○吳振東 艾小群

建筑空間和空間關(guān)系是設(shè)計學(xué)長期以來的熱點問題，空間通過其幾何、拓撲和視覺關(guān)系反映其空間營造理念與特色建造文化，空間視覺感知是觀察者對建筑組構(gòu)空間視覺感受、意象、體驗的綜合關(guān)系集合。

一 空間復(fù)雜性及其量化研究意義

(一)空間視覺關(guān)系的具身性

“形而下”的物質(zhì)空間作為承載人類生產(chǎn)活動的場所，人是空間生產(chǎn)活動中的主體，人依照自己的身體尺度、活動方式、感覺、運動和審美體驗進行空間的營造，從而更好的進行生活。Vischer認為“存在于我們周圍空間的直覺形式，是由……我們身體結(jié)構(gòu)的感官體驗所組成的。一旦我們了解到體驗自身，并將自身置于圍繞我們周圍空間的中心，我們就能發(fā)現(xiàn)其珍貴的核心，也就是建筑創(chuàng)作所依賴的基礎(chǔ)。”[注]Vischer R, Mallgrave H F, Ikonomou E.Empathy.Form, and Space: Problems in German Aesthetics, 1873-1893.International Journal of History & Ethics of Natural Sciences Technology & Medicine, 1993,pp.78-82.盡管空間體驗的直觀性十分重要，受制于技術(shù)，極少有研究嘗試從人對空間感受進行研究，把空間的體驗者視覺邏輯進行可行的表征。

(二)空間維度關(guān)系的復(fù)雜性

空間是具有方位和深度的三維空間，19世紀的德國建筑師森佩爾就認為由于人的直立行走，其營造的空間在水平和垂直方向上均進行了延伸?？臻g是三維屬性的世界，但由于手段的缺乏對其研究維度很難開展，比如凱文·林奇就采用認知地圖和調(diào)查問卷進行城市意象研究，蘆原義信采用二維圖示進行街道尺度的闡釋，但由于過于依賴被試的手繪與表達能力或者維度解釋的不足，使得研究偏向于主觀和經(jīng)驗化。

(三)空間數(shù)量關(guān)系的難度量性

定量研究由于其能將離散的數(shù)據(jù)進行整合計算，這種基于數(shù)據(jù)的分析使得研究清晰性、精確性、可重復(fù)性都得到根本的改變?？臻g包含復(fù)雜的視覺、拓撲、幾何等數(shù)量關(guān)系，由于空間數(shù)據(jù)的龐大繁雜，以往確實囿于技術(shù)的制約而難以測度。近年來，元胞自動機、空間句法等方法在空間關(guān)系的表征與模擬上都取得了較大的進展，元胞自動機在大尺度空間(區(qū)域、城市)等模擬計算上具有優(yōu)勢，空間句法由空間組構(gòu)理論支撐，用以解釋復(fù)雜空間現(xiàn)象，但兩者都以抽象算法和符號工具進行計算，在強調(diào)體驗的空間視覺仿真模擬上都還待加強。

空間視覺感知研究的基本目標就是回答一個特定空間哪些區(qū)域可以被看見(可視域)，怎樣被看見(視角、視距)，哪些要素影響被看見的過程與結(jié)果(陰影、體積)，運動過程中人與空間的相對關(guān)系(動態(tài)貼線率、天際線等)。在此基礎(chǔ)上能夠好的建立有效的空間知識，并進一步勾連空間特征與空間營造文化之間關(guān)系，將其發(fā)展為空間智慧，而前述的三點特性是制約其研究推進的主要因素。

