于曉妹,韓寶睿,翟江蘇
(南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院,南京 210037)
城市道路網(wǎng)是最古老的人造網(wǎng)絡之一,城市路網(wǎng)結構是否合理,關系到城市能否高效運行和發(fā)展。目前在城市道路網(wǎng)規(guī)劃中,規(guī)劃師大多崇尚高密度、高連通度的網(wǎng)狀結構。但城市道路網(wǎng)規(guī)模較小,無論是在大型現(xiàn)代化城市的局部區(qū)域還是在發(fā)展中的較小鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域,在整個城市歷史中可以觀察到街道網(wǎng)絡的分散增長。這些街道網(wǎng)絡并非完全來自規(guī)劃過程,而是在眾多因素中以增量方式出現(xiàn)或發(fā)展[1-2]。因此,在許多情況下,產(chǎn)生的路網(wǎng)結構是復雜的,并且偏離簡單的規(guī)劃模式,例如方格網(wǎng)絡。這種道路網(wǎng)絡的一些特征在很大程度上是未知的,并且缺乏定量描述。單從等級結構、幾何形狀、路網(wǎng)密度和道路間距等數(shù)據(jù)對路網(wǎng)結構辨析,不能清晰地反映道路網(wǎng)結構的本質(zhì)差異(網(wǎng)狀路網(wǎng)和梯形路網(wǎng)),因此,一些學者力圖從網(wǎng)絡本質(zhì)分析道路結構。
學者希爾博塞莫初次提出,采用樹狀結構模式將道路上具有不同速度行駛的車、人分離。雷·布林德爾將路網(wǎng)結構類型極端地分為兩大類:格柵路網(wǎng)和樹狀路網(wǎng)。依據(jù)道路之間的連通程度對路網(wǎng)結構類型進行兩極式的劃分,將連通程度高的稱之為網(wǎng)狀路網(wǎng)結構;將層次分明具有主干結構性,并且逐級銜接具有連通接入限制型的路網(wǎng)結構稱之為樹狀路網(wǎng)結構[3-4]。目前國內(nèi)外主要基于復雜網(wǎng)絡理論、圖論和分形理論等方法對交通網(wǎng)絡進行分析研究[5-13]。這些方法對網(wǎng)絡研究起到了積極作用,也一定程度反映了網(wǎng)絡結構的多樣性和復雜性。在對路網(wǎng)結構分類研究中,以上這些研究對樹狀路網(wǎng)結構特征與存在形式的分析大多禁錮于幾何形狀為樹枝形的道路網(wǎng)絡,通常將魚骨形和樹枝形看作樹狀路網(wǎng)的全部,忽略了路網(wǎng)等級關系與特性,以及路網(wǎng)形態(tài)的變化與模糊性,因此無法更好地理解道路網(wǎng)特征。
從拓撲學的角度,樹可以看作一類特殊的圖,如果一個圖的任何子圖都不是圈,則稱此圖為無圈圖,連通無圈圖稱之為樹[14]。
樹狀結構的普遍特點:層級性、中心性和主干性等幾乎被運用到生活的各個方面,是圖解事物之間關系的一個成功典范,逐漸用樹的形象展現(xiàn)越來越多的主題知識,樹狀圖在設計上也漸漸開始趨于抽象化,如圖1(a)所示。圖1(b)矩形樹型,也稱拼接圖,通過嵌套的矩形來展現(xiàn)不同層級的數(shù)據(jù),樹狀圖上每個分支都用矩形框或矩形線段來表示,其次級分支則使用更小的矩形或線段(例如,可用來表示大小、路徑等級、長度等屬性);圖1(c),一條或幾條貫通東西(或南北)的主干,幾十條東西向細枝則平行分布,織成了一幅美麗的“魚骨”,具有鮮明的層次結構,被稱為魚骨樹x型。圖1(d)中,道路網(wǎng)中的樹狀結構,更容易感知,特別是其主巷的存在性更為強烈,是約定俗成的首選路徑,導向性極為強烈,是街巷空間的一個核心特征。
圖1 樹狀結構的不同類型Fig.1 Different types of tree structures
