城堡影响下长城沿线聚落形态特征的量化解析研究——以长城密云段沿线聚落为例

吕小勇， 叶隽怡， 张学玲， 马超华， 胡浩青

(北京建筑大学 建筑与城市规划学院， 北京 100044)

聚落是指自然生长发展起来的，人们进行生活、生产和社会活动的聚居地[1]。聚落的空间形态是各类要素流动和选择的结果，能够反映物质环境、功能活动和文化价值等[2]。研究聚落的空间形态特征，挖掘聚落的营建规律和风貌特质，有利于为聚落的形态保护与文化传承提供依据。长城城堡是指一种用土或石围起来用于居住或屯驻的具有军事防御功能的小城[3],随着社会的变迁，军事功能退化后的城堡成为戍边军民生活的村庄[4]，形成了防御意识背景下依托城堡生长而成的聚落空间。本文为更清晰地揭示城堡影响下长城沿线聚落的空间形态特征，选取了长城文化带密云段依托城堡所形成的聚落中，城堡形态和历史风貌保存较好且具有代表性的5个聚落作为研究对象，从聚落边界形态、道路结构以及平面图底3个方面，结合卫星影像进行量化分析，其方法有助于研究者定量识别形态特征，并基于此探讨特征背后的影响因素与文化内涵，及未来保护与发展策略。

1.1 长城密云段沿线城堡型聚落的历史背景

长城的整体防御能力不仅依赖沿线分布的军事力量和绵长的长城边墙，也有赖于它与边镇、堡寨、关隘及其他军事防御设施所共同构成的军事防御体系，且尤以明代长城的边防体系最为成熟。明代长城驻军城池分为镇城、路城、卫城、所城、堡城5个等级，堡城是最小的屯兵单位，相距15～20 km为一堡，一般驻扎几十人至几百人。明代时长城密云段所在的蓟镇，是京畿地区重要的兵力驻扎地，依托城堡兴筑堡寨众多。城堡的城廓形状以矩形为主，也有依地形所建的异形。城墙之上建有城楼、角楼等提高城墙的防御能力。堡寨的内部道路系统包括主干道、巷道和环城道，道路系统有“一”字形、“十”字形，“丰”字形、“丁”字形等。堡寨以附近耕地为给养，“有事则战无事则耕”地开展农业生产活动，虽是为军事防御而建，却也为聚落发展带来了稳定的环境[5]。

1.2 城堡与聚落整体空间格局的当代演进

军屯制度已经消亡，但是城堡依旧被完好地保存下来。北京市密云区内现存有61个城堡，作为长城沿线聚落重要的文化符号，分布在长城边墙内侧的沟域地区。城堡影响下的聚落依托着城堡在原址上进行不断地生长和扩张，虽然整体空间格局已与传统形态存在较大差异，但也蕴含着防御文化的基因，显示出军事防御性与现代生活需求日渐演进融合的结果。由于人们的生存方式已趋于多样，其形态演变所受到的制约因素实则已变得复杂多元，以军事防御需求为基底，以农业作为主要产业的同时，居民的生计逐渐扩展为旅游业等，对于便利的交通运输、良好的文化环境的需求空前增长。如图1所示，城堡的边墙可以直接在卫星图上识别出来，但由于演进过程的复杂性，依托城堡形成的聚落整体空间格局仍需要更为精确的量化数据作为测度依据，以此得出城堡影响下的聚落演进特征，并探讨特征背后的动因，识别现存的文化基因。

图1 密云区西坨古村城堡位置标注与聚落卫星影像

随着时代演进，城堡内外空间形态存在差异，聚落的边界已从规整的城堡城廓线逐步扩张至城堡外，城堡道路结构出现复杂的分枝与伸展，平面图斑的生长也突破城堡边界、存在新的集聚或裂变方式。因此本文以聚落边界形态、道路结构及平面图底为分析维度，量化解析手段与定性研究相结合，探究城堡内的传统核心区域与扩张后聚落整体空间之间的形态差异性，以更精确地挖掘城堡对聚落整体空间格局的影响，掌握形态演变特征，为聚落的形态保护利用提供精准的数据支撑。

2.1 聚落边界形态的解析方法

聚落边界形态会受到不同向量的控制力影响[1]。研究当前城堡影响下长城沿线聚落的边界形态，可分别针对城堡保存较好的城廓线边界以及包含聚落新扩展区域的整体边界，探讨城堡内的传统核心区域与新扩展区域的边界形态特征，以及各自的制约因素。边界形态的解析主要从边界形状类型和边缘空间宽度2个方面来开展研究，二者可分别表征来自聚落内外的发展动力作用情况。

根据边界形状指数分析方法可以对聚落整体边界形态进行界定与解析，边界形状指数S为：

(1)

