基于BIM 技術(shù)的城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境管理平臺研究和實踐

朱廣堂 張家立

(1.佛山市城市地理信息中心，佛山 528000;2.華中科技大學BIM工程中心，武漢 430074;3.廣州優(yōu)比建筑咨詢有限公司，廣州 510640)

1 前言

過去幾十年，城鄉(xiāng)社會經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化進程不斷加快，城鄉(xiāng)規(guī)劃作為城鄉(xiāng)建設(shè)的“龍頭”和城鄉(xiāng)管理的先行者，工作艱巨而光榮。城鄉(xiāng)規(guī)劃管理部門一直致力于利用信息化的手段輔助提高城鄉(xiāng)規(guī)劃管理和決策水平，城鄉(xiāng)規(guī)劃信息化經(jīng)歷了從紙質(zhì)數(shù)字化——辦公自動化——數(shù)字規(guī)劃平臺——智慧規(guī)劃平臺幾個重要發(fā)展階段，其中CAD和GIS技術(shù)扮演著重要角色。但隨著建設(shè)生態(tài)、綠色、宜居、低碳、可持續(xù)城市理念和目標的提出，傳統(tǒng)的規(guī)劃信息化手段捉襟見肘。

經(jīng)歷過去近十年的快速發(fā)展，BIM技術(shù)(英文全稱:Building Information Modeling，中文名稱:建筑信息模型)正在逐步成為城市建設(shè)行業(yè)的主要支撐技術(shù)和方法，通過全球范圍的研究和實際工程應用，BIM已經(jīng)被證明是未來提升工程建設(shè)行業(yè)技術(shù)及管理升級的核心信息技術(shù)之一。BIM具有參數(shù)化、信息化、可視化等特點，為城市規(guī)劃管理者提供更科學的依據(jù)，成為城鄉(xiāng)規(guī)劃信息化的重要技術(shù)支撐。本文在深入分析國內(nèi)外BIM技術(shù)應用的基礎(chǔ)上，對基于BIM技術(shù)的城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境管理平臺進行研究和實踐，以期在人居環(huán)境和生態(tài)保護等方面做出有益探索。BIM應用于城市規(guī)劃是對現(xiàn)有城市規(guī)劃三維化空間技術(shù)的拓展和延伸，它將現(xiàn)有的城市規(guī)劃空間模型發(fā)展成城市規(guī)劃信息模型，并且利用BIM模型的特點以及其周邊分析軟件的多樣性和行業(yè)多樣性，對以往城市規(guī)劃許多無法量化的技術(shù)指標進行量化，從而達到了規(guī)劃從定性走向定量的新階段，真正意義上做到數(shù)字規(guī)劃與科學規(guī)劃。

基于BIM技術(shù)的城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境管理平臺是建立在城鄉(xiāng)規(guī)劃三維信息模型的基礎(chǔ)上，綜合利用氣象等外部環(huán)境數(shù)據(jù)，對城鄉(xiāng)規(guī)劃三維展示系統(tǒng)進行擴展，建立城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境模擬和分析平臺，實現(xiàn)城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境指標模擬與評估，并以此評估結(jié)果對控規(guī)的用地指標進行修正和對修建性詳細規(guī)劃的建筑空間布局進行調(diào)控，輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計、管理和決策。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于BIM技術(shù)的城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境管理平臺建設(shè)是建立在基于SOA的高度集成應用管理和分析平臺，平臺以規(guī)劃綜合數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，平臺各個子系統(tǒng)之間是以組件的方式相互關(guān)聯(lián)。見圖1和圖2。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境平臺主要功能架構(gòu)如圖3所示。微環(huán)境模擬平臺主要分為基礎(chǔ)功能和微環(huán)境模擬功能，基礎(chǔ)頁面主要針對本系統(tǒng)三維視圖的一些基本操作，包括打開文件載入，選擇項目場景模型，三維視圖移動、放大、縮小，三維視圖觀察，漫游，三維視圖場景距離測量，項目視圖窗口選擇、雙屏輸出及退出系統(tǒng)。

BIM城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境模擬平臺項目頁面后以飛行試點的觀察方式來瀏覽場景，頁面的上方有功能介紹，分別是:日照分析;風環(huán)境分析;熱工分析;噪音分析;景觀可視度分析;舒適度分析等。

在平臺中瀏覽模型時，選擇統(tǒng)計的功能按鈕，可以統(tǒng)計模型的各類不同功能的用地面積，建筑面積，建設(shè)的屬性(如建筑功能、層數(shù)、建筑體量指標等)。

