基于路網密度的城市功能空間分布評價
——以西安市為例

李建偉,孫圣舉,趙 丹

(1.西北大學 城市與環境學院,西安 710127; 2.青島市城市規劃設計研究院,山東 青島 266071)

一、引言

快速城市化推動我國城市跨越式發展,致使城市建成區持續擴張,城市人口規模急劇增加,其引發的“時空壓縮”效應同社會轉型、體制機制滯后的脫節導致交通擁堵、環境惡化、資源短缺、人口膨脹等一系列“城市病”集中爆發[1]。積極調整城市功能的組織方式和配置模式以優化城市空間結構,推進城市品質提升,對預防和應對快速城市化帶來的諸多癥結,實現城市的全方位、高品質健康有序發展意義重大[2]。

作為城市系統的重要組成部分,路網形態與城市功能的良性互動共同推動城市空間結構的演進,相應地,兩者之間的協同研究也一直是地理學、經濟學和城鄉規劃學關注的重點內容之一[3-4]。伴隨城市空間格局演變,城市路網對城市功能格局的影響作用日益增強,研究表明交通帶動城市土地開發[5-6],對土地集約利用具有積極的空間外溢效應[7],通過路網可達性深刻影響城市活力的空間分布[3,8],表現為道路網絡對城市功能的空間異質性[9-10]和交通指向性[11-12]。城市功能與路網形態作為城市復雜系統中的兩大核心要素相互依存、相互作用,在空間上具有一定的契合度,可借此定量測度城市功能區的空間分布[4,9,13-15],進而通過優化資源空間配置[1],協同要素適配關系,提升空間品質和改善人居環境[16]。作為路網形態中衡量城市道路網建設合理性與交通運行效率的重要指標,路網密度相對于交通可達性、網絡中心性、道路整合度與穿行度等指標,更能反映城市資源的空間配置情況[9,13-15]。目前,從宏觀尺度開展關于路網形態和城市功能的關聯測度方法與互動機制研究取得了較為豐碩的成果,但基于路網密度視角,從街區尺度開展城市功能的精細化空間分布評價研究仍有待進一步強化[9,15],特別是在優化策略方面的研究還相對薄弱。

城市系統的復雜性使得傳統單一視角下“藍圖”式的用地布局規劃和開發方式在城市動態發展過程中的時效性與科學性略顯不足[17]。因而,基于POI數據、社交媒體數據、手機信令等大數據的功能空間分布與優化研究成為目前學界關注的熱點問題[18-20]。大數據為城市研究開拓了新的思路,基于城市大數據的分析方法比傳統方法更能精確地反映城市空間格局特征[21-23],這使得結合路網密度精細化定量測度及評判城市功能空間配置成為可能[9]。鑒于此,以西安市中心城區為例,借助POI數據和道路網絡數據,從路網密度視角進行街區尺度下的城市功能空間分布評價與優化研究,旨在精細化識別城市問題空間,從而提出適宜性的功能優化策略。

二、評價框架和方法

(一)研究區概況

西安地處關中平原中部,是國家歷史文化名城,也是九大國家中心城市之一。改革開放以來,隨著城市空間擴張和歷史文化傳承的雙軌推進,西安形成了相對完善的城市空間結構和獨具地域特色的空間肌理,其由舊城區向外圈層蔓延式發展模式及功能空間分布特征代表了我國大多數城市的空間發展歷程。在國家重大發展戰略背景和社會經濟發展訴求下,西安正逐漸由單中心城市格局向多中心空間結構嬗變,城市功能也將持續動態地進行空間重構。

以西安市中心城區為研究對象,包括7個市轄區49個街道辦事處,總面積約為627 km2。結合西安空間結構,以環路為界,將研究區劃分為4個圈層,分別為舊城區、二環內、三環內以及外圍區(見圖1)。數據源包括城市數據團2018年1月的POI數據和2018年6月的道路網數據?；贏rcGIS 10.5平臺,提取研究范圍內的POI數據和道路網數據并進行篩選、重分類[4],得到居住住宅、公共服務、辦公機構、商業服務、綠地廣場和工業園區6類236 283個POI點數據以及主干路、次干路和支路3類2 854條道路線數據。同時,以道路網為基礎將研究區劃分為1 144個街區,作為空間分析的基本單元。

