全球汇 |『城市研究经典文献』城市规模、比例和形式

【摘要】尽管已经努力了一个世纪，我们对城市究竟如何发展的认识还很不适当。当然，最近的研究提出，城市是复杂系统，城市基本上是从小到大发展起来的，城市的规模和形式服从于空间竞争且具有确定比例的规律。把城市经济和交通行为与网络科学、异速生长、分形发展联系起来的综合理论，解释了城市如何发展。这种理论正在缓慢地成长起来。就密度、紧凑和蔓延的意义而言，把城市经济和交通行为与网络科学、异速生长、分形发展联系起来的综合理论，为解决城市所面临的资源约束以及可持续发展问题提供了新的思路。这一新科学有可能丰富现行的城市规划理论，用所有城市居民均能获益的新方法替换传统的由上而下的城市规划方式。

在整个19世纪，社会评论家们一致谴责城市的发展，威廉·莫里斯（William Morris）使用了这样的表达，“伦敦和曼彻斯特地狱”“围绕我们最绚丽和古老城市蔓延开来的可悲的郊区”，他的研究成果把这个大合唱引向了高潮。直到今天，这些情绪一直支配着我们理解城市和城市规划的方式：人们至今认为，我们需要利用理想的几何形式的规划，去控制城市这个无序和混乱的东西。当然，这种看法还是有着为数不多的反对声音，简·雅各布斯（Jane Jacobs）就是一例。半个世纪以前，简·雅各布斯就提出，城市并非均匀、无灵魂的，城市本质上是革新、容忍、多样性、创新、令人惊叹的熔炉，最重要的是，城市是经济繁荣的熔炉。

过去25年中，我们对城市的认识慢慢开始反映出雅各布斯的观点。人们不再把城市看成无序的系统。在形体形式上表现出的混沌和多样性背后，城市自身存在牢固的秩序，存在一种源于城市发展和扩展所要求的无数决策和流程的模式。能够拿来描述城市这个复杂系统的再好不过的自然现象有：突变，远离平衡态，需要巨大能量才能维持自身，通过聚集和激烈的空间竞争而产生出来的不均等格局，使用表面上呈现勉强维系状态而实际上却具有弹性的网络容量的饱和流系统。

1  城市规模和比例

尽管城市中有多种空间尺度，但其复杂性有其自身的基础，即不同尺寸和形状的排列是有规律的。城市规模扩大是由于分工的需要，并由此产生了规模经济，而竞争和资源约束的简单后果是大城市比小城市少得多。但是，在许多空间层面观察到的自相似性（self-similarity）表明，小城市集聚和簇团（agglomeration and clustering）的过程与大城市相似；实际上，在任何规模的城市中，这一过程都具有相似性。

许多有关比例的研究都拿城市、企业规模和收入作为关键案例。在1930年代，克里斯泰勒（Christaller）第一次揭示出，围绕城市的市场范围或腹地按照城市人口规模有比例地呈现出一个几何形式的层次结构。吉布莱特（Gibrate）提出，当对象（城市和企业）随机却按比例增长时，它们的增长比例近似于正态分布【吉布莱特定律的正式定义是，增长过程（γ_t+1=S_t+1/S_t）分布的概率与它的初始规模（S_t）无关。注意，这个增长过程与城市的初始规模无关，但是，它可能依赖其他事物，如城市的主要产业活动。这个定律只是说，城市的规模并不带来有关城市增长的信息。——译者注】，而人们已经广泛使用西蒙（Simon）的“一般生与死模型”（simple birth and death models）来证明城市按比例增长时，会呈现出近似的正态分布。最近，嘉贝斯（Gabaix）、索洛门（Solomon）和其他一些人揭示出，在稳定状态下，这种城市增长是按比例展开的，与那些解释系统如何通过聚集而增长的经济模型一致。所有这类方法的结果是，许多形体的（几何的）解释和功能的（经济的）解释正在趋同。图1A显示了人口超过100万的城市，人口超过10万的美国城市，世界上最高的200幢建筑。

（A）城市和建筑规模分布。（B）伦敦的规模排序（rank-size）比例。（C）伦敦的密度比例。在（A）和（B）中，纵轴都是人口排序，从最大到最小，P(r)与其平均值<P(r)>之比；横轴是排序，r与平均值<r>之比。在（C）中，纵轴为人口密度（地点j的人口密度为Pj），横轴表示地点j距城市中心的距离。

