基于空间句法的历史街区传统建筑空间更新设计方法

摘要

本发明公开了一种基于空间句法的历史街区传统建筑空间更新设计方法，包括：(1)运用空间句法技术将传统建筑空间还原为“点‑轴”模式的拓扑关系图，研究建筑不同局部空间之间的关联关系；(2)在此基础上计算建筑整体和主要房间、庭院、廊道和出入口的对称性‑非对称性和分散性‑非分散性，对传统建筑空间布局进行特色模式的分类；(3)对建筑空间的对称性‑非对称性和分散性‑非分散性进行系统聚类，按照聚类层次合并的低、中、高分为三类建筑，从而针对性归纳三类传统建筑的空间更新设计方法，实现建筑更新过程中空间肌理的完整保护。在此基础上也为历史街区其它传统建筑或新建筑提供空间参考模式，以符合建筑文脉特征，使空间设计更合理。

说明书

技术领域

本发明涉及城市设计、建筑更新等技术领域，尤其涉及一种基于空间句法的历史街区传统建筑空间更新设计方法。

背景技术

随着城市高质量发展的需求，城市文化和历史价值已经成为城市建设和发展的重要驱动力。传统建筑作为历史文化的重要物质载体，是历史街区的基本组成单位，也是重要的历史文化遗产。大规模的城市化建设带来了焕然一新的城市面貌和便利的现代化生活方式，但是另一方面，城市历史街区、传统建筑等历史空间变得破碎和不完整。在城市更新的背景下，过去的规划设计更多强调了从体量规制、建筑结构、材料样式、装饰符号等物理特征方面对传统建筑的保护更新，却缺少了对历史街区空间肌理、传统建筑的空间布局的原真性和完整性保护，这导致历史街区的空间格局不完整或结构体系局部混乱，难以将传统建筑更新与改造有机结合，无法实现历史建筑复兴，激活城市文脉。

传统建筑是一个有机的整体，其形态、功能和各空间部件之间有着复杂的关系，传统建筑的空间布局是其内部复杂关系的外在表现。通过空间布局能够观察到传统建筑的肌理结构、局部可达性、整体通达度和空间关联关系。因此，对传统建筑空间完整性保护和恢复有利于对城市历史文脉的延续和对建筑传统特色的塑造，由此遵循历史规律来开展未来的传统建筑改造和城市历史街区更新。

随着空间技术的快速发展，对建筑空间形式、组合关系、交通流线及进深比例等的定量研究得以支撑。其中，空间句法理论作为一种对空间进行尺度划分和空间分割来探讨空间复杂关系的建筑与城市空间模式语言，基于空间拓扑结构能够分析不同尺度空间联系的工具，可描述空间之间的拓扑、几何、实际距离等关系。空间句法技术在历史街区传统建筑空间布局中的应用，有利于阐释其空间结构关系，并为城市历史街区更新与传统建筑改造提供空间肌理依据。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于空间句法的历史街区传统建筑空间更新设计方法，该方法可定量分析历史街区中传统建筑的空间布局，通过计算建筑整体和主要房间、庭院、廊道和出入口的对称性-非对称性和分散性-非分散性，对传统建筑空间布局进行特色模式的识别和分类，并按照聚类层次合并的低、中、高分为三类建筑，从而针对性归纳三类传统建筑的空间更新设计方法，实现建筑更新过程中空间肌理的完整保护。在此基础上也为历史街区建设新建筑和其它传统建筑提供空间参考模式，以符合建筑文脉特征，使空间设计更合理。

本发明的技术方案如下：

一种基于空间句法的历史街区传统建筑空间更新设计方法，包括以下步骤：

(1)获取同一历史街区中所有传统建筑平面图，基于空间句法的拓扑分析画出每个建筑空间的“点-轴”关系图，实现对历史街区中建筑空间结构和连接方式进行刻画。

(2)基于建筑空间的“点-轴”关系图，采用空间句法的凸状空间法计算建筑空间的对称性-非对称性值和分散性-非分散性值，以此来考察历史街区传统建筑空间布局的肌理特征和特色模式。

