基于BIM技術(shù)的城市園林景觀工程豎向設(shè)計(jì)研究

文｜中建八局第三建設(shè)有限公司 郭福建 全有維 孫立偉 劉波；河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 陳思民

隨著城鎮(zhèn)化率的不斷提高，人們對(duì)自身的生活環(huán)境、生活質(zhì)量的要求也漸漸提高。園林景觀工程與民眾的日常休閑、生活?yuàn)蕵废⑾⑾嚓P(guān)，成為城市建設(shè)中重點(diǎn)關(guān)注的建設(shè)領(lǐng)域，也成為城市居民生活環(huán)境舒適健康的保障。而以建筑三維模型、數(shù)字化技術(shù)為核心的BIM，正以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在城市園林景觀的平面規(guī)劃、豎向設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 概述

1.1 BIM 技術(shù)

Autodesk 公司將BIM 視作是對(duì)傳統(tǒng)二維圖紙為主的信息載體模式的顛覆。美國(guó)國(guó)家建筑科學(xué)院(NAS)認(rèn)為BIM 既可以認(rèn)為是信息建筑模型，也可以被理解為建筑信息模型[1]。對(duì)于BIM 的定義，各組織、國(guó)內(nèi)外專家并未統(tǒng)一，但基本可以將其視為是建筑模型的構(gòu)建與結(jié)果的綜合。

BIM 技術(shù)具有可視化、模擬性、優(yōu)化性、協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)，這使得建筑物的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)等階段都能在可視化狀態(tài)下進(jìn)行，同時(shí)便于多專業(yè)協(xié)同。BIM 應(yīng)用在園林設(shè)計(jì)及具體建設(shè)時(shí)，能夠在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的問題，從而營(yíng)造更美好的園林景觀。當(dāng)今中國(guó)建筑業(yè)發(fā)展步伐快、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求大，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)和建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，施工企業(yè)正面臨著技術(shù)革新、產(chǎn)業(yè)升級(jí)的嚴(yán)峻考驗(yàn)。在此背景下，BIM 在土建行業(yè)中的作用和地位愈加凸顯。

Civil 3D 是由Autodesk 公司開發(fā)，面向地質(zhì)、交通、勘測(cè)、園林和水利等行業(yè)提供BIM 解決方案。作為一款典型的BIM軟件，Civil 3D 充當(dāng)BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的載體工具，使各設(shè)計(jì)行業(yè)從傳統(tǒng)二維走向三維，通過將工程的各種信息集成在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)全生命周期的運(yùn)維管理。另外其基于AutoCAD 的架構(gòu)，使其在擁有可視化、參數(shù)化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)的同時(shí)還對(duì)傳統(tǒng)模式有很強(qiáng)的兼容性，這對(duì)各行業(yè)的轉(zhuǎn)型及設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量的提高都有積極作用。

1.2 豎向設(shè)計(jì)

景觀設(shè)計(jì)中，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是將景觀中的風(fēng)景、設(shè)施、小品及地形地貌等在豎向上創(chuàng)造錯(cuò)落、和諧、優(yōu)美的布局，其具有統(tǒng)籌性與復(fù)雜性。

實(shí)際建設(shè)中，首先要考慮場(chǎng)地的平面布局是否滿足工程要求，其次還要考慮到豎向高程因素。因此，在對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須統(tǒng)籌兼顧總體平面和豎向關(guān)系：它們的使用功能是否協(xié)調(diào)?布局安排是否合理?同時(shí)還要妥善處理規(guī)劃與實(shí)施的矛盾，才能保證場(chǎng)地建設(shè)與使用的合理性、經(jīng)濟(jì)性。場(chǎng)地的豎向設(shè)計(jì)做好，對(duì)降低成本、提高工程質(zhì)量和效率等都有積極作用。

