“十方聚合，和城共生”理念下BIM在城市設計中的運用
——以南和縣城總體城市設計為例

文/葉兆麗 河北省城鄉規劃設計研究院 規劃研究所副所長

/汪麗君 天津大學建筑學院

/徐 軍 天津大學建筑設計規劃研究總院

城鄉規劃設計研究

“十方聚合，和城共生”理念下BIM在城市設計中的運用
——以南和縣城總體城市設計為例

文/葉兆麗 河北省城鄉規劃設計研究院 規劃研究所副所長

/汪麗君 天津大學建筑學院

/徐 軍 天津大學建筑設計規劃研究總院

本文基于城市空間形態理論研究，以南和縣城總體城市設計為例，通過BIM技術在方案設計、方案優化、方案實施等過程中的運用進行城市設計創新實踐，試圖探索出一種基于BIM的城市空間形態設計模式，旨在使傳統的城市設計過程更加理性、科學，以期達到綠色可持續的城市空間形態。

BIM；城市設計；綠色空間形態；物理環境；可視化導則

1 引言

隨著城鎮化的快速發展，城市特色危機日益嚴重，營造城市空間形態，進行城市設計迫在眉睫。近年我國北方大部分城市持續多日的霧霾，也使城市人居環境成為人們關注的熱點。作為人居環境載體的城市空間對于城市人居環境品質有著深刻的影響，因而進行城市設計，研究城市空間形態對構建生態宜居城市具有重要意義。

南和是一座有著2100年歷史的燕趙古城，是邢臺市中心城區的東部衛星城,歷史環境優美、歷史勝跡眾多、歷代賢臣倍出，史有“小江南”之美譽。隨著社會的演進和發展，南和原有的特色逐漸淡化，雖然歷史的空間機理尚能依稀可辯，但老城原有的“官帽”城市形態基本被分解，唯有原學宮（現為小學）前元代古槐樹下居民們圍坐閑談的情景能喚起對歷史空間形態的追憶。在南和縣城快速發展與建設階段，如何有效整合城市空間要素、有機構建綠色空間形態、持續提升城市環境品質是亟待解決的難題。筆者在南和縣

城總體城市設計中，高度關注城市形態和城市空間環境之間的關系，為了實現“自然與城市、歷史與未來、城市與農村、經濟與文化”四個共生的景觀效益，結合當地傳統文化，導入“十方聚合，和城共生”的設計理念，采用基于“共生城市”的設計手法，將傳統“和”文化與生態宜居功能充分融合。在此設計理念下，通過對BIM理念和方法的研究，運用BIM技術，試圖探索出一種基于BIM的更加科學、理性的城市空間形態設計模式，并嘗試從城市空間形態方面改善提升城市環境質量，從而實現城市的健康、持續發展。

2 BIM于城市空間形態領域的發展背景

起源于西方的城市形態學早期的研究多基于歷史演變、空間美學和空間認知，如康澤恩的城鎮平面分析，凱文·林奇的城市空間意象，羅西的類型——形態學研究等多屬于定性研究的范疇。隨后逐漸興起的空間句法、分形理論等開始關注城市空間形態的定量研究，主要涉及形體幾何關系的參數化表述、形態結構的數學表述和空間結構的數據化表述。1980年代起在可持續發展思想的引導下，“生態城市”、“綠色城市”等概念相繼被提出。作為生態城市的一個研究方向，西方學界開始關注城市形態與城市空間環境之間的關系。隨著研究逐漸深入，城市空間環境與城市形態之間存在的密不可分的關系逐漸被確立。城市設計實踐證明通過調整建筑的組合方式來改善城市空間的自然氣候條件是可行的，此后調節城市物質空間形態以改善城市的空間環境質量逐漸成為城市設計與研究的目標。但是傳統的城市設計過程與空間分析已顯示出其局限性，使得研究者不斷尋求一種能提高分析與決策功能的新工具，解決城市空間形態設計在微觀層面生態指標的量化。20世紀末期整合了大量建筑信息的模型技術——BIM的出現和發展給這種情況帶來了改善的契機。①

