桑基图的可视化图式在建成环境领域的应用

周忠凯，赵继龙，林佳潞，刘长安

（山东建筑大学 建筑城规学院，山东济南250101）

0 引言

桑基图主要用于对能源、材料等各类资源要素的流动过程进行可视化表达，在不同的行业领域有着广泛的应用和发展，国外学者对此进行了详细的论述［1］。在20世纪早期，传统意义上的桑基图主要应用在工业领域，对原材料消耗、热量传递等工业生产过程中各种复杂的能流和物流关系进行可视化表达，以提高整体技术系统的运行效率［2］。第一次世界大战之后，桑基图已广泛应用于玻璃、水泥及钢铁制造行业，对生产系统的热量平衡及能量输入进行优化，其在物质流动和效率管理等方面的优势得以展现和重视。1990年代至今，此类图式在数据可视化方面得以全面应用，Schmidt在某研究中对桑基图在展示发电站的分析和运行状况，生物质燃料的使用状况及汽车零部件在全寿命周期内的生产消耗等方面的应用进行了系统的阐述。如今，除了传统的能源管理、材料制造和金融数据分析行业，桑基图的应用逐步扩展至物资配送、货币流通和生态学等领域［4］。

桑基图作为一种阐述要素流向和流量的可视化图式，对于研究建成环境领域中的资源要素代谢过程等内容有重要意义。其作用主要体现在：（1）可以将建成环境领域内复杂的系统数据信息，通过简明紧凑且标准化的表现图式进行阐释；（2）将各类要素的动态变化信息转换为量化数据，以可比较的方式再现与物质空间维度相关的能量、水体、各类材料的生产消耗及人口流动过程。因此，在定量分析工具和方法相对有限的建成环境领域，桑基图逐渐应用于不同尺度的各类设计分析和成果评价之中，如全寿命周期评价LCA（Life-Cycle Assessment）、物质流分析 MFA（Material Flow Analysis）［5］、市政基础设施配置以及生态设计中的养分代谢循环分析等。然而，桑基图作为评价空间设计操作和系统运转效能的有效工具，目前为止，在国内建成环境领域内的前期决策、设计过程分析及成果评价验证等方面的研究及应用较为有限，与国外相比有一定差距［6］。因此，文章基于其应用特点和作用机制，对于桑基图在建成环境领域的实践应用价值和发展潜力进行探索和梳理。

1 桑基图概述

1.1 桑基图的概念

桑基图是一种对各类资源要素的流动过程进行可视化表达的特殊形式的流程图式，阐明了系统中不同要素的流量、流向、转换关系等定量信息，在表达系统运行效率、不同资源要素配置及流动规律方面有重要作用。桑基图早期主要用于能源流动的可视化表达，Sankey首次绘制“蒸汽机的热能效率图”，此后便以其名字命名为“桑基图”［7］。桑基图最明显的特征是始末端的各要素分支宽度总和相等。

1.2 桑基图的组成要素特征

作为以表达物质流动为主要内容的量化信息图式，桑基图具有特定的图形样式和结构表现特征，从组成要素和系统结构2个方面，可以归纳其基本特征如下：

（1）组成要素 桑基图包含某些形式相对固定的组成元素（如图1所示）：发生物质转换和交换的阶段或分区、划分不同阶段分区的节点、跨越不同阶段且连接各个节点的路径边界、标明流动方向的箭头及标示流量或数量的不同宽度线条。

图1 桑基图的基本要素图

（2）系统结构 表达对象的流动过程和相互作用环节，表现为不同线条在各个阶段由于相互作用而合并或分离，具有明显的定性和定量表达特征。

①桑基图中包含的不同要素转换的节点数量需依据系统的复杂程度确定，但至少具有输入端和输出端2个基本节点，并具有相应的输入和输出要素。如在城市空间代谢系统中，输入端要素指的是直接来源于自然界或其他区域的物质资源（如雨水、太阳光）。

②桑基图表达要素流动过程，其作用机制随着时间变化划分为不同阶段，如某个区域的物质代谢过程表达，在要素输入的起始阶段，雨水先要收集过滤、太阳光转化为光能；而在要素转化和处理阶段，水体和阳光经过某些步骤，可以满足饮用和照明等功能需求；经过各类要素消耗使用之后的再转化过程，如污水处理或剩余能源的回收存储；最终，经过一系列的转化处理，将其排放到自然界或返回到其他区域［8］。

③桑基图表达须有足够的数据作为支撑，其表达的各类物质要素传递的量级（流量大小或数量多少）由代表传递路径的线性图形的宽度表示，而且其输入端的总宽度要与输出端的总宽度相等，及输入和输出的总量平衡。

