法分为三个时期，见图1。第一阶段即数字技术发展普及之前：在现代主义设计开展之前，街区设计依附于城市的自然资源，形成的街区风貌没有特定规律，是自然形成的一种聚集和疏离状态，此时还未出现数字技术的概念。第二阶段即数字技术发展和普及初期：有了前期的设计实践积累，形成了一定的实践经验，在此期间第三次工业革命给人们的生活方式和审美带来了新的变化，因此形成了以实践经验为基础的理论方法，这一时期的理论体系已经初步建立并有序发展；20世纪80年代计算机的普及，在街区设计实践中解放了设计师一部分生产时间，逐步由手工绘图转为计算机制图，这为形成较为科学的街区设计理论提供了坚实的基础。第三阶段即数字技术发展和普及后：是指从第四次工业革命发展至今，这一时期利用信息化技术促进了各项技术发展，尤其是智能化手段的介入，街区设计方法在这一时期逐渐形成以客观数据为依据的设计方法，逐步摆脱依赖设计师主观经验为主的设计方式。

图1 街区设计与数字技术发展的三个时期

当然对于数字技术的发展长河来说，目前还处于萌芽阶段，但对于街区设计而言，目前的技术应用、学术研究相较于前两个阶段属于相对普及的时期。这一时期也是本文的研究重点。

基于目前海量的数字技术，笔者选用VOSviewer共现词网络为可视化工具，对街区设计产生强影响的数字技术进行筛选，检索设计见图2。通过CNKI和Scopus两个数据平台上的关键词检索及特征关键词检索，分析共现词网络中高频出现的词语或单词得到研究重点、趋势及研究空缺，再根据技术特征将散点化的数字技术进行归类。

图2 检索设计

1.2 数字技术发展与研究现状

张书杰[5]等人，通过街景图片数据探究街道步行设施的改善状况，并通过“现状—改善—政策”三维评价结果反映城市政策在步行设施纵向改善不足，对慢行街区的建设提供了新的研究方法。龙瀛[6]等人基于兴趣点和社交网络平台等新数据环境对中国人居环境监测的支持性进行了客观分析, 并提出新数据环境下人居环境监测指标体系的构建方法。茅明睿[7]分析了大数据对城市研究产生的影响力，并从战略层、基础层、研究层、应用层四个方面介绍了北京市城市规划设计研究院在对大数据应用的相关问题进行分析。

张砚[8]全面论述CityScope系统的目标、构建、贡献,以及未来潜力，通过直觉的可触交互界面加上增强现实可视化系统以提高决策过程的可参与性，将街区的设计决策更多的交由专家及非专家群体。麻省理工的可感知实验室的Sonic Cities利用声音捕捉城市公园的听觉形态。

李昊基于Dijkstra算法、A*算法、Prime算法三种寻径算法，分别研究了它们在城市公共设施的服务范围搜索,城市空间内的步行系统设计，城市地块内的路径系统设计的应用，作为数字化的城市设计方法与分析方法探索了一种新的设计思路[9]。XKool公司用机器学习等方式，为不同业主提供多种区域设计方案，在方案生成数量和效率上有了巨大的提升。

表1 不同时期街区设计工具比较

总体来看，目前基于数字技术的研究多集中应用在设计方案生成阶段，不同的数字技术对设计方法和设计成果生成过程造成了不同程度影响，因此在数字技术背景下街区设计方法发生变革是必然结果。而目前对于解析街区设计方法变革的研究并不多见，因此通过对比不同时期的街区设计理论及实践案例，能深入了解街区设计方法变革的具体方向及变革原因有助于学者及相关从业人员更好地利用数字技术，为数字技术背景下的街区建设提供一定的理论依据和应用框架。

2 对街区设计产生强影响的数字技术

目前街区设计方法是基于数字技术发展和普及初期时的建设经验和相对客观的思维模型而产生。街区设计总体可以分为六个流程：项目调研、调研后分析、设计策略、设计方案及方案展示、建设、使用后评价。而数字技术的普及使得设计全流程的的方式发生了变化，因而导致街区设计思维方式发生转变，进而影响到设计方法。