圖1 研究區4個圈層劃分示意圖

(二)評價框架

基于路網密度的城市功能空間分布評價框架分為3個步驟(見圖2):首先,基于ArcGIS 10.5平臺,對路網密度與城市功能進行相關性分析,剔除與路網密度關聯度低的功能類別。其次,引入雙變量空間自相關分析進行路網密度與城市功能的空間耦合特征分析,得到“H-H”(“高—高”類型區)、“L-H”(“低—高”類型區)、“H-L”(“高—低”類型區)、“L-L”(“低—低”類型區)和“Non”(“不顯著”類型區)5類區域。最后,基于耦合分析結果,將空間分為適配空間(“H-H”和“L-L”)和錯配空間(“L-H”和“H-L”),實現對城市功能空間分布的合理性評價。其中,“H-H”和“L-L”是城市功能用地與路網密度高度耦合的空間,即適配空間;“L-H”和“H-L”表現為不同層級的錯配空間,“L-H”是城市功能用地配置相對過剩的區域,易造成交通擁堵,視為城市功能空間分布的擁擠空間,“H-L”是城市功能用地配置不足,即土地資源未充分開發的潛力區域,視為城市功能空間分布的低效空間。在此需要說明的是,“Non”是城市功能與路網密度空間耦合不甚顯著的空間,不進行具體分析。

圖2 基于路網密度的城市功能空間分布評價框架圖

路網密度與POI核密度的整體相關性較高(見表1),說明西安城市功能與路網密度之間具有較強的指向性和依賴性[5],但由于工業園區主要分布在城市郊區,與路網密度沒有顯著的相關性,故不再對其進行與路網密度的空間耦合分析。究其原因,工業園區作為政府主導型的城市功能空間,規劃建設剛性控制較強,受市場規律的影響相對較弱,因此其空間分布與路網密度之間缺乏一定的關聯性。

表1 路網密度與POI核密度的相關性系數表

(三)評價方法

雙變量空間自相關分析可揭示空間變量的分布是否與鄰近的變量有關,通過局部雙變量空間自相關可以有效反映兩類變量空間分布的關聯與依賴特征。為了更加直觀地表達城市功能與路網密度的空間關聯模式,采用局部雙變量空間自相關測度二者間的空間耦合特征[16]。局部雙變量空間自相關分析公式如下:

(1)

三、評價結果

(一)綜合評價

西安城市功能與路網密度的整體耦合度較高,功能空間分布評價結果總體表現良好(見表2)。路網密度與城市功能耦合疊加后的適配空間占空間分析單元總數的61.9%,表明西安市大部分區域的城市功能與路網密度處于空間適配的狀況,空間資源的配置水平較高,土地資源的利用效率和交通運行效率也處于較高水平。各適配空間中,又以辦公機構占比最高,占總數的88.1%,表明辦公機構所在區域的道路體系最為完善,空間配置最為科學合理。

表2 西安城市功能與路網密度空間耦合評價結果統計表

空間格局總體呈“適配—錯配—適配”的環狀分布格局(見圖3)。舊城區、三環內外兩側區域屬于適配空間,以二環為依托形成的中間地帶屬于錯配空間。舊城區是西安歷史文化資源最集中的地區,城市功能類型多、路網密度高,為維持旺盛的城市活力提供了堅實的基礎,適配空間均為“H-H”聚集。而三環內外區域作為城市開發建設的邊緣地帶,城市建設用地開發程度較低,城市功能類型較少,路網密度也較低,適配空間均為“L-L”聚集。以二環為依托形成的中間地帶,城市發育成熟度相比舊城區較低,但比邊緣區域高,城市功能與路網密度在空間上的錯配現象較為明顯,擁擠空間和低效空間環繞中心區在北二環南北兩側、東二環東西兩側以及南二環的南側與西南側,大致形成了錯配空間的環帶聚集區。

