論風景園林信息模型的概念內涵和技術應用體系

郭 湧

1 風景園林信息模型的概念和內涵

1.1 背景

風景園林實踐在第四次工業革命深刻影響中國科技和社會發展的環境下，面臨急劇變化的實踐條件和要求，亟須抓住機遇快速完成信息化轉型。第四次工業革命被稱為“綠色智能工業革命”[1]，為中國的經濟發展和社會治理變革帶來空前動力，推動中國的工業制造快速向數字化、網絡化、智能化轉型，社會信息化發展進程呈現前所未有的范圍和水平。在此背景下建設行業的信息化發展進入新的階段，企業信息化管理、基于BIM的信息化實踐和成果信息化審查、基于城市信息模型平臺開展信息化、智能化的城市治理，這些新的實踐形式從理論走向實踐。風景園林亟須探索自身的信息化實踐路徑，快速適應并融入宏觀的信息化實踐環境。本文提倡以風景園林信息模型(Landscape Information Modeling，LIM)為路徑，推動風景園林信息化實踐。在此就其概念內涵和技術應用體系的組成加以論述。

1.2 LIM的概念

風景園林信息模型是創建并利用數字化模型對風景園林工程項目的設計、建造和運營全過程進行管理和優化的過程、方法和技術。

LIM是建筑信息模型(BIM)針對風景園林對象，面向風景園林條件和要求的應用，其載體是數字三維模型；其對象以工程項目為主；其發揮作用的范疇包括規劃設計、建造和運營，即項目的“生命周期”；其作用的重點在于依托數據和信息進行管理和優化；其內涵不僅是一種構建數字模型的技術，而且是應用技術的方法體系和實施方法體系的過程。

1.3 LIM的內涵

LIM最為核心的內涵是“information”所體現的信息化；其中的“模型”對應“modeling”這一術語的內涵。奈吉爾·克勞斯認為，規劃設計實踐最主要的方法就是建模(modeling)[2]。設計師使用模型這種特殊的工具將思維與現實聯系起來，設計師“畫圖”的行為是用二維的圖示表達三維的空間，本質上也是一種操作模型工具的行為。從這一觀點出發，可以把LIM理解為以規劃設計為中心向保護、建設、管理延展的風景園林全生命周期信息化實踐。

2 LIM技術思想溯源

2.1 源頭：依托數字技術的科學技術應用

LIM的核心技術思想是實現行業實踐的信息化。這一思想的源頭可以追溯到二戰后的科學理性思維和計算機技術的空前發展為設計領域帶來的新思潮。20世紀50年代設計界出現了以計算機語言和程序邏輯替代設計流程的理論和實踐[3]。此后，規劃設計理論自身的發展，無論是對這一方向的批判還是弘揚都與科學技術的主題緊密伴生。至20世紀60—80年代麥克哈格將科學分析的思想和景觀要素信息分析與綜合方法引入風景園林實踐，至今仍深刻影響行業實踐。同一時代，斯坦尼茲提出動態的景觀變化模型，將風景園林模型發展為一種動態分析的規劃工具，這一規劃模型疊加基于網絡的公眾參與屬性后，發展為如今“地理設計”的框架[4]。

80年代開始風景園林實踐進入數字化時代，在此過程中地理信息系統(GIS)和計算機輔助設計系統(CAD)的發展掀起實踐工具的革新，進而催生了技術思想的進步。旦哲蒙繼承麥克哈格的技術思想開發GIS系統，為風景園林實踐提供了與時空數據交互的工具體系。基于GIS的數據處理，三維模型互動和信息的可視化改變了風景園林規劃的決策過程。Willy Schmid等基于此項技術進步發展了在基礎設施規劃、城市開發，以及環境變化監測等方面利用三維數字模型進行可視化的應用[5]。Eckart Lange利用數字景觀模型模擬人類活動對大地景觀的影響，將其運用于環境影響評價、城市綠地系統規劃、鄉村景觀開發、大尺度景觀規劃與設計，以及參與式的決策制定等諸多領域[6]。這些發展反映了規劃決策越發注重對規劃對象的數據分析和基于信息的決策方式。同時，我國學者在這一時期的數字技術應用前沿做出了創造性探索。劉濱誼利用計算機技術、航測和遙感技術構建數字化模型，基于視覺模擬的方法評價風景“曠奧度”，從中華傳統文化視角出發將主觀感受與數字三維景觀模型匹配，提出“風景景觀環境-感受信息數字模擬”理論，賦予風景園林模型整合“風景景觀環境-感受信息”的能力，探索了應用數字技術進行風景審美和風景評價的功能[7-9]。

