文/葉兆麗 河北省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 規(guī)劃研究所副所長(zhǎng)

/汪麗君 天津大學(xué)建筑學(xué)院

/徐 軍 天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院

城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

“十方聚合，和城共生”理念下BIM在城市設(shè)計(jì)中的運(yùn)用
——以南和縣城總體城市設(shè)計(jì)為例

文/葉兆麗 河北省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 規(guī)劃研究所副所長(zhǎng)

/汪麗君 天津大學(xué)建筑學(xué)院

/徐 軍 天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院

本文基于城市空間形態(tài)理論研究，以南和縣城總體城市設(shè)計(jì)為例，通過(guò)BIM技術(shù)在方案設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化、方案實(shí)施等過(guò)程中的運(yùn)用進(jìn)行城市設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐，試圖探索出一種基于BIM的城市空間形態(tài)設(shè)計(jì)模式，旨在使傳統(tǒng)的城市設(shè)計(jì)過(guò)程更加理性、科學(xué)，以期達(dá)到綠色可持續(xù)的城市空間形態(tài)。

BIM；城市設(shè)計(jì)；綠色空間形態(tài)；物理環(huán)境；可視化導(dǎo)則

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市特色危機(jī)日益嚴(yán)重，營(yíng)造城市空間形態(tài)，進(jìn)行城市設(shè)計(jì)迫在眉睫。近年我國(guó)北方大部分城市持續(xù)多日的霧霾，也使城市人居環(huán)境成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。作為人居環(huán)境載體的城市空間對(duì)于城市人居環(huán)境品質(zhì)有著深刻的影響，因而進(jìn)行城市設(shè)計(jì)，研究城市空間形態(tài)對(duì)構(gòu)建生態(tài)宜居城市具有重要意義。

南和是一座有著2100年歷史的燕趙古城，是邢臺(tái)市中心城區(qū)的東部衛(wèi)星城,歷史環(huán)境優(yōu)美、歷史勝跡眾多、歷代賢臣倍出，史有“小江南”之美譽(yù)。隨著社會(huì)的演進(jìn)和發(fā)展，南和原有的特色逐漸淡化，雖然歷史的空間機(jī)理尚能依稀可辯，但老城原有的“官帽”城市形態(tài)基本被分解，唯有原學(xué)宮（現(xiàn)為小學(xué)）前元代古槐樹(shù)下居民們圍坐閑談的情景能喚起對(duì)歷史空間形態(tài)的追憶。在南和縣城快速發(fā)展與建設(shè)階段，如何有效整合城市空間要素、有機(jī)構(gòu)建綠色空間形態(tài)、持續(xù)提升城市環(huán)境品質(zhì)是亟待解決的難題。筆者在南和縣

城總體城市設(shè)計(jì)中，高度關(guān)注城市形態(tài)和城市空間環(huán)境之間的關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)“自然與城市、歷史與未來(lái)、城市與農(nóng)村、經(jīng)濟(jì)與文化”四個(gè)共生的景觀效益，結(jié)合當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)文化，導(dǎo)入“十方聚合，和城共生”的設(shè)計(jì)理念，采用基于“共生城市”的設(shè)計(jì)手法，將傳統(tǒng)“和”文化與生態(tài)宜居功能充分融合。在此設(shè)計(jì)理念下，通過(guò)對(duì)BIM理念和方法的研究，運(yùn)用BIM技術(shù)，試圖探索出一種基于BIM的更加科學(xué)、理性的城市空間形態(tài)設(shè)計(jì)模式，并嘗試從城市空間形態(tài)方面改善提升城市環(huán)境質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)城市的健康、持續(xù)發(fā)展。