二 基于3D GIS的空間視覺感知量化要素分析

GIS(Geographic Information System)是以具有地理內(nèi)涵的空間數(shù)據(jù)為處理對象，運用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，通過空間數(shù)據(jù)的采集、管理、顯示、處理、分析和輸出進行空間知識發(fā)展的計算機信息系統(tǒng)。3D GIS與傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)最大的差異在于它借助全真實的三維數(shù)據(jù)維度擴張和地理信息系統(tǒng)的運算精度，能夠?qū)崿F(xiàn)空間數(shù)據(jù)分析的可重復(fù)驗證、全中心性、時空維度的擴展，彌補了傳統(tǒng)GIS的缺陷，是傳統(tǒng)GIS進一步發(fā)展的結(jié)果。三維模型不僅是空間的可視化表達，而且是構(gòu)建了客觀世界的信息場域與深度解析范式,筆者總結(jié)3D GIS在仿真人的視覺感知的三個主要分析要素。

(一)全中心性下的視域分布分析

Tandy在1964年首次提出視域概念，將它定義為從特定的角度可以看到的區(qū)域。視域是一個空間結(jié)構(gòu)最具有識別度的指針，是進行空間視覺感知研究的主要要素。通過視域分析，研究者能夠清晰地指導(dǎo)特定的建筑空間中哪些是其容易被看到的區(qū)域；哪些是被遮擋的區(qū)域；哪些是影響了該空間的視線障礙；從指定的觀察點我們能到看什么？通過對這些問題的分析進行空間特征歸納總結(jié)。

按照空間句法計算方法，視域被認為是通過空間中的單個點(一般為眼睛高度)并且占據(jù)相同平面(一般與地面平行)的無限數(shù)量的視線(或軸線)的總和。視域的量化分析是由模擬觀察點和被觀察物之間計算產(chǎn)生的。每個物體初始被認為是可見的，然后由計算機去計算其被障礙物進行遮擋并進行統(tǒng)計，它產(chǎn)生一個光柵表面，對于可見單元格指示“1”，而對于不可見單元格的指示為“0”，通過“二進制”計算，最后在以可視化方式進行呈現(xiàn)。視域又包含多個子維度包括視域、視覺開放性和視覺聚焦中心等?？臻g句法的視域分析在量化城市環(huán)境和空間指標得到了很好的應(yīng)用，但其二維的局限性也受到了很大的限制，缺乏Z軸向使得大量基于高度的空間體驗關(guān)系無法得以闡釋。

3D GIS利用其高程數(shù)據(jù)優(yōu)勢，可依靠地理坐標進行是三維觀察點的布置，采用全三維數(shù)據(jù)進行遮擋計算，大幅提高了視域分析的空間維度和精度，是對空間句法視域方法的有效更新。

(a)觀察點視線疊加(b)在被觀察物上的可視化呈現(xiàn)

圖片來源：Lonergan C, Hedley N.Unpacking isovists: a framework for 3D spatial visibility analysis.Cartography & Geographic Information Science, 2016, 43(2),pp.87-102.

(二)時空關(guān)系下的陰影體分析

勒·柯布西耶認為建筑是陰影影響下的形狀正確、絕妙、神奇的游戲，路易斯·康也強調(diào)“設(shè)計空間就是設(shè)計光亮”。光通過照射建筑體表現(xiàn)，形成空間的亮部與暗部，勾勒了建筑空間的形體與尺度關(guān)系，極大的改變了空間的視覺感知狀態(tài)。一個建筑體的光照陰影首先是滿足其基本的采光、遮陽等功能性需求，更進一步的是從視覺審美的感受出發(fā)，進行光影的塑造，通過建筑體勾勒光影，提升了建筑空間的氛圍。建筑光影不是可有可無的，而是建筑空間營造的重要語匯，是建筑空間的重要組成要素，它和建筑體一起構(gòu)成了動態(tài)的建筑空間視覺感知。要清晰的了解不同時區(qū)的陽光，就需要借助3D GIS中的陰影分析模塊，通過時域設(shè)置進行陰影體分析。

