3S支持的多尺度城市用地評定與三區(qū)劃定方法及應(yīng)用研究項目摘要

城市用地評定是城市用地選擇和空間布局的基礎(chǔ)性工作，三區(qū)劃定是城鄉(xiāng)規(guī)劃的強制性內(nèi)容。但關(guān)于城市用地評定目前尚無成熟的理論和技術(shù)。傳統(tǒng)的城市用地評定在評價內(nèi)容上往往不夠全面系統(tǒng)，僅注重對地形地貌、水文地質(zhì)等自然環(huán)境要素的評價，缺少對生態(tài)敏感性、環(huán)境承載力等復合生態(tài)要素的分析；評價方法上缺乏科學性，通常以人工主觀判斷為主，其評價結(jié)果的準確性也值得商榷。本研究綜合用地評定中的阻力和動力因素，建立基于限制性及發(fā)展導向兩維度的用地評價體系；應(yīng)用GIS、RS、GPS的集成方法提取和分析評價因子，通過限制性和發(fā)展導向評價結(jié)果的權(quán)重疊加，獲得空間單元的限建指數(shù)，得到綜合評價結(jié)果；然后，從市域、中心城區(qū)、規(guī)劃管理單元三個空間層次擬定多尺度的三區(qū)劃定標準，進行三區(qū)劃分，并探索實現(xiàn)三區(qū)劃定結(jié)果從上位規(guī)劃向下位規(guī)劃延伸的技術(shù)方法。最后，選取廣州市為案例，驗證該研究方法和技術(shù)的科學性和可行性。

“三區(qū)”劃定作為城鄉(xiāng)規(guī)劃的強制性內(nèi)容，既是城鄉(xiāng)空間布局的基礎(chǔ)，也是空間管制的公共政策依據(jù)。目前“三區(qū)”劃定基本延續(xù)城市用地評定的理論和技術(shù)，依據(jù)城鄉(xiāng)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等自然環(huán)境要素，以及用地是否適合建設(shè)來劃分用地類別，缺少對生態(tài)敏感性、環(huán)境承載力等內(nèi)容的綜合分析；由于忽視現(xiàn)狀，對發(fā)展訴求的考慮也不足，依據(jù)“三區(qū)”劃定而形成的空間管制政策在實施過程中阻力重重；評價方法上的人工主觀性，導致評價結(jié)果的科學性不強；宏觀、中觀、微觀層次規(guī)劃之間缺乏銜接，導致下位規(guī)劃經(jīng)常違反上位規(guī)劃，在空間管制中產(chǎn)生規(guī)劃脫節(jié)。雖然“三區(qū)”劃定是城市總體規(guī)劃的必須工作，但對“三區(qū)”劃定內(nèi)容、方法、不同空間層次銜接、實施政策等方面的研究十分欠缺，需系統(tǒng)深入探索。 本研究從生態(tài)約束性和城鄉(xiāng)發(fā)展導向性兩維度建立城市用地綜合評價體系；根據(jù)綜合評價體系依次選擇市域、中心城區(qū)、規(guī)劃管理單元三個空間尺度的具體評價因子；探討運用GIS、RS、GPS的技術(shù)提取、分析評價因子的方法；建立單個評價因子禁限建強度權(quán)重模型、因子疊加整合后的綜合權(quán)重模型和三個尺度的“三區(qū)”劃定權(quán)重模型，探索實現(xiàn)“三區(qū)”劃定結(jié)果從上位規(guī)劃向下位規(guī)劃延伸的技術(shù)方法；根據(jù)城市用地綜合評價體系，結(jié)合“三區(qū)”劃定工作流程，基于Visual Studio2010平臺C#語言開發(fā)ARCGIS插件，形成完整的 “三區(qū)”劃定集成技術(shù)軟件；以廣州市為例，應(yīng)用3S集成技術(shù)進行“三區(qū)”劃定應(yīng)用研究，驗證該研究方法、技術(shù)、軟件應(yīng)用的科學性和可行性；開展空間管制政策研究，探索本項目理論研究成果對我國城鄉(xiāng)空間管制特別是禁、限區(qū)管制的實踐作用。 本研究從城市建設(shè)的阻力和動力兩維度出發(fā)建立城市用地綜合評定框架，從城鄉(xiāng)總體規(guī)劃、分區(qū)規(guī)劃、詳細規(guī)劃三個層面，運用3S 集成技術(shù)，研究多尺度的“三區(qū)”劃定的影響要素、評價體系、劃定方法及管制政策。研究從區(qū)域和城鄉(xiāng)統(tǒng)籌的角度，既明確了保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境的要求，也考慮到滿足城鄉(xiāng)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的需求，彌補目前“三區(qū)”劃定理論和方法的不足，為城鄉(xiāng)規(guī)劃和空間增長管理提供新的技術(shù)方法。 2100433B