1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外研究對(duì)BIM 技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用、豎向設(shè)計(jì)及園林景觀規(guī)劃中存在的問題、設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方法等進(jìn)行了闡述。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)園林景觀設(shè)計(jì)的研究大多是以BIM 技術(shù)為核心，對(duì)BIM 在園林景觀設(shè)計(jì)中的運(yùn)用特點(diǎn)及應(yīng)用前景進(jìn)行了深入的分析研究。焉青[2]以當(dāng)代一個(gè)豎向工程為實(shí)例，闡述了豎向設(shè)計(jì)特別是地形設(shè)計(jì)在園林景觀設(shè)計(jì)中的重要性。唐俊[3]針對(duì)傳統(tǒng)園林景觀設(shè)計(jì)中的問題并結(jié)合景觀設(shè)計(jì)建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為加強(qiáng)豎向設(shè)計(jì)、強(qiáng)調(diào)地域特色、遵循生態(tài)原則為未來園林建設(shè)的發(fā)展方向。張方方[4]結(jié)合工程實(shí)例提出了基于Civil 3D 的豎向設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，該方法實(shí)現(xiàn)了豎向和平面的相互協(xié)調(diào)、反饋。彼得· 派切克[5]以拉珀斯維爾應(yīng)用科技大學(xué)學(xué)生數(shù)字化豎向設(shè)計(jì)方法取得成效并在東南大學(xué)、清華大學(xué)得到證實(shí)，表明數(shù)字化豎向設(shè)計(jì)對(duì)促進(jìn)風(fēng)景園林行業(yè)BIM技術(shù)的發(fā)展有積極作用。

利用BIM 技術(shù)進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)是風(fēng)景園林行業(yè)新的發(fā)展方向，也是國(guó)內(nèi)外近年來重要的研究趨勢(shì)之一。相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，BIM 技術(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在豎向設(shè)計(jì)中發(fā)揮出更高效、便捷的作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此方面研究也呈現(xiàn)出多元化，這種開放性和包容性更促進(jìn)了園林景觀豎向設(shè)計(jì)利用BIM 技術(shù)的多樣性探索，這無疑給風(fēng)景園林行業(yè)的發(fā)展變革提供了生機(jī)和動(dòng)力。

2 基于BIM 技術(shù)的豎向設(shè)計(jì)整體思路

豎向設(shè)計(jì)是在分析待建設(shè)地段地形條件的基礎(chǔ)上，對(duì)原有地形加以利用和改造，以達(dá)到功能合理、技術(shù)可行、造價(jià)經(jīng)濟(jì)和景觀優(yōu)美的要求[6]。基于BIM 的豎向設(shè)計(jì)通過創(chuàng)建數(shù)字模型，分析場(chǎng)地的建設(shè)要素如高程、坡向、坡度等，在規(guī)劃中融入理性思維，使各方面滿足要求，具體步驟如下：

(1)資料的收集與整理

初始資料的收集與場(chǎng)地現(xiàn)狀信息的采集是風(fēng)景園林豎向設(shè)計(jì)的前提?？梢韵蛳嚓P(guān)規(guī)劃部門獲取CAD 電子地形圖，遙感影像及點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。為方便構(gòu)建地形模型，將原始地形圖等高線及高程點(diǎn)數(shù)據(jù)提取，并剔除異常數(shù)據(jù)以保證模型建立的精確性。

(2)地形模型的構(gòu)建

利用相關(guān)數(shù)字平臺(tái)如Civil 3D、GIS 等均可建立地形模型?；谠摰匦文Ｐ?，可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入、運(yùn)算、方案設(shè)計(jì)及高程、流域等分析。

(3)場(chǎng)地豎向分析

豎向分析包括坡度、坡向、高程等分析。在Civil3D 中，調(diào)整顯示模式，設(shè)置不同的分析參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)地形的分析。Civil 3D還提供了一種動(dòng)態(tài)的曲面圖例可在模型發(fā)生變動(dòng)、分析精度改變后隨之更新，大大減少了設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)勞動(dòng)。

(4)確定豎向設(shè)計(jì)方案

基于地形模型及分析結(jié)果，根據(jù)項(xiàng)目工程具體要求綜合考慮各方因素，通過對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的對(duì)比評(píng)估，不斷對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，直至獲得一個(gè)豎向設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。

3 工程案例

3.1 工程現(xiàn)狀

規(guī)劃區(qū)瑞龍郊野公園位于南京市江北新區(qū)，總占地面積1561.08 m2，擬打造為集運(yùn)動(dòng)鍛煉、休閑娛樂、旅游觀景為一體的綠色公園。園區(qū)地勢(shì)階級(jí)分明，內(nèi)有若干水系，現(xiàn)狀整體標(biāo)高在3-50 m 范圍。

