基于 BIM技術(shù)的城市規(guī)劃微環(huán)境生態(tài)模擬與評(píng)估

謝 宜 葛文蘭

(廣州市城市規(guī)劃自動(dòng)化中心,廣州 510030)

1 概述

城市是集自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)于一體的復(fù)雜系統(tǒng),城市既具有其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)特征,也有其不可忽視的生態(tài)特征,傳統(tǒng)的城市規(guī)劃偏重于城市土地管理,而未將城市生態(tài)環(huán)境的發(fā)展與建設(shè)列為其重要的規(guī)劃內(nèi)容。因此,導(dǎo)致了城市規(guī)劃的局限性和一定程度的非適宜性。

隨著 20世紀(jì) 90年代聯(lián)合國(guó)教科文組織提出“生態(tài)城市”概念,最近幾年國(guó)內(nèi)提出的開展“生態(tài)規(guī)劃”、“綠色規(guī)劃”等口號(hào),生態(tài)學(xué)很快對(duì)城市發(fā)展與建設(shè)產(chǎn)生了積極的影響。目前在城市規(guī)劃領(lǐng)域,雖然有一些城市宜居性方面的指標(biāo)如日照、綠化率等,但是僅有這些指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠?qū)Τ鞘猩鷳B(tài)從宏觀和微觀兩方面進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)價(jià),并且由于在規(guī)劃領(lǐng)域長(zhǎng)期沒有提及城市生態(tài)地位,導(dǎo)致這些生態(tài)指標(biāo)沒有參與到規(guī)劃師的設(shè)計(jì)思維中,規(guī)劃師關(guān)心的僅僅是規(guī)劃所關(guān)心的指標(biāo)。面向城市規(guī)劃的生態(tài)指標(biāo)評(píng)估體系是將城市生態(tài)指標(biāo)評(píng)估、RS、GIS、BIM技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)整合為一套以城市生態(tài)分析、結(jié)合城市規(guī)劃信息化技術(shù)的分析思想,它將應(yīng)用于城市空間規(guī)劃設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,并對(duì)城市生態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤和精確分析。城市規(guī)劃微環(huán)境生態(tài)模擬與評(píng)估的應(yīng)用將打破規(guī)劃只關(guān)心規(guī)劃指標(biāo),規(guī)劃與生態(tài)研究各自為政的局面,使城市生態(tài)在城市規(guī)劃領(lǐng)域提高到一個(gè)決策層的高度。

2 階段性研究成果

2.1 建筑單體日照分析與采光權(quán)模擬

建筑物日照間距不僅是城市規(guī)劃管理部門審核建設(shè)工程項(xiàng)目的重要指標(biāo)之一,也是規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要參考標(biāo)準(zhǔn)。它不僅直接關(guān)系到城鎮(zhèn)居民的生活環(huán)境質(zhì)量,也是控制建筑密度的有效途徑之一。

隨著城市舊城改造的逐步深入,低矮、破舊的老房子逐漸被形態(tài)各異的高層建筑群所代替,與此同時(shí),不斷增多的高層和超高層建筑所導(dǎo)致的居民住宅日照不足的問題也越發(fā)突出。解決日照問題除宏觀上調(diào)整規(guī)劃來解決問題外,改進(jìn)日照分析方法也是重要措施之一。

上圖表示在考慮周邊遮擋情況下某建筑在一天內(nèi)立面上受陽(yáng)光照射累計(jì)時(shí)間的分布。立面網(wǎng)格上的顏色區(qū)域,從黃色到藍(lán)色顯示了當(dāng)日日照累計(jì)時(shí)間的遞減。從圖上看,該立面左下方區(qū)域由于遮擋,日照時(shí)間少。圖右上方的圖例表示日照時(shí)間從 0小時(shí)到 5小時(shí)對(duì)應(yīng)的顏色(藍(lán)色到黃色)。

采光權(quán)主要是指建筑物某立面在全天考慮遮擋情況下的被遮擋時(shí)間與全日照時(shí)間的比率。立面網(wǎng)格上的顏色區(qū)域,從黃色到藍(lán)色顯示了當(dāng)日日照遮擋比時(shí)間的遞減。從圖上看,該立面左下方區(qū)域由于遮擋比最大,采光權(quán)最小,圖右上方的圖例表示 c采光權(quán)比從 0小時(shí)到 90%對(duì)應(yīng)的顏色(藍(lán)色到黃色)。采光權(quán)主要用來對(duì)比建筑物不同立面的采光情況。

