【全网首发】空间基因的内涵与作用机制*
【中图分类号】TU984.11+3
【文献标识码】A
【doi】10.11819/cpr20221701a
【作者简介】
* 国家重点研发计划“特色村镇保护与改造规划技术研究”(项目编号：2019YFD1100700)资助。
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精彩导读
【摘要】空间基因承载着“城市空间-自然环境-社会人文”互动演化模式的空间信息，在城市空间文脉传承中起着关键性作用。一直以来，以建成环境遗产保护、符号复制或形态模仿方式进行的城市文脉传承，忽视了对空间基因的关注，导致即使存“物”，也失“脉”。因此，在城市研究中运用空间基因理论，深入理解空间基因的内涵与作用机制十分必要。城市空间形态(性状)的发展规律可以运用“空间基因”解释：通过“变异”与“选择”，生成空间基因这一地域性空间组合模式，从而决定城市空间的某些性状；然后，通过“编码”“复制”与“表达”，实现城市空间文脉的传承。“空间基因”研究可以使城市历史文脉保护与规划设计方法产生方向性转变，使其从感性的空间形式模仿或创作，走向理性的空间建构规则分析，是修正当前对城市空间发展错误认知、改进规划设计策略与方法的重要基础。【关键词】空间基因；城市形态；复杂系统；自组织；城市空间文脉SPACE GENE: CONNOTATION AND FUNCTIONAL MECHANISM
ABSTRACT : Space gene, which carries spatial information of the interactive evolution pattern of urban space, natural environment, and social culture, plays a significant role in the inheritance of urban spatial context. However, the inheritance of urban spatial context has been always carried out by protecting heritage sites, copying symbols, or imitating the form of the built environment, yet little attention was paid to space gene, resulting in the loss of city spirit even if the heritage site is preserved. Therefore, it is necessary to understand the connotation and functional mechanism of space genes and to apply the space gene theory into urban studies. First, the development laws of urban form (character) could be explained by space gene. Space gene is generated as a local spatial model through mutation and selection, then the urban spatial context is inherited through its coding, copying, and expressing, to achieve the inheritance of urban spatial context. Second, the research of space gene could change the direction of urban historical context protection and planning and design method from perceptual space form creation to rational space gene analysis. It is an important basis for correcting the wrong cognition of urban spatial development and improving planning and design strategies and methods.