2.1 数字技术应用概况及其分类标准

本文以CNKI及Scopus两大数据库为检索源，检索式见图2。在Scopus平台上初步检索结果见图3，再根据上文检索式设计中的特征关键词检索，再将检索式设为：TITLE-ABS-KEY（digital AND techn* AND urban OR street AND design）得到文献共计1847篇[10]，见图4。从图中可知数字技术应用于城市规划领域及智慧城市的研究文献最多，其中VR技术、RS、GIS、人机交互技术等使用频率、应用研究频率突出。

图3 Scopus平台初步检索结果

图4 Scopus平台特征关键词检索结果

同理可得CNKI数据检索结果，见图5。从图中可知以数字技术为核心展开研究的街区设计成果不多，建筑科学与工程类文献总计1905条，其中探讨数字技术的文献多为概括性理论研究，应用研究中BIM（建筑信息模型）提及频次最高，其次是GIS（地理信息系统）虚拟现实技术及人机协同技术（人机交互），其中虚拟现实技术在街区设计层面仅停留在探索应用阶段，几乎未投入实践。

图5 知网最终检索结果

综合图片中高频出现的数字技术特征和街区设计流程将数字技术分为三类：大数据技术、设计辅助技术及多媒体技术。目前大数据技术多用于项目调研、调研后分析、设计策略；设计辅助技术多用于设计策略、设计方案及方案展示阶段；多媒体技术可直接干预方案展示设计建设阶段，同时也能够反作用于设计方案阶段。

2.2 大数据技术及其应用案例研究

目前，应用于街区设计方向上的大数据技术都是基于GPS数据或传感器数据为来源，辅以AI智能分析。通过共现词网络梳理发现：能对项目调研阶段起到正面积极影响、且快速提升工作效率的方法有：街景图片分析技术、公交IC卡刷卡数据、POI（Point of Interest）数据、位置照片、社交网络数据、GPS数据、计算机视觉大数据，这几类数据获取难度相对容易。除此之外还有住房数据、夜光影像数据、网上消费数据、手机信令数据等，这一类型的数据目前在我国获取困难，或需要花费大量资金从企业买入。

利用开放街道地图（O S M：OpenStreetMap）和兴趣点（POI：Point of Interest）数据生成全国297 座城市的用地现状图，针对目前国内城市用地数据开放程度不够高，利用全国OSM和POI数据，对全国297座城市的土地使用布局、用地功能、城市建成区面积，建设密度等、功能混合度和其他特性的鉴定，并公开发行与免费下载[11]，为其他从业人员后续的研究工作有着重要的铺垫作用。

伴随着大量数据获取，调研后分析也成为街区设计前期工作的重点。提出较为客观的评论和设计策略是提出好的设计方案的前提，因此我们还需要借助相应的智能分析软件，为街区设计后续的方案生成提供优质的基础。

笔者通过文献调研结果，罗列出以下工具包，将有助于提升数据分析准度与效率同时还具备学习时间短的特性，分别是：规划云平台、OSM、GPS配合可穿戴设备、QGIS、Depthmap等。

大数据技术的优势在于：（1）通过目前较为成熟的GPS技术和街景图片二者结合，形成更精准的调研数据。尤其是能精准调研车流量和人流量，用可视化的语言精准调研街区的使用现状，对路网设置、节点设计、人行道与车行道的比例关系有着重要作用。（2）大数据技术能够为异地项目提供良好的支撑。对于街区设计而言，感受人文风情之外的数据均需要大数据技术的支持。（3）大数据能量化以往难以用言语描述的感性因素，并将量化后的结果投入人们日常使用中。（4）相较于人工调研，大数据技术的调研速度和精准度更加有优势。目前大数据技术中的分析部分由AI辅助完成，而AI有着各类型的算法，能适配不同的项目，对于由多人团队点对点的调研任务而言，通过网络爬取的海量数据和AI智能分析，能够在短时间内完成多人团队无法完成的任务。（5）大量的数据收集和多媒体技术的同时使用，能够帮助研究者完成绝大部分的实验，所得结果能够直接作用于街区实践中。