圖3 基于路網密度的西安城市功能綜合評價圖

(二)適配空間

適配空間包括“H-H”和“L-L”兩種聚集類型,其中“H-H”表現為中心集聚的空間分布特征,而“L-L”表現為外圍環狀的空間分布特征。

“H-H”總體呈中心集聚的分布特征,且空間分布重心偏南(見圖4)。舊城區一直以來都是城市核心地帶,隨著社會經濟的發展,其社會、經濟、文化的中心地位不斷加強,居住住宅、公共服務、商業服務、辦公機構和綠地廣場等功能持續集聚,空間品質不斷提升。憑借宜人的步行尺度、得天獨厚的歷史記憶、優越的地理區位條件,舊城區成為城市的活力中心與形象地標。與此同時,受舊城區歷史文化保護、開發強度控制以及北部隴海鐵路線的影響,舊城區南側區域成為承載各功能外溢的最佳區域,二環內的南稍門、小寨商圈與舊城區的鐘樓商圈遙相呼應,形成城市多功能集聚區,并成為與舊城區連片的城市活力地段,由南二環繼續向南三環附近延伸拓展。

圖4 西安城市功能與路網密度的“H-H”聚類圖

“L-L”多分布在三環內和外圍區,呈外圍環狀的空間分布特征(如圖5所示)。城市建設的不成熟使得外圍區城市功能與路網密度的空間分布均表現為較低水平。需要說明的是,延續城市舊城區肌理、圍繞大型歷史遺址修建遺址公園是西安保護城市歷史脈絡的重要手段。因而,受歷史文化保護的影響,大明宮國家遺址公園、大唐芙蓉園和曲江池遺址公園等歷史地段的城市建設盡管相對成熟,但是在功能分布和路網配置上有很多約束和限制,表現為“低—低”聚集。同時,西北側的漢長安城國家遺址公園受遺產保護、拆遷補償等因素的影響,仍然大體延續20世紀五六十年代村莊的基本格局,逐漸演變成配套設施不齊、建筑質量偏低、違章搭建嚴重、衛生安全缺乏保障的城中村地區,已無法適應城市建設和管理的各項要求。然而,諸如此類的城中村和老舊小區為大量外來人口提供了廉價的居住出租房,有效地填補了城市中低檔住房市場的需求,其社會價值不容忽略。

圖5 西安城市功能與路網密度的“L-L”聚類圖

(三)錯配空間

1.擁擠空間

擁擠空間(“L-H”)主要集中于隴海鐵路線兩側,呈現條塊狀空間分布的特征(如圖6所示)。擁擠空間是由居住住宅、公共服務、商業服務與綠地廣場的高度集聚和較低的路網密度格局引起的,其中居住住宅與公共服務的擁擠空間最為典型。隨著社會經濟發展與城市功能“退二進三”,聚集在隴海鐵路線附近的企業社區逐漸演變成以居住功能為主的生活區,并不斷吸引城市其他功能要素的集聚、更迭,現如今居住住宅以及配套公共服務等城市功能集聚程度明顯高于路網密度。當然,在該區域存在著大量的居住品質低劣的老舊小區,人居環境品質急需優化提升。而隴海鐵路線盡管是促進城市基本經濟部類發展、提升區域競爭力的重要基礎工程,卻也是割裂城市功能聯系、限制城市功能集聚的阻力,加之明城墻空間阻隔和大明宮遺址保護訴求,最終限制了該地區的道路建設,并削弱了該區域與舊城區的交通聯系。