序

Preface

前言

第1章導論

1.1材料的特性源自材料的原子結(jié)構(gòu)與微觀結(jié)構(gòu)

1.2多尺度分析的研究目標、內(nèi)容及串行式與并行式的研究方法

1.3材料設(shè)計中多尺度分析方法的選擇

1.4兩類空間多尺度問題及時問多尺度

1.4.1兩類空間多尺度問題

1.4.2兩類問題的基本區(qū)別

1.4.3時間多尺度問題

1.5不同應(yīng)用背景下多尺度問題的示例

1.5.1珠光體鋼軌鋼力學行為的微、細、宏觀多尺度分析

1.5.2生物活躍材料與人體醫(yī)療植入物的多尺度分析

1.5.3納米陶瓷涂層抗腐蝕的多尺度分析

1.5.4波形蛋白質(zhì)纖維的嵌套結(jié)構(gòu)與多物理、多尺度性能

1.5.5材料脆韌轉(zhuǎn)換分析中原子尺度與連續(xù)介質(zhì)尺度的連接

1.6國際上多尺度分析的發(fā)展概況

1.6.1總的態(tài)勢

1.6.2跨原子/連續(xù)介質(zhì)(第一類)多尺度分析

1.6.3跨連續(xù)介質(zhì)微/細/宏觀(第二類)多尺度分析

1.6.4時間多尺度分析

1.6.5存在的問題及所作的努力

1.7兼顧前瞻性的內(nèi)容設(shè)置

思考與探索

參考文獻

第2章分子動力學要義及其與量子力學的能量連接

2.1分子動力學的發(fā)展概況及其重要性

2.1.1從發(fā)展趨勢看研究分子動力學的意義

2.1.2分子動力學的一些研究領(lǐng)域

2.1.3分子動力學的時空尺度

2.2分子動力學的運動方程、勢能函數(shù)、力與應(yīng)力

2.2.1質(zhì)點運動的拉格朗日方程

2.2.2勢能函數(shù)U及作用于原子上的力與應(yīng)力

2.3分子動力學的算法及其精度

2.3.1數(shù)值積分過程

2.3.2差分表達式

2.3.3Vetlet數(shù)值算法、精度分析及簡例

2.3.4其他常用的算法

2.4力的計算與邊界條件的處理

2.4.1分子動力學程序中力的計算算法

2.4.2分子動力學程序中力的并行算法

2.4.3分子動力學中邊界條件的處理方法

2.5多體交互作用與嵌入原子法

2.5.1考慮多體作用的Tersoft與Brenner對勢

2.5.2嵌入原子法

2.6陶瓷材料分子動力學模擬

2.6.1引言

2.6.2Born固體模型與考慮極化的殼體模型

2.7如何確定經(jīng)驗勢中的參數(shù)

2.7.1LJ對勢函數(shù)參數(shù)e與a的估算

2.7.2LB混合律對指數(shù)勢及Morse勢三參數(shù)的估算

2.7.3陶瓷氧化物勢函數(shù)及其參數(shù)的確定

2.7.4用于研究磷酸鹽生化活躍材料的勢函數(shù)

2.7.5分數(shù)式離子鍵固體勢函數(shù)