基于以上要素特征，理论上而言，具有特定边界，在数量上发生变化以及空间上发生位移的动态信息数据或系统流程，都可以用桑基图进行表达。由于能够对丰富的动态数据信息进行直观表达，并在不断地实践中得以发展演化以具备广泛适用性，因此一个桑基图的信息价值超过多个不同类型信息图式的组合（如饼状图、折线图、柱状图等）。

2 桑基图在建成环境领域中的应用

2.1 桑基图价值和优势

桑基图对于以物质空间作为主要载体的建成环境领域相关学科，在系统结构设计分析及内容表达表现方面有重要的指导和推动价值。学者们已对此进行了相关研究，如Moffatt等从代谢循环角度总结桑基图加强系统设计分析和设计的意义［8］；Eppler从可视化思维交互角度归纳其强化视觉交互沟通的作用［9］，都对桑基图在信息表达方面的重要价值和意义进行了系统阐述。通过对学者们的研究进行梳理整合，其意义和优势可以总结为以下几点：

（1）理解系统整体结构

经过科学设计的桑基图，可以将设计对象的整体构架和各类要素信息，迅捷高效地向具有不同专业背景的人群进行传达。如很少有人能够清晰地理解并描述整个城市的能量系统，包括能量来源的多样性、重要能源的输入方式、不同能源需求量的相对关系等信息。然而，借助桑基图的可视化特性，可以协助人们在有限的时间内，快速准确理解能源系统的基本构架及运行原理。

（2）创造跨学科领域的通用视觉化图式语言

桑基图作为表达整体的系统图式，采用一种跨学科领的通用可视化模式语言，可以帮助来自不同学科和不同知识背景的人员理解资源分配模式和运行机制，提供了可用于更为便捷地探索解决问题的整体性方案［10］。虽然桑基图的表达对象从区域到建筑、从能量循环到水资源流动，尺度各异，类型多样，但将不同对象的信息数据抽取后，并与桑基图的核心要素和基本结构匹配整合，再运用相对统一的图形样式及色彩模式进行图式化表达，便于不同的人群进行读取和运用，消除沟通交流障碍［11］。

（3）构建可供选择的发展模式及愿景

桑基图不仅是对研究对象所含要素的现状流动和转换过程进行阐释，其形成的特定流程图式结构模型，也可用于描绘该对象的未来发展情景，即未来的物质资源流动和配置状况可以通过桑基图进行模拟展现和迅速反馈。

若某个对象要素的相关数据资料完善，主要的发展阶段及转换节点清晰，那么运用桑基图对该类要素的变化场景进行再现就会相对简单。由于同类要素对象的变动过程相对稳定，仅仅是输入、输出端的物质数量或构成比例有所区别，因此，基于不同的设计构想和策略，仅仅调整不同类型要素的数量，便可以模拟并生成多套具有可比性的系统运行方案，为构建可供选择的发展模式及愿景提供判断依据。如基于相同的桑基图表达结构，当用1000个改造过的居住单元替换1000个老旧的住宅单位，可以看到对水、能源和材料的消耗使用状况，以及对总体经济成本和碳排放量的影响。特定的社区开发项目及住房类型，一个公园、购物中心、污水处理厂或一条道路的交通状况等，都可以利用桑基图对其运行状况建立相对固定的表达图式，根据要素输入的参数不同，对各类指标的调整状况进行实时展现［8］。

（4）确定系统的发展秩序和重点

桑基图可以展示系统内各类资源要素的来源（如水代谢系统中各类水体的来源渠道），以及不同资源的相对需求量，协助研究者确定设计与研究的重点方向，并确立优先次序。桑基图中的不同阶段交接处的转换节点，是物质要素发生交换、输出、循环、串联及合并的部位，也是体现系统发展方向、提高系统运行效率和优化结构的重要环节。

（5）量化系统各要素的性能指标

桑基图不仅用于系统分析，还可以对相似的研究对象采用标准化的分类形式和量化方法，便于各类指标的量化比较。如在分类形式方面，各类建筑使用过程中消耗水体的来源，都可划分为人工处理水体（自来水）、自然水体（屋顶雨水收集或湖泊水体）和其他再生水体；在量化手段方面，大多数描述物质代谢和能量循环的桑基图中，研究对象中各类物质要素的输入、转换和排放以一种平衡、自然、流动的方式进行，可以将其流量转换为等值的货币单位或排放量（如转换为碳排放）进行比较。因此，借助标准化的桑基图，可以直接比较同一研究对象在不同地点和时间周期内所产生的不同结果，并为建筑系统的性能评估提供比较基准。