KEYWORDS: space gene; urban form; complex system; self-organization; urban spatial context
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问题导向的空间基因研究
文脉同国脉相连①，文化多样性发展一直是人类文明可持续发展的关注重点②。城市空间是人类文明的体现与载体，如何通过城市空间实现文明传承一直是世界各国努力解决的问题。自19世纪中叶起，希腊、法国、英国、日本等国家就通过立法，对有历史意义的建(构)筑物及其环境进行保护③。联合国教科文组织等国际组织机构也通过了一系列倡议，制定历史文化遗产的保护原则，推广先进的保护方法④。与此同时，城市规划领域的三大宪章从城市发展的角度，提出在建设中必须保护城市的文化遗产⑤，其中《北京宪章》特别指出了城市文化的地区性，强调创造具有地区特色的建筑与城市[1]。我国为解决当代城市发展中历史文脉断裂这一难题，也进行了长期的探索。在理论方法上，借鉴了国际上的遗产保护理论和空间形态类型学的研究方法。相应地，在政策手段上，自1982年以来公布了137个历史文化名城，划定了970片历史文化街区，认定了历史建筑近4万处、文物保护单位7万多处、不可移动文物70多万处，颁布了文物保护法、非物质文化遗产保护法、历史文化名城名镇名村保护条例、国家历史文化名城保护专项资金管理办法等法律法规，形成了以核定制度、保护规划制度、保护资金制度和责任制度为主的保护制度体系。经过数十年的实践，保护对象从建筑单体要素扩展到城市整体肌理，技术方法上从静态保护转向了动态更新，工作手段上从行政干预进阶为法制化管理，许多历史文化遗产得以保全。但是，以建成环境遗产保护、符号复制或形态模仿的方式进行的城市文脉传承，也造成假古董、历史错置、地域错置等问题。更为严重的是，城市发展中只是遗产得到了保护与留存，而在新的城市建设中未能从根源上解决“千城一面、风貌趋同”⑥等问题，城市文脉传承的形势依然严峻[2-3]。这需要从理论认识与技术方法上进行反思。
“空间基因”概念正是为解决该问题而提出的，它将研究视角从物质空间的“建成形式”转向其背后的“深层结构”，建构了一种关于城市空间发展的新认知：城市建设发展中实现文脉传承的关键并不是对历史形式、符号本身的保护或复制，而是空间要素地域性组合模式及其内在生成机理的延续，由此形成形态组织与场所营造方法，才能实现历史文脉传承与城市建设发展的共赢[4]，才能真正地避免未来的城市发展除了有不同的古迹之外，新城都“千城一面”的状况。笔者团队自2019年正式提出空间基因概念以来[4]，受到了广泛的关注(图1)。但也可以发现，目前研究与应用中出现了一些对空间基因误用与滥用的情况，例如将屋顶、图腾样式等建成形式，或自然、文化、社会等影响因素视为空间基因。这类研究仍局限在城市形态类型学的传统思路中，并不是笔者提出空间基因概念的初衷。为了进一步厘清空间基因的科学作用，本文就空间基因的理论基础、概念内涵，以及生成与传承机制等内容展开论述。
▲ 图1 2003—2021年城市研究中引入“基因”概念的论文关键词共现分析
Fig.1 Keywords co-occurrence analysis of articles introducing the concept of “gene” in urban studies from 2003 to 2021
资料来源：根据中国知网数据绘制。
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空间基因的理论基础与概念内涵
2.1 空间基因基于城市复杂系统理论
城市空间形态不是主观创意与需求的拼贴，城市发展也不等同于生命有机体的成长，城市的运行是一种复杂系统，这是空间基因研究的理论前提。
关于复杂系统的讨论可追溯至1928年美籍奥地利生物学家贝塔朗菲(L V Bertalanffy)首次提出的“复杂性”(complexity)概念，他指出要将生物体及其环境作为一个整体系统来研究[5]。随后，普里高津(I Prigogine)[6]、哈肯(H Haken)[7]、圣菲研究所(SFI)[8]等学者或研究机构对复杂系统的基本特征进行了进一步的探讨。经过长期的研究，形成了基本的共识，复杂系统被定义为由相互作用的部分组成的非线性系统[9]，表现出以下三个主要特征：
