基于生态与水文过程的沿海低地城市形态生成系统及适应性设计研究

旨在促成生态与水文动力过程对沿海低平地城市形态与大地景观的塑造作用，提出蕴含了微观动力过程的形态生成式城市设计方法。借鉴空间生态学与动力地貌学在形态与过程耦合方面的最新进展，给出城市形态与生态水文过程的关联途径，促进设计系统与评估系统的整合。针对沿海低地城市流域人类活动剧烈、环境变化快、水文灾害频发等问题，研究保持生境网络和低地水网功能的拓扑参量与量度参量，以适应自身与环境变化，并将生态规划与防洪规划的刚性限制条件转变为弹性约束规则，提高空间规划弹性与灾害应变能力。采用空间信息技术定量描述沿海低地城市流域地表特征、挖掘城镇景观特征；利用数值模拟生成生境网络与低地水网；采用图论与拓扑分析研究网络动力行为、网络优化、拓扑保持与拓扑形变。在自然网络的基础上，探求规划干预下的自组织形态。成果将有助于拓展城市形态学的研究方法，促进形态与过程的有机结合。

形成具有生态功能的城市形态需要一个长期试错过程，建成环境与自然驱动力的相互作用最终趋于稳定状态，但非过程式设计很难捕捉或预见到这个状态。尽管基于过程的结构设计和建筑设计已经被广泛实践，但由于城市形态的驱动因子复杂多样且相互作用，因此，过程式设计尚未在城市领域发挥作用。本项目侧重于生态和水文过程对形态形成的影响，关注建成环境动物行为和低地暴雨径流过程。为了生成适应生态和水文过程的自组织形态，我们首先提出了两种从建筑组团到多个街区尺度的城市肌理再现和生成方法。一种是可控的准三维元胞自动机算法；另一种是两组规范化且一般化的自下而上城市语法，适用于正交和非正交形态。同时，还提出一种可以与生境网络耦合的道路网络生成器。为了深入了解城市环境对地面动物行为的影响，我们在2012和2013年实施了直接观测实验，记录了动物移动轨迹和在各类覆被上的出现频次。针对城市刺猬的景观阻力定量研究在全球范围内还非常有限，我们首次给出了根据动物行为模式计算景观阻力的方法。基于形状语法和动物运动行为，我们重新定义了“模式语言”，并提出一种时间显性、动因明确的形态模式生成方法，将模式语言从传统设计智慧拓展成一种城市形态生成方法。生成结果反映出人与动物的交互界面，提示了城市动物移动的安全通道和垫脚石。城市地面径流与内涝等水文过程受建成形态影响显著，我们评估了地势地平地区地表空间离散化方式和建筑表达方式对模拟结果的影响。使用2D-1D耦合模型模拟了小城市流域双排水系统，我们发现：即使雨水管网排水能力提升到5a一遇标准，低于1a一遇重现期降雨事件也会造成地面积水。除了雨水口堵塞或相对位置偏高，由于汇水面积不确定导致雨水口低效或超载是低地内涝的首要原因。此外，一维模型通常低估地面积水，高估管道溢流风险。根据上述问题我们提出了适应沿海低地雨水管理的城市设计策略。