2.8如何確定分子動力學模型的原子結(jié)構(gòu)坐標及進行圖形顯示

2.8.1分子動力學模型原子結(jié)構(gòu)坐標的確定

2.8.2分子動力學的圖形顯示

2.9如何采用軟件進行分子動力學的計算

2.9.1DL_Poly軟件簡介

2.9.2DL_Poly_2.18的文件庫及輸入文件的內(nèi)容

2.9.3DL_Poly_2.18的輸出文件

2.10量子力學與分子動力學的能量連接

2.10.1原子內(nèi)的能量平衡及量子力學的基本概念

2.10.2分子動力學與量子力學的耦合

2.10.3薛定諤方程求解孤立原子的能量

2.10.4耦合系統(tǒng)的能量

2.10.5求解量子力學基本方程實現(xiàn)耦合的三種基本方法

2.10.6緊束縛方法

2.10.7Hartree-Fock理論及其相關(guān)的方法

2.10.8電子密度泛函理論

2.11實例：納米涂層及植入物與液體界面分析中的分子動力學計算

2.11.1基本方法

2.11.2對勢函數(shù)的確定

2.11.3氮化鐵與基體鐵界面剪切抗力的計算

2.11.4植入物與水一蛋白質(zhì)系統(tǒng)界面的分子動力學計算

參考文獻

第3章跨原子/連續(xù)介質(zhì)多尺度分析

3.1引言

3.2跨第一原理/原子/宏觀多尺度變形與破壞分析

3.2.1模型區(qū)域的分割及其耦合

3.2.2系統(tǒng)的總哈密頓量及其分解

3.2.3握手區(qū)的一般設(shè)計及MAAD的特點

3.2.4MAAD存在的問題

3.3一維模型

3.3.1FE/MD耦合運動方程的推導

3.3.2分子動力學與有限元耦合的數(shù)值例子

3.4Cauchy-Born法則及跨原子一連續(xù)介質(zhì)尺度的解析方法

3.4.1Cauchy-Born法則

3.4.2關(guān)于Cauchy-Born法則精度的討論

3.4.3基于Cauchy-Born法則的跨原子/連續(xù)介質(zhì)尺度的解析方法

3.4.4解析方法的應(yīng)用

3.5變形與破壞的擬連續(xù)介質(zhì)多尺度分析

3.5.1QC方法的基本模型及能量計算

3.5.2QC方法邊界的不協(xié)調(diào)性及鬼力

3.5.3QC方法的特殊貢獻

3.5.4全部非局部化的QC方法

3.6QC與離散位錯動力學耦合的多尺度分析

3.6.1基本模型

3.6.2解法：三種邊值問題的疊加

3.6.3過渡區(qū)的處理及位錯穿越過渡區(qū)

3.7用于動力學模擬的搭接區(qū)多尺度分析

3.8用于動力學模擬的橋接區(qū)多尺度分析

3.8.1位移場在兩個不同尺度的分解

3.8.2運動的多尺度方程及其討論

3.8.3橋接法多尺度框架及廣義朗之萬方程

3.8.4數(shù)值例題

3.8.5對橋接法的簡短評論

3.9幾種模型界面不協(xié)調(diào)性的比較

參考文獻

第4章廣義質(zhì)點動力學多尺度模擬方法

4.1引言

4.2廣義質(zhì)點動力學方法的多尺度幾何模型

4.2.1多尺度區(qū)的形成

4.2.2廣義質(zhì)點的級別與其表征的原子數(shù)的定量關(guān)系

4.2.3模型實例

4.3逆映射法求解廣義質(zhì)點系動力學方程

4.3.1對等價剛度規(guī)則的質(zhì)疑

4.3.2映射與逆映射

4.4多尺度區(qū)的自然邊界條件

4.4.1原子區(qū)與連續(xù)介質(zhì)區(qū)邊界的內(nèi)稟不協(xié)調(diào)性

4.4.2廣義質(zhì)點動力學各尺度區(qū)問的自然邊界

4.5廣義質(zhì)點動力學方法的驗證

4.6廣義質(zhì)點動力學方法的初步應(yīng)用

4.6.1相變

4.6.2相變的機制

參考文獻

第5章串行嵌套式多尺度方法及復相材料循環(huán)彈塑性多尺度分析

5.1引言

5.2跨微/細/宏觀三尺度分析的基本框架及尺度間的信息傳遞

5.3基于改進的自洽模型的細一宏觀定量關(guān)系

5.3.1改進的自洽模型

5.3.2基于改進的自治方法的宏/細觀定量關(guān)系

5.4非均質(zhì)材料組成相的彈塑性本構(gòu)關(guān)系

5.4.1帶耗散的彈簧滑塊模型對彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系的描述

5.4.2描述塑性響應(yīng)的遺傳型本構(gòu)方程

5.4.3經(jīng)典塑性理論及其非經(jīng)典塑性理論的比較

5.5基于微觀分析的微一細觀定量關(guān)系

5.6基于原子位錯分析的微觀尺度塑性參數(shù)及其尺度效應(yīng)