(3)利用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)软件对历史街区内不同传统建筑空间的对称性-非对称性值和分散性-非分散性值进行系统聚类，可以将该历史街区内的传统建筑进行分类，对于历史街区内的传统建筑，按照聚类层次合并的低、中、高，对应分为相似型建筑、杂糅型建筑和差异型建筑，从而针对性归纳三类传统建筑的空间更新设计方法。

基于上述聚类成果，对于历史街区内的其它传统建筑，可按照步骤(1)和步骤(2)进行指标计算后，将其它传统建筑作为待判样品，利用已进行系统聚类的传统建筑作为训练样本，采用SPSS软件中的聚类工具开展判别分析，由此可确定待判样品的归类结果，归类后可在相同类型中查找已经更新设计后的传统建筑空间格局作为更新设计范例，再结合建筑空间功能类型、文化特征等实际情况，综合考虑更新设计。

进一步的，步骤(1)具体包括：

步骤(1.1)：通过在线地图应用程序接口获取历史街区范围及该范围内所有格式为shp的传统建筑轮廓矢量数据。通过实地调研测绘获取历史街区内传统建筑的平面示意图，包括房间位置、庭院位置、各个房间和庭院的出入口位置、廊道位置等。在传统建筑轮廓矢量数据的基础上绘制建筑内部空间分割图，标注主要房间M、庭院C、出入口E、廊道L。

步骤(1.2)：根据步骤(1.1)的建筑内部空间分割图，将房间、庭院、廊道等室内空间视为节点，将各房间和庭院的出入口的相对位置视为室内空间之间的连接关系，即轴线，构建“点-轴”拓扑关系。再采用空间句法的凸状空间法计算各个节点在拓扑关系中的深度值(depth value)。深度值是一个空间到达另一个空间的便捷程度，表达的是节点在拓扑意义上的可达性，在“点-轴”拓扑关系中，即为两个节点间最短的拓扑距离，其中，两个相邻节点之间的拓扑距离为1步。将外部的历史街道空间视为深度值为0的节点，被称作根节点，绘制在“点-轴”关系图的最底部。空间各节点深度值都是以各节点到根节点的最短距离计算得到的。整栋建筑的主出入口位置连接历史街道空间，所以主出入口节点视为深度值为1的节点，以此类推，按照各个节点的联系关系，由外向内根据深度值上升依次绘制不同层级节点，位于位置层级高的节点，其深度值越大，由此绘制每个建筑空间的“点-轴”关系图。当节点的轴线联系仅有1处，则该节点成为终止节点，当“点-轴”关系图中的所有位于位置层级高、深度值大的末端节点都为终止节点时，则说明“点-轴”关系图绘制完毕，即得到一幅以历史街道为最低位置层级(根节点，在“点-轴”关系图的最底部)，向上连接节点并不断分裂的树状图。将建筑空间的“点-轴”关系图中的节点进行标注，代表主要房间的节点标注为M，庭院标注为C，出入口标注为E，廊道标注为L，其它房间不用标注，实现对历史街区中建筑空间结构和连接方式的刻画。

进一步的，步骤(2)具体包括：

步骤(2.1)：根据建筑空间的“点-轴”关系图，计算不同节点的平均深度值D

式中，D

步骤(2.2)：根据不同节点的平均深度值D

式中，D

步骤(2.3)：计算建筑空间整体的分散性-非分散性值RR。分散性-非分散性是“点-轴”关系图中空间节点对其他空间节点的控制和整合关系的评价，一般为空间整体的成环性描述：引入一个第三方空间节点c，如果任何空间节点a和b之间的通道都必须经过空间节点c，则说明空间节点c控制着空间节点a和b，也就是具有分散关系。如果除了必须通过空间节点c的那条通道之外还有任何一个独立的(independent)通道可以使得空间节点a和b相连，则称两者无控制关系，也就是具有非分散关系。

式中，l为“点-轴”关系图中相邻节点的轴线数，n为“点-轴”关系图中所有节点个数，2n-5为“点-轴”关系图中n个节点最大可能成环数。RR值越小，成环水平越高，说明建筑空间结构分散性越低。

步骤(2.4)：根据步骤(2.2)和步骤(2.3)计算得到的历史街区内所有传统建筑空间整体的对称性-非对称性值IV和分散性-非分散性值RR后，对所有传统建筑空间整体的对称性-非对称性值IV和分散性-非分散性值RR分别取均值，得到历史街区内的平均对称性-非对称性值

