空间拓扑系统的最优化

7.2.1　空间拓扑系统的最优化

1）形态有机演进

（1）拓扑形态保持自相似性

城市空间拓扑系统的最优化发展基于系统内在结构演进成本的最小化，为此，城市空间发展的形态与结构应该遵循系统自组织原理，使得外部组织方向与系统自组织方向相一致，以达到城市空间发展效益的最大化。在城市空间自组织形态演进机制下，城市空间形态与结构在历史过程中存在自相似性。不同历史阶段城市形态的自相似性表明城市空间系统演变存在对系统发展效益最大化的追求。以苏州为例，在1995年的城市空间句法结构中，城市整体呈现出依托主城区拓扑主干向外围地区的枝状延伸，其中主要面向西片的苏州新区空间与南片的吴中区空间。因此，外部的4个分区成为拓扑主干之外的潜力空间（图7.9）。至2003年，随着城市拓扑主干的进一步延展和内部结构关系机制下的自组织整合，城市拓扑空间主干结构逐步完善，原有沿西、南方向枝状延伸的句法轴线紧密联系，形成更加规整的网络结构。同时，沿东向与北向句法长轴的拓扑飞地出现，形成新的“岛”式拓扑结构（图7.10）。在1995～2003年的拓扑结构演进过程中，空间形态演进机制得以体现。1995年拓扑形态演进潜力空间，成为2003年拓扑结构中的新增结构主体。城市由单核团聚状向“团聚＋触角”形态演变，体现了城市空间系统演变过程中的自相似性。根据城市空间系统自组织形态演进机制原理，新一轮的城市拓扑空间发展仍然存在对历史轨迹的路径依赖。结合现状拓扑结构，城市空间发展将依然沿东西与南北两条句法集成轴呈“十”字状延伸，在强化“触角”与主干之间拓扑结构关系的同时，逐步拓展外侧的潜力空间，并在更大空间范围内建立分区拓扑空间之间的句法联系通道，从而体现出更大时空尺度下的拓扑系统自相似性（图7.11）。

图7.9　1995年句法空间系统演变趋势

图7.10　2003年句法空间系统现状

图7.11　城市空间拓扑形态有机演进模拟（彩图见书末）

（2）全局集成核形成组合环网结构

城市拓扑空间系统的形态有机演进不仅体现为城市拓扑空间整体形态的自相似性，还体现为拓扑结构全局集成核演变的历史规律性，这一内在的规律性体现了对系统发展最优化的追求。在早先的单核团聚状发展过程中，空间句法全局集成核为树状结构，自内向外沿集成核主干枝状延伸，从而充分发挥全局集成核面向城市整体拓扑结构的集成功能，有利于加强句法空间内部的运动经济，满足了空间系统最优化发展的要求。在城市形态触角延伸发展过程中，全局集成核进一步沿集成核主干轴线向外延展，且全局集成核形态逐步由树状结构向环网状结构演变。在新的集成核结构形态中，全局集成核沿外环与主干地带出现新的分中心空间，形成“主中心＋分中心”的全局中心组合，强化了对城市整体拓扑结构的集成能力，提升了不同层次空间的运动经济水平。随着拓扑空间系统进一步向外围地区分化发展，全局集成核延伸至新城区空间内部，并于新城区拓扑空间内部形成全局集成核枝状分支形态，由内至外地促进整个城市拓扑空间内部运动经济。通过运动经济机制与结构关系机制的内在作用，在空间结构形态不断趋于完善的过程中，城市拓扑空间最终形成“主城核＋新城核”的复合环网状全局集成核结构。从苏州市全局集成核空间形态的演变过程分析，在经历1995年的树状集成核（图7.12）与2003年的环网结构核（图7.13）演变历程之后，新一轮空间形态的演进将促使全局集成核面向各新城区形成新城区内部的枝状分支结构，并逐步完善形成复合嵌套式环网结构，多核中心网络将成为城市全局中心体系的主体（图7.14）。多核中心网络集成整个拓扑网络形成高速的运动经济流，日渐增强且复杂化的中心性促进空间拓扑结构发展趋于系统结构的最优化。

图7.12　1995年树状全局集成核结构

图7.13　2003年环网状全局集成核结构

7.14　理想状态全局集成核组合结构模拟（彩图见书末）

（3）局部集成核相对紧凑发展

城市拓扑空间形态的有机演进在分区空间范围内体现为局部集成核的相对紧凑发展。城市分区空间的局部集成核形态存在以下几种类型:

