緊湊條件下的宜居——BIM在城市微環(huán)境模擬中的應(yīng)用

劉 宏 謝 宜 張家立

(1．佛山國土資源與和城鄉(xiāng)規(guī)劃局，佛山 528000;2．華中科技大學(xué)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 背景資料

進(jìn)入21世紀(jì)以來中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速，伴隨而來的是高速城市化發(fā)展帶來的負(fù)面問題，其中，“病態(tài)城市”的不斷增多是最突出的問題。所謂“病態(tài)城市”，是指現(xiàn)代城市面臨的土地資源日漸枯竭、人口過度膨脹、建設(shè)投資入不敷出、交通擁堵、人居環(huán)境日趨惡化等諸多病態(tài)。目前，世界范圍的大城市都面臨著同樣的問題。

經(jīng)多方研究表明，城市作為一種極具效益同時(shí)又具有發(fā)散效應(yīng)的人類生存空間，并不是占地越多越好。恰恰相反，城市越松散，管理的難度越大、死角越多、治安越差，對(duì)汽車交通越加依賴、城市交通總量越大、交通擁堵越重、交通占用時(shí)間越長，汽車燃油消耗越多、尾氣污染越重、城市噪音越強(qiáng)，人居環(huán)境越差、城市效率越低。

造成城市松散的原因主要是城市土地粗放利用，表面看起來是多占用了土地，從深層次上看，它是城市全面不可持續(xù)發(fā)展的總禍根。只有通過土地利用集約化，實(shí)現(xiàn)城市高度緊湊，才能消除城市松散的諸多弊端，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。因此，城市可持續(xù)發(fā)展問題的核心是土地利用集約化。

圖1 “病態(tài)城市”——城市土地粗放利用造成的結(jié)果

近年世界各國已開始意識(shí)到西方國家尤其是美國，其城市發(fā)展模式是不可持續(xù)且不可復(fù)制的，以美國為例，它以占5%世界總?cè)丝趨s消耗30%的世界總資源，美國人的平均能源消耗是中國的10倍，是印度的20倍，是全世界平均水平的5倍，美國城市造成的環(huán)境污染也是全世界最高的，而其根本原因是其蔓延式發(fā)展的郊區(qū)城市化發(fā)展模式。

早在2000年，100多個(gè)國家代表參加了世界未來城市大會(huì)，并發(fā)表了《柏林宣言》，指出占世界人口三分之一的城市消耗了全球三分之二的資源，城市再這樣發(fā)展，全球?qū)l(fā)生生態(tài)性災(zāi)難，因此必須竭力發(fā)展出另一種城市模式，緊湊型城市應(yīng)該是可持續(xù)發(fā)展城市的遠(yuǎn)景。由亞洲人居環(huán)境協(xié)會(huì)發(fā)起主辦、聯(lián)合國人局署駐亞太區(qū)辦事處、日本福岡市政府聯(lián)合主辦的第二屆亞洲人居環(huán)境國際峰會(huì)于2006年提出的《綠色亞洲人居環(huán)境宣言》第四條明確提出倡導(dǎo)緊湊城市。亞洲作為全球人口最多、面積最大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍的地區(qū)，城市化進(jìn)程已經(jīng)進(jìn)入了快速、復(fù)雜的發(fā)展階段。

中國近年也對(duì)“攤大餅”的城市發(fā)展模式進(jìn)行了反思，例如北京的城市布局將走出以往“攤大餅”式的思維，取而代之的是吳良鏞教授提出的“串葡萄”模式，“串葡萄”即交通軸加上一些城鎮(zhèn)建設(shè)的區(qū)域，加上生態(tài)綠地，就像一個(gè)葡萄藤、葡萄葉、葡萄珠之間的關(guān)系，有序地安排城市發(fā)展的空間，有序組織城市建設(shè)。重慶城市發(fā)展也放棄北美模式，在2009年提出了“章魚式”發(fā)展，一個(gè)主城，多個(gè)衛(wèi)星城由快軌連接，快軌兩側(cè)是綠化帶，其核心是“分散——緊湊型”城市組團(tuán)?！胺稚ⅰ笔侵赋鞘械摹岸嘀行摹?，而不是過度的城市蔓延?！熬o湊”是指每個(gè)城市組團(tuán)內(nèi)以步行距離為半徑，盡可能在控制密度的前提下提高其空間利用率。其他城市如廣州、杭州、深圳、佛山等等都以在城市緊湊發(fā)展上付諸行動(dòng)。時(shí)任國家建設(shè)部副部長國家仇保興博士在2006年《緊湊度和多樣性——我國城市可持續(xù)發(fā)展的核心理念》一文中也明確了觀點(diǎn):“我認(rèn)為，無論從國外城市化的歷史經(jīng)驗(yàn)或我國國情來看，建設(shè)用地的緊湊度和城市的多樣性應(yīng)該是我國城市可持續(xù)發(fā)展的核心理念?！?/p>