进一步的，步骤(3)具体包括：

步骤(3.1)：根据步骤(2.2)计算得到的主要房间、庭院、出入口、廊道四个主要功能节点的对称性-非对称性值IV

步骤(3.2)：根据步骤(3.1)中的系统聚类结果，分类进行历史街区传统建筑空间的更新设计：提取在低层次合并为同一类的传统建筑作为相似型建筑，在更新设计过程中可以采取共同设计，以完整保护为主，可进行原样重建；提取在中层次合并为同一类的传统建筑作为杂糅型建筑，在更新设计过程中以功能改造、空间格局和结构恢复为主，可进行风貌再建，在不破坏的前提下允许鼓励新功能的植入；提取在高层次合并为同一类的传统建筑作为差异型建筑，在更新设计过程中以满足现代功能使用为主，可进行新构重建。

步骤(3.3)：对于历史街区内其它传统建筑来说，在历史街区更新过程中可以传承地方传统建筑的空间格局，在设计、改造、建设建筑空间时，依据以上步骤作为判别标准：先对建筑空间按照步骤1绘制“点-轴”关系图，再按照步骤2计算对称性-非对称性值和分散性-非分散性值，接下来基于步骤(3.1)得到的聚类成果，将其它传统建筑作为待判样品，利用已进行系统聚类的传统建筑作为训练样本，采用SPSS软件中的聚类工具开展判别分析，确定待判样品的归类结果，归类后可在相同类型中查找已经更新设计后的传统建筑空间格局作为更新设计范例，这样就存在可参考的传统建筑空间格局模式，再按照建筑的功能类型、体量规模、文化特征、空间环境等综合因素全面考虑设计方法。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)过去历史街区传统建筑空间更新设计方法通常依据历史建筑的体量规制、建筑结构、材料样式、装饰符号等物理特征方面进行设计，但却忽视了对历史街区空间肌理、传统建筑的空间布局的原真性和完整性保护。对于传统建筑来说，空间内部各功能的安排、局部的设置、出入口的位置、房间之间的空间关系、主要房间的空间进深等都具有一种有机的空间秩序，使空间能够产生控制和连接关系，即建筑学中的“空间渗透”。因为有这种空间秩序，才能决定适当匹配的功能。因此，本发明考虑了传统建筑的空间格局，尤其是庭院、出入口、主要房间和廊道等重要功能空间在建筑内部的空间布局及与其它空间关系的相互联系，并绘制了代表空间关系的“点-轴”关系图。过去建筑设计往往源于建筑师对功能关系或流程的理解和经验假设绘制功能泡图，在一定程度上忽视了空间模式或与空间有关的物质形式对功能的影响。本发明以几何、拓扑、以及序列分析为基础的建筑空间的“点-轴”关系图能够有效反映真实的建筑空间形态，将空间结构作为传统建筑保护的一部分，用直观形象的手段揭示空间形态和使用功能之间的相互影响，有利于客观全面地揭示传统建筑内部空间格局，归纳传统建筑空间类型和各部分空间的结构关系。

(2)过去对历史街区传统建筑空间的更新设计方法仍关注围和实体空间尺度，大多通过建筑空间的长、宽、高、距离、数量、面积、体积等进行参数化设计，但缺少了对室内空间关系的定量化指标，尤其是缺乏刻画建筑空间之间关系的参数。本发明利用空间句法软件对建筑整体和各部分空间的对称性-非对称性和分散性-非分散性进行计算改进，描述了建筑局部空间在整体空间中的区位关系，和建筑空间整体的对称性和分散性，这两个空间关系指标可以在不同建筑空间之间进行比较，有利于拓展建筑空间参数化设计的范畴，并为传统建筑的空间更新提供空间结构维度且具有可比性的定量指标。

