基于武汉长江主轴桥梁空间色彩特征的优化设计
文／易西多，王长曦（武汉理工大学 艺术与设计学院）
城市是人类文明传承与发展的载体，其景观色彩特征蕴藏着地方文化气息的积累与沉淀，也向外传递着地域文化和生态价值符号[1]。武汉市作为 “九省通衢” 之地，处长江黄金水道重要部位，城市文化特征主要体现在以下3个方面：（1）多元融合性。武汉市2 400多年的建城史，实质上是一个多种地域、经济、民族、时代文化类型碰撞、交融的过程。这一过程伴随一部分文化的日渐式微或消失，以及另一部分文化的保留、传承、演进与积淀。近代以来，多民族、多地域人群的聚居共存，血缘、亲缘的广泛交织，多样性文化的积聚融合，以及时代变革对城市文化的冲击与洗礼，使武汉市成为一个文化的大熔炉。（2）荆楚文化符号。荆楚文化因楚国和楚人而得名，是周代至春秋战国时期在江汉流域兴起的一种地域文化，主要是指以当今湖北地区为主要辐射地的历史文化，继承了许多商周文化特点，具有鲜明的地域特色和巨大的经济文化开发价值。（3）高度的集聚性和强大的辐射性。作为湖北省省会城市，武汉市系统地集聚了高层次的文化机构设施、文化人才以及文化产品和服务，而且以经济、文化、科技、教育的中心地位，以国家历史文化名城、中国优秀旅游城市、中国卫生城市、中国中部地区中心城市、世界桥梁之都等 “品牌”，发挥其巨大的辐射力。
武汉独特的地理位置组成和浓厚的历史文化价值，使得整个城市的经济发展和科技进步都与跨江主轴桥梁密切相关。武汉跨江桥梁是连接区域交通、生态特色、文化交流和信息传递等基本民生活动的关键基础设施，不仅具有交通运输的功能属性，同时也是城市文化景观的重要载体[2]。然而随着服役年限的递增，武汉跨江主轴桥梁呈现出新旧各异、色彩混杂且缺乏整体设计感等问题，极大地阻碍了城市区域经济的发展脚步。因此，深入调研武汉跨江主轴桥梁的空间色彩分布规律能够有效塑造城市的综合价值符号，促进武汉城市文化的积极输出，提升城市诸如旅游业、金融投资业等领域的发展效率。
色彩是视觉特征的重要表现形式，Michael Lancaster[3]认为色彩景观是通过人的视觉反映出来的所有要素的群体面貌，色彩是城市景观重要的组成元素，要针对景观特点设计色彩方案。Jean-Philippe Lenclos[4]的色彩地理学主张对某个区域的综合色彩表现方式做调查与分析的工作，以确认这个区域的“景观色彩特质”。目前国内外研究中景观色彩的提取分析方法较多，主要有色彩直方图法、聚类算法、光谱分析测量法、颜色量化算法等。赵源萌等[5]应用直方图法对区域纹理进行统计，获得自然感优越的彩色化图像；
任艳博等[6]基于聚类算法对蝴蝶色彩进行分析，得到色彩网络模型；
基于光谱分析技术，韩炜师等[7]对壁画彩绘进行颜料分析；
陈登凯等[8]选择颜色量化算法对布老虎的色彩搭配进行特征分析，形成了可视化的配色图谱。然而，目前国内外鲜有研究结合多种色彩分析方法对城市桥梁色彩进行深入探讨，尤其是对于类似武汉这种跨江主轴桥梁分布较广且与城市经济和科技发展密切挂钩的地区，如何科学地对其景观色彩进行调研提取和分析并进行合理优化设计具有重要的理论和实践意义。