图1  城市比例

还有许多与这种比例相关的难题。吉布莱特法则假定，不仅增长率是随机的，而且增长率的方差也是随机的，但现在有重要证据显示，这种增长率及其方差与城市规模成比例。尽管聚集效应与城市规模相关，但是，吸纳新增长最好的地方是较小的城市，而不是较大的，这反映出规模经济和交通拥堵之间的权衡，两者都随着城市的增大而增加。这是一种矛盾。什么是“最优”城市规模？这个老问题依然没有答案。

2  相互作用、网络和密度

当重点关注贸易或移民方面城市间的互动，以及通勤、购物和其他社交活动方面城市内部的互动时，人们最近发现这些互动显示出一定的比例关系。过去，尽管人们早就知道，起始或终止于城市不同位置上的交通流量分布是成比例的，但相关研究的重心一直完全放在模拟交通流而不是这类网络本身的属性上（图1B）。人口密度分布本质上也是城市经济模型所要反映的现象，该模型的重点是协调出行成本或距离与空间成本，如租金、住宅价格和土地价值。这些分布产生了一个相对城市中心的近似比例，如图1C显示的伦敦的人口密度分布。直到现在，我们还没有一种综合理论能把这些观点集中在一起，形成一个与形体比例一致的经济结构，当然，这项研究还在进行中。其实，也没有谁认真地使用这种理论来确定现实的城市规划的方法，当然，人们正在使用多种结合了这类观点的土地使用—交通模型来评估新的城市规划的可行性。经过40年的努力，这种理论还是没有成为一种常规使用的工具，它仍在发展中。

随着网络科学的发展，城市基础设施一直备受关注，如街道和铁路系统的拓扑结构和几何形状。当用连接数目来衡量这些系统时，节点上的无标度活动（scale-free activity）显示了其特征，但现在很清楚，这种比例也反映在节点的流量上（图1B）。到目前为止，网络科学的大量工作都是通过网络的统计属性将网络拓扑结构分成各种形状的图形。在实际应用中，这些图形可用来了解人和车辆在相当精细的空间尺度上的运动方式，如街道网络中的步行密度和运动状态，它们都显示出了与城市规模相似的比例。由于网络科学基本上不是建立在欧几里得空间（Euclidean space）基础之上，而是涉及诸如社交网络之类的拓扑结构，所以，这意味着我们对城市长期采用的物质空间处理方式（physical approach）能够与使用地理或物理术语表达的城市经济和社会功能联系起来。近来出现了一些有关连接性和不均等性的有趣且有用的见解，反映了人们对城市居民的亲疏程度和拥挤程度的新观念。所有这些对于认识信息流如何替代和补充物质资源流至关重要，而物质资源流一直是城市空间组织的基础。

3  城市几何和城市形态

研究者把城市形态描绘为一种层次结构，从整个城市到街区，横跨许多尺度，由围绕关键功能的不同子中心或簇团组织起来。反过来，这一结构也反映了为这些子中心或簇团提供服务所需要的资源，及其需求可以持续得到满足的空间范围。因此，城市是分形的经典例子，其形式反映了集群的自相似性或簇团式的层次结构。大城市通常是由既有城镇融合而发展而来的，随着城市规模的变化，边缘城市也发展起来。这种分形增长的方式类似于各式各样的物理生长过程，从渗滤到有限扩散聚合。这些过程可以用来描绘已经建立起来的观念，如城市的人口密度和建筑密度随着距城市中心的距离的增加而衰减。图2A显示了大伦敦的典型图像。 

（A）伦敦的人口形态（B）通过衔接水平显示的伦敦道路网（C）理想的几何的城市（D）霍华德的明天的花园城市

图2  分形结构的城市

图2B中显示出来的与交通网络相关的结构，反映了与无标度网络一致的分形结构，提供了另外一种角度。我们能够使用异速生长方法（allometric methods），把现实客体的规模和形状与它们用来传递资源到其各个组成部分的网络联系起来。维斯特（West）和他的同事们最近已经揭示出，当城市规模增长时，物理网络的增长一般比城市规模的增长要慢许多。也就是说，用来传递资源的城市基础设施的增长速度不及这些资源的增长速度快，而关键经济活动，如金融服务、专利和以科学产品衡量的创新数目，比起以人口衡量的城市规模，要增长得快。因此，大城市对大部分有效率的产业具有吸引力，但是在小城市里，资源调动起来要容易得多。