3.維度關(guān)系擴展下的空間體積比較分析

阿恩海姆在《建筑形式動力學(xué)》談到，空間作為建筑之間的關(guān)系,并不是虛空的,空間可以被知覺力所遍及、被密度所填充。視覺力不是孤立的變量，建筑體通過構(gòu)成組合，由組構(gòu)其成分的大小、形狀、體積形成了不同空間的視覺感知特征， 使得建筑空間充滿了互動與飽滿的視覺力場。因此，通過透析不同空間體塊分布，研究其相互間的比較關(guān)系在空間視覺特征研究匯總是十分有必要的，而3D GIS的三維數(shù)據(jù)屬性為該類提供技術(shù)可行性支撐。

綜上，人類是通過視覺來觀察和感知空間的，不同的空間特征形成了完全不同的空間感知，而對這些空間視覺感知的記錄、存檔、定量分析和關(guān)系擬合能夠推進幫助該類空間的定性解釋,筆者嘗試構(gòu)建一個基于3D GIS空間分析框架見圖2。

三 基于3D GIS的泉州大厝視覺感知量化分析案例

泉州從兩漢時期，就是我國主要港口城市之一，發(fā)達的經(jīng)濟和文化極大的促進了居民對其府邸宅院的營造，如官式大厝、手巾寮都呈現(xiàn)了較強的城市性空間特征。本節(jié)通過結(jié)合實地測繪及攝影測量綜合得到的三維信息，建立了7組不同官式大厝全三維數(shù)據(jù)，并對其進行空間要素分析，研究樣本見表1。

圖 2 基于3D GIS的空間視覺感知分析框架圖

表1泉州官式大厝采樣數(shù)據(jù)列表

(一)官式大厝內(nèi)空間可視域分析

官式大厝是很典型的“中庭型”平面形制，[注]中庭泛指建筑合圍后的中部空間，一般為露天形制。在閩南大厝中，中庭普遍被稱為天井或者深井。應(yīng)用三維視域矩陣的方法建立了完整的大厝空間視域分布數(shù)據(jù)及可視化，借助三維可視區(qū)域熱區(qū)圖，可以建立整體的大厝可視區(qū)域數(shù)據(jù)并對其進行建造文化解讀。

(二)實驗方法采用在ArcGIS軟件中布設(shè)視點網(wǎng)格矩陣→設(shè)置地面與墻面視線碰撞點→構(gòu)造三維視線→計算遮擋物→可視化顯示→數(shù)據(jù)合并與統(tǒng)計，結(jié)果如圖3-圖9。

圖 3 一落雙櫸空間可視域分析對比圖

注：右圖中，深色部分顯示為空間中的高可見度區(qū)域，灰色部分為中可見度區(qū)域，淺色部分為低可見度區(qū)域，通過將灰度圖附著在三維模型上進行可視化顯示，呈現(xiàn)了該空間視覺可見度分布狀況。

圖4 雙落頭大厝空間可視域分析對比圖

注：右圖中，深色部分顯示為空間中的高可見度區(qū)域，灰色部分為中可見度區(qū)域，淺色部分為低可見度區(qū)域，通過將灰度圖附著在三維模型上進行可視化顯示，呈現(xiàn)了該空間視覺可見度分布狀況。

圖5 三間張櫸頭止空間可視域分析對比圖

注：右圖中，深色部分顯示為空間中的高可見度區(qū)域，灰色部分為中可見度區(qū)域，淺色部分為低可見度區(qū)域，通過將灰度圖附著在三維模型上進行可視化顯示，呈現(xiàn)了該空間視覺可見度分布狀況。

圖 6 三間張兩落雙護厝大厝空間可視域分析對比圖

注：右圖中，深色部分顯示為空間中的高可見度區(qū)域，灰色部分為中可見度區(qū)域，淺色部分為低可見度區(qū)域，通過將灰度圖附著在三維模型上進行可視化顯示，呈現(xiàn)了該空間視覺可見度分布狀況。

圖 7 蔡潛別院空間可視域分析對比圖

注：右圖中，深色部分顯示為空間中的高可見度區(qū)域，灰色部分為中可見度區(qū)域，淺色部分為低可見度區(qū)域，通過將灰度圖附著在三維模型上進行可視化顯示，呈現(xiàn)了該空間視覺可見度分布狀況。