①紧凑型

局部集成核在分区内部呈紧凑分布，在其集成和渗透作用下，所在区域成为城市分区局部社会运动流最密集的地区，通过运动经济与乘数效应，局部集成核所在区域成为分区空间内部的中心区［图7.15（a）］。

②多核型

城市分区空间内部形成两个以上局部集成核轴线群，其间以一条或多条主要局部集成核轴线相联系，产生沿主要局部集成核为支撑轴线的社会运动密集地区组合，形成一个或多个“哑铃形”的局部中心区［图7.15（b）］。

③离散型

城市分区空间内部形成两个以上局部集成核形态，成为相对独立的微中心，但其间并无联系，彼此相对孤立发展，城市分区内部的中心性被割裂［图7.15（c）］。

④无序型

城市分区内部局部集成核以轴线形式存在，局部集成核轴线之间不存在空间联系，局部空间中心性以街道形式存在，难以形成真正的局部中心，集成社会运动的乘数效应难以实现［图7.15（d）］。

在分区拓扑空间形成初期，其局部集成核轴线可能存在自由散布的无序状态。随着城市分区空间内在拓扑结构关系的完善，无序型局部集成核形态逐步向紧凑型集成核形态演变。但在演变过程中，由于空间环境和外部他组织机制干预，局部集成核面向紧凑形态的发展最终可能形成离散型、多核型和紧凑型3类形态。从空间系统内在的运行效益出发，紧凑型局部集成核形态最有利于分区局部中心空间形成和运动经济乘数效应的发挥，是最理想的局部集成核形态。基于主干联系的多核型局部集成核形态次之，而离散型局部集成核集成分区空间社会运动经济流的能力相对较弱。因此，城市拓扑空间形态自组织有机演进的优化结构应该是相对紧凑的局部集成核形态。当前，苏州拓扑空间的分区结构中，主城区、吴中区局部集成核为紧凑型，工业园区局部集成核形态为离散型，相城区局部集成核形态呈离散与无序复合发展特征，而新区局部集成核则呈多核与无序复合发展特征。并且，随着城市拓扑形态的演变，分区空间的局部集成核形态仍然处于变化过程之中。从城市形态有机演进的角度，城市拓扑空间发展应尽可能满足分区局部空间集成核形态面向紧凑型或多核型发展，避免局部集成核形态的离散或无序化，以充分保证空间系统内在运行效益的最优化。

图7.15　分区空间局部集成核形态类型

2）全局与局部结构关系协同

（1）城市空间智能度最大化

城市空间智能度是城市局部空间结构与全局结构协同发展水平的量化表征。拓扑空间智能度越高，则城市分区局部结构与全局结构协同发展水平越高，在城市空间结构关系机制作用下，拓扑空间的运动经济容易产生乘数效应，逐步实现空间系统运行效益的最大化。反之，则城市空间的结构关系机制难以发挥积极的自组织功能，影响城市空间系统自组织发展。在城市空间发展周期的初级阶段，城市拓扑结构分支较多，主干尚未成形，空间整体的智能度较低；进入中级阶段，内部拓扑结构不断完善，拓扑主干基本形成，城市空间智能度逐渐上升；进入高级阶段，主干形成，形态趋圆，整体结构协同，此时城市拓扑空间智能度最高，同时也开始了新一轮扩张变化周期。在城市空间智能度分析图中，这一周期性过程表现为空间智能散点逐步向智能回归线（R²＝1）收敛的过程（图7.16）^[2]。从空间系统内在优化发展考虑，城市空间智能度趋于理想状态的最高值，拓扑空间系统可以逐步实现运行效益的最大化。

图7.16　城市智能空间演化模拟

（2）局部与全局结构最优化

一个高效的空间格网系统，其全局结构与局部格网结构之间应该高度协同。这样方可保证局部中心性融入全局空间体系之中，从而避免局部空间格网的孤立发展，避免因此导致的集成能力消退和中心性减弱。为此，紧凑而高密度的团聚状城市最符合空间格网内部协同发展要求。但是，在城市发展过程中，出于对自然、生态、历史文化和生活方式等价值观的追求，现代大都市往往形成分散组团式空间结构。在分散组团式空间结构中，城市空间内部局部与全局的结构关系可能形成3种类型:协同、孤立和离散（图2.2）。为了实现城市空间系统内在运行效益的最大化，城市局部格网与全局格网的结构关系尽可能形成协同结构关系，少一些孤立结构关系，尽量避免离散结构关系。对于苏州中心城区而言，应促成其形成协同结构关系，而对于边缘城区，允许其存在孤立结构关系，但要保持较强的局部中心性。尽量避免边缘城区空间格网与全局格网结构关系离散化。