3.2 基于Civil 3D 理論模型的構(gòu)建與分析

傳統(tǒng)景觀設(shè)計(jì)缺乏有效的技術(shù)手段，建立的地形模型精度較差，而Civil 3D 地形建模的精度較高，模型數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更新，設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率都得到提高。下面以瑞龍郊野公園為例，介紹如何利用Civil 3D 進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)。

(1)數(shù)據(jù)處理

將從相關(guān)部門獲得的原始地形圖等高線及高程點(diǎn)兩個(gè)圖層提取為單獨(dú)的CAD 文件，并對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

(2)模型構(gòu)建

選擇Civil 3D 的“曲面”功能 ，創(chuàng)建曲面，在彈出對(duì)話框可以對(duì)曲面樣式和渲染材質(zhì)等信息進(jìn)行編輯，確定后生成曲面；展開所生成曲面子菜單，在定義菜單下分別添加等高線和圖形對(duì)象，完成對(duì)等高線和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，即可完成模型創(chuàng)建。

(3)場(chǎng)地分析

在Civil3D 中，調(diào)整曲面顯示模式，設(shè)置不同的分析參數(shù)即可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)地形坡度坡向、高程等分析。

此外，Civil 3D 還提供了動(dòng)態(tài)分析圖例，在對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行不同精度分析時(shí)，可以自動(dòng)更新分析信息，大大減少了人為的重復(fù)操作。

3.3 豎向設(shè)計(jì)

豎向設(shè)計(jì)方案的實(shí)施應(yīng)隨實(shí)際工程項(xiàng)目的具體要求而確定。根據(jù)瑞龍郊野公園道路及景觀的具體情況確定了以下的操作流程：劃分排水分區(qū)--確定道路豎向位置及高程—場(chǎng)地及部分建筑豎向位置確立—土方填挖計(jì)算—是否滿足工程要求，若滿意則設(shè)計(jì)流程結(jié)束，若不滿意則重回第一步進(jìn)行調(diào)整，直至結(jié)果滿意。流程圖如圖7。

圖1 豎向設(shè)計(jì)整體思路

圖2 瑞龍郊野公園現(xiàn)狀

圖3 場(chǎng)地?cái)?shù)字模型

圖4 高程分析圖

圖5 坡向分析

圖6 坡度分析

圖7 豎向設(shè)計(jì)具體流程

3.3.1 排水分區(qū)

場(chǎng)地走向呈西北高東南低，中部較為突出，本著以安全、經(jīng)濟(jì)為首的原則，各分區(qū)場(chǎng)地排水借地勢(shì)就近排入景觀水體或通過下滲進(jìn)入排水盲管。排水盲管具有表面滲水、內(nèi)部通水的性質(zhì)，并且其抗壓性、抗變形性能良好，此外還具有諸多優(yōu)良的機(jī)械化學(xué)性能，適用于本園區(qū)排水規(guī)劃。根據(jù)雨水工程排水分區(qū)豎向規(guī)劃的要求，設(shè)置了如下排水分區(qū)(見圖8)一區(qū)雨水主要通過排水盲管匯入人工水池和市政管道；二區(qū)雨水主要利用其地形坡度排入景觀水體，輔以少量的排水盲管，以減少雨季的地下水壓力；三區(qū)雨水主要由排水盲管收集排往周邊水系；四區(qū)為環(huán)形觀景平臺(tái)，部分雨水直接利用地形排入景觀水體，部分通過下滲進(jìn)入排水盲管。場(chǎng)地設(shè)計(jì)使景觀水體、人工水池及外部水系相連通，以便及時(shí)將過剩的雨水導(dǎo)出。

圖8 排水分區(qū)

3.3.2 道路豎向規(guī)劃

根據(jù)區(qū)域市政提供的道路設(shè)計(jì)標(biāo)高及地形原始地形標(biāo)高，考慮場(chǎng)地排水要求,公園主路的縱坡、橫坡設(shè)計(jì)宜分別小于8%、3%?？紤]場(chǎng)地可進(jìn)行局部挖填方，因此坡度范圍可在10%以下。綜合地下水水位、工程具體要求考慮，園區(qū)綠道控制點(diǎn)不低于15.4 m,園區(qū)頂部3 m 主園路控制點(diǎn)標(biāo)高不高于33.02 m。豎向設(shè)計(jì)應(yīng)使外部道路標(biāo)高與園區(qū)標(biāo)高連貫。園路排水根據(jù)上述排水分區(qū)進(jìn)入園區(qū)景觀水體或下滲進(jìn)入盲管。