點擊具體微環(huán)境分析功能按鈕，能迅速瀏覽模型區(qū)域內(nèi)具體分析成果(如興趣面的日照分析成果)，可以生成圖形，視頻、指標表等。

圖3 BIM城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境模擬平臺功能架構(gòu)圖

3.1 日照分析子系統(tǒng)

建立修建性詳細規(guī)劃的建筑物信息模型，通過模型計算建筑各個立面的日照時間，能在建筑物遮擋情況下分析建筑物被遮擋的情況，對于詳細建筑報建方案能做到滿窗日照分析。

(1)滿窗日照分析;

(2)任意日期，任意時間的建筑物遮擋日照時間分析;

(3)建筑物采光權(quán)分析;

(4)日照圖、指標表、視頻生成和輸出;

(5)兼容導入 BIM模型，GBXML模型，3ds模型等;

3.2 風環(huán)境模擬子系統(tǒng)

采用流體計算力學(CFD)軟件，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，對規(guī)劃建筑群進行風環(huán)境模擬，通過風環(huán)境模擬能對建筑群的熱島效應、風速流場云圖進行綜合分析，從而對建筑群的空間關(guān)系給出最合理的空間布局建議。

通過氣象數(shù)據(jù)和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，能對區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量進行模擬，對大氣污染源擴散做出準確的模擬，并能得出詳細的指標參數(shù)，如空氣懸浮顆粒的濃度分析，沉降物沉降速度等。

(1)對四級季風通過建筑群后的風速云圖、溫度云圖進行分析;

(2)熱島區(qū)分析解析，也可以對建筑物表面風壓載荷云圖進行分析;

(3)風速云圖、溫度圖、污染物顆粒沉降圖、指標表生成和輸出;

(4)可疊加風環(huán)境成果圖。

3.3 熱工分析子系統(tǒng)

對區(qū)域內(nèi)在日照條件下的溫度場分布云圖能做準確的模擬，在建筑物材質(zhì)的影響下，建筑物得失熱量的分析，通過規(guī)劃建筑體量和規(guī)劃數(shù)據(jù)能預測建筑的能耗，并能統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)各個規(guī)劃單元的基本能耗統(tǒng)計。

(1)區(qū)域內(nèi)地塊、綠地、水系、鋪地、交通在日照情況下的溫度場分布;

(2)結(jié)合風環(huán)境溫度分布結(jié)合，分析出區(qū)域內(nèi)熱島分布;

(3)成果圖、視頻動畫、指標表格輸出;

(4)支持導入BIM模型，調(diào)節(jié)用地屬性熱工系數(shù);

(5)支持模型邊界條件設(shè)置。

3.4 景觀可視度分析子系統(tǒng)

能模擬區(qū)域內(nèi)地標性建筑在指定區(qū)域內(nèi)的空間可視度分析，通過遮擋分析，能分析地標性建筑物在指定區(qū)域內(nèi)各個可視空間的可視面積大小。

(1)地標建筑或景觀在指定區(qū)域內(nèi)的視覺通透性分析;

(2)建筑物內(nèi)某點對外指定區(qū)域的景觀視覺通透性分析;

(3)指標圖生成和輸出;

(4)支持導入BIM模型;

(5)支持可視區(qū)域邊界條件設(shè)置。

3.5 光環(huán)境模擬子系統(tǒng)

通過BIM模型模擬規(guī)劃區(qū)域內(nèi)在自然光條件下的建筑物空間的天光照度分析，從而為規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的照明布置做出合理建議，能分析規(guī)劃區(qū)域內(nèi)建筑物各個立面的采光權(quán)。通過對高層建筑的玻璃幕墻進行光環(huán)境模擬，能得出建筑物表面對周邊造成的光污染數(shù)據(jù)。

3.6 噪音分析子系統(tǒng)

通過調(diào)查區(qū)域內(nèi)噪音污染源和交通噪音數(shù)據(jù)，模擬噪音源污染對周邊建筑的實際影響，通過模擬成果能確定建筑物的噪音污染能否滿足規(guī)劃規(guī)范，為建筑物隔音和交通減噪提供輔助數(shù)據(jù)。

(1)指定噪音源對目標建筑群得噪音影響衰減模擬分析;

(2)噪音云圖，噪音影響視頻，表格生成和輸出;

(3)支持噪音源數(shù)據(jù)導入;

(4)支持BIM模型導入。

3.7 人均舒適度評價子系統(tǒng)

通過加載各類生態(tài)評估數(shù)據(jù)，利用BIM模型計算規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的人均舒適度分布。

4 平臺應用領(lǐng)域分析

基于BIM的城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境模擬平臺對修建性詳細規(guī)劃成果進行微環(huán)境模擬計算，將微環(huán)境指標量化，對于規(guī)劃設(shè)計和規(guī)劃研究、規(guī)劃決策從指標體系上給予了完整的指標體系和指標對照，在滿足正常的法定規(guī)劃指標體系之外，最大限度的滿足了規(guī)劃設(shè)計范圍內(nèi)的微環(huán)境生態(tài)指標的平衡。