圖8 楊阿苗宅空間可視域分析對比圖

注：右圖中，深色部分顯示為空間中的高可見度區(qū)域，灰色部分為中可見度區(qū)域，淺色部分為低可見度區(qū)域，通過將灰度圖附著在三維模型上進行可視化顯示，呈現(xiàn)了該空間視覺可見度分布狀況。

圖9 孝友第空間可視域分析對比圖

注：右圖中，深色部分顯示為空間中的高可見度區(qū)域，灰色部分為中可見度區(qū)域，淺色部分為低可見度區(qū)域，通過將灰度圖附著在三維模型上進行可視化顯示，呈現(xiàn)了該空間視覺可見度分布狀況。

(三)在官式大厝中處于“四正”方位的四個廳堂分別是北面的“上大廳”，上大廳是家祠，設(shè)有祖宗牌位，后部隔著板壁的是“后軒”；南面與上大廳相對應(yīng)的是“下廳”，也是門廳、過道，是臨時待客之處；東西兩面的廳叫做“櫸頭”，可供日?；顒樱蓍e。處于“四維”方位的四個房間住著父母及其直系親屬。房屋空間布設(shè)表征一種權(quán)利關(guān)系：中=天地、北=祖先、南=次子、東=父母、西=長子。

通過可視域圖像可以清晰的看到，盡管大厝的空間分布有一進、二進之分，但是空間高可見度區(qū)域基本圍繞天井空間展開，從圖中可以看出從深色(高可見度)到淺色部分(低可見度)的中心擴展式展開，形成“天井引導(dǎo)，中軸對稱”的高可視區(qū)域。而圍繞天井和廊道形成了大量的中等可視域空間，即灰空間，這些灰空間起到引導(dǎo)視覺分散及疏導(dǎo)交通流線的作用。

在建筑內(nèi)部，大廳是大厝的核心，是閩南人祭祖的場所，同時也是家庭舉行大型活動的主要地方，如安厝、舉行婚禮、辦理喪事、慶祝生日等儀式都會選擇大廳，是室內(nèi)可視域最集中的呈現(xiàn)。從天井的空間尺度、空間關(guān)系和使用情況來分析，天井實際上是大廳空間的一個重要的組成部分，甚至就是整個廳堂大廳的中心，不僅是日?；顒拥闹行?，也是整個建筑空間組織的核心。在這種模式中，圍繞天井的四正為廳堂，四維為正房，完全是九宮格圖式在民居空間形制中的體現(xiàn)。

主厝天井的側(cè)面沒有實體墻面圍護，而只通過四個角落的四根柱子限定出了一個開敞的空間。借助官式大厝地坪高低差及主厝天井的四個角柱，限定出了天井北側(cè)的頂廳巷道，南側(cè)的下廳巷道，還有東西兩側(cè)的櫸頭口這些巷道空間。如果沒有這四根柱子存在，主厝天井便無法從它四周的巷廊空間中得到明確肯定的限定和強調(diào)，也無法突出它作為整個大厝空間組織架構(gòu)的核心地位。

大厝通過圍合造成空間產(chǎn)生內(nèi)外之分，包圍狀態(tài)限定度最強，比較封閉，從而具有強烈的包容感和居中感；借助圍合的多向開口，形成了高度可視域向中度可視域(灰空間)的舒緩過度，正是由于這些開口，形成了天井結(jié)合大廳形成的內(nèi)聚性空間張力，圍合狀態(tài)的開口越多越大，形態(tài)對外部的聚合力越強，對內(nèi)部的限定度越弱。這些中度可視域巧妙地限定出了一個介于私密和開放的過渡空間，豐富了空間視覺層次。從心理上也制造出一個內(nèi)部的室外空間，在這里人們有明顯區(qū)別于其他內(nèi)部空間的外部體驗，然而前提是人們對它又有強烈的內(nèi)部認同感。大廳相對于地坪標高做的凸起，突出了頂落中大廳部分空間的主體地位，也與頂廳家祠祭祖和登堂會客的使用功能相契合，使得整體的可視域得以有序排列組合。