圖6 西安城市功能與路網密度的“L-H”聚類圖

2.低效空間

低效空間(“H-L”)以高新區、經開區和南二環東側區域為主,呈組團狀空間分布特征。改革開放以來,受市場經濟的強烈沖擊,西安開啟了以開發區建設為主的增量擴張模式,三環內作為城市擴張建設的重點區域,道路建設逐步完善,產業功能得以充實,助推了城市經濟發展。而與路網密度相比,城市功能的發育成熟度遠低于舊城區與二環內的平均水平,以高新區、經開區、南二環東側區域的特征最為明顯。

高新區作為城市新興區域,政策、資金的傾斜使道路體系不斷完善,路網密度較高,但以產業主導的大部分區域功能混合度較低,導致諸如居住住宅、公共服務、商業服務與綠地廣場等功能呈現低聚集空間分布特征(見圖7)。相比于西安功能較為成熟的其他區域,高新區的低功能混合聚集度致使其產城融合不充分,直接導致城市活力不足、通勤形勢嚴峻引發的交通擁堵,而其中居住住宅的低效空間分布范圍最大,表明對居住功能的空間配置需求更為迫切。經開區發展起步較晚且鄰近外圍區,城市交通的通行能力良好但城市功能的聚集程度較低,其綠地廣場的空間配置由于西安行政中心的北遷相比高新區稍好(見圖7)。受過境交通與歷史遺址的影響,經開區是西安開發建設較晚的區域,近年來城市建設雖有所起色,在張家堡、文景路等地區形成了一定規模的活力中心,但該地區底蘊仍顯不足,城市各功能均表現為空間集聚度不高的特征,特別是居住住宅、公共服務、辦公機構和商業服務等功能的提升空間較大。

圖7 西安城市功能與路網密度的“H-L”聚類圖

南二環東側區域的低效空間功能以綠地廣場的低分布特征最為明顯(見圖7f),用地布局以韓森寨老工業生活區和大學校園為主。韓森寨工業區始建于1953年,后隨著蘇聯援建項目及國家“三線”建設總體戰略部署,工業生產功能得以進一步加強,在“重經濟輕生活”“先生產后生活”的建設理念下,城市綠化建設未受到重視。改革開放后,伴隨城市空間擴張和產業結構調整,該地段逐漸演變成了以工業區家屬院為主的居住生活區。因土地產權復雜、居民參與度低導致改造難度大,綠地廣場配置水平仍較低,致使綠地廣場的功能集聚程度低于路網密度。同時,該地段集中分布有西安交通大學、西安理工大學、西安工程大學等知名學府,其綠地規模較大但不對公眾開放,因而不具有綠地廣場的公共屬性。近年來,隨著幸福林帶改造等工程的實施,綠地規模有所增加,但在土地財政驅動下,公園綠地配置水平依然不足。

四、優化策略

基于路網密度的城市功能空間分布評價充分考慮城市功能與路網密度的空間耦合關系,通過對功能空間分布情況進行精細化的評判,為城市功能空間優化提供科學技術指引。針對甄別的擁擠空間和低效空間,以績效最優、互動平衡、公平效率為優化原則,優化資源配置,協同要素耦合關系,最大限度地實現城市健康發展。

(一)擁擠空間

集中于隴海線兩側區域的擁擠空間,通過疏解置換和有機更新策略,對城市功能空間進行配置優化,實現空間品質提升和街區健康發展。優化重點是提高居住容量,改善人居環境質量,以及置入多元化的高端辦公功能。

疏解置換策略是通過疏解與區域職能無關或滯后的不適宜功能,并引入與其職能相契合的功能業態,從而實現土地價值的最大化。該策略適用于土地潛力大、開發建設靈活的地段。在疏解與路網密度不匹配或關聯度低的城市功能(如低品質居住空間、不兼容的產業空間等)的基礎上,置換為辦公、商業、文化旅游等高品質功能空間,合理調整道路交通與居住住宅、公共服務、綠地廣場等主要用地類型比例[12],并通過提供一定的就業崗位解決當地人群的工作需求以減少通勤壓力。