緊湊新城鎮(zhèn)發(fā)展是一種可持續(xù)的綠色的發(fā)展模式，我們在關(guān)注城市緊湊節(jié)約化發(fā)展的同時(shí)，也要關(guān)注城鎮(zhèn)的宜居。

宜居城市建設(shè)是城市發(fā)展到后工業(yè)化階段的產(chǎn)物。宜居性比較強(qiáng)的城市是具有良好的居住和空間環(huán)境、人文社會(huì)環(huán)境、生態(tài)與自然環(huán)境和清潔高效的生產(chǎn)環(huán)境的居住地。1996年聯(lián)合國第二次人居大會(huì)提出了城市應(yīng)當(dāng)是適宜居住的人類居住地的概念。此概念一經(jīng)提出就在國際社會(huì)形成了廣泛共識(shí)，成為21世紀(jì)新的城市觀。中國也在2000年在建設(shè)部主持下設(shè)立了“中國人居環(huán)境獎(jiǎng)”。2005年，在國務(wù)院批復(fù)的《北京城市總體規(guī)劃》中首次出現(xiàn)“宜居城市”概念。

從我國的現(xiàn)實(shí)情況看，在當(dāng)前城市化高速發(fā)展的今天，一些城市在反思“大城市病”的同時(shí)，開始追求“幸福指數(shù)”、“健康城市”、“綠色城市”，許多中國政府官員已經(jīng)意識(shí)到，當(dāng)今中國城市居民的幸福指數(shù)并不簡單取決于人均GDP或人均收入，還取決于當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、居住條件、安全狀況以及市民的精神狀態(tài)等。綜上所述，如何實(shí)現(xiàn)城市緊湊條件下的宜居，已經(jīng)變得非常緊迫，值得我們持續(xù)關(guān)注與思考。

2 BIM應(yīng)用于緊湊條件下城市宜居的技術(shù)思路

城市的緊湊條件和城市宜居并不矛盾，宜居城市有宏觀、中觀、微觀三個(gè)層面的含義。從宏觀層面來看，宜居城市應(yīng)該具備良好的城市大環(huán)境，包括自然生態(tài)環(huán)境、社會(huì)人文環(huán)境、人工建筑設(shè)施環(huán)境在內(nèi)，是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng);從中觀層面來看，宜居城市應(yīng)該具備規(guī)劃設(shè)計(jì)合理、生活設(shè)施齊備、環(huán)境優(yōu)美、和諧親切的社區(qū)環(huán)境;從微觀層面來看，宜居城市應(yīng)該具備單體建筑內(nèi)部良好的居室環(huán)境，包括居住面積適宜、房屋結(jié)構(gòu)合理、衛(wèi)生設(shè)施先進(jìn)，以及良好的通風(fēng)、采光、隔音等功效。

從城市規(guī)劃專業(yè)角度看，城市宜居的宏觀、中觀和微觀與規(guī)劃專業(yè)的城市總體規(guī)劃、控制性詳細(xì)規(guī)劃和修建性詳細(xì)規(guī)劃在層次上比較契合，城市規(guī)劃管理比較注重城市整體定位和發(fā)展方向、城市功能分區(qū)和用地性質(zhì)把握、城市建筑空間的合理性。在城市宜居方面與城市規(guī)劃方面結(jié)合來看，總體上應(yīng)該從城市定位入手，開發(fā)與生態(tài)保護(hù)并重，并注重城市各區(qū)定位，交通空間舒暢，城市人口層次分布合理等;在用地方面注重用地功能分布合理，各基礎(chǔ)設(shè)施完善，城市居民生活便捷，綠地空間分布合理等;在建筑空間方面注重建筑的合理布局，城市建筑天際線合理，建筑空間的布局為城市小氣候創(chuàng)造更有利生活舒適的條件。