(1)自组织性(self-organization)。系统内部通过个体变异与系统选择，不断自发地完善组织结构和运行模式，从而提高系统本身对外部的适应能力，实现系统进化。在复杂系统的自组织过程中，变异是不断出现的，为系统引入了新的不稳定个体(非线性关系)，使其远离动态平衡；选择是将那些更适应于环境的个体留下，使系统向动态平衡发展，形成有序结构。(2)层级性(hierarchies)。复杂系统的层级性来源于系统内不断重复的涌现(emerge)现象——局部结构涌现出整体结构，由此产生的整体结构会涌现出更高层级的整体结构。层级性反映了系统中宏观与微观的有机联系，是微观行为展现的宏观效应。(3)开放性(opening)。系统不断地在与外界环境进行着物质、能量和信息的交换，从而形成负熵流，推动系统形成有序结构。其中，新的信息从不断涌现出的新结构中产生，成为负熵流的组成部分，促使系统形成更高层级的有序结构。
复杂系统理论是否适合于城市研究，一直是城市规划学科认知的研究热点。布鲁塞尔学派的艾伦(P Allen)基于复杂系统理论构建了城市演化模型，其运行过程和结果与现实的城市发展过程相符[10]，证明了城市发展具有复杂系统的自组织特征。英国学者巴蒂(M Batty)和朗利(P Longley)以及法国学者弗兰克豪斯(P Frankhauser)基于分形几何学，分别从计算机模型和实例测算两个维度证明了城市空间中存在的涌现现象，各个空间层次都具有稳定的结构[11-12]。同时，巴蒂还将信息熵(information entropy)概念引入城市空间研究，众多学者通过对空间结构演化过程中信息熵的计算，证明了新空间结构的形成会产生新的城市信息[13-15]。中国学者也对此也进行了长期的研究，周干峙论述了城市作为复杂巨系统的八个系统规律[16]，段进在空间发展理论中提出空间发展的自组织规律以及空间发展深层结构的复杂关系等[17]。经过60多年的发展，城市系统是复杂系统这一观点已被学界广泛接受。
空间基因是城市复杂系统在自组织过程中涌现，并通过变异、选择形成的相对稳定的空间组合模式；空间基因具有层级性，存在于城市、聚落、街坊、街道、院落等各个空间层级；空间基因依靠城市系统的开放性产生新的空间信息，促进优化和涌现新的空间稳定模式，最终实现不同层级的空间形态演化。可以说，城市复杂系统的自组织性、层级性、开放性特征形成了空间基因的基本内涵。
2.2 空间基因与生物基因的共性与差别
空间基因的提出借用了生物学中“基因”的概念及其原理。丹麦植物学家约翰森(W Johanson)创造出“基因”一词，用于指代决定生物体性状的遗传信息载体，其储存着指导生物体孕育、生长、凋亡等过程的全部信息[18]。相应地，空间基因是控制物质空间形态(性状)的信息载体，储存着主导城市空间形态演化与发展的关键信息。
空间基因与生物基因存在共性：二者均能被视为信息载体，储存了指导本体生存与发展的信息，以及发出呈现为性状的指令。但是二者也有差别：一方面，生物基因是客观存在物，其基本单元是核苷酸序列；空间基因是抽象的模式，其基本单元是空间要素及其构形关系。另一方面，从生物体的任意层级(如细胞、组织、器官等)中提取的生物基因，它们完全相同且具有该生物体所有的遗传信息；而从城市的不同层级(如聚落、城市、街坊、院落等)中提取出的空间基因，由于其构成要素和要素之间关系的不同，空间基因也是不同的。例如，院落基因关注的是厢、厅、院等空间要素的组群形态，街坊基因关注的是院落、街、巷等空间要素的序列结构，聚落基因则是街坊、街道、广场、山体、水系等空间要素的组合关系(图2)。▲ 图2 以宏村为例的不同层级空间基因图示
Fig.2 Space gene with different research scales based on a case study on Hongcun Town
借用生物学基因的遗传原理，空间基因在概念内涵、功能作用等方面均与生物基因有很多的相似点。但二者也存在一定的差异，应客观看待空间基因与生物基因的对应关系，不能机械照搬、盲目套用生物基因的相关概念于空间基因的研究之中。3
空间基因的生成机制
空间基因的生成，源自于城市复杂系统在自组织过程中通过变异与选择产生空间组合模式的过程，具体可分为建成形式的变异和城市系统的选择两个方面。
3.1 建成形式的变异