模拟分形结构的模型可以根据实际情况进行校准，并根据简单的土地开发规则去预测未来。但是，它们的最大效用是帮助我们调整过去用来设计理想城市的那些规则（图2）。意大利文艺复兴时期的典型城市规划（图2C）是一种程式化的对称构造，它的分形结构是高度人为设计的，能够通过严格控制开发规模和形状而实现。埃比尼泽·霍华德（Ebenezer Howard）的“明日之城”（图2D）提出的几何逻辑成为许多20世纪新城镇的设计依据，同样意味着形态布局的严格规则与各组分之间是相互关联的，并使城镇的功能在不同尺度上发挥作用。当真正付诸实施时，大多数这类理想化方案很少能实现设计所期望的生活质量。相对于现实的开发过程来讲，当代城市在空间使用上充满竞争，大部分充满活力的城市都表现出很高程度的多样性和异质性，如此看来，这些理想模式太过天真了。

4  一种用于城市规划的新科学？

在城市研究中，存在许多竞争性的范式。我们可以把城市经济和交通行为与网络科学、异速生长、分形几何的发展联系起来解释城市如何发展。如果真的建立起这种新科学，我们不仅有可能把上述学科本身的成果结合起来，而且还有可能在一定程度上帮助城市规划师发展他们基于大规模经验数据的那套操作理论。就规模和比例而言，城市究竟有多大，其规模与城市的活动密度、建成区/自然空间体量的关系如何，以及城市中的物资、信息和人员之间如何相互作用以维持这种形式，我们都没能清楚地认识。我们还没能清晰地看到人口密度的意义是什么，不同几何形状的城市分别需要多少能源和成本，以及，在我们能够找到这些问题的答案之前，如何使用可行的政策去提高紧凑性和控制蔓延。

上述新科学有可能解决这些问题。当城市规模增长时，城市通过异速生长在形式上发展变化，这样就改变了维持城市的能量平衡。我们现在了解到的是，城市的不同规模和形式意味着不同的地理优势，这也再次让我们怀疑，理想的城市规模应该是什么。网络科学提供了一种方式，把城市规模与网络形式联系起来，网络形式使城市以不同方式发挥其功能。网络动力学能够用来追寻材料如何加工，加工剩下的废料和污染对其他城市活动有何影响。网络动力学正是这种新科学的一个内在部分，它可能给城市政策的制定提供思想基础。通过信息、物质和构成城市基本功能的社会网络，把城市规模与城市的比例和城市的形式联系起来，进而让我们认识气候变化的影响，寻求比较好的经济绩效，认识因为劳动力市场和住宅市场的错误所致的棘手的种族隔离和贫困问题。

我们刚刚开始认真地建立城市如何作为复杂系统运行的理论。当然，我们知道，那种完全不考虑城市功能的理想几何规划，不可能解决任何一种当代城市病，网络科学、异速生长、分形几何这些学科使我们更深刻地认识到了规划的局限性。当我们更多地了解到城市的复杂性，才可能会以比较适当的方式实施规划干预。我们提出的这些不同思路，可能在解决问题上比过去城市规划更有效率。挑战在于如何积极地丰富这一新科学，并将其发展到可以成功地规划更好的城市。我们还只是刚刚开始。 

作者：迈克尔·巴蒂，伦敦大学学院城市规划教授，“高级空间分析中心”主任。他的专长是城市数学模型、城市计算机模拟、城市和区域计算机模型的开发等。在本文发表时，他的最新著作是《城市与复杂性》（Cities and Complexity, The MIT Press, 2005） 

文献来源：2008年2月8日，《科学》，第319卷，第5864期，769-771页 

译者 | 叶齐茂

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城乡生态文明

 1  人类支配的地球生态系统 / 彼得·维托塞克, 等

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 3  道路和道路的主要生态影响 / 理查德·福尔曼, 劳伦·亚历山大

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 4  改变生物多样性的后果 / 弗朗西斯·斯图尔特·蔡平, 等

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 5  城市生态与全球变化 / 南希·格林, 等

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 6  城市生态系统和生物多样性概念 / 让–皮埃尔·萨瓦德, 等

