緊湊條件下的宜居——BIM在城市微環境模擬中的應用

劉 宏 謝 宜 張家立

(1．佛山國土資源與和城鄉規劃局，佛山 528000;2．華中科技大學BIM工程中心，武漢 430074;3．廣州優比建筑咨詢有限公司，廣州 510640)

1 背景資料

進入21世紀以來中國經濟發展非常迅速，伴隨而來的是高速城市化發展帶來的負面問題，其中，“病態城市”的不斷增多是最突出的問題。所謂“病態城市”，是指現代城市面臨的土地資源日漸枯竭、人口過度膨脹、建設投資入不敷出、交通擁堵、人居環境日趨惡化等諸多病態。目前，世界范圍的大城市都面臨著同樣的問題。

經多方研究表明，城市作為一種極具效益同時又具有發散效應的人類生存空間，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、交通占用時間越長，汽車燃油消耗越多、尾氣污染越重、城市噪音越強，人居環境越差、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發展的總禍根。只有通過土地利用集約化，實現城市高度緊湊，才能消除城市松散的諸多弊端，實現城市的可持續發展。因此，城市可持續發展問題的核心是土地利用集約化。

圖1 “病態城市”——城市土地粗放利用造成的結果

近年世界各國已開始意識到西方國家尤其是美國，其城市發展模式是不可持續且不可復制的，以美國為例，它以占5%世界總人口卻消耗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，美國城市造成的環境污染也是全世界最高的，而其根本原因是其蔓延式發展的郊區城市化發展模式。

早在2000年，100多個國家代表參加了世界未來城市大會，并發表了《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，城市再這樣發展，全球將發生生態性災難，因此必須竭力發展出另一種城市模式，緊湊型城市應該是可持續發展城市的遠景。由亞洲人居環境協會發起主辦、聯合國人局署駐亞太區辦事處、日本福岡市政府聯合主辦的第二屆亞洲人居環境國際峰會于2006年提出的《綠色亞洲人居環境宣言》第四條明確提出倡導緊湊城市。亞洲作為全球人口最多、面積最大、經濟發展最活躍的地區，城市化進程已經進入了快速、復雜的發展階段。

中國近年也對“攤大餅”的城市發展模式進行了反思，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建設的區域，加上生態綠地，就像一個葡萄藤、葡萄葉、葡萄珠之間的關系，有序地安排城市發展的空間，有序組織城市建設。重慶城市發展也放棄北美模式，在2009年提出了“章魚式”發展，一個主城，多個衛星城由快軌連接，快軌兩側是綠化帶，其核心是“分散——緊湊型”城市組團。“分散”是指城市的“多中心”，而不是過度的城市蔓延。“緊湊”是指每個城市組團內以步行距離為半徑，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展上付諸行動。時任國家建設部副部長國家仇保興博士在2006年《緊湊度和多樣性——我國城市可持續發展的核心理念》一文中也明確了觀點:“我認為，無論從國外城市化的歷史經驗或我國國情來看，建設用地的緊湊度和城市的多樣性應該是我國城市可持續發展的核心理念。”

緊湊新城鎮發展是一種可持續的綠色的發展模式，我們在關注城市緊湊節約化發展的同時，也要關注城鎮的宜居。

宜居城市建設是城市發展到后工業化階段的產物。宜居性比較強的城市是具有良好的居住和空間環境、人文社會環境、生態與自然環境和清潔高效的生產環境的居住地。1996年聯合國第二次人居大會提出了城市應當是適宜居住的人類居住地的概念。此概念一經提出就在國際社會形成了廣泛共識，成為21世紀新的城市觀。中國也在2000年在建設部主持下設立了“中國人居環境獎”。2005年，在國務院批復的《北京城市總體規劃》中首次出現“宜居城市”概念。

從我國的現實情況看，在當前城市化高速發展的今天，一些城市在反思“大城市病”的同時，開始追求“幸福指數”、“健康城市”、“綠色城市”，許多中國政府官員已經意識到，當今中國城市居民的幸福指數并不簡單取決于人均GDP或人均收入，還取決于當地的自然環境、居住條件、安全狀況以及市民的精神狀態等。綜上所述，如何實現城市緊湊條件下的宜居，已經變得非常緊迫，值得我們持續關注與思考。

2 BIM應用于緊湊條件下城市宜居的技術思路

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、微觀三個層面的含義。從宏觀層面來看，宜居城市應該具備良好的城市大環境，包括自然生態環境、社會人文環境、人工建筑設施環境在內，是一個復雜的巨系統;從中觀層面來看，宜居城市應該具備規劃設計合理、生活設施齊備、環境優美、和諧親切的社區環境;從微觀層面來看，宜居城市應該具備單體建筑內部良好的居室環境，包括居住面積適宜、房屋結構合理、衛生設施先進，以及良好的通風、采光、隔音等功效。

從城市規劃專業角度看，城市宜居的宏觀、中觀和微觀與規劃專業的城市總體規劃、控制性詳細規劃和修建性詳細規劃在層次上比較契合，城市規劃管理比較注重城市整體定位和發展方向、城市功能分區和用地性質把握、城市建筑空間的合理性。在城市宜居方面與城市規劃方面結合來看，總體上應該從城市定位入手，開發與生態保護并重，并注重城市各區定位，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，各基礎設施完善，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造更有利生活舒適的條件。