城市建成形式总是处在变异之中。此类变异源于建成形式与自然环境、社会人文的密切关系，是三者动态互动的表现[17]。因为自然环境与社会人文在不断发生着变化，由此推动原有建成形式转变为新的建成形式，使得城市中呈现出纷繁多样的建成结果。例如，随着工业化进程加速，为发挥产业集聚效应、提高生产效率，近30年来我国各地出现了多种形式的产业园区，包括以生产制造厂房为主体、功能单一的工业园区，多类型建筑分区布置、生产研发功能并置的复合园区，以及以公共服务设施为核心、集生产生活生态功能于一体的创新园区等[19-21]。可以看出，社会经济等因素的变化，导致产业园区产生了多样的建成形式，这可视为空间要素因应非空间要素而变异的过程。
3.2 城市系统的选择
与建成形式不断变异相伴的是城市系统对建成形式不断地选择。选择的根本动力来源于竞争：建成形式之间的竞争是通过促进人对自然、人文资源的占有利用，提升人的生存与发展能力，而对其他建成形式产生负反馈的过程。通过这一过程的持续，最终那些更能适应当地自然环境、社会人文，满足人类活动需求的建成形式会延续下来，形成相对稳定的模式；相反，不适应的建成形式则被逐步淘汰。举例来说，“里坊制”在唐代中期之前被严格执行，整个唐长安城呈现出“千百家似围棋局，十二街如种菜畦”的平面形态[22]。但随着社会经济的发展，城市中原有的封闭市场已不能满足规模日益扩大的商品交易的需要，民间开始出现了各类打破坊墙、坊内开设店铺的活动。虽然统治者对此展开了严厉的处罚管理，但因“侵街”潮流势不可挡，到北宋末期，统治者也不得不作出让步，通过征收“侵街房廊钱”，承认了侵街建筑的合法性[23]。随后坊墙逐渐被拆除，商业店铺纷纷沿街而建，形成了街市并行的空间模式。又经过一段时间的发展、稳定，街坊最终取代了里坊，才造就了《清明上河图》中汴梁繁华街市的景象。
因此，通过建成形式的变异与城市系统的选择，每个城市产生了空间、自然、人文相互作用且协调的不同模式，成为其有别于其他城市的“基因”。空间基因作为城市空间与自然环境、社会人文长期互动契合与演化的产物，承载着不同地域特有的信息，形成城市特色的标识，又起着维护三者和谐关系的作用。同样重要的是，与空间基因生成过程相伴的是新城市信息的出现，它们受当地自然、人文环境的不断筛选，成为更利于城市生存与发展的空间发展新观念。
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空间基因的传承机制
生命科学研究表明，生物基因的遗传包括三个主要过程：(1)编码，储存生物信息；(2)复制，遗传生物信息；(3)表达，形成生物性状[18]。本文借助生物基因的遗传原理对空间基因的传承机制进行进一步的论述(图3)。
▲ 图3 生物基因遗传和空间基因传承的机制比较
Fig.3 Comparison on the inheritance mechanism of biological and space genes
4.1 编码：从空间要素到空间基因
编码，是指基于明确的规则，将一组字符组织为代码，以指代信息的过程。生物基因是由核苷酸编码而成，摩尔斯电码是由点、划和中间点停顿编码而成，它们都通过对基本元素的编码，整体承载了单体无法提供的信息，表现出“整体大于部分之和”的特征。
同样地，空间基因是由空间要素按照一定的规则编码而成，承载某种稳定空间组合模式的信息，涉及到空间要素间的比例关系、序列结构、拓扑构形等。例如中国传统民居院落可视为基于相同空间要素、在不同比例关系下编码形成的集合体——不同地区房屋与院子(天井)比例关系的不同，编码出了不同的院落基因(图4)。笔者以中国7个一级建筑气候区的分布为依据，各选取一例传统民居典型样式进行研究，发现在高纬度地区，房屋的间距较大，院子开阔，院子的进深远大于房屋的进深。随着纬度的降低，院落中房屋的间距拉近，院子渐次变小。在低纬度地区，院子退减为仅利于通风的“天井”，有的甚至小如“蟹眼”，院子的进深小于房屋的进深，这些都说明了空间基因的形成与自然气候的密切互动关系。▲ 图4 中国传统民居院落空间基因在不同气候区空间要素比例的变化
Fig.4 Ratio of spatial elements of the space gene of Chinese traditional residential courtyards in different climate zones
4.2 复制：从空间基因到传承空间基因
复制，是指以原件为模版，制作一份或多份与其信息相同的复制件的过程。关于城市营建的各类信息往往以空间基因为媒介，通过共时性和历时性两个维度的传播进行复制，形成传承的空间基因。