式中：λ为形体长宽比，P为周长，A为面积[1]。

由于建筑单体间的虚边界尺度会影响聚落测度的边界大小，因此可设定社会性视域最高限100 m、识别域30 m、以及相互认识域7 m为虚边界的距离界定尺度，以这3组数据为最大跨度绘制边线后，可以获得3层边界的边界形状指数及形体长宽比，加权运算后即可用于划定聚落的边界形状类型。而通过比对聚落的发展背景，边界形状类型的划分结果可进一步用来分析影响聚落生长的相关因素。

此外，设定3层边界中100 m尺度下的大边界与7 m尺度下的小边界之间的边线空间为聚落的边缘空间，大边界与30 m尺度下的中边界之间为外缘空间，中边界与小边界之间为内缘空间，外缘空间与内缘空间的宽度为能够表现聚落向外扩展时位于外边缘的建筑单体逐渐转化为聚落内部的程度，反映边界在空间上的离散程度，基于此可以进一步分析影响聚落扩张的相关社会、地理因素。边缘空间平均宽度计算式为：

(2)

式中：L外、L内为外、内缘空间的平均宽度，L均为总边缘空间的平均宽度，A外、A内分别为外、内缘空间的面积，P大、P中分别为大、中边界的周长。

当边缘空间平均宽度越大时，这一段边缘空间的公共空间面积越大，边界在聚落边缘越离散，边缘空间表现得较为开放。

2.2 道路结构的测度方法

当前依托城堡形成的聚落，城堡内、外的道路网呈现出密度、尺度及分形结构上的差异与交织，而这种差异性也反映了传统与当下的聚落空间在道路通行需求上的不同，表征了长城沿线聚落在发展过程中显现出的特殊文化内涵与空间历史保护价值。道路结构的测度分别从城堡内外的道路密度以及道路连通度两方面开展研究，精确化测度城堡内外的密度分布与分形特征。

lgL=k×lgrL+C

(3)

式中：k为直线斜率，得到的k即为长度- 半径维数DL,C为常数。

当直线存在无标度区，且DL∈(1,2)时，其值越高表明道路网络密度从核心区向聚落外围下降得越慢，道路网在聚落中密度分布越均匀。

lgN=k×lgrB+C

(4)

当直线存在无标度区、符合分形，且直线斜率k即分枝数目- 半径维数DB∈(1,2)时，其值越大，城堡内外的道路网结构通达性越高[6]。

2.3 平面图底的研究方法

传统的乡村聚落中建筑单体与公共空间均具有自相似的分形几何特征，因而本文借助相关研究方法对比城堡内外的数值结果，进一步探讨城堡对长城沿线城堡型聚落的平面分形结构是否存在影响。

针对建筑单体，相关研究表明在一般的乡村聚落中，户数与户均面积会呈现出负相关性，这是由于聚落的生长并不以匀质的方式向周边扩张，户数的增长是以分割原有大面积的住居来安排新增人口，随着人口集聚而导致人均拥有土地面积减少[7]。因此通过户数与户均面积的相关性分析，可以了解聚落中建筑单体的集聚性。

对于公共空间而言，当一个平面图斑的面积不变，破碎化的现象会导致图形边缘不断裂变而增加周长，因而通过分维度来解析公共空间的分形几何特征是比较理想的。借助分形维数计算公式：

(5)

式中：D为分维度，P为斑块周长，A为斑块面积。

其值越高，则证明一定面积内的公共空间越破碎，具有更多的界面围合，空间也会受到宅基地界面的挤压而变得更狭窄，相应的公共空间组织效率就更高[1]。

3.1 边界形态的解析结果分析

3.1.1 聚落边界闭合图形的形状类型

在军屯制时期，聚落的边界即为城堡的城廓线，形状主要受城堡等级与地形条件影响，而当聚落开始突破城堡生长，聚落的整体边界则反映出更为复杂的特征与影响因素。

长城密云段城堡等级根据规模可划为Ⅰ～Ⅳ级，其中Ⅱ级城堡中作为堡城的如令公城堡、吉家营城堡，地处平坦开阔的区域，不受地形起伏高差约束，形状方正；
而占密云区85%的Ⅲ级及以下的低等级城堡，如西坨古城堡，规模小、受地形制约较大，城堡边界多呈不规则的异形[8]。而当前聚落整体的边界形状类型在绘制如图2所示的3层边界闭合图形后，从表1结果来看，令公村、吉家营村、遥桥峪村的现状边界形态呈现出稳定的带状或团状特征，是易与环境相适应、形态紧凑、用地集约的形态类型，而新城子村和西坨古村则表现出指状延伸的形态。从5个聚落的属性可以看出，这种形态特征差异与传统村落的划定存在耦合性关系。究其原因，这些城堡型聚落首先是基于军事防御体系进行选址，有等级规模限定和防御需求，满足生存需要则是其次，因此空间紧凑、集约。而聚落为进一步满足现代生存需要，则会突破团状或带状这种相对均衡的形态向适宜生存的方向伸展[9]。由此可知，虽然国家根据统一的标准将村庄聚落划定为传统村落与非传统村落，但这些非传统村落形态上呈现出更为明显的不均衡特征，传统村落则由于外部自然环境相对稳定、外部社会环境对其风貌保护的重视，在更大程度上维持了城堡型聚落的本质属性。