通過整體可視域分析得以發(fā)現(xiàn)，泉州官式大厝“祠宅合一”“四廳相向，中涵一庭”的空間特征十分明顯，空間關(guān)系十分強調(diào)祖先(天)、父母(地)和兒子(人)三個“等級”，就是以祖祠為中心向四周分出父母和子女的住房，泉州官式大厝里的“天井”和“上大廳”、櫸頭、下廳一起構(gòu)成了一個十分流暢的視覺中心，這里的主廳堂和天井呈現(xiàn)的是“中心”與“外延”的“軟”關(guān)系，中心到外延通過開口連通，保證了氣流流通功能性的同時，也營造了一定的中度視覺可視域空間,小體量大厝空間可視域私密和開放空間占比較多，大體量大厝空間可視域私密和過度空間占比較多。

(四)官式大厝太陽陰影體分析

光影是空間關(guān)系中特殊的存在，進行定量化的陰影關(guān)系研究有助于我們深入解析地域光照條件影響下的建筑空間設(shè)計方法。筆者選取2016年泉州地區(qū)夏至日(6月21日)、冬至日(12月21日)當天中的3個時間段進行光照驗證，在已知泉州大厝所處經(jīng)度為118.58449左右，緯度為24.91304左右，通過suncalc提供的計算器求出其真太陽時 ，得出每個時間段的太陽高度角(Sun Altitude)與太陽方位角(Sun Azimuth)參數(shù),并在Arc GIS中進行對應(yīng)設(shè)置，結(jié)果如圖10。從不同時間點的太陽陰影模擬分析，能完整清晰的了解大厝時間變化下的空間陰影關(guān)系。整體來看，官式大厝由于泉州地區(qū)的氣候特征，為了提高居住的舒適性，主要是以遮擋強烈的日照為目的的，其天井高坡度、小開口、檐口伸出較長的建筑特征有效的隔絕了一天當中的主體日照。通過分析圖可以看出，在夏令時當天，早晚時間段，天井中的陰影體占比都較小，主體空間都不受陽光直射，只有在中午太陽高度角較高的時段，天井才受到陽光直射，但直射時長較短。在冬令時時，這種遮擋效果表現(xiàn)的則更為明顯。

值得注意的是，一般的空間陰影主要是受到建筑體的朝向決定，但是將同在蔡氏古民居群中的孝友第和蔡淺別院比較，蔡淺別院坐北朝南，孝友第主要為東西朝向，而孝友第天井受太陽直射時間也沒有大幅多于蔡淺別院，這表明大厝建筑形制充分考慮了整體朝向，并做到了有效的規(guī)避。

圖 10 官式大厝分時太陽陰影計算結(jié)果

(五)官式大厝天井空間占比分析

圖 11 Arc GIS中體積比計算界面

李允鉌在《華夏意匠》一書中，就中國傳統(tǒng)民居的群體布局問題，認為在平面組織的系統(tǒng)上，建筑群是以一院—組為基本單元的。多組的建筑群的院—般是首先向縱深方面發(fā)展，院與院間作行列式的排列，一直行一連串的院則稱為路，在路中院與院間有縱的聯(lián)系，也有橫的聯(lián)系，成為了一個交叉的交通路線的網(wǎng)。這種觀點很好地概括了北方傳統(tǒng)合院式民居采用單元重復(fù)式的群體布局方式，但是泉州官式大厝卻并沒有形成這樣的特點，由于受到亞熱帶地區(qū)氣候的影響，建筑間距小，有利于形成陰影，避免建筑受到太陽直曬；同時形成風壓效應(yīng)，利于通風。建筑兩側(cè)“冷巷”正體現(xiàn)了這點，窄而多風,多陰影，宜于停留。