圖3顯示了一個(gè)被選中的建筑實(shí)體(黃色),原弧為太陽(yáng)軌跡圖,黃色圓點(diǎn)表示太陽(yáng)。圖4顯示了被選建筑單體的日照結(jié)果,圖中時(shí)間為 4月 16日,灰色表示被陰影遮擋情況:受太陽(yáng)照射熱量(左)和陰影比(右)。

從圖4中可以看出,0點(diǎn)到 6點(diǎn)全陰影,6點(diǎn)后,開始出現(xiàn)日照,到 7點(diǎn) 30分,日照比達(dá)到 50%,隨后減少,9點(diǎn) 30分,日照比減少為 0,下午 3點(diǎn)日照比開始升高,5點(diǎn)達(dá)到最大,后減少,6點(diǎn) 30分,日照比減少為 0。圖4下方的圖表顯示了陰影比例,太陽(yáng)直接照射熱量等數(shù)值。

2.2 建筑群空氣流動(dòng)分析

圖3 建筑單體整體日照模型

圖9 CFD邊界條件及風(fēng)口參數(shù)設(shè)置

隨著都市建筑的高度密集化和高層化,建筑物之間風(fēng)環(huán)境的相互作用就變得越來越重要。建筑外環(huán)境對(duì)建筑內(nèi)部居者的生活有著重要的影響,建筑小區(qū)二次風(fēng)、小區(qū)熱環(huán)境等問題日益受到人們的關(guān)注。采用 CFD(Computational Fluid Dynamics計(jì)算流體動(dòng)力)可以方便地對(duì)建筑外環(huán)境進(jìn)行模擬分析,從而設(shè)計(jì)出合理的建筑風(fēng)環(huán)境。通過 BIM技術(shù)與 CFD技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用,可以方便、快捷地對(duì)建筑內(nèi)、外環(huán)境的氣流流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真,可以形象直觀地對(duì)建筑內(nèi)外環(huán)境的氣流流動(dòng)形成的流體環(huán)境做出分析和評(píng)價(jià)并及時(shí)地調(diào)整方案。這有利于規(guī)劃師、建筑師在方案設(shè)計(jì)的時(shí)候全面、直觀地對(duì)環(huán)境影響的因素進(jìn)行把握。同時(shí)利用技術(shù)的綜合運(yùn)用來使規(guī)劃設(shè)計(jì)更加科學(xué)、更加合理。我們應(yīng)該看到并發(fā)揮其作用,為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展和節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

圖5為某小區(qū)風(fēng)洞模型,該小區(qū)總共 25幢建筑,建筑高度平均約 17m,小區(qū)面積約為 300*300。圖9為假設(shè)條件:一個(gè)風(fēng)口采用大氣邊界條件,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),風(fēng)速每秒 5米。

圖6、圖7中箭頭簇表示風(fēng)的方向(西南),圖6中圖例表示風(fēng)速大小從 0至每秒 3米,對(duì)應(yīng)顏色變化為從藍(lán)色到紅色。從圖中可以看出風(fēng)穿過建筑群時(shí)的風(fēng)向和風(fēng)速的變化情況。

圖8表述了風(fēng)在建筑物表面形成的風(fēng)壓大小。通過對(duì)比,發(fā)現(xiàn)規(guī)劃時(shí)設(shè)置的幾條風(fēng)道對(duì)引導(dǎo)風(fēng)向是起到了一定作用,小區(qū)東北部建筑由于設(shè)置成環(huán)形,因此會(huì)有通風(fēng)不暢的問題,容易出現(xiàn)熱島區(qū)域和空氣齡高區(qū)域。

2.3 區(qū)域景觀可視度分析

下兩圖主要模擬了在區(qū)域內(nèi)對(duì)地標(biāo)建筑的可視度分析,從結(jié)果可以清晰的看到 城市道路上對(duì)該地標(biāo)建筑的可視度分布。圖例表示景觀建筑被可視面積的大小,從藍(lán)色到黃色對(duì)應(yīng)面積為 0到 2800平方米。在道路上網(wǎng)格的顏色區(qū)域變化則顯示了能看到景觀建筑的區(qū)域變化。