微環(huán)境模擬平臺可以對報建的規(guī)劃方案各個規(guī)劃微環(huán)境指標進行計算，成果對規(guī)劃審批給予有效的數(shù)據(jù)輔助能力，這將大大加強三維報建的數(shù)據(jù)計算能力，使傳統(tǒng)意義上的仿真系統(tǒng)真正意義上融合進了規(guī)劃業(yè)務、研究和決策體系。

基于BIM的微環(huán)境模擬平臺在一定程度上解決了城鄉(xiāng)規(guī)劃在法定指標體系外的各個微環(huán)境指標的影響力計算與判別，是生態(tài)學輔助規(guī)劃學的實際成果表現(xiàn)，是城市規(guī)劃堅持“以人為本”的表現(xiàn)。微環(huán)境模擬平臺從城鄉(xiāng)規(guī)劃角度如何通過數(shù)字化手段解決“宜居城市”和“生態(tài)城市”的一個很好的開端。

5 平臺應用案例

BIM微環(huán)境模擬平臺研究成果應用于南方某城市核心區(qū)，利用基于BIM技術(shù)的城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境管理系統(tǒng)各分析模塊，在核心區(qū)信息數(shù)據(jù)收集和處理的基礎(chǔ)上，對該區(qū)域建筑物空間結(jié)構(gòu)的日照關(guān)系、風環(huán)境、熱工、空間景觀的可視度和噪音分析等進行計算和結(jié)果分析。圖4～圖7是系統(tǒng)自動生產(chǎn)的結(jié)果圖。

圖4 建筑日照分析(15m高程)

日照分析時間分析成果為全天累計時間計算， 日照時間從藍色到黃色變化代表日照時間從0 h到10 h。圖中包絡(luò)線表示日照時間云圖(不同日照時間)分割線。建筑區(qū)域外無建筑遮擋部分不在計算結(jié)果內(nèi)，周邊地區(qū)日照時間為無數(shù)據(jù)結(jié)果，不代表真實性。

表1 夏冬兩季風環(huán)境參數(shù)列表

8m通風風速分析圖例從藍色到紅色表示風速從1.15m/s到 3.15m/s，如圖 5 所示;25m 通風溫度分析圖例藍色到紅色表示從28.9℃ ～29.1℃，熱島變化溫度0.2℃。

從圖6中的結(jié)果可以看出，在夏季風從東南方吹過來時，由于南邊高層住宅，導致別墅區(qū)整體風速偏低，溫度增高，溫差達到0.2℃。

可視度分析是以一棟規(guī)劃中的高層為例(圖7)，計算該規(guī)劃建筑在周邊建筑場景中的規(guī)劃可視度，分析高度(格網(wǎng)高程)1.6m?？梢暟俜直戎冈谝欢▍^(qū)域內(nèi)可以看到該建筑立面的百分比云圖。圖例從藍色到紅色表示看到該建筑物立面的比率從0%～100%。圖中所示不同顏色也數(shù)值對應了該面在該區(qū)域1.6m的被可視百分比率。

6 展望

本文闡述了在BIM技術(shù)基礎(chǔ)上建立城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境管理平臺的技術(shù)路線和其基本功能應用，并以南方某城市核心區(qū)為實際案例進行了實踐探索。隨著BIM技術(shù)不斷發(fā)展以及在城鄉(xiāng)規(guī)劃領(lǐng)域的深入應用，筆者相信BIM技術(shù)將貫穿城鄉(xiāng)規(guī)劃全過程管理，從規(guī)劃編制階段的基于BIM的城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境管理到規(guī)劃審批階段的基于BIM的規(guī)劃電子報批，再到規(guī)劃批后階段的基于BIM的規(guī)劃檔案管理，實現(xiàn)定性到定量管理，單一到協(xié)同管理。

[1]謝宜，葛文蘭.基于BIM技術(shù)的城市規(guī)劃微環(huán)境生態(tài)模擬與評估[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(3):51-57.

[2]劉宏，謝宜，張家立.緊湊條件下的宜居——BIM在城市微環(huán)境模擬中的應用.土木建筑工程信息技術(shù)，2011，3(3):57-62.

[3]何關(guān)培等.BIM總論[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4] 何關(guān)培 BIM 博客.http://blog.sina.com.cn/heguanpei

[5]葛文蘭，于曉明，何波.BIM第二維度[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[6]何波.BIM建筑性能分析應用價值探討[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2011，3(3):63-71.