數(shù)字孿生虛擬設(shè)計在公園城市智能建造中的應(yīng)用與實踐

袁弘毅 楊根明 張立云 吳啟紅 董建輝 陳雪梅

“公園城市”概念的提出，開啟了從“城市中建公園”到“公園中建城市”的范式轉(zhuǎn)變。5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、AI、BIM等技術(shù)的發(fā)展則使得數(shù)字孿生虛擬設(shè)計在公園建設(shè)中的應(yīng)用成了新的熱點和趨勢。文章以東安湖體育公園的智能建造為例，探討了數(shù)字孿生技術(shù)在公園建設(shè)虛擬設(shè)計中的應(yīng)用與實踐，對其全生態(tài)場境、苗木綠化、降水影響等公園主要參數(shù)進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果顯示，運用虛擬設(shè)計，可以顯著優(yōu)化苗木設(shè)計，改善景觀體驗，降低洪澇災(zāi)害風(fēng)險，且虛擬平臺可服務(wù)于東安湖公園的全生命周期設(shè)計、建造及運營。

公園城市; 數(shù)字孿生; 虛擬設(shè)計; 智能建造; 全生命周期

TU984.11+4?? A

[定稿日期]2021-09-03

[作者簡介]袁弘毅（1965～），男，本科，教授級高工，從事市政工程技術(shù)工作。

1 “公園城市”的概念

2018年2月，習(xí)近平總書記來川考察時首次提出了“公園城市”的概念，明確要“突出公園城市特點，把生態(tài)價值考慮進(jìn)去”，建設(shè)可閱讀、可感知、可欣賞、可參與、可消費的美麗宜居公園城市[1]。 “公園城市”作為新的城市發(fā)展理念第一次被正式提出，這是對我國城市的生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境建設(shè)提出了更高要求，也為城市及公園發(fā)展提供了新契機(jī)。

2020年1月，習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)委員會第六次會議上明確支持成都建設(shè)踐行新發(fā)展理念的公園城市示范區(qū);11月，黨中央國務(wù)院印發(fā)《成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)規(guī)劃綱要》，將成都建設(shè)踐行新發(fā)展理念的公園城市示范區(qū)正式納入國家戰(zhàn)略，為新時代城市建設(shè)發(fā)展指明了前進(jìn)方向、提供了根本遵循。自此，成都市開始了從“城市中建公園”到“公園中建城市”的范式轉(zhuǎn)變。

數(shù)字孿生技術(shù)是以高度仿真的動態(tài)數(shù)字模型來模擬驗證物理實體的狀態(tài)和行為的技術(shù)[2]，旨在以虛映實、以虛控實。劉占省[3]對數(shù)字孿生的內(nèi)涵及特點、發(fā)展歷程、目前的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢做了詳細(xì)的介紹，從概念上來看，數(shù)字孿生技術(shù)有以下幾個核心點： 一是物理世界與數(shù)字世界之間的映射;二是動態(tài)的映射;三是除了物理映射之外的邏輯、行為、流程的映射，比如生產(chǎn)流程、業(yè)務(wù)流程等;四是物理世界與數(shù)字世界的雙向映射關(guān)系，即數(shù)字世界通過計算、處理，也能下達(dá)指令、進(jìn)行計算和控制;五是全生命周期，數(shù)字孿生建立虛擬數(shù)字模型與現(xiàn)實物理實體是同步的，實現(xiàn)全過程的交互反饋。但簡而言之，數(shù)字孿生就是通過建立建造目標(biāo)的全場景、全信息、全要素模型，以可視化的方式在虛擬世界里展示出來，并用以指導(dǎo)真實目標(biāo)的設(shè)計、建造和運營。

虛擬設(shè)計是運用計算機(jī)仿真技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計階段即模擬產(chǎn)品開發(fā)全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。相對于傳統(tǒng)的二維CAD圖紙設(shè)計，利用現(xiàn)有計算機(jī)仿真軟件，全場景、全信息、全要素的虛擬展示設(shè)計目標(biāo)，在模型內(nèi)對景觀園林各要素生態(tài)環(huán)境、降水、苗木等進(jìn)行模擬并驗證和調(diào)整，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計。

2 虛擬設(shè)計在公園城市中的應(yīng)用

本文中的東安湖公園緊鄰第31屆世界大學(xué)生運動會主體育場，位于成都市龍泉驛區(qū)，車城大道與桃都大道交匯處，項目總占地面積394.7 ha。東安湖片區(qū)與老城中心距離19 km，是成都市東進(jìn)戰(zhàn)略的橋頭堡。公園城市建設(shè)并不是單純地在城市里建公園，公園城市建設(shè)注重產(chǎn)城互動、融合發(fā)展，通過科學(xué)合理的規(guī)劃，在公園建設(shè)的基礎(chǔ)之上打造現(xiàn)代城市綠色綜合體。按照建規(guī)[2018]22號的要求，公園建設(shè)要做到“尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然、因地制宜，科學(xué)合理開展城市生態(tài)建設(shè)，牢固樹立人與自然和諧共生理念，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理”。因此，東安湖的設(shè)計要體現(xiàn)“休閑活動，文化宣傳、農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)修復(fù)”的綜合目標(biāo)，就必須以秀美的自然山水為基地，多元的文化元素為內(nèi)涵，豐富的休閑活動為特色，并兼具農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)修復(fù)功能（圖1）。

