城市信息模型技術(shù)在歷史街區(qū)紀(jì)念館設(shè)計中的運用
——以中國共產(chǎn)黨第一次全國代表大會紀(jì)念館項目為例

肖申君

上海華建工程建設(shè)咨詢有限公司 上海 200041

1 引言

1.1 城市信息模型技術(shù)的發(fā)展

2007年，Khemlani 提出了City Information Modeling（CIM）的概念，也就是城市信息模型[1]。他提出將建筑中的信息化技術(shù)（例如BIM技術(shù)）應(yīng)用到城市規(guī)劃領(lǐng)域。2015年，同濟(jì)大學(xué)吳志強(qiáng)院士將CIM的概念延伸為City Intelligent Model，即城市智能信息模型[2]。

CIM模型的研究是未來智慧城市與數(shù)字孿生城市的重要基礎(chǔ)。從模型角度，CIM是表達(dá)孿生城市空間信息的模型。CIM的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在城市空間全要素高精度模型的表達(dá)，以及城市級別海量多源數(shù)據(jù)和各類模型的匯聚融合[3]。從技術(shù)層面來看，CIM的本質(zhì)是在云計算基礎(chǔ)上實現(xiàn)“大場景的3DGIS數(shù)據(jù)+小場景的BIM數(shù)據(jù)+微觀物聯(lián)網(wǎng) IOT數(shù)據(jù)”有機(jī)結(jié)合。從平臺角度看，CIM將城市全空間高精度的數(shù)據(jù)匯聚融合至一個統(tǒng)一的平臺。它建構(gòu)了一個管理與城市空間孿生復(fù)刻的“信息空間”基礎(chǔ)平臺[4-5]。

1.2 項目背景

中國共產(chǎn)黨第一次全國代表大會紀(jì)念館（簡稱“中共一大紀(jì)念館”）是上海市政府著力打造的紅色文化紀(jì)念館標(biāo)志性建筑，同時也是2021年建黨百年獻(xiàn)禮工程，受到了社會各界的巨大關(guān)注。

圖1 中共一大紀(jì)念館鳥瞰全景

項目基地位于上海市新天地石庫門歷史風(fēng)貌區(qū)，設(shè)計與建設(shè)過程受到周邊城市環(huán)境的限制以及城市歷史風(fēng)貌的約束。項目建設(shè)工程工期緊、質(zhì)量要求高、耐久年限長、施工難度大。為此項目在設(shè)計過程中引入城市信息模型技術(shù)，通過周邊相關(guān)城市信息收集、周圍街區(qū)高精度建模、數(shù)字孿生城市模型構(gòu)建等手段，實現(xiàn)對建筑外觀與周圍環(huán)境的直觀分析。論證了建筑與城市關(guān)系的合理性，同時提高設(shè)計與施工的效率。

2 城市信息模型技術(shù)的實踐

2.1 城市信息采集

城市信息模型是建立在城市級別的地理信息基礎(chǔ)上，融合建筑物BIM模型以及基礎(chǔ)設(shè)施的三維數(shù)字模型，是表達(dá)和管理城市歷史、現(xiàn)狀、未來三維空間的綜合模型，也是城市宏觀領(lǐng)域的大場景模型。城市信息收集的成果以1：1模型仿真渲染方式展示。信息模型呈現(xiàn)一大會址周邊現(xiàn)狀，從宏觀上給人視覺沖擊感，同時具有互動可操作性[6-7]。

中共一大紀(jì)念館在設(shè)計前期，匯集了基地區(qū)域的各類數(shù)據(jù)，如地形、建筑物、景觀、公共設(shè)施、環(huán)境等。數(shù)據(jù)信息采集的主要技術(shù)手段包括：無人機(jī)攝影、三維激光掃描、BIM數(shù)字化建模。無人機(jī)攝影通過傾斜攝影技術(shù)，采集基礎(chǔ)3DGIS地形信息；三維激光掃描以車載或機(jī)載方式采集城市街道的3D信息；BIM數(shù)字化建模對既有建筑或新建建筑按照圖紙或測繪信息，建立三維數(shù)字模型。設(shè)計基地周邊區(qū)域類型不同，采用的數(shù)據(jù)收集技術(shù)手段也不同。

2.1.1 地上部分采集方案

地上部分指存在于地表的地形、路網(wǎng)、建筑物、景觀、水域等數(shù)據(jù)，采用“先整體覆蓋，分階段細(xì)化”的方式進(jìn)行采集。

2.1.2 地下部分采集方案

地下部分指存在于地下的管線、隧道、軌道交通等設(shè)施。采用BIM建模等方式，根據(jù)圖紙及測繪數(shù)據(jù)，完成地下部分?jǐn)?shù)據(jù)采集。

表1 城市信息采集數(shù)據(jù)精度建議

中共一大紀(jì)念館項目中，城市信息模型主要展示地理空間、交通道路、自然資源、重點建筑、公共設(shè)施等相關(guān)信息的點位和數(shù)據(jù)。展示的重點區(qū)域范圍為：上海市黃浦區(qū)黃陂南路、興業(yè)路口以東，湖濱路以南、太平橋公園以西的位置。同時根據(jù)中共一大“紅色紀(jì)念館”的特殊屬性，模型收集了一大舊址周邊1公里范圍內(nèi)聚集的紅色文化旅游資源，為未來區(qū)域整合紅色旅游發(fā)展提供參考。