图2 样本聚落的三层边界闭合图形

表1 样本聚落的边界形状

3.1.2 聚落边缘空间的渗透性特征

聚落的边缘空间形态反映了聚落内在的发展动力。对比5个样本聚落中分别具有最大和最小边缘宽度的令公村与西坨古村(表2)，前者的边缘空间更为开放渗透，这是由于令公村的多条连接周边村落的道路以及一条村域内填河而成的道路将村落划分为多个片区，使得边缘空间出现较为明显的离散，加大了边缘宽度，这表明道路能够吸引聚落边界向主体的渗透，该聚落的发展也存在较大的内在动力。由此可以推断，由于城堡在兴筑时有级别的不同，从而在选址和地形条件上已存在差异，聚落突破城堡限制而向外扩张的动力也有所区别。令公村所在的沟域开敞平坦，能够在突破城堡后获得较大的发展余地，形成较为开放、离散的边缘空间形态，西坨古村则未能获得这样的发展动力，边缘空间对聚落主体未表现出强烈的渗透特征。

表2 样本聚落的边界平均宽度

3.2 道路结构的解析结果分析

3.2.1 道路密度分布特征

当前的道路密度分布特征呈现为一种从人行至车行的需求转向。长城沿线聚落的内部道路是为满足人行需求而建，且兼具防御属性，如堡寨内部的环城道是在城墙内侧作一圈通路，便于迅速调集兵力通过马道登上城墙作战，堡寨作为长城地区发达的驿传系统的重要组成部分，在军屯制度时期城堡对外道路的尺度也是为满足人与马匹的通行[5]。而现代路网演化的主导力量则已经逐渐转为车行需求，城堡对外的道路尺度逐渐扩大，并与城堡内的传统路网结构形成交织。本文借助长度- 半径维数DL值判断得到聚落从城堡内核心区域逐渐向城堡外扩展过程中的道路密度分布情况，表3所示结果印证了定性研究下的认知。5个聚落的DL值基本不大于1.5，城堡内、外的道路密度存在差异且下降较快。而分析这种特征出现的原因有2个方面，一是由于城堡内的道路密度过大，传统核心区内的道路系统会为了巷战时能够构成迷魂阵而形成曲折的路网，从而增加了道路的密度[10]；
二是由于城堡外新建道路网密度过小，若新建的路网是以汽车为道路设计的主要导向，那么道路在拓宽的同时也多会被拉直，从而降低其密度。

表3 样本聚落的长度- 半径维数

3.2.2 道路连通指数特征

通过对道路连通指数的研究，认为当前依托城堡形成的聚落表现出了一种传统道路结构与现代路网融合共存的特征。在对当前样本的研究中发现，其道路结构存在特殊的分枝形态。由表4可看出，在5个样本聚落的分枝维数中，仅有令公村与西坨古村符合DB的子集，且其值也低于1.3，城堡内至城堡外分枝数目减少较多，道路内外的通达度较低。一般的自组织生长聚落在形态上具有分形结构，道路结构通达稳定，往往以聚落的一条或几条主干道路为开端进行道路分枝，生长的层次越多，道路越复杂，主干道路就是聚落的核心区域。但对于依托城堡形成的聚落，当军事功能退化后，道路性质出现更替，为与周边村落以及主城区增进沟通和交往，外部道路的尺度也变得更为宽阔，在有限的地形条件下尽可能实现城堡的对外联系，但由外部道路发端的道路分枝方向，与聚落从核心区域向外扩张的方向是相向且尺度不同的，城堡的存在导致了城堡型聚落内外道路结构连通性较低的结果。