3 BIM在《南和縣城總體城市設計》中的運用實踐

在“十方聚合，和城共生”的設計理念下，以“一心雙核，五帶七區” ②為城市空間結構（圖1），運用BIM理念和技術，通過片區、路徑、節點從宏觀、中觀到微觀逐層控制城市空間形態，使得傳統“和”文化在生態宜居城市層面得以傳承和升華。（圖2）

圖1 南和縣城市空間結構圖

圖2 南和縣城總體城市空間形態

3.1 基于BIM的三維可視化分析

建立BIM模型，從三維空間入手進行方案設計與調整，并對重點核心地段進行景觀可視度分析。通過三維模擬和數據分析，優化建筑體量大小、空間布局緊湊度、開放空間疏密度等空間要素，以提高核心區域的景觀可視度。（圖3）

圖3 綜合商貿區空間形態及可視度分析圖

3.2 基于BIM的城市物理環境模擬

通過BIM生態分析平臺加載外部環境數據進行方案的物理環境模擬分析，包括自然環境下城市空間區域內的光環境感知、熱環境感知、聲環境感知等，為方案優化提供依據。

3.2.1聲環境

采用BIM三維聲源分析，在城市空間區域內對周邊建筑特別是噪聲敏感性強的建筑做出噪聲分析。重點選取行政辦公區和綜合商業區的建筑空間進行模擬和評估,通過噪音污染源和交通噪音數據，模擬噪音源污染對周邊建筑的實際影響，優化道路界面、街廓形態、開放空間、節點景觀等聲環境影響要素，從而達到綠色空間形態的聲環境要求。（圖4）

圖4 文體行政區空間形態及聲環境分析圖

3.2.2 光環境

BIM軟件可以對城市空間的光環境進行模擬分析，包括日影分析和輻射分析。日影分析提供了建筑遮擋陰影、太陽光線追蹤等多種計算和顯示方式，可以為空間形態布局提供參照依據。輻射分析能夠精確計算模型任何表面上太陽的輻射強度和反射眩光計算，并以圖表的形式顯示逐時輻射量或者某一時段的總量，為城市環境中的光污染提供輔助分析手段。在該項目方案設計中，重點對歷史記憶區進行分析評價，根據BIM分析光環境指標優化該街區的建筑布局、建筑體量、街道形態和景觀種植等。（圖5）

圖5 南和縣城市輻射分析圖

3.2.3 熱環境

通過對城市空間的熱環境進行BIM技術模擬以及綜合評價，對方案進行不斷地調整和優化，使得建成后的環境能夠提供最大的人體舒適度，同時消耗最少的能源。該項目采用流體計算力學(CFD)軟件，結合氣象數據，重點對城市居住區進行風環境模擬，從而對建筑群的熱島效應、風速流場云圖進行綜合分析，優化建筑群空間關系，實現最合理的空間布局。（圖6）

本次城市導則的編制基于BIM的理念和技術，通過對生態自然環境、歷史人文環境和空間形態環境的綜合考慮，分別對區塊劃分、街道網絡、空間形態、建筑設計要求等方面進行城市設計的引導和控制，使其既有創意又富有彈性，既具有可操作性又有連續決策性和可持續發展的可能。

圖6 行政辦公區及居住區風環境分析圖

3.3.1 基于BIM的信息集成

BIM理念強調信息的集成與共享。通過BIM模型的建立，集成城市設計圖示語言與控規指標，導則在定性、定量和圖文結合方式下形成了富有特色的彈性控制。（圖7）導則納入控規體系中的“規定性信息”，將兩者進行有效銜接，建立法定化的空間管制方法，賦予其明確的法定效力，控制性詳細規劃在三維空間層面的指導效力也能得到有效的提升，可以有效推動高品質的城市空間環境建設。