有機更新策略是通過采用微更新而非推倒重來的城市功能大規模置換模式,倡導循序漸進的城市更新理念,以群眾需求和參與為導向,延續和發展街區傳統功能,維系當地居民傳統生活方式,從而改善人居環境并提升城市空間品質。該策略適用于由于歷史文化、制度政策等因素限制,不便進行功能大規模置換或疏解的街區,如城市老舊小區、歷史文化街區等。經改造提升后的街區,在城市風貌上與周邊區域相協調,在城市經濟上注入活力,在社區文化上則保留了城市記憶。對散布在城市各處的城中村,需要綜合考慮利益主體尤其是弱勢群體的訴求,通過以人民為中心的包容性改造梳理功能布局并全面提升物質空間品質,實現土地資源的高效利用和多元人群的交融共生[24]。

此外,針對開發受限的街區,從交通管制、公共交通改善等方面優化街區內部及其與鄰近地區的功能聯系與交通效率,借此實現土地利用與道路資源的空間適配協調。

(二)低效空間

集中于高新區、經開區和南二環東側的低效空間,通過功能混合和集聚提升策略,提升空間品質,激發城市活力,充分發揮土地潛在價值。

功能混合策略是在考慮居民多樣化需求的基礎上,將多元功能有機組合于同一街區,通過提高功能多樣性與聯系效率,營造慢行交通舒適便捷、富有多元活力的城市環境。通過功能的多樣性、土地利用的兼容性和交通可達性提升街區的土地利用混合度,從肌理、密度、滲透性和交織性等方面著手[25],融合居住、工作、娛樂、休閑等多種功能,在提高通達性的基礎上倡導用地兼容,提高土地混合利用程度,促使街區活力、空間利用效率和人民幸福感得到明顯提升[11]。高新區的重點則是提升居住、公共服務配套、商業與綠地的功能混合度。

集聚提升策略是提升城市各功能的集聚程度,補齊公共服務設施和市政基礎設施短板,實現土地資源的高效利用。該策略通常與功能混合策略共同作用于低效空間,但應合理控制開發強度,不能因此降低城市空間的環境品質,如居住區的日照條件以及城市天際線輪廓等。此外,還需要綜合考慮歷史文化保護對建筑高度、開發強度的控制。經開區的重點是居住、公服配套和綠地廣場功能混合度與集聚度的全面提升,補齊人民群眾急需的醫療、教育、文化等公益性公服設施配置短板。此外,南二環東側的重點是通過綠地配置提升區域的城市風貌及空間品質,并逐步增加辦公功能空間,提升土地價值,提高區域活力。

五、結語

城市問題的日益嚴峻與新時期城市發展訴求使得城市功能的空間優化研究成為熱點。聚焦路網密度對城市功能的空間配置影響能夠對城市功能空間分布情況做出較為精準的評判,進而提供科學合理的優化技術指引。鑒于此,依托大數據技術,以西安市為例,結合POI數據和道路網數據,采用雙變量空間自相關方法開展路網密度與城市功能的空間耦合分析,并針對錯配空間提出結合路網密度的適宜性功能優化策略。研究結論如下:(1)西安適配空間占空間分析單元總數的比率達61.9%,表明城市功能用地與路網密度整體耦合度較高,城市空間資源的配置水平較高,土地資源的利用效率和交通運行效率整體較高。(2)除工業園區外,西安城市功能與路網密度之間具有較強的指向性和依賴性,總體呈“適配—錯配—適配”的環狀分布格局,其中,舊城區、三環內外兩側區域屬于適配空間,以二環為依托形成的中間地帶屬于錯配空間。

針對錯配空間,應結合路網密度優化城市功能布局。其中,擁擠空間主要位于城市二環以內,提高路網密度難度較大,故以疏解置換和有機更新策略為主;低效空間則應結合城市道路分布,以增加功能混合與功能集聚提升策略為主,從而實現城市資源的集約高效利用。