2.2 工具：從建筑表述系統到建筑信息模型

20世紀70年代起，計算機輔助設計技術在建筑領域率先發展。1974年匹茲堡大學發布了BDS系統；80年代隨著個人計算機推廣和AutoCAD等應用程序問世，設計行業掀起了數字化工具替代手工繪圖技術的革新，顛覆性地改變了行業的實踐方法和技術思想。AutoCAD技術很快被應用到風景園林及相關領域，出現了AutoMap等面向建筑建造行業的應用[10]，以及整合GIS和CAD的技術應用成果[11]。工作的高效率、準確性、標準化設計、項目的流程化管理等內容成為這一時期技術思想區別于手工繪圖時代的特點。90年代之后，隨著計算機硬件和軟件的發展，三維數字模型的應用開始普及，BIM的概念隨之產生，隨后近20年的發展，BIM成為建筑建造行業信息化發展的主要路徑，其技術思想的主要特點體現在依靠信息技術的交互、協同、數據驅動和仿真模擬等方面。

2.3 小結

技術的發展具有持續演進的特點，而應用技術的思想和能力具有時代性特色。20世紀70年代的BDS被認為是今天BIM系統的濫觴，今天BIM的技術特點在BDS中就已經開發，是近50年來計算機技術、軟件開發技術、工業制造技術等持續的發展才推動了BIM如今越發廣泛的應用。然而技術應用思想和理論并不是線性一貫的，而是隨著使用者的認知和能力體現出階段性的特點。Jillian Walliss和Heike Rahmann考查“二戰”后風景園林設計數字化技術的發展，認為自20世紀50年代至今數字化設計技術的理論經歷了6個發展階段：50年代以“編碼”(code)為特征；60—70年代以“空間分析”(spatial analysis)為特征；70—80年代以“建筑語法”(architectural grammars)為特征；80年代后期到21世紀初以“連續變異”(continuous variation)為特征；21世紀第一個10年內以“參數化”(parametricism)為特征；最近的10年則以“績效”(performance)為特征[12]。根據這一結論，可以將LIM技術思想的源頭定位在70年代以“空間分析”為特征的理論階段。

麥克哈格和斯坦尼茨在70年代的工作通過科學分析的手段和數據采集的方法揭示要素與現象之間的關聯，對要素變化所造成的影響進行評價，將生態學的科學研究方法和成果，以及數字技術發展的前沿進展應用到風景園林實踐中，積極吸收和應用科技發展成果為風景園林實踐賦予新的內涵。遵循科學方法，積極利用最新的科技發展成果，對風景園林實踐的內涵進行積極創新，這些思想包含在LIM技術思想的源頭中。

3 LIM應用與研究的近期進展

LIM的近期進展主要體現在LIM應用政策出臺，數據標準研究啟動，理論構建和人才培養有了新的進展，我國國家政策引導和行業實踐創新發展為LIM應用提出要求、提供條件。

3.1 國內外LIM應用政策的發展

LIM應用政策隨著BIM政策的發展而產生。近5年來，英國、美國、新加坡、俄羅斯和韓國等多個國家相繼頒布了推廣BIM應用的政策，在法律法規、技術標準、經濟補貼和人員培訓等方面實施一系列舉措推進基于BIM的建筑建造行業信息化發展。挪威、丹麥、瑞典、芬蘭和德國等歐洲國家是主要的建筑業信息技術軟件廠商所在地，日本也有先進的軟件產業，這些國家則出于行業的自覺應用逐漸形成了BIM的開放標準和數據資源積累[13]。其中，英國針對風景園林行業BIM應用提出了專門的政策、標準、規范[14]；新加坡出臺BIM應用導則將風景園林主要要素歸入“場地模型”，并進行了模型構建標準的定義[15]。

中國尚未出臺專門的LIM應用政策，但是已經持續近20年在建筑建造行業信息化發展方向上頒布國家與地方政策推動以BIM為核心技術路徑的行業信息化發展。近期，相關政策落實了全過程工程咨詢服務和信息化監管審查的方式，強調了以BIM/CIM(城市信息模型)為依托開展基于新一代信息技術的城市治理。這些政策為LIM的應用奠定了行業實踐的總體環境。