2 BIM于城市空間形態(tài)領(lǐng)域的發(fā)展背景

起源于西方的城市形態(tài)學(xué)早期的研究多基于歷史演變、空間美學(xué)和空間認(rèn)知，如康澤恩的城鎮(zhèn)平面分析，凱文·林奇的城市空間意象，羅西的類型——形態(tài)學(xué)研究等多屬于定性研究的范疇。隨后逐漸興起的空間句法、分形理論等開(kāi)始關(guān)注城市空間形態(tài)的定量研究，主要涉及形體幾何關(guān)系的參數(shù)化表述、形態(tài)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表述和空間結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)化表述。1980年代起在可持續(xù)發(fā)展思想的引導(dǎo)下，“生態(tài)城市”、“綠色城市”等概念相繼被提出。作為生態(tài)城市的一個(gè)研究方向，西方學(xué)界開(kāi)始關(guān)注城市形態(tài)與城市空間環(huán)境之間的關(guān)系。隨著研究逐漸深入，城市空間環(huán)境與城市形態(tài)之間存在的密不可分的關(guān)系逐漸被確立。城市設(shè)計(jì)實(shí)踐證明通過(guò)調(diào)整建筑的組合方式來(lái)改善城市空間的自然氣候條件是可行的，此后調(diào)節(jié)城市物質(zhì)空間形態(tài)以改善城市的空間環(huán)境質(zhì)量逐漸成為城市設(shè)計(jì)與研究的目標(biāo)。但是傳統(tǒng)的城市設(shè)計(jì)過(guò)程與空間分析已顯示出其局限性，使得研究者不斷尋求一種能提高分析與決策功能的新工具，解決城市空間形態(tài)設(shè)計(jì)在微觀層面生態(tài)指標(biāo)的量化。20世紀(jì)末期整合了大量建筑信息的模型技術(shù)——BIM的出現(xiàn)和發(fā)展給這種情況帶來(lái)了改善的契機(jī)。①

3 BIM在《南和縣城總體城市設(shè)計(jì)》中的運(yùn)用實(shí)踐

在“十方聚合，和城共生”的設(shè)計(jì)理念下，以“一心雙核，五帶七區(qū)” ②為城市空間結(jié)構(gòu)（圖1），運(yùn)用BIM理念和技術(shù)，通過(guò)片區(qū)、路徑、節(jié)點(diǎn)從宏觀、中觀到微觀逐層控制城市空間形態(tài)，使得傳統(tǒng)“和”文化在生態(tài)宜居城市層面得以傳承和升華。（圖2）

圖1 南和縣城市空間結(jié)構(gòu)圖

圖2 南和縣城總體城市空間形態(tài)

3.1 基于BIM的三維可視化分析

建立BIM模型，從三維空間入手進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與調(diào)整，并對(duì)重點(diǎn)核心地段進(jìn)行景觀可視度分析。通過(guò)三維模擬和數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化建筑體量大小、空間布局緊湊度、開(kāi)放空間疏密度等空間要素，以提高核心區(qū)域的景觀可視度。（圖3）

圖3 綜合商貿(mào)區(qū)空間形態(tài)及可視度分析圖

3.2 基于BIM的城市物理環(huán)境模擬

通過(guò)BIM生態(tài)分析平臺(tái)加載外部環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行方案的物理環(huán)境模擬分析，包括自然環(huán)境下城市空間區(qū)域內(nèi)的光環(huán)境感知、熱環(huán)境感知、聲環(huán)境感知等，為方案優(yōu)化提供依據(jù)。

3.2.1聲環(huán)境

采用BIM三維聲源分析，在城市空間區(qū)域內(nèi)對(duì)周邊建筑特別是噪聲敏感性強(qiáng)的建筑做出噪聲分析。重點(diǎn)選取行政辦公區(qū)和綜合商業(yè)區(qū)的建筑空間進(jìn)行模擬和評(píng)估,通過(guò)噪音污染源和交通噪音數(shù)據(jù)，模擬噪音源污染對(duì)周邊建筑的實(shí)際影響，優(yōu)化道路界面、街廓形態(tài)、開(kāi)放空間、節(jié)點(diǎn)景觀等聲環(huán)境影響要素，從而達(dá)到綠色空間形態(tài)的聲環(huán)境要求。（圖4）