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 7  城市化：生物同质化的一个主要原因 / 迈克尔·麦金尼

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 8  城市地区生态系统服务分析 / 佩尔·布朗德, 斯文·亨哈马尔

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11  城市化、生物多样性和保护 / 迈克尔·麦金尼

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12  生物多样性对生态系统功能的影响：当前共识 / D. U. ·胡珀, 等

来源：生态学专题, 2005, 75(1): 3-35

城镇化

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 2  城市齐普夫定律：对城市人口规模分布的一种解释 / 格扎维埃·嘉贝斯

来源：经济学季刊, 1999(3): 739-767

 3  比较欧洲城市模式形态：分形方法 / 皮埃尔·弗兰克豪泽

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 4  增长、创新、比例和城市生活速度 / 路易斯·M. A. ·贝特恩考特, 等

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 5  重新思考人力资本、创造性和城市增长 / 迈克尔·斯托波 , 艾伦·斯科特

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 6  城市的多样化和专门化：为什么重要，何时何地重要？/ 吉尔斯·迪朗东, 迭戈·普加

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 7  保留农田和农民 / 兰德尔·阿兰特

来源：《国外乡村设计》第18章

 8  地貌景观变化和欧洲城镇化过程 / 马克·安托罗普

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 9  统一的城市发展理论 / 路易斯·M. A. ·贝特恩考特, 等

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10  城市形式和自然过程——城市地区生态绩效指标和在英国默西塞德郡的应用 / 罗兰·恩诺斯, 等

来源：景观与城市规划, 2001, 57: 91-103

11  城市多样性和经济增长 / 约翰·奎格利

来源：经济观点杂志, 1998, 12(2): 127–138

12  城镇化、城市生活影响和健康 / 大卫·弗拉霍夫, 桑德罗·加莱亚

来源：城市健康杂志, 2002, 79(4): 51-59

城市群

 1  收益递增和经济地理 / 保罗·克鲁格曼

来源：政治经济学杂志, 1991, 99(3): 483-499

 2  新经济地理学新在哪？/ 保罗·克鲁格曼

来源：牛津经济政策评论, 1998, 14(2): 7-17

 3  “硅谷”区位簇群：收益递增何时意味着垄断 / W.·布莱恩·亚瑟

来源：数学社会科学, 1990, 19(3): 235-251

 4  城市系统和历史路径依赖 / W.·布莱恩·亚瑟

来源：斯坦福大学人口与资源研究所论文系列第0012号，1988

 5  区域的经济绩效 / 迈克尔·尤金·波特

来源：区域研究, 2003, 37(6&7): 549-578

 6  区位、竞争和经济发展：全球经济下的地方簇群 / 迈克尔·尤金·波特

来源：经济发展季刊, 2000; 14(1): 15-34

 7  马歇尔与雅各布斯，孰是孰非？地方化经济对城镇化经济之争 / 凯瑟琳·博德里, 安德烈·席福尔洛瓦

来源：研究政策, 2009, 38: 318-337

 8  增长的欧洲城市群 / 里奥·范登伯格, 等

来源：城市研究, 2001, 38(1): 185-205

城市经济

 1  公地悲剧  / 加勒特·哈丁

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 2  一般地方财政支出理论 / 查尔斯·M. ·蒂布特

来源：政治经济学杂志, 1956, 64(5): 416-424

 3  总地租、公共物品支出和最优城市规模 / 约瑟夫·斯蒂格利茨, 理查德·阿诺特

来源：经济学季刊, 1979, 93(4): 473-500

 4  庇古、蒂布特、房地产税和地方公共物品供应不足 / 乔治·佐德罗, 等

来源：城市经济学杂志, 1986,19: 356-370

 5  消费城市 / 爱德华·格莱泽, 等

来源：经济地理杂志, 2001, 1(1): 27-50

 6  资本主义危机的城市根源 / 大卫·哈维

来源：社会主义意见, 2012, 48(4): 351-370

 7  相互作用：面对面接触和城市经济 / 迈克尔·斯托波, 安东尼·维纳布尔斯

来源：经济地理杂志, 2004, 4(4): 351-370

 8  挑战和增长：制度分析领域的跨学科发展 / 埃莉诺·奥斯特罗姆

来源：制度经济学杂志, 2007, 3(3): 239-464

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校译、排版 | 张祎娴

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