文中以武汉长江主轴桥梁景观为研究对象，基于8座跨江主轴桥梁景观色彩的调研成果考察桥梁的建筑环境与周围景观色彩特征，结合空间色彩混合和色彩直方图统计了空间色彩的分布情况，同时采用K均值（K-Means）聚类算法提取了空间景观的特征色彩，结合城市文化和生态特色建立桥梁色彩优化设计模型，最后得出研究结论及建议。研究结果可以为相关桥梁景观色彩的分析设计等多个方面提供参考依据，同时补充了桥梁景观色彩研究的进展，丰富了桥梁设计研究的色彩语言，为桥梁空间色彩的提取提供了新的思路。
1.1 长江主轴桥梁空间特征的色彩设计模型
1.1.1 色彩设计方案的指导原则 桥梁城市色彩景观应用不是单一的模仿和重复，而是要将城市的文化价值融入其中，构建具备特色文化内涵的整体城市视觉形象和生态发展。在综合了城市文化和经济发展背景的基础上，本研究提炼了视觉优化指导性方案设计的5个方面原则。
（1）协调性生态原则：桥梁景观是长江主轴景观形象的有机组成部分，应服从武汉市整体文化定位协调生态、社会、经济效益的关系，保证生态效益的充分发挥；
协调景观与生态、保护和开发、建设与维护的多重关系，使桥梁建筑与视觉系统相互协调，形成统一的景观风格。
（2）人本化生态原则：城市景观视觉设计的主要作用是美化环境、扩展生活空间、安全保护、减少交通事故和改善城市形象。无论是功能性还是装饰性景观照明，都应以人为本，体现对人尊重以及生理和心理健康的关怀。
（3）文化性生态原则：荆楚文化是武汉市文化建设的根脉、灵魂、精髓和品牌，是彰显城市特色和魅力的雄厚资本，是塑造良好城市形象，提升城市影响力和竞争力的重要基础。
（4）科学性生态原则：在符合国内景观、照明标准的基础上，尽量采用先进的景观设计理念和先进的照明技术和照明设备，注重环保、节能与全寿命经济性。
（5）经济性生态原则：规划、设计和建设统筹考虑。多用节能照明设备，少用耗能设备，多用经济型设备，少用非经济型设备。
1.1.2 主轴桥梁色彩设计三元耦合模型 基于符号学设计和空间色彩研究文献的调研分析，提出以色彩设计组成、色彩分布特征、色彩识别分析的三元耦合优化模型，对应的内在关联逻辑如图1所示。根据模型可知，优化体系中需要先对研究对象进行调研，对其组成色彩进行有效分析识别，主要考察跨江主轴桥梁的桥体涂装、周围生态景观情况和实际地理位置的水土特色；
然后基于桥梁色彩调研情况，结合色彩空间混合、全局RGB直方图方法对其颜色具体RGB元素分布，进而利用K-Means聚类算法提取对应桥梁显示的色彩分布规律；
最后考察城市地区的文化符号和生态背景，通过融入城市文化、周边环境等元素，创建整体性主题图案，合理规划贴合城市基础设施建设的桥梁视觉元素，提出系统性的构图方案展现城市形象和特色。
图1 桥梁视觉优化三要素模型
1.2 长江主轴桥梁生态景观色彩调研
跨江桥梁作为一种特殊的构筑物，以其重要的地理位置和巨大的体量成为城市景观的重要组成部分，具有重要的使用价值和视觉上的艺术价值[9]。桥梁自身的雄壮秀丽在大自然中是相对渺小的，其色彩及装饰设计要与所在城市的色调定位及自然环境相协调，才能真正体现出重要的艺术价值[10]。为了科学地对武汉跨江桥梁色彩开展优化设计，本研究根据 “三元耦合模型” 开展桥梁色彩组成设计调研，对桥梁本身色彩涂装效果和周边环境与生态分布情况进行实地考察，武汉8座跨江主轴桥梁的相关基础信息概述如表1所示。基于调研信息可知，目前8座跨江主轴桥梁主要存在以下5个方面的问题：（1）长江主轴8座桥梁建成时间跨度极大（1957—2019年）；