3.3.3 場(chǎng)地及部分建筑豎向規(guī)劃

圖9 道路標(biāo)高

由上述豎向分析圖可知，場(chǎng)地整體坡度較大，東部及南部坡度較緩，高程分布具有明顯的階梯性，所以場(chǎng)地宜規(guī)劃為臺(tái)階式。為避免場(chǎng)地成為凹地滯留雨水，場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高應(yīng)大于周邊道路設(shè)計(jì)標(biāo)高0.2 m以上。在園區(qū)地勢(shì)較高或較低處應(yīng)做相應(yīng)的填挖方處理，以滿足工程標(biāo)高需求。在本園區(qū)中，東南部地勢(shì)較低，做填方處理。中西部區(qū)域地勢(shì)較高，做挖方處理，以便與周圍地形協(xié)調(diào)貫通。在最高處規(guī)劃觀景平臺(tái)，觀景長(zhǎng)廊底部標(biāo)高最低33 m；東北部坡度大致在1%-5%范圍內(nèi)，可規(guī)劃停車場(chǎng)地，進(jìn)行地形微處理可滿足排水等要求。

3.3.4 土方估算

豎向設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最大化利用原有場(chǎng)地，以使土方量填挖盡量達(dá)到平衡?？紤]到場(chǎng)地排水、防洪防澇及地下水等因素，有必要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行一些土方處理?；贑ivil 3D，將原始曲面設(shè)為基準(zhǔn)曲面，設(shè)計(jì)曲面設(shè)為對(duì)照曲面，生成土方量總表（見表1）。

表1 土方量總表

由表粗略估算此次規(guī)劃土方約為2.9 萬m3(挖方)，基本滿足工程要求。

3.4 設(shè)計(jì)效果評(píng)估

以往在對(duì)復(fù)雜場(chǎng)地進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者僅憑自己的經(jīng)驗(yàn)或傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，難以對(duì)各種因素進(jìn)行科學(xué)量化。而Civil3D可以通過對(duì)原始地形圖建模，并進(jìn)行三維觀察排除“粗差點(diǎn)”保證精度。而且，該軟件還可快速對(duì)場(chǎng)地的高程、坡度、坡向等進(jìn)行分析，在原始數(shù)據(jù)更改時(shí)實(shí)現(xiàn)同步更新，大大提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與效率，此外，在Civil 3D 中設(shè)定好松散、壓實(shí)系數(shù)，能快速精確地計(jì)算出土方工程量，進(jìn)一步提升工程效率。

圖10 設(shè)計(jì)效果圖

利用Civil 3D 對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)后，場(chǎng)地整體高程控制在15-35 m，設(shè)計(jì)后地勢(shì)走向有規(guī)律，建筑、小品設(shè)施布局合理，地面徑流按照排水分區(qū)規(guī)律排往相應(yīng)水體及管道中，滿足了觀景休閑、防洪防澇等要求。

4 結(jié)語與展望

目前國(guó)內(nèi)外利用BIM 技術(shù)進(jìn)行園林景觀豎向設(shè)計(jì)已成為新的發(fā)展趨勢(shì)，因此，了解BIM 技術(shù)在豎向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法，提升風(fēng)景園林豎向規(guī)劃水平顯得尤為重要。在對(duì)場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)時(shí),需結(jié)合地形現(xiàn)狀特點(diǎn)、透徹理解設(shè)計(jì)方案,統(tǒng)籌考慮規(guī)劃與實(shí)際施工的矛盾和問題,確保工作的有效性和經(jīng)濟(jì)性。本文以瑞龍郊野公園為例，介紹了利用BIM 技術(shù)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)的方法，為風(fēng)景園林豎向設(shè)計(jì)提供了參考。隨著BIM 技術(shù)不斷發(fā)展成熟，未來的園林景觀設(shè)計(jì)必將更加高效、合理。