圖10 景觀可視度模擬模型

圖11 景觀可視度模擬結(jié)果

2.4 規(guī)劃微環(huán)境的噪音分析

噪音分析模型選取為廣州大學(xué)城第五組團(tuán)規(guī)劃模型,噪音源假設(shè)選取為露天體育場(chǎng),并設(shè)定為500M赫茲的噪音,噪音波成球狀散射,高度角為 45度,方位角 90度,聲波數(shù)量 1000。上面三副圖從左至右分別描述了某露天體育場(chǎng)噪音的追蹤和噪音影響分布,此三幅圖是噪音分別在 1.1ms、2.1ms和3.2ms時(shí)的聲學(xué)響應(yīng)布局。從以上三幅圖中可以清晰地看到噪音所能影響的建筑。

3 探討成果在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用模式

3.1 城市規(guī)劃微環(huán)境生態(tài)模擬與評(píng)估與三維仿真的結(jié)合

規(guī)劃微環(huán)境生態(tài)模擬與評(píng)估主要是對(duì)帶有附加生態(tài)屬性的規(guī)劃要素進(jìn)行計(jì)算并得出結(jié)果。目前三維仿真在城市規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用越來越成熟,在三維模型上附加屬性成了三維仿真平臺(tái)模型的一個(gè)基本要求。城市規(guī)劃生態(tài)模擬與評(píng)估也是基于這種模型,不過它有嚴(yán)格的定義格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表,這種模型我們稱為信息模型。

圖15 3.2ms時(shí)噪音分布圖

多數(shù)據(jù)來源、單一模型輸出、多層次模型建庫(kù)、多平臺(tái)應(yīng)用和成果多樣化是三維仿真的應(yīng)用模式的發(fā)展趨勢(shì)。城市規(guī)劃微環(huán)境生態(tài)模擬與評(píng)估正是基于目前應(yīng)用比較成熟的三維仿真平臺(tái)上附加模擬評(píng)估模塊發(fā)展而來,并且對(duì)模型的定義標(biāo)準(zhǔn)化。三維仿真平臺(tái)和規(guī)劃微環(huán)境模擬與評(píng)估模塊結(jié)合才能真正體現(xiàn)三維信息模型可視化的意義。

3.2 現(xiàn)有規(guī)劃微環(huán)境生態(tài)評(píng)估方式和微環(huán)境生態(tài)模擬量化方法對(duì)比(如表1～2所示)

表2 微環(huán)境生態(tài)模擬量化方法

3.3 微環(huán)境生態(tài)模擬與評(píng)估技術(shù)思路

本研究技術(shù)思路主要是通過不同的生態(tài)分析平臺(tái)加載統(tǒng)一格式的信息模型和不同的外部環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬演算,最后得出模擬結(jié)果,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。在多種規(guī)劃方案對(duì)比情況下,將不同的規(guī)劃方案進(jìn)行信息模型的建模、模擬,最后形成多個(gè)方案的對(duì)比結(jié)果。目前廣州市“數(shù)字詳規(guī)”項(xiàng)目正在進(jìn)展之中,“數(shù)字詳規(guī)”項(xiàng)目將建成廣州目前最大的三維現(xiàn)狀模型數(shù)據(jù)庫(kù),微環(huán)境生態(tài)模擬將以該數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源,結(jié)合規(guī)劃局業(yè)務(wù)和規(guī)劃編制對(duì)各種信息模型進(jìn)行微環(huán)境生態(tài)模擬,為規(guī)劃審批、規(guī)劃編制方案評(píng)審提供一種輔助決策手段。