與網(wǎng)狀路網(wǎng)相比,樹狀路網(wǎng)突出的特點是“主干性”、等級分明、主路與次級道路之間逐級銜接、道路末級存在較多盡端路,這種特性使得樹狀路網(wǎng)中主干路上交叉口較少,具有較高的運輸效率。同時,次級道路減少了不必要的過境交通,形成良好的局部環(huán)境,如圖2所示。
在路網(wǎng)規(guī)模較小區(qū)域內(nèi),一些道路形成環(huán)形路網(wǎng)結構,這種結構雖然具有網(wǎng)狀路網(wǎng)的形態(tài),但完全符合樹狀路網(wǎng)逐級銜接和等級分明的特質(zhì)。由此可得,即使樹狀路網(wǎng)結構大多時候是以“樹枝狀”的形態(tài)存在,但次等級道路仍然可以在其等級內(nèi)部形成一個完整的連通型路網(wǎng)。因此,一個具有網(wǎng)狀結構的路網(wǎng)模式從等級結構上來說可能也具有樹狀等級結構特征。
(a) 典型樹狀路網(wǎng)(倫敦泰晤士米德)
(a) Typical tree-like network(Thames Meade )
(b) 典型網(wǎng)狀路網(wǎng)(南京)
(b) Typical grid network(Nanjing)
圖2典型的路網(wǎng)模式
Fig.2 Typical road network model
例如典型的克雷格路網(wǎng)模式,具有高連通度的網(wǎng)狀結構的同時,遵循等級性和逐級銜接特征,而形成了具有良好慢行和分層遞進的網(wǎng)絡運輸模式。如圖3所示。
圖3 克雷格路網(wǎng)模式Fig.3 Craig road network model
5種路網(wǎng)模式如圖4所示。按照路網(wǎng)設計規(guī)范及以下約束條件構造簡化路網(wǎng)結構模式:①繪制在2 km×2 km的方格之上;②道路等級分為快速路、主干路、次干路和支路;③各等級道路長度比約為1∶2∶3∶4~6[15-16],即道路密度約10 km/km2,其中邊界道路長度默認為0.5 km;④各級道路同級或上下級相接,不得越級相接;⑤各條道路上交叉口間距符合規(guī)范要求(構建路網(wǎng)中交叉口間距不小于100 m)。
以上路網(wǎng)均符合現(xiàn)代路網(wǎng)結構理念,其變化也代表了現(xiàn)代城市路網(wǎng)的核心結構。
A路網(wǎng)為矩形層級銜接路網(wǎng)模式,在結構上存在網(wǎng)狀結構,且道路等級分明、逐級銜接,即所有道路都不跨等級銜接,只與平級和相鄰級別道路銜接。該路網(wǎng)支路基本由T型交叉口構成鏈接,路網(wǎng)中各個點到達快速路或主干路須逐次經(jīng)過支路、次干路后到達。
B路網(wǎng)為典型的梯子型層次銜接路網(wǎng)模式,以十字交叉為主,類似于A網(wǎng),B網(wǎng)遵從A網(wǎng)逐級銜接的特點,同時在小區(qū)域內(nèi)將局部的次級道路、支路高度聯(lián)通,形成貫通性次干路網(wǎng)和支路網(wǎng)。局部的支路網(wǎng)與主干道網(wǎng)之間不相交,或者以立交方式避免直接交叉。
C路網(wǎng)為典型的樹枝形路網(wǎng)模式,其支路完全被困在主(次)干道圍成的大街區(qū)內(nèi),多采用T型交叉和盡端路,因而形成低連通度的路網(wǎng)結構。
D路網(wǎng)為典型街區(qū)稀疏格柵路網(wǎng)模式,這種路網(wǎng)連通度較高,結構單一,等級結構劃分比較模糊,識別性較差。交叉口間距300 m左右。該模式主要由于目前各城市路網(wǎng)規(guī)劃注重(主次)干道建設而忽視支路建設,以及新城中大型封閉式(居住區(qū))地產(chǎn)開發(fā)模式所造成的。
E路網(wǎng)為郊區(qū)樹狀盡端路模式,多結合城市的自然地貌地形,街道狹窄,非直線系數(shù)大,用地較分散,布局上多采取連通度較低的樹狀盡端路。