目前城市規(guī)劃信息化工作已經(jīng)開展很多年，從最初的電子報(bào)批到現(xiàn)在的GIS統(tǒng)一信息平臺(tái)和三維仿真系統(tǒng)，無論是從城市管理角度還是從城市規(guī)劃技術(shù)手段都有了很大的提高。規(guī)劃信息化工作是為整個(gè)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、規(guī)劃研究和規(guī)劃決策提供輔助的技術(shù)工作，其技術(shù)層次和成果多樣性可以直接影響規(guī)劃者在設(shè)計(jì)、研究和決策的綜合信息量，也直接影響規(guī)劃者得最后成果和決策。

就緊湊條件下的城市宜居來說，如何利用信息化手段為城市規(guī)劃者提供第一手的信息資料，達(dá)到規(guī)劃從定性到定量的轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃空間精細(xì)化管理的目的，這需要有一種新的技術(shù)方法來統(tǒng)籌整個(gè)工作思路。要實(shí)現(xiàn)緊湊條件下的城市宜居，總的來說，需要從生態(tài)學(xué)角度和規(guī)劃學(xué)角度兩個(gè)方向入手，通過生態(tài)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)價(jià)體系對(duì)城市規(guī)劃合理性給出評(píng)價(jià)，或者從城市現(xiàn)狀進(jìn)行規(guī)劃檢討過程中將生態(tài)學(xué)引入，從評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)下一步的城市規(guī)劃給出基本的方向和前提，這是從城市規(guī)劃角度實(shí)現(xiàn)緊湊條件下的城市宜居的基本思想。技術(shù)方面，從現(xiàn)有國內(nèi)外的一些文獻(xiàn)和案例分析，除了現(xiàn)有的GIS系統(tǒng)外，還需要引入一種新的技術(shù)手段來對(duì)規(guī)劃方案和現(xiàn)狀進(jìn)行生態(tài)方面的模擬和評(píng)估，達(dá)到規(guī)劃生態(tài)化指標(biāo)量化，這種新的技術(shù)手段就是BIM。

經(jīng)過二十一世紀(jì)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)已經(jīng)成為城市工程建設(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(shí)際工程應(yīng)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(jí)的核心技術(shù)。因BIM具有參數(shù)化、信息化、可視化等特點(diǎn)，所以其數(shù)據(jù)可為城市管理者提供可視化的輔助決策分析。尤其在城市景觀、微環(huán)境生態(tài)分析等領(lǐng)域發(fā)揮出巨大優(yōu)勢，讓傳統(tǒng)的三維可視化規(guī)劃管理提升到定量的可視化分析高度，為城市規(guī)劃管理者提供更科學(xué)的依據(jù)。

BIM是目前實(shí)現(xiàn)可計(jì)算信息模型的一種概念和總結(jié)，它將單純的空間模型提升到了信息模型的程度，將以往二維信息空間提升到了四維信息空間。城市規(guī)劃是一個(gè)四維信息模型，其包含了規(guī)劃學(xué)里的各種實(shí)體，包括自然三維實(shí)體，人工三維實(shí)體及這些實(shí)體在時(shí)間空間演變的一個(gè)時(shí)間維度。BIM可以說是現(xiàn)有規(guī)劃三維仿真輔助決策系統(tǒng)的拓展和延伸，但是從技術(shù)角度，它是一個(gè)全新的技術(shù)理念，其覆蓋的信息更廣，所能拓展的計(jì)算領(lǐng)域更加多樣化和復(fù)雜化，這為城市規(guī)劃的量化提供了廣闊的空間，能使城市規(guī)劃指標(biāo)體系多樣化和精細(xì)化，這為城市規(guī)劃管理者提供更加豐富詳細(xì)的多樣化信息，是為規(guī)劃管理者在規(guī)劃設(shè)計(jì)、規(guī)劃研究和決策時(shí)提供輔助決策信息的重要技術(shù)手段。