（2）桥梁色彩缺乏整体规划；
（3）桥梁建设时间跨度大，桥梁色彩“新旧不一”；
（4）桥梁色彩缺乏与城市环境色彩的科学融合；
（5）桥梁景观标志性略显不足。
表1 长江主轴桥梁色彩调研信息
根据三元耦合模型分析步骤，对桥梁色彩组成设计开展调研后，应该需要根据调研信息深入探究色彩分布特征，本节主要借助 “色彩空间混合” 和 “全局RGB直方图统计” 两种方法表征桥梁色彩的分布特性。
2.1 色彩空间混合分析
色彩的空间混合是一种视觉生理现象，即在一定距离，人的眼睛能够把两种以上并置色彩自动感应与同化为新色彩的混合方法。由于距离的增加和视觉分辨力降低，从正常的角度观看两种及以上交叉分布的色彩时，看不清各自的色彩特征而形成综合色觉，色彩空间混合是一种视觉上的混合。该方法实践过程中需要注重的问题主要有3个方面：（1）形态特征：色彩空混对并置的色彩形态有着特定的要求，通常采取短小的点形或细长的线作为造型表达的元素；
（2）构成方式：空混在组织结构上以密集状的点簇或线形成的色域分布于画面，效果与形态的排列秩序密切关联；
（3）色彩组合：互为补色关系的色彩按照一定比例并置能得到灰色系、非补色关系的色彩空混能形成中间色序列，有彩系同无彩系空混可获得不同明度的浅红色。考虑分析的可操作性和系统逻辑性，目前研究中“马赛克式”色彩空间混合方法应用最多，即选择色相感较强的作品，并将面分割为不规则的斑点，在此基础上提炼或分解原画色彩。
基于上述色彩空间混合原理的归纳分析，本研究同样采用 “马赛克式” 色彩空间混合方法，对武汉8座跨江主轴桥梁周边环境的色彩进行分析，选取与环境色彩较为融合的颜色作为设计方案的基本色调。考虑武汉鹦鹉洲长江大桥和杨泗港长江大桥建成通车不久，其色彩涂装鲜艳且特征明显，因此此处主要针对6 座建成时间较久桥梁的视觉景观开展针对化分析。从空混分析来看，主要呈现出冷、暖两类色调，如图2所示。
图2 桥梁周边景观颜色空混分析
为了进一步明确主要色彩元素分布规律，本研究利用全局RGB直方图统计了武汉8座桥梁视觉优化前周围景观及桥梁主体组成部分色彩空间混合的主色调。
2.2 全局RGB直方图统计
颜色直方图可以准确反映图像中颜色的组成分布，即颜色种类以及各种颜色出现的概率。特别适用于对桥梁及周围景观的空间混合色彩精选描述，以图2中调研图像为样本，对各主轴桥梁及景观色彩的RGB进行直方图统计，结果如图3所示。
结合图3中的色彩提取规律可以看出，主轴桥梁的色彩分布具有较为显著的差异，其中天兴洲大桥、晴川桥、白沙洲大桥、鹦鹉洲大桥以及杨泗港大桥RGB直方图呈凸型分布，颜色较为亮丽；
而二七大桥、长江二桥和长江大桥直方图以凹型为主，色彩以灰暗为主。通过RGB直方图，可以得到8座桥梁的主要颜色分布情况，但难以做到特征色彩的定量化捕捉。
图3 RGB 直方统计
3.1 基于K-Means 聚类算法的空间色彩提取
3.1.1 特征色彩提取方法及流程 基于三元耦合模型可知，确认色彩分布规律后应精准提取并识别空间色彩特征。为实现主轴桥梁特征色彩提取的可视化，本研究采用K-Means算法对其进行定量化分析。K-Means算法属于无监督的聚类算法，具有良好的聚类效果和极强的可操作性，使得其在色彩提取方面应用广泛。本文采用K-Means算法，运用Python软件实现对主轴桥梁景观调研图像的特征色彩提取，其流程如图4所示。具体操作步骤如下：