由于缺乏定量數(shù)據(jù)的支撐，對于不同形制(單天井、多天井大厝)天井空間與整體大厝的空間對應(yīng)關(guān)系及變化趨勢研究就顯得薄弱。為了定量大厝天井與建筑整體體積的占比關(guān)系，進而研究大厝天井建造文化與方式，筆者在此前建立三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用在3ds Max[注]3ds max是Autodesk公司生產(chǎn)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、動畫領(lǐng)域的三維建模等計算機圖形生產(chǎn)，并能與其公司其它產(chǎn)品如AutoCAD協(xié)同工作。中通過捕捉工具匹配其外輪廓，建立天井體積體塊和整體建體積體塊，并導(dǎo)入Arc GIS中進行體積比對計算，并進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如圖11。

圖 12 體積比柱狀堆積圖

從圖12可以直觀看出，泉州大厝主要采用九宮格式的中庭式組合，天井一般為方正，采用“四廳相向”的格局，庭院既有采光、通風、遮陽、拔氣、排泄雨水的功能需求，但又是泉州官式大厝感知特征的體現(xiàn)，其主入口基本上都位于中軸線上，與早期中原漢式民居的布置方式相吻合，這一點從現(xiàn)存宋元以前的民居遺址和一些古代繪畫作品中可以得到印證。

從表2可以看出，7個樣本建筑體的天井占比的均值集中在12.19%，其中前四個小體量、單天井形制大厝的天井占比均值為14.79%，后三個大體量、非標準形制的大厝天井占比均值為8.75%。通過對比大型大厝和小型大厝的深井空間體積分布，可以發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，即空間整體體量越小，深井空間占比越大。在三間張雙落為主的標準形制大厝中，天井起到明顯的主導(dǎo)地位，承擔了功能性與中路疏導(dǎo)的作用，而護厝中的小型天井以其軸心為核心，進行“向心合圍式”的群體布局，相較天井空間，空間占比小很多，更多是只起到通風、采光等功能性作用。而楊阿苗民居、蔡淺別院等大型大厝形制更為靈活，護厝明顯更多，護厝也不在強調(diào)完全的中軸線對稱格局。主天井盡管還是體量較大，但已不是完全居于主要地位，其余護厝天井也起到重要的空間組織作用。

通過數(shù)據(jù)及可視化圖像表明，泉州大厝天井一般居于整體大厝的中心，是采光、通風功能性需求的結(jié)果，與建筑體量的尺度比較基本占比較少，整體占比相對于其他南方民居形式都顯得更為窄小，同時又形成一種半閉合的灰空間形式，用以連接小型大厝天井的空間占比明顯高于大型大厝，因此形成了泉州大厝緊致、內(nèi)斂的建筑文化特征。

綜上，從地理因素來看，泉州處于濕熱地區(qū)，同時受到亞熱帶多臺風氣候的影響，外立面尺度較小，由于其建筑的進深大，往往不利于通風。因此，泉州大厝建筑內(nèi)部空間和露天空間(天井)相對尺度小，建筑灰空間(敞廊)相對尺度大。因此，通過設(shè)置天井以減小建筑內(nèi)部空間進深，以利于建筑通風。官式大厝由于其敬天法祖、長幼有序的住居文化，主要采用的是“向心合圍”空間布局，這種方式集中出現(xiàn)在閩粵兩地的大型傳統(tǒng)民居中(護厝在廣東潮汕地區(qū)成為從厝)，是先民在建造過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，創(chuàng)造合理的居住環(huán)境而發(fā)生的。

空間視覺感受是個體的、體驗的、直覺的，但要解析空間集體、共性、能被反復(fù)驗證的認知與特征就需要依賴空間科學(xué)技術(shù)的輔助。3D GIS利用其數(shù)據(jù)維度和精度的優(yōu)勢，在表征空間視覺關(guān)系具身性、復(fù)雜性具有明顯的優(yōu)勢，用量化研究支撐空間的人文解讀，用人文關(guān)懷指導(dǎo)與服務(wù)空間技術(shù)的發(fā)展方向，共同構(gòu)成空間科學(xué)多學(xué)科發(fā)展演進之路。