緊湊條件下城市宜居的模擬和評(píng)價(jià)需要將現(xiàn)有現(xiàn)狀與規(guī)劃方案中的三維要素進(jìn)行BIM模型建立，并且將信息附加到模型上，以GIS信息平臺(tái)作為用地和建筑數(shù)據(jù)支撐。城市空間的所有三維要素均有其物理屬性和化學(xué)屬性，物理屬性如尺寸、形狀等;化學(xué)屬性如其材質(zhì)的各類化學(xué)屬性等。將這些BIM模型放入專業(yè)的計(jì)算平臺(tái)中進(jìn)行其化學(xué)屬性與物理屬性的提取，就能進(jìn)行專業(yè)的模擬和推演，得到整個(gè)城市空間的一些生態(tài)數(shù)據(jù)，如熱量的吸收與釋放、溫度場的分布、噪音擴(kuò)散云圖、空氣污染顆粒及濃度分布等等，這些數(shù)據(jù)與城市建筑空間結(jié)構(gòu)和用地布局等有著密不可分的關(guān)系，城市空間的多樣性將大大導(dǎo)致這些數(shù)據(jù)的多樣性。模擬生成的數(shù)據(jù)直接對(duì)城市現(xiàn)狀和規(guī)劃方案產(chǎn)生重要的研究和決策影響。

緊湊條件下的城市宜居主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在既定規(guī)劃指標(biāo)下的城市空間布局對(duì)城市生態(tài)影響最小，或者是通過城市空間布局改善城市人居的舒適度。通過BIM模型的模擬和評(píng)估，在規(guī)劃研究過程中對(duì)這些指標(biāo)反復(fù)進(jìn)行模擬和改善，最終達(dá)到規(guī)劃經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與生態(tài)指標(biāo)良好融合。

3 應(yīng)用案例——南方某城市城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境模擬平臺(tái)

南方某城市在基于BIM的規(guī)劃微環(huán)境分析方面做了較深入的探索，目前正在建設(shè)“某某市城市規(guī)劃微環(huán)境模擬平臺(tái)”，其主要功能是模擬城市規(guī)劃修建性詳細(xì)規(guī)劃階段城市空間的微環(huán)境，如模擬建筑物空間結(jié)構(gòu)的日照關(guān)系、風(fēng)環(huán)境、熱工、空間景觀的可視度和噪音分析等，除此以外，該平臺(tái)還涵蓋了目前三維仿真平臺(tái)的基本功能，如指標(biāo)查詢、用地功能與建筑索引分類等。

該城鄉(xiāng)規(guī)劃微環(huán)境模擬平臺(tái)是在建立城市規(guī)劃BIM模型的基礎(chǔ)上，通過微環(huán)境模擬，對(duì)城市規(guī)劃修建性詳細(xì)規(guī)劃進(jìn)行微環(huán)境指標(biāo)模擬并評(píng)估，并以此評(píng)估結(jié)果對(duì)控規(guī)的用地指標(biāo)進(jìn)行修正和對(duì)修建性詳細(xì)規(guī)劃的建筑空間布局進(jìn)行調(diào)控，輔助城市規(guī)劃管理和城市規(guī)劃設(shè)計(jì)。

圖2－圖7是該平臺(tái)產(chǎn)生的部分成果。

圖7 遮擋百分比分析圖

4 小結(jié)

從世界各國的發(fā)展情況來看，城市緊湊集約化和生態(tài)化發(fā)展已成為必然趨勢，BIM技術(shù)也正在逐漸成為一種新的城市規(guī)劃建設(shè)核心技術(shù)，BIM的多維信息模型、屬性信息管理手段，與生態(tài)分析技術(shù)相結(jié)合，在分析模擬城市規(guī)劃區(qū)域的生態(tài)指標(biāo)等方面表現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)緊湊條件下城市的宜居提供了必不可少的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。雖然目前很多應(yīng)用還處于初級(jí)階段，但其應(yīng)用前景廣闊，無論是城市新區(qū)規(guī)劃建設(shè)或是舊城改造，通過專業(yè)分析都可達(dá)到優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)，創(chuàng)造高舒適度空間的作用，對(duì)當(dāng)前我國政府發(fā)展緊湊條件下的宜居城市具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］仇保興．緊湊度和多樣性——我國城市可持續(xù)發(fā)展的核心理念，城市規(guī)劃，2006年第11期．

［2］徐新，范明林．緊湊城市——宜居、多樣和可持續(xù)的城市發(fā)展，上海人民出版社，2010年6月．

［3］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(píng)估［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(3):51-57．

［4］何關(guān)培．BIM總論，中國建筑工業(yè)出版社，2011年5月．