5.7由細觀塑性應(yīng)變決定宏觀參量的數(shù)值方法

5.8復相材料循環(huán)彈塑性尺度效應(yīng)的試驗研究

5.9多尺度分析數(shù)值結(jié)果及其與試驗結(jié)果的比較

參考文獻

附注5A

附注5B

第6章串行耦合式多尺度方法及損傷層合復合材料的多尺度分析

6.1引言

6.2通過中間單元體聯(lián)系大小尺度的串行嵌套式多尺度模型

6.2.1無損傷的條件下層合板(宏觀)與片層(細觀)的連接

6.2.2微觀單元體等效本構(gòu)方程與基體、纖維特性的關(guān)系

6.3損傷層合復合材料串行耦合式多尺度分析

6.3.1復合材料迭層方式對損傷起始及演化影響的試驗結(jié)果

6.3.2含損傷時層合復合材料多尺度分析的特點

6.3.3損傷層片等效本構(gòu)方程的形式

6.4細/宏觀耦合模型及在位損傷函數(shù)的確定

6.4.1等效約束模型

6.4.2沿每一片層厚度的平均

6.4.3沿單元體寬度方向的平均過程，二維剪切滯后模型

6.4.4在位損傷函數(shù)的確定與表達式

6.4.5串行耦合式與串行嵌套式多尺度分析方法的區(qū)別

6.5基于損傷準則的串行耦合式多尺度破壞分析

6.6計及基體開裂演化的多尺度分析的計算結(jié)果及討論

6.6.1沿縱向(y向)受拉伸時[O/90]s類型層合板就地損傷函數(shù)Azz及A66的確定

6.6.2沿縱向受拉伸載荷時[O/90]s類型層合板剛度的下降

6.6.3損傷裂紋的起始與演化

6.6.4多尺度模型的預言及其與試驗結(jié)果的比較

參考文獻

附注6A

附注6B

附錄A原子與生物大分子的結(jié)構(gòu)、排列及其運動

A.1原子的基本結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)

A.1.1原子的結(jié)構(gòu)

A.1.2原子的電子結(jié)構(gòu)

A.2原子的鍵連接

A.2.1金屬鍵

A.2.2共價鍵

A.2.3離子鍵

A.2.4范德瓦耳斯鍵

A.2.5混合鍵連接

A.2.6鍵能量與原子間距

A.2.7對原子結(jié)構(gòu)的小結(jié)

A.3原子的排列布置與單元晶胞

A.3.1三種級別的原子布置

A.3.2單元晶胞

A.4晶體結(jié)構(gòu)的點、方向與平面

A.4.1點的坐標

A.4.2晶體的方向

A.4.3晶面的表征

A.4.4滑移系

A.5原子的穩(wěn)定性與擴散

A.5.1擴散的描述

A.5.2擴散的機制

A.6蛋白質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)

A.6.1蛋白質(zhì)的多肽(polypeptides)鏈結(jié)構(gòu)

A.6.2由側(cè)鏈R決定的20種氨基酸的三組類型

A.6.3氨基酸的其他結(jié)構(gòu)特點

A.7脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)

A.7.1生物大分子與結(jié)構(gòu)形成的一般規(guī)則

A.7.2核糖核酸(RNA)與脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)

參考文獻

附錄B對比與評鑒：RCMM多尺度分析工作學術(shù)評論匯集

卷后語2100433B

本書清晰地闡述了多尺度結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的概念。在介紹量子理論和分子動力學經(jīng)驗方法的基礎(chǔ)上，范教授深入地探討了如何把這些方法與粗晶粒和連續(xù)介質(zhì)模型相結(jié)合，并應(yīng)用到工程上所關(guān)心的大尺度問題中，以滿足器件與產(chǎn)品的設(shè)計要求。該書進一步強調(diào)了機械性能的多尺度模型，深入淺出地介紹了多尺度材料變形和破壞分析這一交叉學科領(lǐng)域，并特別留意了讀者主動吸收信息、深入理解思考以及展望前景所需的知識與方法。

圍繞將多尺度分析分為兩大類以形成大范圍分析框架的思路，本書闡述了分子動力學要義及其與量子力學的能量聯(lián)結(jié)，評介了跨原子/連續(xù)介質(zhì)的多尺度分析方法，闡述了提出的嵌套與耦合串行式跨微/細/宏觀分析的原理與方法，并以復相彈塑性與損傷復合材料為例，介紹了相關(guān)的概念、步驟、結(jié)果及其與實驗的比較。