圖4 文體行政區(qū)空間形態(tài)及聲環(huán)境分析圖

3.2.2 光環(huán)境

BIM軟件可以對(duì)城市空間的光環(huán)境進(jìn)行模擬分析，包括日影分析和輻射分析。日影分析提供了建筑遮擋陰影、太陽(yáng)光線追蹤等多種計(jì)算和顯示方式，可以為空間形態(tài)布局提供參照依據(jù)。輻射分析能夠精確計(jì)算模型任何表面上太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度和反射眩光計(jì)算，并以圖表的形式顯示逐時(shí)輻射量或者某一時(shí)段的總量，為城市環(huán)境中的光污染提供輔助分析手段。在該項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)對(duì)歷史記憶區(qū)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，根據(jù)BIM分析光環(huán)境指標(biāo)優(yōu)化該街區(qū)的建筑布局、建筑體量、街道形態(tài)和景觀種植等。（圖5）

圖5 南和縣城市輻射分析圖

3.2.3 熱環(huán)境

通過(guò)對(duì)城市空間的熱環(huán)境進(jìn)行BIM技術(shù)模擬以及綜合評(píng)價(jià)，對(duì)方案進(jìn)行不斷地調(diào)整和優(yōu)化，使得建成后的環(huán)境能夠提供最大的人體舒適度，同時(shí)消耗最少的能源。該項(xiàng)目采用流體計(jì)算力學(xué)(CFD)軟件，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)城市居住區(qū)進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，從而對(duì)建筑群的熱島效應(yīng)、風(fēng)速流場(chǎng)云圖進(jìn)行綜合分析，優(yōu)化建筑群空間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)最合理的空間布局。（圖6）

本次城市導(dǎo)則的編制基于BIM的理念和技術(shù)，通過(guò)對(duì)生態(tài)自然環(huán)境、歷史人文環(huán)境和空間形態(tài)環(huán)境的綜合考慮，分別對(duì)區(qū)塊劃分、街道網(wǎng)絡(luò)、空間形態(tài)、建筑設(shè)計(jì)要求等方面進(jìn)行城市設(shè)計(jì)的引導(dǎo)和控制，使其既有創(chuàng)意又富有彈性，既具有可操作性又有連續(xù)決策性和可持續(xù)發(fā)展的可能。

圖6 行政辦公區(qū)及居住區(qū)風(fēng)環(huán)境分析圖

3.3.1 基于BIM的信息集成

BIM理念強(qiáng)調(diào)信息的集成與共享。通過(guò)BIM模型的建立，集成城市設(shè)計(jì)圖示語(yǔ)言與控規(guī)指標(biāo)，導(dǎo)則在定性、定量和圖文結(jié)合方式下形成了富有特色的彈性控制。（圖7）導(dǎo)則納入控規(guī)體系中的“規(guī)定性信息”，將兩者進(jìn)行有效銜接，建立法定化的空間管制方法，賦予其明確的法定效力，控制性詳細(xì)規(guī)劃在三維空間層面的指導(dǎo)效力也能得到有效的提升，可以有效推動(dòng)高品質(zhì)的城市空間環(huán)境建設(shè)。

3.3.2 基于BIM的可視化表達(dá)

BIM理念強(qiáng)調(diào)信息共享及計(jì)算機(jī)協(xié)同工作。BIM可視化導(dǎo)則既支持傳統(tǒng)的二維方式顯示以及圖示表達(dá)，還支持三維方式、動(dòng)畫方式顯示。并且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使各種信息得到有效的管理與應(yīng)用。可視化導(dǎo)則具有信息化、交互化、社會(huì)化的特點(diǎn)，尤其是網(wǎng)絡(luò)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及多媒體的結(jié)合，可提供快速、方便、直觀的方案展示，有利于提高公眾參與的積極性。

圖7 城市設(shè)計(jì)導(dǎo)則文本表達(dá)

4 基于BIM的城市設(shè)計(jì)方法探索

傳統(tǒng)城市設(shè)計(jì)關(guān)注的是基于視覺(jué)“美”的城市空間形態(tài)，缺乏對(duì)城市空間性能品質(zhì)方面的研究。BIM技術(shù)應(yīng)用于城市設(shè)計(jì)中，可以使整個(gè)過(guò)程科學(xué)化、信息化、可持續(xù)化，在方案設(shè)計(jì)的任意階段都能夠方便快捷地得到直觀、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方案性能反饋信息。筆者通過(guò)BIM在南和縣城總體城市設(shè)計(jì)的運(yùn)用實(shí)踐中，探索了一種基于BIM的城市設(shè)計(jì)方法。