表4 样本聚落的分枝数目- 半径维数

3.3 平面图底的解析结果分析

3.3.1 建筑单体的集聚特征

聚落源于建筑单体的聚集。在一般的乡村聚落中，随着户数的增加，户均面积会相应减少，呈现负相关，而比对样本聚落在户数与户均面积上的相关性，只有将新城子村和西坨古村这2个非传统村落进行排除后，在余下的3个传统村落之间，户数与户均面积才呈现出这种负相关性(表5)。究其原因，对于一个聚落而言，如果在聚落中心存在明显的政治、文化或者景观这类特定功能，人们会尽量围绕其建立自己的住居，当聚落人口逐渐增长时，就会切割现有住居空间使新增住户仍然尽可能靠近中心[11]。也可能会受到族居文化的影响，在不向外申请额外宅基地的情况下，在固定面积的宅基地上增加户数，随着户数的增加，每户面积也就相应减小。而诸如新城子村和西坨古村的这类非传统村落，可能缺失一定的基于政治或文化因素的中心集聚性，或是城堡的向心作用遭到破坏，来自外部环境的引力可能要大于城堡所带来的向内部中心凝聚的动力。而在传统村落中这种特性的符合，也更凸显了当城堡在传统文化背景下，的确在聚落扩张的过程中起到了人口集聚的作用。

表5 样本聚落的户数与户均面积

3.3.2 公共空间的组织特征

5个样本聚落的公共空间图斑如图3所示，分维度结果见表6。样本聚落的整体分维度均在1.5以上，城堡内的公共空间分维度分布在1.45～1.60，属相对较高的分维度值，说明聚落公共空间组织效率较高。且对于同一个样本聚落，对比城堡内与聚落整体的分维度以及二者的建筑密度，存在正相关性，即整体分维度高于城堡内分维度时，整体的建筑密度也相对更大。由此可知，城堡影响下的长城密云段沿线聚落公共空间，无论城堡内外，均有较强的结构性，街巷系统成熟发达，以较少的公共空间组织起紧密的宅基地布局。由此可知，在传统军事防御背景下聚落内部紧凑的公共空间组织特征，并未在当前的时代背景中被弱化，城堡影响下的集约型布局得到了延续与发展。

表6 样本聚落的分维度、建筑密度测算

图3 样本聚落的公共空间图斑及其城堡位置

4.1 城堡对边界形态的影响机制与聚落发展方向

长城沿线城堡型聚落的边界形态受到城堡所带来的多因素影响，传统核心区域的城廓形状是受到军事背景下的城堡等级与地形条件的限制，而依托城堡进一步扩张后的区域，其边界生长方向也同样受到选址地形条件、社会发展动力等因素的推动。因此，长城沿线城堡型聚落作为防御性聚落文化的根植所在，其边界形态蕴含深厚的文化价值，维护聚落传统的边界形态是文化自觉的重要体现。与此同时，对于在量化解析结果中显示出的具有先天地理条件优势、且在更大程度上维持了城堡聚落传统空间格局的令公村，更需充分利用其良好的发展空间，有效发挥内在动力。

4.2 城堡对道路结构的影响机制与保护利用方向

在社会的不断演进中，受城堡的影响，长城沿线聚落中的现代生活需求与传统的路网结构仍然能够实现良好的交织与共存，形成一种自组织机制下的自我调适。通过量化研究，证明在道路性质已经出现更替的当下，由于城堡的存在，长城沿线聚落的城堡内道路形态结构仍然特征明显且相对稳定，能够反映军事制度背景下的文化内涵，因此可以认为这种形态特征具有较为突出的历史意义，城墙与道路组成的防御性空间格局有保护利用价值，可通过旅游开发、原址保护并设立博物馆等途径获得保存与再生。

4.3 城堡对建筑单体与公共空间的影响机制与启示

根据量化研究结果，城堡影响下的聚落相较于一般性的乡村聚落，存在更为紧密的宅基地组织，在整体聚落扩张过程中均维持了城堡内的紧凑式布局，整体公共空间结构性强，凸显了长城沿线聚落的军事防御属性，这种紧密的公共空间组织形态也为长城沿线聚落的传统空间格局获得了可识别性，研究中运用的量化方法能够为未来规模化识别聚落提供启示。对聚落中心集聚性的研究表明，需要对文化基因已经有所丧失的城堡型聚落加强城堡文化的深入解读，强化原住民的自我认同，重视文化的传承与延续。

当前以保护为导向的长城沿线聚落更新，需要充分研究其聚落形态的特征，因为通过形态特征所表现出的聚落演进机制能够反映其历史文化脉络。聚落的形态特征源于文化背景的影响或特定功能的吸引，因而保护传统的空间格局需要在文化的延续及强化中才可得以塑造或重生。本文在长城沿线聚落形态特征识别环节提供了系统的量化解析方式，能够为在一定地域范围内规模化开展聚落形态特征的研究提供方法借鉴。此外，本文挖掘了城堡影响下长城沿线聚落的演进机制，梳理了文化脉络，有助于进一步保护和利用长城沿线聚落的路网结构及传统空间格局，精确化地认知聚落特征与文化。

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