图4 色彩提取流程
（1）随机初始化k个点作为簇的质心；
（2）将样本集中的每个点分配到一个簇中，计算每个点与质心之间的欧式距离见式（1），并将其分配给距离最近的质心所对应的簇中
式中：设d（x，y）为本次簇质心和上次簇质心的最大距离，xi=R，G，B为本次簇质心的R，G，B值，yi=R，G，B为其他像素的R，G，B值；
（3）更新簇的质心，每个簇的质心更新为该簇所有点的平均值；
（4）反复迭代（2）（3）步骤，直到簇心不再发生明显的变化，即收敛为止。
3.1.2 基于K-Means 聚类算法特征色彩选取 以调研图像为样本，将样本图像的颜色分为4组（K-Means），每组颜色以平均色彩值表征，名称以最接近的颜色命名，其中距离使用ΔE表示。各主轴桥梁及景观的特征色彩如表2所示。
表2 长江主轴桥梁及景观的特征色彩
3.2 基于特征色彩的设计方案
基于8座桥梁调研结果和空间景
观特征色彩的成果，结合城市文化和整体色彩搭配的协调性，本研究分别确定了各个桥梁的色彩设计方案。如图5所示，由上游白沙洲大桥起始至天兴洲大桥终章，结合桥梁现有条件及形象特征，提出由红、黄暖色到白、灰中性色，再到青、黛冷色的整体城市桥梁色彩规划，形成多彩绚丽、工整有序的城市桥架整体色彩印象，展现城市人文精神及宏远愿景。白沙洲长江大桥作为长江主轴桥梁规划中最上游的大桥，桥梁色彩利用原有朱红色斜拉索，将桥梁钢梁部分涂装成与之相呼应的曙红，桥塔、桥墩涂装成茶白，从而勾勒出暖阳普照、光芒溅射的景观意向线条，塑造出最灵动温暖的桥梁形象。武汉长江二桥建设时间较早，现状外貌陈旧，对全桥进行整体防腐、色彩涂装，桥塔、梁体、桥墩部分进行统一涂装更新，对缆索部分保持原色并清洁修缮，桥梁整体涂装色彩采用雅灰色涂装，展现精炼雅致、稳重纯粹的整体形象。同时稳重蕴合的色彩能够在桥梁整体主题中起到承上启下的关键作用。二七长江大桥高耸的3座桥塔有着独特的景观标志性，整体凸显了“鹤舞祥云、三镇腾飞”的寓意，桥梁桥塔、梁体、桥墩等结构主题部分整体采用茶白色涂装，勾勒出跨江大桥的景观主干线。
图5 跨江主轴桥梁生态主色调与地理位置分布
武汉长江主轴桥梁是武汉生态文化及城市面貌不可忽视的关键节点。文中系统考量了8座跨江主轴桥梁的空间色彩特征，同时整体考虑了城市文化、环境和生态特色，提出了武汉长江主轴桥梁的视觉优化设计方案。主要结论如下：
（1）研究归纳了基于特征色彩的城市桥梁生态视觉设计方案的5项指导原则，建立了色彩优化三元耦合模型，从色彩设计组成、色彩分布特征、色彩识别分析三元素之间必要性和关联性构建城市桥梁生态视觉色彩形象。
（2）综合探讨了武汉城市文化和发展背景，同时系统性调研分析了8座跨江桥梁存在的色彩美化设计问题，提出了桥梁视觉优化设计的目标。
（3）通过RGB 直方图统计和K-Means聚类算法确定了桥梁空间景观的特征色彩，同时参考桥梁色彩空间混合配色和桥梁地理位置分布，结合武汉城市符号，设计了城市桥梁色彩景观主题方案，突显了武汉地域符号特征的城市桥梁景观体系。
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