3.2 LIM數據標準開發的進展

以buildingSMART International(bSI)為代表的國際組織開始針對風景園林BIM數據標準展開研究。2018年11月buildingSMART發布行動提案，開始研發場地、景觀和城市規劃的IFC標準，即“場地、景觀、城市規劃的設計、采購與運營基礎數據建模、工作流和數據交換開放標準”。行動提案原計劃于2020年完成標準開發并公開發布，但是由于缺少資金和風景園林專業人員的參與，目前計劃已經拖延。

英國、挪威、美國等國家的行業協會，以及buildingSMART德國和芬蘭等國別機構也在開發各自的場地/景觀設計工作流和相關標準。英國風景園林學會基于“風景園林BIM”(BIM for Landskapsarkitektur)IFC數據框架開發了“風景園林信息模型”數據標準。然而該標準尚未獲得bSI的全面認可，仍需要更廣泛的應用驗證。挪威基于ISO19100標準開發了SOSI5.0(Systematic Organization of Spatial Information)標準，其中專門定制了風景園林要素產品數據模板。美國風景園林學會成立專門委員會推動將BIM整合進風景園林的工作，目前工作主要的討論聚焦在GIS和BIM的綜合，涉及IFC標準的應用等問題，但是仍然缺乏針對風景園林設計工作流的具體解決方案。buidingSMART德國分支近年來逐漸改變其保守的技術思路，開始擁抱更為開放的BIM數據標準，并設立了“風景園林BIM”專業工作組，目前主要討論的是在法律法規、標準規范和德國標準(DIN)方面與風景園林專業的對接問題，并提出了場地信息模型(Site Information Modeling,SIM)的概念。buidingSMART芬蘭分支從2016年開始著手研究風景園林BIM(Landscape BIM)，相關研究結果發展為該國普遍實施的公共基礎設施模型構建要求，以及基于LandXML v1.2.的基礎設施模型定義，其中包括了術語、植被分類、場地條件等風景園林相關內容。從相關數據標準的研究進展看，目前風景園林BIM(或LIM)的國際標準仍處于空白狀態。相關國家初步制定了風景園林BIM的數據標準，大規模的應用和實踐驗證仍然不足。雖然LIM的底層數據標準仍未完善，但是風景園林實踐的各個環節中應用BIM模型的數量明顯增加[16]。

3.3 我國LIM理論研究的進展

我國教育科研領域和行業組織開始積極開展LIM理論構建和人才培養工作。2012年孫鵬、李雄提出在風景園林設計中應用BIM的主張[17]；許天馨、劉雯在曹禮琨的指導下完成了碩士論文《基于BIM的國內自然式公園地形研究》[18]和《基于BIM的風景名勝區規劃范圍數字化科學決策》[19]。2013年東南大學舉辦中國首屆數字景觀國際論壇，邀請Stephen Ervin在論壇上作報告并提出LIM概念和研究問題，深刻影響了國內的LIM研究。隨后相關研究多聚焦于LIM的概念、理論框架和發展展望，以及國外相關發展動態的引介[20-23]。2015年之后相關研究轉向基于規劃設計實踐的設計研究，一系列LIM應用案例發表[24-28]。對LIM內涵多元化的理解和設想隨著實踐項目的驗證和應用研究的深入而趨于統一。最近，LIM的技術研發和應用研究成為研究的重點，主要涉及園林植物模型的研究[29-32]，以及企業應用平臺構建等內容[33]。

3.4 我國LIM人才培養的發展動態

在人才培養方面，東南大學建筑學院連續多年邀請國外專家為研究生開設專題工作營，培訓基于Civil3D和Revit的風景園林BIM工作流，取得了令人矚目的教學成果[34]。清華大學建筑學院從2018年開始連續2年舉辦“風景園林工程BIM應用工作營”，面向高校青年教師和規劃設計單位骨干培訓BIM軟件應用，研討LIM理論和技術，交流教學方法，目前已有12所高校和7家設計單位參加了培訓[35]。中國風景園林學會2018年組織團隊專門考察了新加坡企業風景園林BIM應用，并面向國內風景園林企業開展培訓項目，推廣BIM技術的風景園林應用。

4 風景園林信息模型的技術應用體系

4.1 技術應用體系的構成

LIM的作用和優勢依靠技術的體系化才能充分發揮。根據基于企業平臺的LIM研究成果[33]，LIM技術應用體系包括應用場景、應用技術和實施框架3個方面。應用場景來自于風景園林實踐的內涵和外延，反映了LIM的專業性特點。應用場景提出了對應用技術的需求，決定了使用技術的內容、方法和標準。應用技術來自科學技術發展的成果。應用技術的發展為應用場景提供了創新的動力。二者彼此促進，推動LIM技術應用體系的發展和創新。應用技術的發展需要風景園林學科向廣泛的相關學科交叉融合，主動吸收最新的科技發展成果；應用場景的發展和創新需要風景園林學科深入內省和反思，積極應對新的問題和需要。實施框架則是構建LIM技術應用體系的總體構架，容納技術內容和支撐應用場景，是LIM成為獨立完整技術體系的關鍵(圖1)。