圖4 5種路網(wǎng)模式Fig.4 Five road network models
2.2.1 貫通性道路比率
貫通性道路,是指貫穿研究對象區(qū)域的道路,它反應了道路與對象區(qū)域及其整體路網(wǎng)格局的關聯(lián)程度,對它的判定與對象區(qū)域的劃定范圍、平面形狀、道路的寬度、曲直程度和線形等有關,貫通性道路比率包括貫通性干路比率和貫通性支路比率(本文構建的路網(wǎng)模型均屬于正交線型,比較簡單,道路的貫通性易于識別)。
2.2.2 路網(wǎng)布局結構表達參數(shù)
樹狀路網(wǎng)典型的形態(tài)特征是存在大量的T型交叉口和盡端路。從拓樸學的角度,樹狀結構是完全由T型交叉和不連通的斷頭道路組成的,而這樣的路網(wǎng)實例幾乎不存在。馬歇爾也曾提出路網(wǎng)中的交叉節(jié)點和路網(wǎng)中由道路閉合的單元數(shù)量對網(wǎng)絡形態(tài)的識別方法[15]。形態(tài)指標如下。
(1)T型交叉口比率和X型交叉口比率。通常情況下,路網(wǎng)中節(jié)點為3條道路交叉(T型交叉口,t)或4條道路交叉(X型交叉口,x)。因此,路網(wǎng)中總節(jié)點數(shù)量:s=t+x;T型交叉口比率:t/s;X型交叉口比率:x/s;實際路網(wǎng)中,T型交叉口比率和X型交叉口比率取值均為0~1。
(2)單元比率與盡端路比率。路網(wǎng)中的網(wǎng)狀結構會形成封閉的單元格,而對于一個純粹“樹形”結構的路網(wǎng),僅存在支流狀的盡端路結構,不存在單元格,反之,路網(wǎng)中不存在盡端路。而實際路網(wǎng)布局通常是二者的結合。本文將路網(wǎng)盡端路比率定義為:盡端路數(shù)量/(盡端路數(shù)量+單元數(shù)量);將路網(wǎng)單元比率定義為:單元數(shù)量/(盡端路數(shù)量+單元數(shù)量)。
2.2.3 路網(wǎng)拓撲結構參數(shù)
(1)路徑深度(Di)。是指路網(wǎng)中一條道路與某個特定“基準道路”之間的距離,以鄰接步數(shù)來衡量。一條道路與“基準道路”之間的步距越遠,深度越深。深度值可以判斷出路網(wǎng)結構是否具有典型“等級化”以及內(nèi)部是否有較深的分支道路。本文深度值的表達方法:首先設定一個“基準”,編號為1,其深度值為1;與“基準”直接銜接的道路,編號分別為1.1、1.2,深度值為2。由此,根據(jù)編號的位數(shù)得出每條道路的深度值。如圖5所示,南京四牌樓地區(qū)路網(wǎng)的總深度值為73。
(2)路徑連接性(Ci)。與i路徑直接相連的其他所有路徑的數(shù)量(l)是該路徑的連接性值,Ci=l。
(3)路徑連續(xù)性(Ct)。指i路徑穿越的交叉節(jié)點的個數(shù)(h),Cti=h;主要反映路徑的長度以及滲透性。
圖5 南京四牌樓地區(qū)深度計算示意圖Fig.5 Schematic diagram of depth value calculation in the area of Nanjing Sipailou
將構建的5種路網(wǎng)模式微觀結構參數(shù)值列舉見表1。對比分析如下。
(1)A網(wǎng)T型交叉較多,B網(wǎng)X型交叉較多,在局部支路網(wǎng)中具有一定量的盡端路,都具有樹狀路網(wǎng)的特性。C、E路網(wǎng)存在大量的具有層次銜接的T型交叉口和盡端路,“樹形化”程度較高,典型的樹狀路網(wǎng)。D路網(wǎng)模式在結構上則表現(xiàn)出了標準柵格路網(wǎng)的特點,正交結構的“寬馬路”和高連通度,這種路網(wǎng)大多出現(xiàn)在新城建設中,過度發(fā)展快速路、主干路,忽略了支路建設,不難得出這并不是理想的路網(wǎng)結構。