(3)历史街区内含有大量的传统建筑，传统规划设计很难形成针对不同历史街区特色且能够有效分类的更新设计引导，对传统建筑的更新大多凭借直观经验和地方需求，忽视了当地历史街区的文脉背景和不同类型建筑空间蕴含的历史信息，因此需要一方面对历史街区传统建筑空间类型进行分类归纳，另一方面是对不同类型的传统建筑空间进行更新设计方法分类。本发明对同一历史街区内的所有传统建筑通过SPSS软件进行分类归纳，按照与聚类层次合并的低、中、高，从而针对性归纳三类传统建筑的空间更新设计方法，对于历史街区内的其它传统建筑，通过判别分析进行归类，在相同类型中查找已经进行聚类的传统建筑空间格局，以此作为更新设计范例，再结合建筑空间功能类型、文化特征等实际情况，综合考虑更新设计。这样可以对历史街区内的传统建筑改造有指导借鉴意义，最终实现整个历史街区建筑空间肌理的延续和文脉留存。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于空间句法的历史街区传统建筑空间更新设计方法的流程框图。

图2是本发明实施例的北京老城五道营胡同的地理区位和建筑空间分布图。

图3是本发明实施例的北京老城五道营胡同中17个传统建筑空间的“点-轴”关系图。

图4是本发明实施例北京老城五道营胡同中标准传统建筑(传统四合院)的“点-轴”关系图及对称性-非对称性值和分散性-非分散性值。

图5是本发明实施例的北京老城五道营胡同中17个传统建筑空间布局的四种分类图(图中数字为建筑编号)。

图6是本发明实施例的北京老城五道营胡同的17个传统建筑空间和传统四合院的系统聚类结果图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本发明所附权利要求所限定的范围。

以下以北京老城五道营胡同历史街区的传统建筑作为具体实施例来详细阐述本发明的技术方案，如图1所示，本发明提供的一种基于空间句法的历史街区传统建筑空间更新设计方法包括以下步骤：

步骤1：获取北京老城五道营胡同中所有传统建筑平面图，基于空间句法的拓扑分析画出每个建筑空间的“点-轴”关系图，对历史街区中建筑空间结构和连接方式进行刻画。具体包括：

步骤1.1：通过在线地图应用程序接口腾讯位置服务(https://lbs.qq.com/)获取北京老城五道营胡同范围内所有格式为shp的传统建筑轮廓矢量数据。通过实地调研测绘获得长度约340米的北京老城五道营胡同内传统建筑的平面示意图，如图2所示，图中包括各个房间或庭院位置和出入口位置等。在传统建筑轮廓矢量数据的基础上绘制建筑内部空间分割图，标注主要房间，庭院，出入口，廊道。

步骤1.2：根据步骤1.1的北京老城五道营胡同建筑内部空间分割图，将房间、庭院、廊道等室内空间视为节点，将各房间和庭院的出入口的相对位置视为室内空间之间的连接关系，即轴线，构建“点-轴”拓扑关系。再采用空间句法的凸状空间法计算各个节点在拓扑关系中的深度值。将外部的五道营胡同空间视为深度值为0的节点，即根节点，绘制在“点-轴”关系图的最底部。按照各个节点的联系关系，由外向内根据深度值上升依次绘制不同层级节点，最终绘制每个建筑空间的“点-轴”关系图，实现对历史街区中建筑空间结构和连接方式的刻画。由于建筑3、建筑4和建筑16处于在建状态，不考虑到实施例的分析范围内，因此仅对北京老城五道营胡同内17栋传统建筑进行分析，图3绘制了五道营胡同其中的17个传统建筑空间的“点-轴”关系图，图4绘制了五道营胡同其中最具代表性的传统四合院民居的“点-轴”关系图。

步骤2：基于步骤1中的五道营胡同建筑空间的“点-轴”关系图，采用空间句法的凸状空间法来计算五道营胡同中所有传统建筑空间的对称性-非对称性值和分散性-非分散性值，以此来考察五道营胡同传统建筑空间布局的肌理特征和特色模式。具体包括：

步骤2.1：根据步骤1中的五道营胡同建筑空间的“点-轴”关系图，计算不同节点的平均深度值D

步骤2.2：根据传统建筑内不同节点的平均深度值D

步骤2.3：计算建筑空间整体的分散性-非分散性值RR。

步骤2.2、步骤2.3的计算结果见表1，其中列出了五道营胡同中的17个传统建筑空间的对称性-非对称性值和分散性-非分散性值。以五道营胡同中最具代表性的传统四合院民居为例，如图4所示，传统四合院民居空间整体的对称性-非对称性值IV和分散性-非分散性值RR，以及主要房间、庭院、廊道和出入口的对称性-非对称性值IV