3.3.2 基于BIM的可視化表達

BIM理念強調信息共享及計算機協同工作。BIM可視化導則既支持傳統的二維方式顯示以及圖示表達，還支持三維方式、動畫方式顯示。并且可以通過網絡使各種信息得到有效的管理與應用。可視化導則具有信息化、交互化、社會化的特點，尤其是網絡與虛擬現實技術及多媒體的結合，可提供快速、方便、直觀的方案展示，有利于提高公眾參與的積極性。

圖7 城市設計導則文本表達

4 基于BIM的城市設計方法探索

傳統城市設計關注的是基于視覺“美”的城市空間形態，缺乏對城市空間性能品質方面的研究。BIM技術應用于城市設計中，可以使整個過程科學化、信息化、可持續化，在方案設計的任意階段都能夠方便快捷地得到直觀、準確的設計方案性能反饋信息。筆者通過BIM在南和縣城總體城市設計的運用實踐中，探索了一種基于BIM的城市設計方法。

4.1 方案設計：從三維空間入手，建立“美”視覺形態

BIM立足于三維空間，可以進行多方案的實時比較和城市設計元素的實時編輯，并通過不斷變換角度對其造型、單元組合進行觀察、思考、推敲、修改，最后達至方案的確定。通過BIM對地標性建筑作區域景觀可視度分析，可以增進其可達性，避免在設計過程中用主觀臆斷代替實際情況而引起設計失誤，以更科學的手段為城市空間形態建立視覺“美”。

4.2 方案優化：從生態性能入手，追求“高”品質空間

將BIM信息模型引入城市設計當中，建立不同層次的城市空間信息模型，綜合現有的GIS數據、氣象數據和外部環境數據，分析模擬城市發展趨勢及空間形態所產生的物理環境等一系列人居環境參數，使得城市空間環境品質無法表達的隱形指標通過計算量化出來，從而實現真正意義上的城市空間生態設計。(圖8)

4.3 方案實施：從可持續性入手，實現“多”信息共享

城市設計方案的實施依賴于城市設計導則，基于BIM的城市設計導則表現形式除了圖紙、文字外，還有數據以及可視化的數字信息，各種信息可以得到有效的管理和應用。同時BIM技術支持多種方式的數據表達與信息傳輸，為整個設計過程提供了信息的共享環境，使得信息的利用效率提高，為方案的可持續性提供了保障。

圖8 基于BIM的城市設計優化過程圖示

5 結語

借助地緣優勢，基于BIM在《南和縣城總體城市設計》中的運用，妥善處理了城市形態與城市空間環境的關系，構建了 “綠色城市空間形態”，因而該項目獲得了河北省優秀城鄉規劃設計一等獎和全國優秀城鄉規劃設計表揚獎。

城市空間形態是人們通過各種方式去認識、感知并反映城市整體的意象總體。通過對城市空間形態的研究，可從縱向和橫向兩方面的比較探討城市自身的發展規律，解釋城市發展中的多種現象，并預測城市未來發展。深入研究基于BIM的城市空間形態規劃方式和方法，進一步探討如何建立一種基于BIM的科學量化方法以有效表征城市空間形態的差異與優劣，以及如何基于BIM建立起城市空間形態的參數指標體系與城市空間品質的對應關系，這都是未來BIM與城市空間形態的關聯性研究趨勢。

1 Oke T. Street Design and Urban Canopy Layer Climate[J]. Energy and Buildings, 1988(11):103-113.

2 Baker N., Steemers K. Thermal Comfort in Outdoor Urban Spaces: Understanding the human parameter[J].Solar Energy,2001,70(3): 227-235.

3 何關陪編.BIM總論.北京：中國建筑工業出版社，2011

4 李建成等編.數字化建筑設計概論.北京：中國建筑工業出版社，2008 .