BIM技術(shù)在城市設(shè)計中的應(yīng)用研究

傅楠，魏亦涵，彭荊

（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院）

1 傳統(tǒng)城市設(shè)計流程

城市設(shè)計需要將政治、社會、法律、經(jīng)濟(jì)、文化等因素與城市形態(tài)、城市結(jié)構(gòu)、城市空間等專業(yè)要素納入考慮，是一項(xiàng)綜合性極強(qiáng)的社會系統(tǒng)工程[1]。傳統(tǒng)城市設(shè)計基于CAD 等繪圖軟件和SketchUp 等三維建模工具，設(shè)計師通過與控制性詳細(xì)規(guī)劃、城市規(guī)劃管理的成果融合，結(jié)合建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)、空間的設(shè)計，平衡各方期望與價值取向。

1.1 傳統(tǒng)城市設(shè)計的特點(diǎn)分析

在傳統(tǒng)城市設(shè)計流程中，設(shè)計流程不能做到直線推進(jìn)。受到傳統(tǒng)建模軟件的局限，定量指標(biāo)需要手動調(diào)控，存在大量重復(fù)性工作。此外，傳統(tǒng)城市設(shè)計還存在建模過程復(fù)雜、數(shù)據(jù)更新不及時等問題。

2 以廣鋼新城為樣本探究BIM 在城市設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 BIM基于城市設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM即“建筑信息模型”，以Revit軟件為BIM軟件代表，包含所有建筑要素的屬性信息是其優(yōu)勢。當(dāng)前BIM技術(shù)在城市設(shè)計中的應(yīng)用局限在較小范圍的園區(qū)設(shè)計中，大多數(shù)案例都是結(jié)合景觀、交通進(jìn)行輔助設(shè)計，與城市設(shè)計規(guī)范結(jié)合方面案例較少。

2.2 項(xiàng)目概況

廣鋼新城規(guī)劃緊臨白鵝潭國際商業(yè)中心與廣鋼新城產(chǎn)業(yè)片區(qū)，定位為廣州市唯一的國際中央居住區(qū)，中軸線為中央公園。應(yīng)用BIM 技術(shù)可從銜接法規(guī)條件與凸顯居住價值兩方面開展城市設(shè)計。

3 BIM應(yīng)用研究

3.1 定量分析

3.1.1 建筑退距核驗(yàn)

通過dynamo進(jìn)行運(yùn)算，將道路寬度數(shù)值賦予到道路邊線，再提取地塊內(nèi)所有建筑高度數(shù)值，以及建筑邊界與相鄰道路邊界的最短距離，根據(jù)建筑工程臨道路規(guī)定判斷該建筑是否符合道路退距要求。如每一幢建筑都符合退距要求，則呈綠色（圖1）；如任意一幢建筑不符合道路退距要求，則呈紅色（圖2）。

圖1 dynamo核驗(yàn)道路退距界面（核驗(yàn)達(dá)標(biāo)）

圖2 建筑退的道路距核驗(yàn)不達(dá)標(biāo)時模型

3.1.2 容積率計算

運(yùn)用Dynamo 節(jié)點(diǎn)整合樓板面積、樓板數(shù)量、多種樓板類型的總面積，得到建筑總面積。繼而通過建筑用地紅線面積得到用地面積，兩者相除得到容積率（圖3）。容積率隨著模型的調(diào)整實(shí)時變化，設(shè)計師根據(jù)容積率可隨時調(diào)整模型。

圖3 dynamo容積率計算電池組

3.1.3 控高分析

在Dynamo 中根據(jù)場地紅線與從紅線中提取出點(diǎn)生成平面，再輸入場地限高，可得到向X軸方向偏移生成場地限高平面（圖4），通過場地控高模型可以直觀判斷是否有建筑不符合控高要求。

圖4 dynamo限高偏移電池組

3.2 定性分析

SuperMap 軟件為GIS 和BIM 結(jié)合提供了平臺，可將城市設(shè)計模型放置在地球模型中，結(jié)合實(shí)際的地理位置、環(huán)境氣候等條件，對城市設(shè)計模型進(jìn)行定性分析。

3.2.1 天際線分析

天際線即建筑物頂端邊緣與天空的分界線，通過SuperMap三維分析的“天際線分析”模塊，可以從不同角度進(jìn)行觀測，并提取出各個角度的天際線。對城市設(shè)計方案中重要觀測點(diǎn)的天際線進(jìn)行提取分析（圖5），發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目東側(cè)的建筑體量過高，與周邊建筑關(guān)系不和諧，天際線突兀，通過整體調(diào)整三維模型的建筑高度，再依照城市設(shè)計導(dǎo)則對天際線的管控進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得到和諧的天際線（圖6）。

圖5 調(diào)整模型前的城市設(shè)計天際線

圖6 調(diào)整模型后的城市設(shè)計天際線

3.2.2 可視域分析

可視域分析即根據(jù)特定垂直視角、水平視角及指定半徑，基于三維場景內(nèi)任意觀察點(diǎn)，分析特定范圍內(nèi)所有通視點(diǎn)的合集。通過SuperMap 三維分析的“可視域分析”模塊，選取觀測點(diǎn)、觀測方向、可視距離后，在模型中得到此視域范圍內(nèi)的可見范圍（綠色區(qū)域）和不可見范圍（紅色區(qū)域）。

在廣鋼新城城市設(shè)計模型中，面向中軸綠帶的住宅區(qū)塊有較高的可視域分析價值。選取一塊面向景觀帶的住宅區(qū)的后排建筑進(jìn)行可視域分析（圖7），由可視域分析圖可見被前排建筑遮擋后，景觀被割裂分散，利用率較低。調(diào)整前排住宅樓高度，將前后住宅位置錯峰，使后排住宅的景觀更為完整（圖8）。

