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数独游戏与城市设计的关联性研究.rar

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    编号:20181101170527276    类型:共享资源    大小:26.33MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    游戏 城市设计 关联性 研究
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    基于数独游戏逻辑的城市设计方法探究刘洁 1 朱晓东 2 吕帅 11 清华大学建筑学院 2 青岛青信置业有限公司ljsusie@sina.com, zxdarchitect@163.com, 359901298@qq.com摘要:数独游戏因其简单的逻辑关系和千变万化的排列形式一直受到人们的追捧,多年来也被经常贯彻于艺术创作之中。仔细分析数独游戏会发现它具有三个基本的特点,即细分的九宫格、数字的不重复以及对未知数字的求解。本文尝试从分析数独游戏构成的原理及逻辑出发,通过进一步剖析数独游戏的特点,来将其在三个不同的层次上与城市设计中的相关方面进行对比,例如细分的九宫格对应的是基于方格网的城市布局原理;数字的不重复对应的是混合功能城市空间的布局原理;对未知数字的求解对应的是如何利用数独游戏的逻辑对城市进行改造和扩建等。同时,通过建立基于数独游戏的参数化城市模型,采用计算机模拟实验分析数独城市布局相对于普通城市布局的理论优势,并进一步将数独城市原型进行拓扑提出一种新型的混合功能城市的设计策略。关键词:数独;九宫格;混合功能;旧城改造;新城建设The Exploration of Mixed Function City Design Method Based on the Logic of Sudoku LIU Jie1, ZHU Xiaodong2, LU Shuai11School of Architecture, Tsinghua University, China 2Qinxin Estateljsusie@sina.com, zxdarchitect@163.com, 359901298@qq.comAbstract. Sudoku game has been sought after by the people for many years because of its simple logic relation and protean arrangement. And nowadays, designers have carried out many works in the artistic creation based on its logic. With the analysis of Sudoku, you will find it has three basic characteristics:nine blocks within nine blocks, numbers can only appear once in relative nine blocks, the solving process of unknown numbers.This paper tries to analyze sudoku composition principle and logic, comparing its characteristics with urban design through three different levels, such as blocks corresponding to the grid city; nonredundant number corresponding to the mixed function urban space; the way of solving puzzles corresponding to the city