表1 構建路網(wǎng)模式的參數(shù)值對比Tab.1 Comparison of parameter values of constructed road network mode
(2)A、B、C路網(wǎng)地塊面積比較小,內(nèi)部支路網(wǎng)相對比較完善。D路網(wǎng)模式地塊面積較大,在路網(wǎng)規(guī)劃中,會優(yōu)先考慮快速路、主(次)干路的建設,支路網(wǎng)較少,大面積土地地塊內(nèi)必然會出現(xiàn)幾乎不參與城市道路的交通分配的區(qū)域,城市交通壓力會集中在主干道路上。即便后期逐步規(guī)劃支路建設,但也多會以小區(qū)內(nèi)部服務為主,使支路網(wǎng)模式更錯綜復雜,從而嚴重影響城市的整體規(guī)劃。
(3)從構建的路網(wǎng)模型中,可以看出支路布局主要可分以下幾種類型:①缺少支路,如D路網(wǎng);②貫通性支路數(shù)量較少,路網(wǎng)中其支路完全被困在主(次)干道圍成的街區(qū)內(nèi),支路不規(guī)則性和局部性較強,內(nèi)部存在較多的盡端路,如C路網(wǎng);③貫通性支路數(shù)量較多,路網(wǎng)遵從分層遞進,不越級交叉的原則,同時將局部化的支路部分全局化,形成貫通性支路網(wǎng),如B路網(wǎng)。因此,由支路的貫通性可以進一步對道路網(wǎng)進行分類。
路網(wǎng)樣本模型選擇的原則:①路網(wǎng)模式多樣性,易于歸納;②選取發(fā)展相對完整的路網(wǎng)結構;③選取合適的比例與范圍。
選取8個中國的真實城市路網(wǎng)樣本作為量化分析和識別的對象,這些網(wǎng)絡樣本分別來自歷史悠久的上海、南京和蘇州等城市。并依據(jù)城市空間不同的發(fā)展年代,所選路網(wǎng)樣本包含老城區(qū)路網(wǎng)、新城規(guī)劃區(qū)路網(wǎng)、城市邊緣區(qū)域和郊區(qū)居住區(qū)等區(qū)域類型。這些區(qū)域的路網(wǎng)結構恰巧表現(xiàn)了所構建的路網(wǎng)模式。
本文實例分析由開源地圖(Open Street Map)截取路網(wǎng)區(qū)域,然后借助Arc GIS路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫將路網(wǎng)提取出來并做部分修改。將Arc GIS提取的路網(wǎng)樣本列舉如圖6所示。
其中南京建鄴區(qū)路網(wǎng),是典型的格網(wǎng)布局區(qū)域,位于新城規(guī)劃開發(fā)區(qū)域,該路網(wǎng)整體具有高連通度,道路之間形成標準的方格狀路網(wǎng),且道路等級結構模糊,逐級銜接的特征不清晰。而上海新城區(qū)、南京高廟路地區(qū)等路網(wǎng)模式既有樹狀結構的等級分明特點,又兼?zhèn)渚W(wǎng)狀結構連通性高的特點,是實際路網(wǎng)及結構形態(tài)中最為普遍的路網(wǎng)類型,也是較為理想的路網(wǎng)模式。常熟市郊區(qū)居住區(qū)、南京大明路地區(qū)和南京徐莊軟件園等路網(wǎng)內(nèi)部具有較多樹狀結構,整個路網(wǎng)顯示出清晰的等級化結構和不規(guī)則的盡端路。
3.2.1 形態(tài)指標分析
將路網(wǎng)實例的微觀布局參數(shù)值進行計算(見表2),并將實例路網(wǎng)中的“T-X型比率”對應于“單元-盡端比率”在坐標系中進行混合投影標注,可直觀地描述現(xiàn)實路網(wǎng)在形態(tài)結構上的“樹形化”和“格網(wǎng)化”程度以及各“網(wǎng)絡形態(tài)”之間的區(qū)別。