2.2 桑基图类型及应用

桑基图在不同尺度层面有着广泛应用，表现形式多以二维图式为主，但随着建成环境领域内与设计学科结合越加深入，出现了如三维轴测等多样的表现形式。二维桑基图主要用于表达能量流动关系，在建成环境领域内，多针对与可持续设计和生态环境评价相关的物质代谢、水体循环、基础设施配置等内容进行可视化分析表达。而且，相较于其他领域的大部分信息表达而言，由于具备了空间的维度属性，因此建成环境领域中的桑基图更加强调空间属性特征，其图式表现形式也更加具体生动（如三维轴测桑基图），进一步增强了图式的设计感和可读性。桑基图对要素对象的表达和表现主要具有2方面特点：①通过量化分析法追踪空间中发生的能量、水及各类资源流动，构建系统性的物质流程表达；②通过简洁和标准化的可视化方式，将复杂的数据信息与具体空间维度整合，推动量化的图式思维构建。结合国外相关机构和学者的研究成果，可以从物质流、能量流、信息流和社会流等4个角度对相关案例进行分类梳理，见表1。结合建筑、社区及区域3个不同尺度层级，对桑基图的实践应用通过典型案例进行解读。

表1 桑基图表达类型举例

续表1

2.2.1 建筑层面

在建筑设计层面，桑基图的应用主要关注建筑的可持续生态设计方面，与建筑的能量流动、材料循环再生及各项生态指标的效果评价检验相关。荷兰FABRICations事务所结合建筑学的表达和信息读取特点，借助三维桑基图，对海牙CBS办公楼拆除后的废弃物管理及建筑材料循环再利用流程进行系统的可视化表达，展示如何利用和挖掘建筑内在剩余价值的可持续生态设计策略［12］（如图2所示）。桑基图中的输入元素是待拆除的CBS办公建筑，可以再生使用的组成构件被分类筛选（如结构钢材、木材及玻璃等），再经过不同的加工利用和组合搭配方式，转换行成的不同元素组件被用于新的建筑及场地建设（即输出端）。不同阶段中各个构件的数量多少、转化方式、组合形式、流程路径，结合代表不同组件的多种图形图符和文字，通过不同宽度的各类色条进行关联。从中可以看到拆除建筑后的剩余材料，经过分拣提取，钢材、木材等多数材料可以回收，并用于新的建造过程。借助桑基图的表现形式。建筑拆解过程中的材料管理、循环利用方式等可持续再生流程得以清晰展现，易于不同专业背景的人士读取、理解。

图2 海牙CBS办公楼的材料再生循环流程桑基图

2.2.2 社区及街区层面

致力于可持续城市、建筑及产品设计的荷兰SUPERUSE工作室发起的“Cyclifier”研究计划，采用了标准化的图形和色彩样式，绘制了一系列表达城市代谢的三维轴测桑基图，描述城市范围内或社区尺度下的水、各类能源、食物、木材等物质要素的生产输入、消耗、交换、输出等量化流动状况［13］。在其分散式的社区基础设施循环及物质流动性研究中，通过三维桑基图，对荷兰Flintenbreite社区利用整合式技术设备及生态处理手段，提升社区内资源使用效率的操作过程进行可视化描述（如图3所示）。系统整体运行过程被划分为消耗和处理2个主要阶段，阶段的边界用棕色体块表示。2个阶段中所包含的输入要素（如水、食物、能源等）、输出要素（如二氧化碳、净化后的水体等）及不同阶段的主要参与对象（如消耗物质的自然人、排放污水的厨房及洗衣设备、净化污水的湿地植被等）被不同色彩及各类图形符号予以区分和标注。各类要素连接及交换处理关系，通过代表特定对象的色彩线条进行表达，而不同过程阶段的物质流量大小和流程距离，则由线条宽窄及长短表示。最终，形成包含不同色彩、大小的各类图形图符的轴测桑基图，描绘出系统中各类要素的完整流动运行过程。

2.2.3 区域层面

在宏观的区域或城市层面，桑基图可用于计算、说明资源在不同规模区域内的流动和配置情况，如能量流动、水体消耗平衡、交通流量控制或基础设施配置。作为来源于自然界的投入和产出资源要素，通过基础设施加工、生产生活消费和基础设施处理等，最后被循环利用，或作为废物重返大自然［13］。