modification and expansion, etc.At the same time, with the parametric model design of Sudoku city, using the computer simulation experiments, the paper tries to analysis the advantages of sudoku city which compared with the general urban design. Besides, the paper tries to using sudoku city as a prototype to find a new way of mixed function city design.Keywords. Sudoku; Grid city; Mixed function city; Urban redevelopment; City planning1. 数独1.1 数独的概念数独 (日语 :数独/すうどく sūdoku)是一种逻辑性的数字填充游戏,其由一个 3*3 的方格棋盘构成,每个方格被称作一个“宫” ,且“宫”内由被分成3*3 的小方格棋盘,故共有 81 个小方格。玩家需要根据 9×9 盘面上的已知数字,推理出所有剩余空格的数字,并满足每一行、每一列、每一个宫内的数字均含1-9,且数字不重复。 (如图 1)图 1 数独游戏 图 2 对角线数独游戏 图 3 KILLER数独1.2 数独的应用数独在长期的发展过程中,产生了许多变种,例如对角线数独——在标准数独规则基础上,两条大对角线的数字不重复(如图2) ;KILLER数独——在标准数独规则的基础上,每个虚线框左上角的数字表示虚线框内所有数字之和,每个虚线框内数字无重复(如图3)等。除此之外,数独的逻辑还被广泛的应用在其它领域,如江苏省作物遗传和生理学重点实验室将数独的逻辑应用在田间作物的耕种上以控制土壤-环境的变异性 1;中央美术学院的潘琳基于数独游戏创作了一些油画作品 2(如图4) ;美国艺术家Ron Brown基于数独的原理创作了一些数字艺术作品(如图5) ;淇滨开发区城建设计所设计的中关村新规划产业园区的丰台园景观设计中引用了数独的布局形成趣味广场“ 九宫阵 ”3等。图 4 基于数独游戏的油画作品1 参考于莫惠栋,许如根. 田间试验的一种新设计——数独方. 作物学报. 2008,34(9)2 参考于潘琳. 自由地生长[D].中央美术学院,2014.3 参考于李辉. “融”——传统与现代 ·文化与科技的继承、发展与融合[A]. 中国科学技术协会、河南省人民政府.第十届中国科协年会论文集(二)[C].中国科学技术协会、河南省人民政府:,2008:7.图 5 Ron Brown设计的艺术作品 Sudoku connection系列虽然在建筑及城市设计上笔者并没有查阅到有关数独游戏逻辑的应用,但是数独的根本——九宫格的形制却早已被应用到设计当中,如上世纪50年代,美国德克萨斯建筑学院“ 德州骑警 ”4便专门以“九宫格” 作为理想别墅的练习原型以探讨现代建筑的空间与形式关系 5。1.3 数独的特点a. 细分的九宫格数独游戏最明显的特点是它水平方向有九横行,垂直方向有九纵列,且每三横三纵会形成一个宫格,是一种九宫格内套九宫格的形式。大九宫格和小九宫格有等级之分,大九宫格只是起到区域划分的作用,小九宫格起到规则限制的作用。b. 数字的不重复数独游戏最根本的特点在于其数字的不重复性,即每一行、每一列、每一宫内不能有重复的数字。每个数字的总个数是一样的,但是会均匀地分布在整个数独棋盘空间内,既不会很靠近,也不会很遥远。c. 对未知数字的求解数独作为游戏,玩家是其组成的一个部分,而玩家所游戏的主要内容便是在已知部分数字的数独棋盘上求出剩余方格内的数字。数独游戏具有唯一性,即棋盘上的空格有且只有一个正确解,而数独游戏的难度系数是由数独棋盘上已知数字的数量所决定的,数量越少,难度越大。目前,国际上公认的最少已知数字是17个,即当棋盘上已知数大于17个时才有可能数独游戏成立。下文将根据数独所具有的以上三个特点来分析数独与城市设计之间的关联性。