2.3 设计辅助技术及其应用案例研究

设计辅助技术在本文研究中指，对设计过程或设计成果产生影响的技术，又或是对设计产出过程产生影响的技术手段。就目前来看设计辅助技术主要应用于方案设计阶段和展示阶段。

设计辅助技术在街区设计过程中占有重要位置，设计师实现自己的构思是依赖于设计辅助技术。使用不同的设计辅助工具会直接影响最终作品的呈现风格，例如目前计算机算力的提升，为Rhino一类的参数化软件提供了操作的可能，而软件的普及使用使得参数化建筑表皮成为一种建筑风格，从而改变着街道立面风貌。而在现代主义兴起后发展至第四次工业革命以前，以勒g 柯布西耶（Le Corbusier）为代表的现代主义建筑都呈现规整六面体的形态，进而影响到街道立面，这种连续的、规则排列的建筑群落又形成了十分规整的街区形态，如现阶段美国纽约的大部分建筑。因此从街区的呈现形态变化过程来看，能直接反应设计辅助技术对设计过程产生的巨大影响。利用好设计辅助技术有利于创造适宜人居、可持续发展的街区空间。

如今设计辅助技术的飞速发展促进了各类高效绘图软件的问世，从而解放了设计师的绘图时间，他们有更多的时间用于方案创作上，同时设计辅助技术还能通过机器学习快速生成多种方案，为设计师及业主提供不同选择。设计辅助技术在大体上可以分为两类:一类是利用机器学习自动生成式设计技术，另一类是计算机制图技术。自动生成式设计技术主要仰仗于计算机编程代码，对技术人员的要求较高，对设计师而言只需要选择最适配目标效果的设计结果；计算机辅助设计技术还是依赖于主创设计师的把控，对于设计目标的形态有了更多的发挥空间，同时对于设计师的设计效率也有较大的提升，在设计过程中有着重要的意义。基于以上分类方式，可将涉及辅助技术细分为以下6种，见图6。分为六个大类：空间句法；异型算法及模型渲染技术；基于机器学习、算法生成技术；计算机辅助设计工具；集成系统中的设计技术；集成系统自身迭代所产生的技术。

图6 设计辅助技术

图6中所罗列的设计辅助技术工具，能为街区设计方案的形成及展示阶段提升工作效率，为设计师节约更多时间成本，同时也能为街区项目提供更多方案选择。

以基于机器学习、算法生成技术为例，XKool公司和万科集团深圳区域公司的合作，见图7。在智能设计云平台的标准化产品的基础上，小库还直接为一些开发商提供定制开发+采购报告的服务。万科集团深圳区域公司与小库开发了“万科——罗塞塔”算法，依据企业的需求编写算法，对多种业态进行生成，满足投拓土地初筛需求。小库为万科累计完成了大湾区项目方案48个。另外应用较为成熟的空间句法，不仅能够用于方案的前期分析，还能够通过视域分析、交通可达性分析等对设计方案进行检验。不仅能为设计师提供坚实的设计依据还能为设计结论提供支撑。

图7 XKool公司和万科集团深圳区域公司的合作

从设计辅助技术的开发和应用层面来看，对设计的生成过程、结果检验都产生了重要影响。不仅大量解放了制图时间，还能更加准确地提供方案参考，同时算法生成保证了方案的有效性，设计师对街区项目的主观影响程度在这一过程中降低。

2.4 多媒体技术及其应用案例研究

多媒体技术（Multimedia Technology）是利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息综合处理、建立逻辑关系和人机交互作用的技术[12]。即利用电脑把文字、图形、影像、动画、声音及视频等媒体信息都数位化，并将其整合在一定的交互式界面上，使电脑具有交互展示不同媒体形态的能力。多媒体的出现，改变了人们原有的获取信息的方式，同时也改变了人与人之间的交流方式。真正的多媒体技术所涉及的对象是计算机技术的产物，而其他的单纯事物，如电影、电视、音响等，均不属于多媒体技术的范畴[13-14]。

本次研究的多媒体基础按照技术基础可以分为以下几类：（1）由计算机硬件设备提升带来的媒体视觉革新：极致可视化、特殊场景渲染；（2）VR、AR技术为基础的多媒体技术：VR、AR、VR逐级交互设计、VR+AR+可穿戴设备叠加使用、VR+CG技术；（3）3D打印；（4）基于传感器技术发展起来的交互式体验设备；（5）智能机器人；（6）建筑表皮投影，见图8。多媒体技术除了信息载体的多样化之外，还有以下一些特性：集成性、交互性、智能性、易扩展性。多媒体技术之所以在近些年发展迅速、普及度超高，是因为其自身的特色和媒介产品能够带给人更好体验感受。这打破了以往人们对传统物理空间的认知和感受。多媒体技术还可以运用在各个场景中，能够满足人对多重世界的幻想和体验[15]。