空间基因的共时性复制是同一时期内按照相同的空间基因进行建造活动，表现为空间基因的地域性扩散。如16至17世纪，为抵御日益增多的火器进攻，威尼斯共和国在今意大利的伦巴第地区至亚得里亚海的东海岸，陆续沿海建设了若干防御工事。这些防御工事虽然建设地点和建设主体各异，并受到当地平原、丘陵、海岸等不同地形的影响，呈现出各不相同的空间形态，但本质上都复制了“多边棱堡”和“多重边界”的空间基因，其特征可归纳为多个三角形或菱形棱堡组合的平面布局，以及由城墙、棱堡、壕沟(水系)、斜坡等要素层层嵌套而成的边界形制(图5)。▲ 图5 16至17世纪威尼斯共和国防御工事空间基因共时性复制示意
Fig.5 Synchronic duplication of the space gene of the Venetian Works of Defence from17thto17thcenturies
空间基因的历时性复制是不同时期内的建造活动使用相同的空间基因，表现为空间基因在时间维度下的传承。如中国古代的城市建设，虽然历朝历代的各个城市在规模等级、性质职能、建设技术等方面有所区别，但大都传承了“方正形制”“中轴对称”“以器显礼”的空间基因，表现出方正规整的平面布局，以主次分明、正交体系轴线为基础的空间秩序，以及以礼教建筑为核心的地标体系(图6)。▲ 图6 中国传统城市空间基因历时性传承示意
Fig.6 Diachronic inheritance of the space gene of Chinese traditional cities
需要重视的是，空间基因的复制不仅是对空间要素间的比例关系、序列结构、拓扑构形的复制，更重要的是对特定发展背景下城市信息的传播，是“城市空间-自然环境-社会人文”长期互动形成协同的、地域性城市空间发展观念的延续与发展，所以也传播了城市行为与性格特征。威尼斯共和国基于“多边棱堡”和“多重边界”空间基因建造的防御工事，是对利于阻碍炮火攻击、进行无死角射击反攻的要塞营建理念的传播，符合实现增强城市防御能力的目标；中国历朝历代基于“方正形制”“中轴对称”“以器显礼”的空间基因，是对以礼制为核心、等级分明营城理念的延续，反映了中国传统“天圆地方”的宇宙观、“天人合一”的自然观和儒家所提倡的礼教尊卑、伦理秩序的哲学思想。4.3 表达：从空间基因到空间形态
表达，是指将信息转化成物质的过程。生物基因指导蛋白质的合成，而蛋白质是生命活动的承担者和体现者，基因由此控制性状。但基因与性状的关系不都是简单的线性关系，有单基因对性状的控制(如酒窝)，也有多基因对性状的控制(如身高)，单基因也会产生多种性状，并且基因与新的环境相互作用会影响性状细节，这些原理在空间基因的表达中也都有所体现。
空间基因通过直接途径控制空间要素组合的结构，由此控制城市的形态(性状)，并且是多基因控制形态的方式。例如，笔者团队在苏州规划设计实践中通过对古城五个空间基因的运用，形成了《新金阊十里繁华图》中湖光山色、阊胥城墙、古渡行舟、沿河市镇、商肆栉比的城市形态。这五个空间基因包括：城市四角的湖泊、山体与开放空间延伸出的楔形绿地顺山脉、水系插入市中心的“四角山水”；城内园林与城区相互渗透、城市与外围自然山水互相融合的“城中园、园中城”；以河道为骨架、街巷相依附，水陆相邻、河街平行的“水陆双棋盘”；连廊组成的尺度宜人、层次丰富的“廊空间”；屋盖青瓦、砖砌白墙、质朴淡雅的“粉墙黛瓦”(图7)。
▲ 图7 苏州新金阊十里繁华图中传承的空间基因
Fig.7 Space gene inheritance in the map of Jinchang District, Suzhou
资料来源：基于笔者团队“苏州市环古城风貌保护工程西段详细规划”项目成果整理绘制。
此外，空间基因在与新的城市空间-自然环境-社会人文三者之间的复杂相互作用中，影响城市形态的细节。如在“水陆双棋盘”空间基因的运用中，在新的时代背景下，笔者团队运用现代规划设计方法，将其与新时期的人居环境营造目标相结合，在街道、河道纵横交叠的网格状形态基础上进一步发展，增添了许多供市民使用的开放空间和公共服务设施，为城市创造了良好的蓝绿生态网络和亲水公共空间体系，进一步优化了苏州空间特色的细节和内涵(图8，图9)。▲ 图8 苏州环古城地区风貌保护工程实施效果
Fig.8 Implementation effect of Suzhou Historic Ring-Belt Protection Project