2.细分的九宫格:基于方格网的城市布局2.1 九宫格在古代城市设计上的体现通过数独的九宫格棋盘不难会联系到城市设计中常用的方格形路网。而这里的方格形路网并非只是简单的路网的形成、地块的划分,由于数独中“宫” 的概念,可以认为这里所指的方格形路网是带有功能分区性质的路网形式。这种形式用于城市设计由来已久,早在西周时期, 《周礼·考工记》便记载了九宫格的城市布局设计方法:“ 匠人营国,方九里,旁三门,国中九经九纬,经涂九轨……市朝一夫……九分其国,以为九分,九卿治之。 ” 4 德州骑警指的是 20 世纪 50 年代美国的格萨斯建筑学院的一批年轻人:伯纳德 ·赫斯利、柯林·罗、罗伯特·斯卢茨基、李·赫希、约翰·海杜克、约翰·肖、李·霍辰、沃纳·塞利格曼等人。5 参考于朱雷. “得州骑警”与“九宫格”练习的发展[J]. 建筑师,2007,04:40-49.在贺业钜先生对《考工记》所描述的西周营国制度的研究中指出,他认为西周将国家分为九个部分,中间为宫城,宫城内部又被分为三横三竖九个部分,最中间为庙,庙东面为“ 社 ”,西面为“祖”,正所谓 “左祖右社”(图6) ;宫城的东西南北四个地块进一步分为横三数二六个部分,而王城四角的三个地块被进一步分成横三竖三九个部分 6。除此之外,张蓉在对《考工记》营国制度进行分析之后提出,宫城的尺寸应是横竖各三里,并被分割成九个部分,每个部分方一里,而“市朝一夫 ”中所指的一夫是 1/3里,即宫城是由横竖各九夫的方形地块构成 7。图 6 贺业钜先生对 《 考工记 》 中营国制度的分析由此可见,西周时所描述的营国空间便是以九宫格空间为基础进一步细分成更小的九宫格进而来划分城市布局的。且随着宫格的细化,每一个小的宫格都具有不同的功能性质。2.2 九宫格在现代城市设计上的体现西周这种营国布局一直是后来多个都城所效仿的对象,其对城市设计的影响一直延续到今天。西安的最新规划便是沿用了这种九宫格细分的布局方式。根据《西安城市空间发展战略研究》中所规划的西安未来发展方向可知,西安将采用“一城多心 ”的模式发展,整个西安市将被分为九大部分,包括西安的中心城和周围九个县;而中心城又被分为九个部分,小九宫的中心是西安老城(即明清西安城府所在地),东西郊为工业区,南郊为文教科研区,北郊为经济技术开发区,东北为浐灞生态保护区,东南为曲江新区,西北为汉城遗址保护区,西南为高新技术开发区 8。图 7 西安城市规划 图 8 西安中心城区九宫格功能布局6 参考于贺业矩.《考工记》营国制度研究. 北京: 中国建筑工业出版社.19857 参考于张蓉.《考工记》营国制度新解——与规划模数相关的内容. 建筑师. 2008 年 05 期. 8参考于李红艳. 西安城市结构与布局形态 [J]. 北京规划建设,2005,06:106-109.3. 数的不重复:混合功能的城市空间3.1 混合功能城市空间的形成逻辑数独游戏要求每一列每一行每一宫都不能有重复的数字,这是一种数字的极度匀质化布置。如果把城市看做一个数独的模型,九宫格的分界线是城市的街道,九宫格里每一个分格便可以看做是城市的一个功能分区。而每一个数字便可以代表了是一种城市功能。数独在城市中可以体现在不同的尺度上,数独的范围可以是一个城市,也可以是一个街区。随着九宫格的进一步细分,每一个功能分区又可以被分成九个子功能分区,功能分区会越来越小,最后形成高混合的混合功能空间。混合功能空间主要指两种或两种以上的城市功能在一定空间和时间范围内的混合状态。混合功能空间主要是针对城市由于功能分区过于明确而带来生活的不便等问题提出的。它最初是在 1977 年《马丘比丘宪章》中提出的。当时的人们贯彻着《雅典宪章》中对功能分区的要求进行城市建设,导致城市环境恶化、活力不足,交通混乱等问题。 《马丘比丘宪章》一方面分析了强化功能分区的弊端,另一方面强调了创造一个综合的、多功能的城市生活环境的重要性。简·雅各布斯(Jane Jacobs)于 1961 年发表的《美国大城市的死与生(The Death and Life of Great American Cities) 》一书,也对功能分区的规划原则进行批判,指出大规模改造计划缺少弹性和选择性、排斥中小商业,必然对城市的多样性产生破坏。