圖7中顯示大多數(shù)路網(wǎng)的盡端路比率低于0.4,同時大多數(shù)樣本路網(wǎng)的T型交叉口比率高于0.5。其值越接近右下角,路網(wǎng)模式就越接近純網(wǎng)格狀,T型交叉比率和盡端路比率較低,屬于高連通度的路網(wǎng)模式,它包含具有層次分明的梯子型路網(wǎng)模式(上海新城區(qū))和矩形路網(wǎng)模式(南京高廟區(qū)),以及道路等級模糊的南京建鄴區(qū),變動范圍比較大。中間區(qū)域內(nèi),路網(wǎng)中存在大量的T型交叉口,但盡端路比率較低,變化范圍相對較小。對應實例:蘇州老城區(qū)和南京四牌樓老城區(qū),屬于矩形路網(wǎng)模式。越往右上區(qū)域,T型交叉比率和盡端路比率相對較高,為典型樹狀路網(wǎng)模式。
圖7 “T-X型率”對應于“盡端率-單元率”的坐標投影Fig.7 Cardinate projection of T- intersection and X- intersection ratios plotted against cul-de-sac and cell ratios
由圖8可以看出,當將路網(wǎng)的T型交叉比率單調(diào)遞增時,將其與盡端路比率的各種特征相結合,曲線可以大致分為3個部分。T型交叉比率為(0,0.55];(0.55,0.85];(0.85,1.0],這3個區(qū)域分別對應于網(wǎng)格狀網(wǎng)絡、過渡狀態(tài)網(wǎng)絡和純樹狀網(wǎng)絡。
其次,盡端路比率的變化并不總是與T型交叉比率一致,因此可用于進一步的輔助分析。如果使用T型交叉比率作為主要分割指數(shù),則可以使用盡端路比率作為次要指標來進一步區(qū)分道路網(wǎng)絡形式。結果為:盡端路比率為(0,0.1],對應于網(wǎng)格狀網(wǎng)絡和T型路網(wǎng);盡端路比率為(0.1,0.4],對應于盡端路網(wǎng)絡;盡端路比率為(0.4,1.0],對應于純樹形網(wǎng)絡。
圖8 不同城市道路網(wǎng)的“道路貫通率”、 “T型率”和“盡端率”的比較Fig.8 Comparison of “road-through ratio”, “T-ratio”and “cul-de-sac ratio” of different urban road networks
貫通性道路比率是客觀描述道路網(wǎng)是否偏向樹狀網(wǎng)絡的重要且有效的指標,這在以前的分析中沒有得到足夠的重視,且支路貫通比率在區(qū)分樹形網(wǎng)絡方面更有效,見表2。
表2 路網(wǎng)樣本的微布局結構參數(shù)值
3.2.2 拓撲指標分析
對于路網(wǎng)拓撲指標深度值的分析,本文基于空間句法原理開發(fā)的Depthmap軟件,得出路網(wǎng)結構整體的連續(xù)性、連接性和深度3個參數(shù)值,并根據(jù)3個數(shù)值的相對權重和所占比例,推出其相對連續(xù)性、相對連接性和相對深度(其中,相對連續(xù)性值比例、相對連接性值比例和相對深度值比例之和等于1),計算結果見表3。
表3 路網(wǎng)樣本的拓撲結構參數(shù)值Tab.3 Topology parameter value of sample networks
根據(jù)連續(xù)性、連接性和深度3個參數(shù)值,建立三角坐標系的網(wǎng)絡圖表,如圖9所示。根據(jù)連接性進
圖9 8個網(wǎng)絡實例的網(wǎng)絡圖表Fig.9 Network diagram of 8 network instances
行分類,得出樹狀形態(tài) - 格網(wǎng)形態(tài)區(qū)間。具體劃分原則:根據(jù)樹狀結構和格網(wǎng)結構將整個網(wǎng)絡圖表一分為二(L線),并用次級劃分法將所有普遍性的案例囊括其中(L1線與L2線之間),在L線劃分的區(qū)域內(nèi),覆蓋了所有路網(wǎng)樣本的分布范圍,通過次級劃分法,在最大深度的樹狀路網(wǎng)與最高連通度的網(wǎng)狀路網(wǎng)之間,由上到下,可以劃分超過3種路網(wǎng)結構模式。