表1五道营胡同17个传统建筑空间的对称性-非对称性值和分散性-非分散性值

步骤2.4：根据步骤2.2和步骤2.3计算得到的对称性-非对称性值IV和分散性-非分散性值RR后，对五道营胡同中17个传统建筑空间整体的对称性-非对称性值IV和分散性-非分散性值RR分别取均值，分别为0.93和0.48，结果见表1。在此基础上，对传统建筑空间布局分为四种类型：非对称性与非分散性空间、非对称性与分散性空间、对称性与非分散性空间、对称性与分散性空间。当IV小于0.93和RR小于0.48时，则为非对称性与非分散性空间；当IV不小于0.93和RR不小于0.48时，则为对称性与分散性空间；当IV小于0.93和RR不小于0.48时，则为非对称性与分散性空间；当IV不小于0.93和RR小于0.48时，则为对称性与非分散性空间，如图5所示17个传统建筑的空间布局四种分类，以此来考察历史街区内不同类型传统建筑空间布局的肌理特征和特色模式。

步骤3：利用SPSS软件中的系统聚类方法对五道营胡同内17个传统建筑空间和传统四合院空间的对称性-非对称性值和分散性-非分散性值进行分类。对于历史街区内的传统建筑，按照与传统四合院空间的聚类层次合并的低、中、高，对应分为相似型建筑、杂糅型建筑和差异型建筑，分类结果如图6所示，从而针对性归纳三类传统建筑的空间更新设计方法。基于上述聚类成果，对于五道营胡同内的其它传统建筑，可按照步骤1和步骤2进行指标计算后，将其它传统建筑作为待判样品，利用已进行系统聚类的17个传统建筑和传统四合院作为训练样本，采用SPSS软件中的聚类工具开展判别分析，可确定待判样品的归类结果，归类后可在相同类型中查找已经更新设计后的17个传统建筑和传统四合院空间格局作为更新设计范例，再结合建筑空间功能类型、文化特征等实际情况，综合考虑更新设计。具体包括：

步骤3.1：根据步骤2.2计算得到的17个传统建筑和传统四合院民居的主要房间、庭院、出入口、廊道四个主要功能节点的对称性-非对称性值IV

步骤3.2：根据图6的系统聚类结果，分类进行历史街区传统建筑空间的更新设计：提取在低层次合并为同一类的传统建筑作为相似型建筑，即建筑编号为5、12、13和20的传统建筑，在更新设计过程中可以采取共同设计，以完整保护为主，可进行原样重建；提取在中层次合并为同一类的传统建筑作为杂糅型建筑，即建筑编号为10、15和17的传统建筑，在更新设计过程中以功能改造、空间格局和结构恢复为主，可进行风貌再建，在不破坏的前提下允许鼓励新功能的植入；提取在高层次合并为同一类的传统建筑作为差异型建筑，即建筑编号为19、11、1、18、6、7、14、9、8和2的传统建筑，在更新设计过程中以满足现代功能使用为主，可进行新构重建。

步骤3.3：对于五道营胡同内正在建设的建筑编号为3、4和16的传统建筑来说，在五道营胡同更新过程中可以传承地方传统建筑的空间格局，在设计、改造、建设建筑空间时，依据以上步骤作为判别标准：先对建筑空间按照步骤1绘制“点-轴”关系图，再按照步骤2计算对称性-非对称性值和分散性-非分散性值，接下来基于步骤3.1得到的17个传统建筑空间和传统四合院民居空间作为训练样本，将正在建设的建筑编号为3、4和16的传统建筑作为待判样品，采用SPSS软件中的聚类工具开展判别分析，结果可确定建筑编号为3、4和16的传统建筑分别与建筑编号为17、11、13的传统建筑最接近，因此可被分别定义为杂糅型建筑、差异型建筑和相似型建筑，归类后可在相同类型中查找已经更新设计后的建筑编号为17、11、13的传统建筑空间格局作为更新设计范例，这样就存在可参考的传统建筑空间格局模式，再按照建筑的功能类型、体量规模、文化特征、空间环境等综合因素全面考虑设计方法。

以上所述为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于以上实施例，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变形仍落入本发明的保护范围内。