Moffatt等提出了“PUMIS参与性城市代谢信息系统”理论，通过公众参与的方式，追踪城市中各类资源要素的流动代谢状况，将印度浦那市和中国上海市的能量流动状况，及美国加州尔湾市水体流动情况通过桑基图进行记录和展示［8］（如图4所示）。另外，法国咨询公司H4在一项针对法国孔特雷乡村地区空间代谢的研究中，分析了与村落经济和农业生产活动相关的物质资源及能源流动过程，将研究成果绘制为桑基图，展现了资源的流动情况、配置方式和构成比例（如图5所示）。因此，宏观区域或城市尺度的桑基图，可以协助研究者检验系统运行的效率或定位问题出现的环节，在降低物质输入与排放（废弃物和污染物）、提高本地资源使用效率及增加材料的循环再生比例等方面，建立高效的反馈机制。

图3 Flintenbreite社区物质代谢分析／km

此外，桑基图在描述建筑内部的能量流动、能耗测评、废弃物及气体排放、建立热能模型等设计信息的表达表现方面，也有着全面而深入的应用。

2.3 桑基图的应用发展趋势

应用于不同尺度层面的各类桑基图，虽然具有多样的内容表达和图形组织形式，但与设计学的思维方式结合之后，其信息要素的传递和构成具有一定的共性特征，主要表现为以下几个方面：

（1）结构要素标准化——通用的桑基图（尤其是二维桑基图）已经形成了一套相对固定的表现形式和表达结构，不同的图形要素具备特定的使用规则。使用者可以结合已有数据及表达对象的要素特征，按照桑基图的不同要素分类，将表达对象内容分类拆解后结合到标准化的图式表达系统中，有效的提高了图式绘制的效率和信息传递的准确率。

（2）内容读取简明化——动态流程、变化阶段及转换节点等数据信息转化为简明易懂的信息图形和图像，便于不同专业领域和知识背景的人以相似的观察方式，对桑基图进行系统性解读。

（3）图式表达立体化——作为适合建筑学运用和表达的三维桑基图，平面信息转化为更为生动的立体图形，将桑基图的系统性量化信息与设计学的图形思维方式进行了有效融合。

伴随着桑基图的表现形式日趋多样，应用范围不断扩大，与桑基图制作相关的软件平台在其推广应用、设计辅助及提升表达质量方面发挥了重要作用。专业制作软件方面，包括德国汉堡公司IFU的“e！Sankey”，奥地利 STENUM的“S.DRAW 5.x”，以及瑞士公司Gabor Doka研发的“Sankey Helper”允许使用者基于EXCEL软件绘制桑基图。基于网页的在线桑基图制作程序更为丰富，如谷歌公司的“Google Charts／Sankey”，Bruce McPherson的“Excel to Sankey”及“Sankey Builder”等，依据表达对象的类型及复杂程度不同，可供使用者进行灵活选择或搭配使用。而且，桑基图也可与相关软件结合（如建筑表现模拟BPS）用于建筑建造完工之前，预测建筑的性能表现（能源使用、再生能源生产、热舒适性及视觉舒适性等）［14－16］。

图4 基于城市代谢信息方法（UMIS）绘制开罗的水体代谢桑基图

图5 法国孔特雷乡村地区空间代谢桑基图

3 结语

信息可视化的主要目标，是将抽象数据信息中的主要内容进行归纳提取，并以简明直观的方式表达和传递信息。桑基图在对复杂的建筑内部能量流动、城市空间资源代谢等各类要素的动态变化过程的表达方面，是一种简明、清晰的可视化图式。而且，其信息图像特点与设计学特有的形式表现特征结合后，所派生出的如三维轴测桑基图等更为直观易读的图式，促进了设计信息传递的效率，设计策略的制定，并推动设计思维的构建。

桑基图作为有效的定量分析和展示工具，其自身的结构特征及建筑学内容结合后使用效果，仍需要进一步研究论证。如桑基图所包含的要素类型及数量多少，会在某种程度上影响数据信息传递的效率及可读性；桑基图的量化特性，决定了其表达对象需要相对完善的数据资料，而在很多条件下，来源于不同渠道的数据资料的完整度和真实性难以保证，影响最终的图式信息表达的准确度。

桑基图作为信息可视化图式的典型代表，将传统建筑领域中复杂多样的静态设计信息，经过抽象加工及整合归纳，以更为系统、准确、动态的方式进行表达。同时依托简便高效的软件或互联网操作平台，进一步提升了设计信息的输出效率，使其真正从设计信息的表达载体，转换为促进设计构思、过程决策和成果评价的图式工具，对建成环境领域的相关研究和业务实践有重要的启发和指导价值。

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