圖7 調(diào)整前景觀視域分析

圖8 調(diào)整后景觀視域分析

選取地塊最高點(diǎn)進(jìn)行視域分析，調(diào)整遮擋建筑，使重要景觀節(jié)點(diǎn)、標(biāo)志性廣場或建筑物在其視域范圍內(nèi)。

3.2.3 開敞度分析

開敞度分析指在城市空間中根據(jù)指定觀測點(diǎn)，基于設(shè)定的觀測半徑，模擬指定觀測點(diǎn)周圍的空間視域范圍，生成相對應(yīng)的“視域半球體”，以分析該區(qū)域內(nèi)開敞度情況。在城市設(shè)計過程中，開敞度是衡量城市空間舒適性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過Super‐Map 中的“開敞度分析”三維分析模塊，選取需要分析的場地中心點(diǎn)及視域半徑，根據(jù)得出的開敞度分析可對空間的邊界、圍合性進(jìn)行整體評價[3]。

本次研究通過選取不同尺度的廣場、公共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開敞度分析并優(yōu)化調(diào)整。其中大型廣場選取城市設(shè)計模型中的學(xué)校操場作為代表進(jìn)行分析（圖9）校園廣場是學(xué)校全體師生開會、舉辦儀式感較強(qiáng)活動的場所，需要較為規(guī)整、對稱的空間，通過開敞度分析發(fā)現(xiàn)目前存在邊界不規(guī)整、圍合性弱的問題，調(diào)整模型后問題得以解決（圖10）。

圖9 整模型前大型廣場

圖10 模型后大型廣場

3.2.4 日照分析

日照分析指計算某特定區(qū)域在特定時間段內(nèi)可被陽光照射到的總時長。根據(jù)指定的最大或最小高度、采樣頻率，采樣距離得到特定區(qū)域內(nèi)的采光信息指標(biāo)，采光值則表示該區(qū)域的日照總時長所占時間百分比。通過SuperMap的“日照分析”模塊，選取計算場地、高度、計算日期時間范圍，可得到日照分析。

選取城市設(shè)計模型中的住宅和中小學(xué)地塊進(jìn)行分析，教學(xué)地塊既需要滿足住宅建筑的采光要求，還要在避免住宅塔樓對學(xué)校長時間遮擋。通過觀察日照分析模型（圖11），發(fā)現(xiàn)住宅地塊的南側(cè)建筑對北側(cè)建筑遮擋過多，住宅地塊西側(cè)建筑過高，對學(xué)校建筑遮擋時間過久。根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整住宅地塊的建筑高度，地塊的整體采光質(zhì)量得到了提升（圖12）。

圖11 調(diào)整前（6：00-18:00）日照分析

圖12 調(diào)整后（6：00-18:00）日照分析

3.3 城市設(shè)計模型成果

BIM技術(shù)輔助城市設(shè)計，前期對建筑退距、控高等定性指標(biāo)進(jìn)行限制、核驗(yàn)，后期在對天際線、日照、可視域、開敞度進(jìn)行分析，結(jié)合設(shè)計師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，人機(jī)雙向設(shè)計最終得到城市設(shè)計模型的成果。

4 BIM與城市設(shè)計結(jié)合前瞻

4.1 BIM輔助參與城市設(shè)計較傳統(tǒng)城市設(shè)計模式的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的城市設(shè)計方式在前期設(shè)計階段往往缺乏落地的著力點(diǎn)，而BIM 技術(shù)在前期設(shè)計階段通過提供的抽象數(shù)學(xué)模型，決定整個項(xiàng)目的定位，輔助建筑師精準(zhǔn)把控項(xiàng)目設(shè)計思路，指標(biāo)與建筑形態(tài)聯(lián)動。建筑團(tuán)隊在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，從初始階段就將項(xiàng)目落地納入考慮，能夠平衡建筑師的感性與規(guī)范的理性，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意與最優(yōu)的構(gòu)造方式。

在設(shè)計中后期，BIM 還能將復(fù)雜的建筑群功能和業(yè)態(tài)進(jìn)行合理規(guī)劃，為商業(yè)策劃以及后期運(yùn)維團(tuán)隊提供解決方案，這是傳統(tǒng)城市設(shè)計方式所欠缺的[2]。

通過傳統(tǒng)城市設(shè)計模式和BIM輔助城市設(shè)計在不同設(shè)計時期以及設(shè)計流程上的對比（見表1），BIM輔助城市設(shè)計在設(shè)計的各個階段提供了管控設(shè)計、提供參考價值等作用，并且能優(yōu)化設(shè)計流程、提高工作效率。

表1 傳統(tǒng)城市設(shè)計模式和BIM輔助城市設(shè)計在不同設(shè)計時期以及設(shè)計流程上的對比

5 結(jié)語

目前，信息端與建筑設(shè)計資料庫整合，仍需要手動錄入，無法實(shí)現(xiàn)用地、規(guī)范信息導(dǎo)入計算用地的全自動化，雖然有小庫、諾亞等強(qiáng)排工具可以輔助住宅地塊的設(shè)計，將整個調(diào)整的過程提效，但整個地塊的價值凸顯目前無法通過計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，仍需由設(shè)計人員判定與挖掘。BIM技術(shù)在城市設(shè)計中的應(yīng)用還處于起步階段，目前已經(jīng)能作為城市設(shè)計的輔助工具進(jìn)行使用，在提高城市設(shè)計效率方面有一定效果，相信未來定能被運(yùn)用得更加廣泛，越來越多的功能將得到發(fā)揮。