图8 多媒体技术

由MIT城市感知实验室的一个团队利用3D扫描技术Favelas4D项目，见图9。该团队利用3D激光扫描技术，与BRTech 3D合作，正在对Rocinha进行全面的形态测量分析。科学分析定量地捕捉了贫民窟独特的建筑实践和可怕的基础设施需求，以前所未有的精确揭示了Rocinha的城市逻辑[16]。

图9 Favelas4D

具体来说多媒体技术对街区设计产生的积极影响有：（1）对街道立面产生新的视觉美学。有了多媒体技术的应用，在街区中会形成新的景观节点，街道的使用时间和使用方式有了新变化，例如人们在互动装置中能够促进交流、促进城市夜经济的发展、促进邻里关系的提升等；也为人们在街道上的停留时间产生了积极作用。（2）街区设计手段多样化。利用VR和穿戴式设备能够对街区设计方式带来新的变革，对街区设计前期测量、成果展示也提供了更加多元的方式。（3）多种媒体设备的应用对街区空间也能产生直接影响，例如为设备留出额外空间，以供设备存储及居民日常使用空间。（4）新媒体平台的出现为未来的街区设计提供了无限可能性。

3 数字技术普及后街区设计方法变革及其原因

3.1 街区设计方法变革

从全球第四次信息革命发展至今，计算机已经成为街区设计的必要工具，同时得益于人工智能的帮助，不仅能够辅助设计师快速找到真正问题（而非基于感性认知推断出的“问题”），还能根据问题展开针对性的设计，这一时期计算机开始逐步取代人的感性设计。

首先，由于计算机的高度发达和人工智能技术的快速发展，这一时期的设计方法逐步转化成为基于理性分析上的感性发挥。其次，街区设计不再以视觉美观为设计思路，而是以用户体验感为首要因素展开设计；再次，街区设计的前瞻性可根据深度学习的结果进行预判，作为设计依据之一；最重要的数字的普及使得原来由单一团队作业的模式改为众包模式的设计方法。

3.2 街区设计方法变革原因

3.2.1 设计工具变革

本文提到的三类数字技术工具均对街区设计的全流程产生了巨大影响，因此笔者将数字技术普及初期及数字技术普及后所使用的工具进行对比，见图10。这些工具的使用能够直接影响场地调研、调研后评价、设计策划、设计方案的形成、使用后评价这五方面的额客观性。数字技术普及初期，多依赖人工分析及人工经验，形成的设计结果缺乏客观数据支撑会出现“设计荒漠”，这一现象即设计师未能客观把控街区场地信息和周边居民的真实诉求。

而数字技术普及后，有了大量的数据收集手段和智能分析工具的使用，为设计方案的形成提供了强有力的客观依据，同时配合设计师的个人情感和本土文化便能形成一个以解决问题为导向、兼顾风土人情的设计方案。

3.2.2 设计出发点变革

（1）新时代背景下的街区设计，在设计上更加突出个体同整体的协调合作理念。（2）以实际问题、痛点为导向，解决真正的问题。（3）街区设计由设计师描绘未来愿景蓝图逐步转向机器推演。（4）街区设计由以美观和用地标准为出发点，逐步转变成“以人为本”的角度出发。（5）城市街区空间是否能够通过设计来建立良好的社会关系。（6）重新定义了街区空间。

4 结语

本文基于数字技术发展的时代背景，通过探究数字技术对街区设计产生的正面影响，从而发现街区设计方法变革及其产生的原因。从根本上来说是因为数字技术对城市感知的影响、对设计过程的影响及多元主体参与所构成的街区空间的影响，从而导致街区设计方法变革。而设计方法的变革主要体现在设计工具、设计立足点、设计思维方式的变革上。同时笔者总结了三类数字技术对街区设计产生强影响，并针对街区设计的不同阶段罗列出对应的工具包。通过本次研究为新时代背景下的街区设计方法补全理论缺口，但在本次研究中尚缺乏对数字技术负面影响的探讨，因此在今后的研究中还可对数字技术的应用成果进行深入分析及研究。