(1)典型的樹狀路網(wǎng)結構。該區(qū)域內(nèi)的路網(wǎng)結構中含有較深的次級(分支)道路,局部路網(wǎng)由盡端路和多層次的回路構成,是典型的具有“主干性”、“等級化”的分層遞進的道路運輸模式。如南京大明路地區(qū),“主干性”突出,多采取連通度較低的樹狀盡端路。
(2)混合型路網(wǎng)結構。①既具有高連通性,同時具有等級分明、逐級銜接的路網(wǎng)模式。如構建的矩形塊層級銜接路網(wǎng)模式和梯子型層次銜接路網(wǎng)模式。②路網(wǎng)等級關系劃分不清晰,部分主路與小支路之間存在越級連接。
(3)典型的大街區(qū)網(wǎng)狀路網(wǎng)結構。具有高連通度,但路網(wǎng)結構中缺少等級劃分和連通接入限制。該模式多出現(xiàn)在新城“規(guī)劃”中(注重干道建設而忽視支路建設),或新城中大型封閉式地產(chǎn)中。如南京建鄴區(qū)路網(wǎng)模式。
本文對常見路網(wǎng)模式進行分類探索,并提出定量化描述的指標,從而在路網(wǎng)模式中實現(xiàn)對樹狀結構的識別。研究得知,樹狀路網(wǎng)結構可以通過幾個參數(shù)要素的變化形成幾種基本形式。為證明這些基本形式存在指標上的明顯差異,檢驗了一系列參數(shù)來辨析“樹狀結構”和“網(wǎng)狀結構”,通過國內(nèi)8個典型路網(wǎng)實例進行了識別和驗證,發(fā)現(xiàn)一些路網(wǎng)從平面結構上具有網(wǎng)狀特性,但在拓撲結構上具有明顯層級遞進的特點,符合樹狀路網(wǎng)的本質(zhì)特征,即樹狀路網(wǎng)結構形式存在多種模式而非只表現(xiàn)為“樹枝狀”。
(1)樹狀路網(wǎng)的本質(zhì)可以進一步深化。本研究證明了樹狀道路網(wǎng)并非僅僅是樹枝狀的道路網(wǎng)絡,本質(zhì)上是分層遞進,且兩點間僅為單一路徑的網(wǎng)絡運輸模式。從這一點看,網(wǎng)狀路網(wǎng)如果加入交通管制手段(如設置單行路),也可變?yōu)闃錉盥肪W(wǎng),這點有待于進一步研究。
(2)局部性價值。主干路稱之為城市的動脈,保障了城市交通的暢通,但街坊鄰居、社區(qū)情感、慢性空間、私密性和嬉戲安全性等都離不開良好的局部性,其主要由處于末端的支路來支撐[17-19]。對于城市整體而言,既需要發(fā)揮“主干性”,亦需要支流狀道路的應用價值,即路網(wǎng)規(guī)劃中需對貫通性道路與盡端路協(xié)調(diào)控制。因此,局部中的樹狀結構并非提之鄙棄,難登“大雅之堂”。良好的支路布局在道路網(wǎng)規(guī)劃中也將不可忽略。
(3)樹狀路網(wǎng)結構形式。路網(wǎng)結構本身具有復雜性和多樣性,樹狀路網(wǎng)與網(wǎng)狀路網(wǎng)也并非互斥,而是相互包含的。它存在不同模式,具有典型樹狀路網(wǎng)特質(zhì)的有矩形層級銜接樹狀路網(wǎng)模式、梯子型層次銜接樹狀路網(wǎng)模式、樹枝狀層次銜接樹狀路網(wǎng)模式和郊區(qū)樹狀盡端路網(wǎng)模式等,不同類型之間的運輸效率、交通分配、可達性和土地利用等,都存在一定的差異性和探討性。如何將不同的樹狀路網(wǎng)模式運用到實踐當中是當前需要深入思考的問題。
(4)本次采用的樣本為同一比例下進行比較研究,實際上城市道路網(wǎng)在不同比例尺下顯示出不同的網(wǎng)絡特性,而網(wǎng)絡的分形特征應該也是判斷道路網(wǎng)幾何特征的重要依據(jù),可以作為重要的研究方向進行分析。