功能多样混合的城市空间结构更适应经济社会的不断演化。如今,城市空间经常被分成若干个大地块,尤其是城市中大量兴建的大院式封闭管理的住宅区,开发者、管理者这些决策者会更多的考虑住区在将来使用过程中能够易于管理和经营,从而避免各种形式的功能混合的现象,造成了住区内部的单一功能。其结果是人们在享受“高品质 ”生活环境及物业管理的同时,也失去了城市生活的多样性;同时,单一的功能,封闭的管理使城市街道生活走向衰亡;尺度大的封闭住区减少了城市步行的机会,使步行变得枯燥、乏味,城市多样性的本性被抹杀了;最后,封闭的住区强调内部景观资源的独享,从而也割裂了城市整体的景观系统,不利于城市资源的共享。如果我们应用数独的逻辑来进行建设,比如将我国城市用地中 10 个大类中的特殊用地搁置不谈,而将剩余九种用地性质分别对应数独中的九个数字,从而将这九种用地在城市中均匀分布,使各类用地功能整合在一起,每个大的地块会被进一步划分成更小的地块,进而地块中包含所有种类的功能用地,形成混合且有序的功能空间。这样在保证各类用地的面积的同时,形成众多公共空间,便于市民的交流。交通 公共 绿地 市政 居住 仓储 水域 工业 广场市政 广场 仓储 公共 工业 水域 交通 居住 绿地水域 居住 工业 交通 广场 绿地 市政 公共 仓储广场 绿地 公共 居住 市政 交通 仓储 交通 工业仓储 市政 居住 工业 公共 广场 绿地 水域 市政工业 水域 交通 绿地 仓储 水域 居住 广场 公共居住 仓储 广场 水域 工业 市政 公共 绿地 交通公共 交通 市政 广场 绿地 居住 工业 仓储 水域绿地 工业 水域 仓储 交通 公共 广场 市政 居住图 9 基于数独逻辑的城市分区概念图3.2 基于数独逻辑的混合功能城市空间形态生成在对混合功能空间的形成逻辑的基础上,笔者采用 grasshopper 对数独的逻辑进行了程序编写,并对可能的城市形态进行了实验性生成。图 10 在 grasshopper 平台下的数独生成程序首先,建立一个基本的数独模型,通过控制程序中的参数来任意生成一种具有数独逻辑的数字排列组合。 (图 11)图 11 利用 grasshopper 生成的数独模型其次,将数字转译成不同功能的用地性质(如 1 代表居住用地,2 代表工业用地,3 代表仓储用地,4 代表公共建筑用地,5 代表市政用地,6 代表交通用地,7 代表水域,8 代表广场,9 代表绿地) ,并根据各个用地的性质在相应的地块上进行建筑布局的生成逻辑设定,从而生成具有变化的城市空间布局。(图 11)图 12 基于数独逻辑生成的建筑布局图 13 基于数独逻辑生成的城市形态由于城市采用了方格形路网,且城市地块具有高度的匀质性和混合性,市民在城市中行走的时候可以在最短的距离中找到自己所需要的功能空间,给市民提供了一定程度的便利性。同时,各种性质用地的均匀分布也使城市公共资源得以最大程度的充分利用,避免了因办公建筑过于集中、绿地率不足而会产生热岛效应等现象的形成。然而针对于不同的城市地形分布及各功能分区不同的面积要求,数独城市的原型可以进行进一步拓扑,从而适应更多的城市布局形态。例如城市的道路不需要必须是正交,可以根据实际地形以及已有道路的形态将地块进行均布划分(图 14) ,从而使城市的布局更加自由,更加充满变化。图 14 拓扑 A:路网拓扑 图 15 拓扑 B:街区拓扑 图 16 拓扑 C:路网 +街区拓扑除此之外,数独城市可以根据各功能分区地块面积的不同需求,进行局部地块的面积扩张或缩小,使每个地块有一个占主导地位的功能空间,以适应实际的功能空间的面积需求(图 15) 。同时,数独城市还可以采用多种拓扑方式对城市空间划分进行适应性改变,从而使得城市空间具有更多可能的生成形态及更为丰富的空间变化。 (图 16)3.3 基于数独逻辑形成混合功能城市空间的交通情况模拟从理论上看,高混合功能城市空间可以使人们的生活更加便利,从而减轻城市交通系统的压力。但是,是否这种基于数独原理形成的城市空间真的能减轻城市交通的压力呢?笔者根据此问题进行了程序编写及模拟实验。图 17 方格网城市下不同功能分区对交通压力的影响探究在此次模拟中,主要分为五种情况进行分析。