3）功能与结构协同

空间系统形态与结构的优化运行源自于空间格网系统与其背后功能系统的协同发展，因此，空间系统最优化的基础在于空间功能与结构的最优化。在空间句法语境中，空间格网与其社会性功能是相辅相成的，彼此互动发展才有利于形成理想高效的空间系统。因此，空间系统的优化包括功能结构优化与格网结构优化两个方面。

（1）用地功能结构优化

第5章关于城市功能结构与拓扑结构的分析表明，不同类型的功能用地变化对城市空间格网系统发展存在结构性干扰。例如，公共建筑用地布局往往促进功能吸引子的增加，加大自然运动流密度，从而产生出更大的运动经济性，有利于空间格网内在结构的完善和空间中心性的提升。而工业用地布局则会导致空间格网密度降低和自然运动流量减小，进而导致空间集成水平下降等等。因此，从空间系统结构优化的角度，一方面，城市功能用地布局要遵循空间系统内在的比例结构关系，不同类型的功能用地结构应与空间系统格网结构需求相统一，空间开发不能产生功能用地比例失衡现象（城市规划经济技术指标中对用地比例的要求正是这一原理的技术应用体现）；另一方面，城市分区规划布局的各类用地功能尽可能综合，规划尽可能减少单一功能空间类型，以免造成城市空间系统内在的复杂性与中心性的下降，导致格网系统的自组织功能减弱。

（2）空间格网结构优化

不同的空间格网结构对城市空间用地功能分布具有内在的逻辑决定性，这是空间句法理论的本质内涵。在既定的功能布局模式下，优化空间格网结构，改变其内在的集成与智能水平，可以增强空间格网结构与其功能结构的协同性。具体方式:一为提高空间格网密度，通过加大密度提高空间格网总体句法深度，进而提高空间句法结构的集成水平与智能水平，促进运动经济发展；二为构建主要集成核轴线，通过构建主要集成核轴线，加强离散空间之间的联系，形成不同层次空间格网之间的协同，提升空间集成水平与中心性。因此，通过城市空间功能结构与格网结构的内在整合互动，形成彼此协同发展的功能结构与拓扑结构，有利于促进城市格网空间的自组织发展，满足空间系统内在运行效益最大化的需求。

4）城市与区域空间系统协同

一个高效运行的城市空间系统，其空间发展在保持系统内在结构关系最优化的同时，还需保持城市空间系统与区域大系统的协同。因为城市是一个耗散结构系统，需要与外部环境不断进行物质与能量的交换。在系统自身熵增过程中，通过外部环境负熵流的输入，维持其系统动态发展的稳定性。

从空间系统发展的动力学原理出发，当城市空间系统与区域空间系统发展的动力主轴线同向并行发展时，城市空间主轴与区域空间主轴之间容易形成系统耦合，从而达到两个层次空间系统复合动能的最大化。根据空间动力学理论，城市与区域沿主轴的空间发展表现为动力源围绕主发展轴的空间波动过程（两者的拓展表现为沿主轴向两侧的波动分层扩展）。当两类空间波复合发展时，同源（轴）、同向、同幅波动可导致两个波动系统产生共振现象，引起空间波的复合放大，带来空间系统发展动能的最大化。因此，城市空间发展方向与扩展幅度应尽量与区域空间发展方向与扩展幅度相一致，以确保两重动力系统的空间波产生共振，实现空间波动扩展动能的最大化，从而以最少投入获取最大的发展成效（图7.17）。

图7.17　城市与区域空间系统共振效应示意图

为此，城市空间发展需要寻求与区域发展主轴及方向的一致性，城市发展主轴应力求与区域发展主轴相复合，并对应主要经济联系方向（周一星认为，主要经济联系方向决定着城市空间的发展方向）。在当前全球化与非场所空间发展背景下，苏州中心城市面向腹地空间的引力和面向区域外部高位次城市的张力交互作用，所面向的高位次城市引力源——上海，不但是整个长三角地区而且是全国第一门户城市（尽管目前仍然次于香港）。同时，苏州与其区域内部城镇群的引力关系日趋复杂，抛开行政作用力不论，市域范围内太仓、昆山乃至常熟等城市的主要经济引力几乎直接指向最大的门户城市——上海。显而易见，面向上海的主要经济联系方向即为城市理想的空间发展方向，在此发展方向引导下，城市发展主轴也能与沿沪宁线方向的区域发展主轴相复合，有利于两个层次空间系统波动扩展的共振耦合。这一发展方向与发展轴的选择，减少了系统空间流损耗，能够实现城市空间系统运行的最优化。