智能建造是指在項目建造過程中，充分利用先進(jìn)的智能化、機(jī)械化技術(shù)手段，達(dá)到項目質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本更優(yōu)的目的，構(gòu)建項目建造和運行的智能化環(huán)境[4]。目前，智能建造已廣泛的應(yīng)用于公共建筑、橋梁等建筑物的營造，而在公園的建設(shè)尚未有先例。在公園城市建設(shè)的背景下，對公園建設(shè)又提出了更高的要求。因而有必要采用虛擬設(shè)計技術(shù)，利用各種軟件對公園各要素事先進(jìn)行模擬建造，進(jìn)行各種虛擬環(huán)境條件下的分析，以提前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，并采取預(yù)防措施，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計、節(jié)約工期、減少浪費、降低造價的目的。

2.1 全場景模擬

利用BIM技術(shù)進(jìn)行景觀園林全場景虛擬還原，建立包含全環(huán)境要素的三維模型，并給予信息平臺以整合要素模型，通過實時渲染和VR沉浸漫游，對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化、施工方案模擬等來對項目進(jìn)行虛擬建造（圖2）。

2.2 苗木綠化的模擬

對苗木種植進(jìn)行虛擬還原后，BIM景觀工程師聯(lián)合專家對公園的苗木搭配、樹種間距方案進(jìn)行直觀比選，累計完成500余處優(yōu)化。圖3所示為兩種苗木的優(yōu)化方案。A方案原設(shè)計的苗木種類為黃菖蒲，在虛擬設(shè)計場景中發(fā)現(xiàn)此類苗木的植株形態(tài)較為細(xì)長，布置空間欠充盈，且花朵顏色為黃色，與主植株桃花樹的花朵顏色配合欠佳。通過優(yōu)化設(shè)計，最后調(diào)整為墨西哥鼠尾草以彌補前述欠缺。B方案中的喬木類植株桃樹，原設(shè)計中的放置在草坪上，虛擬設(shè)計顯示觀感孤立、割裂，因此將其放置在草本植物叢中，高矮結(jié)合，主次分明，突出了層次的豐富性。

2.3 降水的模擬

項目土方施工場地達(dá)394.7 ha，大場區(qū)地形營造需要三個階段，分別是清表階段、土石方施工階段和微地形整理階段。每個階段的臨設(shè)布置需求不一，第一階段主要考慮拆遷障礙物的影響;第二階段需要考慮地形的動態(tài)變化;第三階要考慮種植土的填筑和地下管網(wǎng)埋設(shè)工作面的移交。除此之外，各階段還需考慮雨水、原狀水系對防洪渡汛、水土保持的影響，并采取積極有效的防范措施。

地形造型期間將改變原有水系通道，通過地形等高線建立匯水分析模型，見圖4。該模型可直觀展示水流方向、大小和標(biāo)高對土方填挖的影響，輔助調(diào)整各施工階段排水方案，見圖5。

地形造型還將改變原雨水徑流，經(jīng)分析，雨季來臨時水流將在湖區(qū)匯集，對土方開挖造成很大影響。結(jié)合成都市龍泉驛區(qū)近十年的水文、降雨量資料，模擬降水、匯水過程，在滿足本片區(qū)排洪和灌溉的基本功能基礎(chǔ)上，三階段土方施工過程中分別動態(tài)調(diào)整排水溝、集水井的位置和尺寸，保證場內(nèi)不積水，保障土方的正常填挖。通過提前設(shè)置泄洪道，實現(xiàn)永臨結(jié)合（圖6），為防洪渡汛提供有力保障，保證了防洪渡汛工作的順利開展，規(guī)避了風(fēng)險。

3 結(jié)束語

“公園城市”的概念的提出，開啟了從“城市中建公園”到“公園中建城市”的范式轉(zhuǎn)變。公園本身也從最初的休閑娛樂場地，變成了集“休閑活動，文化宣傳、農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)修復(fù)”多重功能，并兼顧生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益的綠色城市綜合體。數(shù)字孿生虛擬設(shè)計為公園城市的建設(shè)提供了新的技術(shù)支持。通過本文分析，可以知道，運用以數(shù)字孿生虛擬設(shè)計技術(shù)可以對綠色城市綜合體的全環(huán)境、苗木綠化、降水等主要參數(shù)進(jìn)行模擬分析，不斷優(yōu)化苗木設(shè)計，改善景觀體驗，降低洪澇災(zāi)害風(fēng)險，并且虛擬平臺可服務(wù)于東安湖公園的全生命周期設(shè)計、建造及運營。

參考文獻(xiàn)

[1] 董建華，汪小琦，舒建英.從“城市中建公園”到“公園中建城市”——四川成都公園城市國土空間總體規(guī)劃的探索[J].資源導(dǎo)刊，2021（7）：56-57.

[2] 陶飛，劉蔚然，張萌，等.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（1）：1-18.

[3] 劉占省，史國梁，孫佳佳.數(shù)字孿生技術(shù)及其在智能建造中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2021，51（3）：184-192.

[4] 劉占省，劉子圣，孫佳佳，等.基于數(shù)字孿生的智能建造方法及模型試驗[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2021，42（6）：26-36.

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