圖2 中共一大紀(jì)念館周邊城市信息收集半徑

2.2 數(shù)字孿生城市模型構(gòu)建

數(shù)字孿生城市模型是項目規(guī)劃條件的可視化反映。孿生城市信息平臺的建立和數(shù)據(jù)的詳盡收集能夠幫助設(shè)計團(tuán)隊在項目前期對規(guī)劃條件進(jìn)行整體梳理。中共一大紀(jì)念館選址位于復(fù)雜城市歷史風(fēng)貌核心區(qū)域中建設(shè)，掌握周邊城市的多維信息對做出正確的設(shè)計決策有著至關(guān)重要的作用。

孿生城市模型由多項服務(wù)模塊組成，包括：孿生城市基礎(chǔ)服務(wù)、三維仿真開發(fā)服務(wù)、模型自動導(dǎo)入及優(yōu)化服務(wù)、光照貼圖自動生成服務(wù)、物理光線追蹤服務(wù)等。模型構(gòu)建需要經(jīng)歷城市骨架生成、建筑還原、植被還原、水域還原的過程，同時納入光照、天氣、季節(jié)等元素。模型管理具有渲染服務(wù)、場景調(diào)度、數(shù)據(jù)集成配置、分析圖表配置、用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)后臺維護(hù)服務(wù)等模塊[8]。

孿生城市模型基于樓宇的建筑CAD圖紙，對樓宇幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行BIM級還原，包含構(gòu)建三維建筑模型，1：1還原建筑幾何結(jié)構(gòu)。BIM模型管理需有建模工具、模型導(dǎo)入以及輕量化處理BIM+GIS能力[9]。

圖3 中共一大紀(jì)念館孿生城市模型周邊場景

圖4 中共一大紀(jì)念館孿生城市模型室內(nèi)場景

3 城市信息模型技術(shù)對設(shè)計流程的優(yōu)化

孿生城市模型的構(gòu)建有助于完成設(shè)計前期以及施工前期的環(huán)境研究。中共一大紀(jì)念館基地周邊密布?xì)v史保護(hù)建筑、高層辦公樓，靠近用地紅線位置還有已建成的地下停車庫以及太平橋公園人工湖。同時，基地周邊的黃陂南路、湖濱路、太倉路是上海城市中心主干道，交通繁忙壓力大?？紤]到一大項目施工工期緊，施工難度大，因此在設(shè)計前期將施工條件與施工影響一并納入考慮。

3.1 輔助設(shè)計前期決策

依托孿生城市模型，設(shè)計師在前期階段對基地周邊情況有全面的、多維的、可視化的認(rèn)識。孿生城市模型能夠反映基地周邊城市道路的交通流量與交通情況，輔助建筑建成后的交通情況模擬，便于相關(guān)城市管理部門提前進(jìn)行決策。此外，由于新天地附近有大量現(xiàn)存的歷史保護(hù)建筑，因此在設(shè)計階段對基地周邊3倍基坑開挖深度范圍內(nèi)的建筑進(jìn)行房屋檢測，掌握現(xiàn)有房屋損壞程度，判斷施工條件，預(yù)見潛在的施工風(fēng)險。房屋檢測的相關(guān)信息最終可集成反應(yīng)在孿生城市模型的信息平臺上，便于各團(tuán)隊設(shè)計師進(jìn)行整體分析。

圖5 中共一大紀(jì)念館項目檢測房屋平面位置示意圖（紅色線框內(nèi)為檢測房屋，藍(lán)色線框內(nèi)為3倍基坑范圍）

3.2 提供施工環(huán)境預(yù)案

中共一大紀(jì)念館項目用地緊張，用地紅線緊貼市政道路。在方案設(shè)計階段，團(tuán)隊通過前期掌握的周邊城市現(xiàn)狀與新建建筑設(shè)計情況，判斷未來施工缺少作業(yè)和堆場場地，必然會侵占到太平橋公園內(nèi)的人工湖。因此，團(tuán)隊提出對人工湖岸線進(jìn)行整體改造，并且提前請相關(guān)園林部門提前介入，從城市管理者的角度判斷方案的可行性，從而減少后期施工可能面臨的巨大困難[10]。

同時在施工階段，施工設(shè)計團(tuán)隊結(jié)合外部城市信息規(guī)劃出最合理的施工方案。施工設(shè)計團(tuán)隊能夠預(yù)判可能出現(xiàn)實施矛盾的位置，并提前與政府管理部門溝通，在緊張工期的壓力下進(jìn)一步提高施工效率

圖6 中共一大紀(jì)念館項目周邊施工條件

4 結(jié)束語

城市信息模型技術(shù)能夠幫助設(shè)計團(tuán)隊從多維角度判斷整個工程項目的情況。對于中共一大紀(jì)念館此類位于城市歷史風(fēng)貌環(huán)境中的重要項目，城市信息模型能夠在設(shè)計階段預(yù)見施工中以及建成后可能存在的城市問題，從而幫助設(shè)計師與城市管理者做出最優(yōu)決策。同時模型信息可以交互傳遞應(yīng)用到項目施工及運維的整體階段，為后續(xù)建筑的智能化運營提供平臺。