4.1 方案設(shè)計(jì)：從三維空間入手，建立“美”視覺(jué)形態(tài)

BIM立足于三維空間，可以進(jìn)行多方案的實(shí)時(shí)比較和城市設(shè)計(jì)元素的實(shí)時(shí)編輯，并通過(guò)不斷變換角度對(duì)其造型、單元組合進(jìn)行觀察、思考、推敲、修改，最后達(dá)至方案的確定。通過(guò)BIM對(duì)地標(biāo)性建筑作區(qū)域景觀可視度分析，可以增進(jìn)其可達(dá)性，避免在設(shè)計(jì)過(guò)程中用主觀臆斷代替實(shí)際情況而引起設(shè)計(jì)失誤，以更科學(xué)的手段為城市空間形態(tài)建立視覺(jué)“美”。

4.2 方案優(yōu)化：從生態(tài)性能入手，追求“高”品質(zhì)空間

將BIM信息模型引入城市設(shè)計(jì)當(dāng)中，建立不同層次的城市空間信息模型，綜合現(xiàn)有的GIS數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和外部環(huán)境數(shù)據(jù)，分析模擬城市發(fā)展趨勢(shì)及空間形態(tài)所產(chǎn)生的物理環(huán)境等一系列人居環(huán)境參數(shù)，使得城市空間環(huán)境品質(zhì)無(wú)法表達(dá)的隱形指標(biāo)通過(guò)計(jì)算量化出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的城市空間生態(tài)設(shè)計(jì)。(圖8)

4.3 方案實(shí)施：從可持續(xù)性入手，實(shí)現(xiàn)“多”信息共享

城市設(shè)計(jì)方案的實(shí)施依賴于城市設(shè)計(jì)導(dǎo)則，基于BIM的城市設(shè)計(jì)導(dǎo)則表現(xiàn)形式除了圖紙、文字外，還有數(shù)據(jù)以及可視化的數(shù)字信息，各種信息可以得到有效的管理和應(yīng)用。同時(shí)BIM技術(shù)支持多種方式的數(shù)據(jù)表達(dá)與信息傳輸，為整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程提供了信息的共享環(huán)境，使得信息的利用效率提高，為方案的可持續(xù)性提供了保障。

圖8 基于BIM的城市設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程圖示

5 結(jié)語(yǔ)

借助地緣優(yōu)勢(shì)，基于BIM在《南和縣城總體城市設(shè)計(jì)》中的運(yùn)用，妥善處理了城市形態(tài)與城市空間環(huán)境的關(guān)系，構(gòu)建了 “綠色城市空間形態(tài)”，因而該項(xiàng)目獲得了河北省優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)和全國(guó)優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)表?yè)P(yáng)獎(jiǎng)。

城市空間形態(tài)是人們通過(guò)各種方式去認(rèn)識(shí)、感知并反映城市整體的意象總體。通過(guò)對(duì)城市空間形態(tài)的研究，可從縱向和橫向兩方面的比較探討城市自身的發(fā)展規(guī)律，解釋城市發(fā)展中的多種現(xiàn)象，并預(yù)測(cè)城市未來(lái)發(fā)展。深入研究基于BIM的城市空間形態(tài)規(guī)劃方式和方法，進(jìn)一步探討如何建立一種基于BIM的科學(xué)量化方法以有效表征城市空間形態(tài)的差異與優(yōu)劣，以及如何基于BIM建立起城市空間形態(tài)的參數(shù)指標(biāo)體系與城市空間品質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這都是未來(lái)BIM與城市空間形態(tài)的關(guān)聯(lián)性研究趨勢(shì)。

1 Oke T. Street Design and Urban Canopy Layer Climate[J]. Energy and Buildings, 1988(11):103-113.

2 Baker N., Steemers K. Thermal Comfort in Outdoor Urban Spaces: Understanding the human parameter[J].Solar Energy,2001,70(3): 227-235.

3 何關(guān)陪編.BIM總論.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011

4 李建成等編.數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)概論.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008 .