情况 A、B 、C 为数独逻辑形成的功能空间匀质化的高混合功能空间模拟,其中,情况 A 的限定条件为当城市功能空间内的居民对某种功能空间有要求时,会选择距离自己最近的功能空间;情况 B 的限定条件为居民无法选择自己已定的居住空间与办公空间,而其它的功能空间会选择距离自己最近的功能空间;情况 C 的限定条件是,居民当对某种功能空间有需求时,可以自由整个大地块内的选择任何一个相应功能空间。情况 D 和 E 是在情况 C 的基础上增加了数独逻辑的影响系数 n,即 n 越小,城市空间就越倾向于低混合度,大功能分区的模式。D 的 n 值为 0.8,E 的 n 值为 0.3。在这五种情况中,各个地块都增加了地块人数饱和值,即当某个地块中人数达到地块上限时,会自动选择其它相同功能性质的地块。同时,每种情况都设定了四种不同的交通流量模式,图中 t 代表了交通流量的密度值, t 越大,密度越高。评价各个情况的交通压力指数主要是通过两个数据,一个是道路的使用长度,另一个是道路的使用比例。道路使用比例基本相同的情况下,道路的使用长度越小,交通压力值越小;道路使用长度基本相同的情况下,道路的使用比例越大,交通压力值越小。图中 L 值代表了道路的使用长度, L 值越小,交通压力越小;红色道路代表了道路的使用比例,即红色越浅,交通压力越小。经过分析,可以得出,情况 A 的交通压力最小,情况 E 的交通压力最大,并且随着交通流量的增加,交通压力呈倍数增加。但由于通常人们无法改变自己的居住地点和工作地点,所以情况 B 颇为实际,其交通压力约为情况 E 的1/2。若不考虑各功能地点的就近选择原则,但从功能匀质分布原则来看,情况C 的交通压力依然要好于情况 E,约为情况 E 的 0.8。通过上述分析可以证明,基于数独原理高混合功能城市空间形态可以有效的改善城市的交通环境。4. 数独的求解——如何建立混合功能城市空间数独在解题的过程中存在两种情况,当已有数字小于 17 个的时候,数独会有多个解,当已有数字大于 17 个的时候,数独才有可能具有唯一解。这两种情况分别在城市空间建设中对应着两种情况:新城建设及旧城改造,其目的都是建立高混合功能的城市空间。4.1 新城建设中数独逻辑的运用通常,在进行新城建设的时候会采取宏观的城市规划来划定城市的各个分区及功能布局,然而这样宏观的控制会对城市进行人为的割裂。城市本身具有多样性与自发性,可以有机地进行生长。所以,在城市设计时,应尊重城市上本来拥有的聚落的面貌,保留原有的功能空间形态,并按照数独逻辑的混合功能空间城市的原则,对剩余城市空间进行规划,采用自下生长与自上控制相结合的方式,使城市得到新的建设与更新。具体对于新城建设的方法可以如下:当一个城市在还未建设或建设的初级阶段,我们可以将城市看作是一个已知数字极少的数独空间,城市本来具有的聚落可以看做是数独中的一个或多个方格,方格所对应的数字由这个方格内城市聚落的主要功能性质所决定,而城市中原有的空地及不建议被保留的用地可以看做是数独中的空格,这时,所有的空格中都充满的不确定性,而数独本身也并非具有唯一解。根据数独的解题原则,在一定区域内各个方格地块中的功能性质不重复的前提下对周围其它方格地块进行功能植入。这时的功能植入是一种控制性规划的手段,并需要逐一地块分批次实验性植入。在功能植入过程中,剩余地块应采用“活性用地 ”来进行城市部分用地性质的有选择的待定性控制,为后续开发提供更大的可能性。当具有功能的方格地块足够推算出剩余地块用地性质时,再对城市进行详细规划,从而形成整个混合功能新城。4.2 旧城改造中数独逻辑的运用同新城建设一样,将需要改造的旧城划分成九横九纵八十一个分空间,对各个空间内的功能性质进行分析。根据改造的范围的大小不同,可以对数独游戏中得数字进行活性定义,不同数字所对应的功能性质并非局限于用地性质,而是可以定义为功能空间,如居住、办公、购物、饮食等。当一个方格内包含了多种功能时,选择其主要功能性质作为该空间的功能并进行保留,即确定数独游戏中的已知数字;当功能性质较为混杂并且没有主次时,便将此空间定义
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