资料来源：张麒拍摄。▲ 图9 苏州环古城成为当地市民公共活动的重要场所
Fig.9 Suzhou Historic Ring-Belt has become a popular place for public activities
资料来源：潘治明拍摄。
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结语
随着文脉保护在地区发展、甚至国家发展中的重要性越来越受到重视，对历史文化遗产的保护得到进一步加强。但是在新城的建设与非历史文化保护区的更新中，全球化的现象越来越严重，千城一面在新时代城市发展中广受诟病，即使在旧城保护与更新中，形式上的模仿、机械的复制，以及缺乏依据的形式创新，造成了假古董频现或历史与地域错位的问题。
空间基因内涵与作用机制的研究，揭示了城市物质形态形成背后的逻辑，只有在此基础上才能更好地保护建成文化遗产，规划设计也才能在现代社会的发展中适时地应变，真正做到文脉的传承。借鉴生物基因研究的历史发展，可以知道在探索空间基因的理论与应用方面需要更大的努力，尤其需要更多的学科和团队参与进来。借鉴人类基因组计划和材料基因组计划的发展，笔者团队将谋划中国城镇空间基因库的建设，形成一个数字化存储和管理公共平台，为城市空间研究和城市规划设计提供基础信息服务。同时，空间基因库的建设也将促进世界各国学者的合作，对促进世界城市规划领域的技术进步和保护世界城市文化多样性具有重要意义。注释
① 习近平在中国文联十大、中国作协九大开幕式上的讲话(2016)中提到“文运同国运相牵，文脉同国脉相连”。② 2001年经联合国教科文组织大会决议通过的《世界文化多样性宣言》提出：它(文化多样性)是发展的源泉之一，它不仅是促进经济增长的因素，而且还是享有令人满意的智力、情感、道德精神生活的手段。
2005年联合国教科文组织通过的《保护和促进文化表现形式多样性公约》提出：文化多样性创造了一个多姿多彩的世界，它使人类有了更多的选择，得以提高自己的能力和形成价值观，并因此成为各社区、各民族和各国可持续发展的一股主要推动力。2009年联合国教科文组织出版《联合国教科文组织世界报告:着力文化多样性与文化间对话》，强调：文化多样性有助于更新国际社会在一系列领域的战略，以便在当地居民的支持和参与下推动实现其各项宏伟目标。2015年联合国大会决议通过的《变革我们的世界：2030年可持续发展议程》，针对未来全球可持续发展提出新议程：我们承认自然和文化多样性，认识到所有文化与文明都能推动可持续发展，是可持续发展的重要推动力。③ 希腊于1834年颁布第一部保护古迹的法律；法国于1840年公布了首批保护建筑，1887年颁布了第一部历史建筑保护法，1962年制定了保护历史街区的《马尔罗法》；英国于1882年颁布《古迹保护法》，1944年颁布《城乡规划法》制定历史建筑保护名单，1967年颁布《城市文明法》划定历史保护街区；日本于1897年颁布《古社寺保存法》，1952年将其与其他两个法令综合为《文物保存法》，1966年颁布将保护目标扩大至城市整体的《古都保存法》。
④ 主要包括1964年历史古迹建筑师及技师国际会议通过的《国际古迹保护与修复宪章》(又称《威尼斯宪章》)，1972年联合国教科文组织通过的《保护世界文化和自然遗产公约》，1976年联合国教科文组织通过的《关于历史地区的保护及其当代作用的建议》(又称《内罗毕建议》)，1987年国际古迹遗址理事会通过的《保护历史城镇与城区国际宪章》(又称《华盛顿宪章》)，1994年由日本政府文化事务部与联合国教科文组织、国际文化财产保护与修复研究中心、国际古迹遗址理事会联合通过的《关于真实性的奈良文件》(又称《奈良文件》)等。⑤ 1933年的《雅典宪章》提出“有历史价值的古建筑均应妥为保存，不可加以破坏”，1977年的《马丘比丘宪章》提出“城市的个性和特性取决于城市的体型结构和社会特征。因此不仅要保存和维护好城市的历史遗址和古迹，而且还要继承一般的文化传统。一切有价值的说明社会和民族特性的文物必须保护起来。”1999年的《北京宪章》提出“对城镇住区来说，宜将规划建设、新建筑的设计、历史环境的保护、一般建筑的维修与改建、古旧建筑合理地重新使用、城市和地区的整治、更新与重建，以及地下空间的利用和地下基础设施的持续发展等，纳入一个动态的、生生不息的循环体系之中。”⑥ 见《关于在城乡建设中加强历史文化保护传承的意见》(2021)。
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