信息模型的建立要基于一種標(biāo)準(zhǔn),本研究以BIM(建筑信息模型 Building Information Model)為建模基礎(chǔ)。BIM是隨著信息技術(shù)在建筑行業(yè)中應(yīng)用的深入和發(fā)展而出現(xiàn)的,是一種將數(shù)字化的三維建筑模型作為核心應(yīng)用于建筑工程的設(shè)計(jì)、施工等過程中的工作方法。國(guó)際交互操作性聯(lián)盟于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(International Standard Organization-ISO)下屬的第184技術(shù)委員會(huì)第四分會(huì) -工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)及集成/工業(yè)數(shù)據(jù)有密切的聯(lián)系并進(jìn)行深入的合作。因而,BIM標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)的成為 ISO認(rèn)可的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前,BIM在國(guó)外應(yīng)用日益成熟,如美國(guó)、新加坡等在建筑設(shè)計(jì)、施工和政府規(guī)劃與建設(shè)管理都必須提交 BIM模型,美國(guó)的自由塔設(shè)計(jì),瑞士保險(xiǎn)公司大樓等都是采用 BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。日本政府在 2006年也制定了業(yè)主在項(xiàng)目報(bào)建和管理時(shí)必須提交 BIM模型的政策。圖16描述了微環(huán)境生態(tài)模擬與評(píng)估平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)。

3.4 微環(huán)境生態(tài)模擬評(píng)估在城市規(guī)劃領(lǐng)域中的應(yīng)用

? 城市規(guī)劃修建性詳細(xì)規(guī)劃階段的空間布局風(fēng)環(huán)境模擬與評(píng)估

? 重大項(xiàng)目的選址和規(guī)劃編制過程中的生態(tài)影響,在方案評(píng)選過程中從環(huán)境生態(tài)模擬方面輔助方案的評(píng)選

? 道路交通規(guī)劃對(duì)周邊建筑特別是噪音敏感性強(qiáng)的建筑做出噪音分析

? 對(duì)建筑空間布局和建筑單體進(jìn)行日照詳細(xì)模擬

? 對(duì)建筑空間布局進(jìn)行熱工分析,并且指導(dǎo)綠化用地的布局

? 在單體階段對(duì)建筑進(jìn)行熱工分析,指導(dǎo)建筑遮陽(yáng)

圖16 規(guī)劃微環(huán)境生態(tài)模擬與評(píng)估平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

? 對(duì)空氣污染源做污染輻射影響分析,并對(duì)建筑空間布局和綠化用地布局做出指導(dǎo)

? 對(duì)地標(biāo)性建筑做區(qū)域景觀可視度分析

4 結(jié)論

目前我國(guó)的控規(guī)主要是控制城市用地平衡、土地開發(fā)強(qiáng)度、綠地率等指標(biāo),這對(duì)于城市空間形態(tài)的控制遠(yuǎn)沒有起到約束作用,而在修建詳細(xì)規(guī)劃中判別這些指標(biāo),又由于缺乏法律約束力,不能完全做到城市土地和空間形態(tài)的有效控制。在城市規(guī)劃領(lǐng)域引入微環(huán)境生態(tài)指標(biāo)評(píng)估將拓展和創(chuàng)新現(xiàn)有的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)思想、技術(shù)路線、實(shí)施策略和管理機(jī)制。生態(tài)指標(biāo)評(píng)估融入了生態(tài)學(xué)的理論和技術(shù)思路,為城市規(guī)劃和城市管理從生態(tài)學(xué)角度進(jìn)行編制和管理開創(chuàng)一條新的思路。生態(tài)指標(biāo)評(píng)估中的環(huán)境質(zhì)量和城鄉(xiāng)生態(tài)類指標(biāo)能對(duì)城市用地和空間形態(tài)環(huán)境和生態(tài)做出基本評(píng)估,這對(duì)于同一控規(guī)指標(biāo)下的城市不同空間形態(tài)具有很好的評(píng)判作用,能正確引導(dǎo)城市規(guī)劃和管理者對(duì)空間形態(tài)的認(rèn)識(shí),并能發(fā)揮良好的城市規(guī)劃輔助決策作用。

[1]云鵬.Ecotect建筑環(huán)境設(shè)計(jì)教程.中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[2]宋小冬,田峰.建筑日照規(guī)劃管理研討會(huì)會(huì)議綜述[J].城市規(guī)劃學(xué)刊,2005(2).

[3]毛紅衛(wèi),曾劍龍,平川,王洪世.國(guó)家游泳中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能分析[J].暖通空調(diào) HV ＆AC,2007(37).