目前城市規劃信息化工作已經開展很多年，從最初的電子報批到現在的GIS統一信息平臺和三維仿真系統，無論是從城市管理角度還是從城市規劃技術手段都有了很大的提高。規劃信息化工作是為整個城市規劃設計、規劃研究和規劃決策提供輔助的技術工作，其技術層次和成果多樣性可以直接影響規劃者在設計、研究和決策的綜合信息量，也直接影響規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劃者提供第一手的信息資料，達到規劃從定性到定量的轉變，最終實現城市規劃空間精細化管理的目的，這需要有一種新的技術方法來統籌整個工作思路。要實現緊湊條件下的城市宜居，總的來說，需要從生態學角度和規劃學角度兩個方向入手，通過生態學嚴謹的評價體系對城市規劃合理性給出評價，或者從城市現狀進行規劃檢討過程中將生態學引入，從評價結果對下一步的城市規劃給出基本的方向和前提，這是從城市規劃角度實現緊湊條件下的城市宜居的基本思想。技術方面，從現有國內外的一些文獻和案例分析，除了現有的GIS系統外，還需要引入一種新的技術手段來對規劃方案和現狀進行生態方面的模擬和評估，達到規劃生態化指標量化，這種新的技術手段就是BIM。

經過二十一世紀近十年的快速發展，BIM技術(英文全稱:Building Information Modeling;中文名稱:建筑信息模型)已經成為城市工程建設行業的主要支撐技術和方法，通過全球范圍的研究和實際工程應用，BIM已經被證明是未來提升工程建設行業技術及管理升級的核心技術。因BIM具有參數化、信息化、可視化等特點，所以其數據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、微環境生態分析等領域發揮出巨大優勢，讓傳統的三維可視化規劃管理提升到定量的可視化分析高度，為城市規劃管理者提供更科學的依據。

BIM是目前實現可計算信息模型的一種概念和總結，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。城市規劃是一個四維信息模型，其包含了規劃學里的各種實體，包括自然三維實體，人工三維實體及這些實體在時間空間演變的一個時間維度。BIM可以說是現有規劃三維仿真輔助決策系統的拓展和延伸，但是從技術角度，它是一個全新的技術理念，其覆蓋的信息更廣，所能拓展的計算領域更加多樣化和復雜化，這為城市規劃的量化提供了廣闊的空間，能使城市規劃指標體系多樣化和精細化，這為城市規劃管理者提供更加豐富詳細的多樣化信息，是為規劃管理者在規劃設計、規劃研究和決策時提供輔助決策信息的重要技術手段。

緊湊條件下城市宜居的模擬和評價需要將現有現狀與規劃方案中的三維要素進行BIM模型建立，并且將信息附加到模型上，以GIS信息平臺作為用地和建筑數據支撐。城市空間的所有三維要素均有其物理屬性和化學屬性，物理屬性如尺寸、形狀等;化學屬性如其材質的各類化學屬性等。將這些BIM模型放入專業的計算平臺中進行其化學屬性與物理屬性的提取，就能進行專業的模擬和推演，得到整個城市空間的一些生態數據，如熱量的吸收與釋放、溫度場的分布、噪音擴散云圖、空氣污染顆粒及濃度分布等等，這些數據與城市建筑空間結構和用地布局等有著密不可分的關系，城市空間的多樣性將大大導致這些數據的多樣性。模擬生成的數據直接對城市現狀和規劃方案產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是實現在既定規劃指標下的城市空間布局對城市生態影響最小，或者是通過城市空間布局改善城市人居的舒適度。通過BIM模型的模擬和評估，在規劃研究過程中對這些指標反復進行模擬和改善，最終達到規劃經濟指標與生態指標良好融合。

3 應用案例——南方某城市城鄉規劃微環境模擬平臺

南方某城市在基于BIM的規劃微環境分析方面做了較深入的探索，目前正在建設“某某市城市規劃微環境模擬平臺”，其主要功能是模擬城市規劃修建性詳細規劃階段城市空間的微環境，如模擬建筑物空間結構的日照關系、風環境、熱工、空間景觀的可視度和噪音分析等，除此以外，該平臺還涵蓋了目前三維仿真平臺的基本功能，如指標查詢、用地功能與建筑索引分類等。

該城鄉規劃微環境模擬平臺是在建立城市規劃BIM模型的基礎上，通過微環境模擬，對城市規劃修建性詳細規劃進行微環境指標模擬并評估，并以此評估結果對控規的用地指標進行修正和對修建性詳細規劃的建筑空間布局進行調控，輔助城市規劃管理和城市規劃設計。

圖2－圖7是該平臺產生的部分成果。

圖7 遮擋百分比分析圖

4 小結

從世界各國的發展情況來看，城市緊湊集約化和生態化發展已成為必然趨勢，BIM技術也正在逐漸成為一種新的城市規劃建設核心技術，BIM的多維信息模型、屬性信息管理手段，與生態分析技術相結合，在分析模擬城市規劃區域的生態指標等方面表現出強大優勢，為實現緊湊條件下城市的宜居提供了必不可少的技術實現手段。雖然目前很多應用還處于初級階段，但其應用前景廣闊，無論是城市新區規劃建設或是舊城改造，通過專業分析都可達到優化規劃設計，創造高舒適度空間的作用，對當前我國政府發展緊湊條件下的宜居城市具有很強的現實意義。

［1］仇保興．緊湊度和多樣性——我國城市可持續發展的核心理念，城市規劃，2006年第11期．

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

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

［4］何關培．BIM總論，中國建筑工業出版社，2011年5月．