4.2 LIM應用場景

以風景園林工程項目為對象，目前已經有所應用的LIM應用場景包括項目管理、場地研究、規劃設計、深化設計、方案模擬、工程管理、自動施工、苗木物流、運維管理和智慧園林等，與工程項目的生命周期相對應。

項目管理應用場景基于BIM或LIM管理平臺，收集整理項目動態和管理項目信息。例如，基于部所級別的分布式霧計算服務器配合vault等數據管理平臺，對風景園林項目的組織、流程、文件的版本和成果的質量進行動態管理[33](圖2)。

圖1 風景園林信息模型(LIM)技術應用體系示意

場地研究應用場景依靠數字模型及其所承載的數據和信息，對規劃設計對象的場地空間特征、歷史文化內涵、動態發展過程和關鍵控制條件等進行分析，為保護利用和規劃設計決策提供依據。例如地形地貌和匯水的分析、視覺廊道與控高等限制條件的分析、場地歷史格局的分析等[36-38]。

規劃設計、深化設計、方案模擬等應用場景是應用信息模型輔助規劃設計實踐的應用。LIM模型在規劃設計中具有跨尺度的數據融合功能，能為國土空間規劃、生態空間規劃、鄉村景觀規劃等提供專業化數據分析[39]。在深化設計中，對應從概念設計到施工圖設計的不同設計深度，形成不同顆粒度和細化層級(LOD)的模型[40]。在設計方案的迭代和優化中，運用計算機的運算能力對雨洪、水文水動力、風環境、植被、土方和成本等生態、經濟、社會方面的關鍵影響要素進行計算機仿真模擬，從而推動績效分析和優化，實現“綠色”設計[41](圖3～5)。

工程管理、自動施工、苗木物流等應用場景服務于風景園林工程應用。LIM模型可以用于提取材料列表，開展虛擬建造并協調人員、材料、機械等生產要素的動態管理，生成進度管理、安全管理和成本管理的動態報表。LIM模型的數據可以與自動控制施工機械直接銜接，實現土方工程免放線自動施工[42]，以及為苗木的信息化管理和智慧物流提供基礎信息[43]，為“智慧工地”和“數字孿生工地”提供支撐。

運營管理、智慧園林等應用場景服務于公園、園林綠地、城市林地和風景名勝區等對象的運維管理、養護管理、旅游和游憩服務等需要。基于LIM模型，智慧園林系統可以與政務管理平臺相綜合，作為智慧城市的組成部分向城市信息模型(CIM)貢獻專業數據，服務城市的信息化和智能化治理[44]。

LIM的應用場景向外延拓展，與不斷發展的科學技術和更為豐富的產業形態進一步結合，將會呈現越發豐富的價值；其向行業的內涵深入，面向更為細化的專項和類型，將發展為進一步深化的專業應用。因此，LIM應用場景是反映專業實踐內涵與外延在信息化技術條件下所發生變化的重要方面。

4.3 LIM應用技術

LIM應用技術主要依托新一代信息技術在人居環境領域的具體應用，以及來自先進制造技術與新材料、現代農業技術等相關技術成果向本領域的轉移，同時受到生物技術與生命健康、能源與生態環境、空天技術、海洋科技與工程等領域技術創新發展所帶來的影響。

新型智慧城市是新一代信息技術在城市規劃設計建造和管理領域應用的新成果，反映了人居環境領域信息化和智能化技術探索的方向。根據相關學者的總結，新型智慧城市的使能技術包括：人工智能、物聯網、云計算、大數據、5G、智能終端、邊緣計算、建筑信息模型(BIM)、地理信息系統(GIS)、衛星導航定位技術和區塊鏈等[45]。

上述技術內容都是LIM技術應用體系發展所重視的應用技術，其中BIM、GIS，以及衛星導航定位技術是直接作用于LIM應用的核心技術。除此之外，LIM在技術應用過程中涉及計算機數據庫的開發、專業應用程序的開發等內容，還需要計算機技術、軟件開發技術等內容的應用。

在操作實施層面，LIM應用技術包含勘察設計技術、規劃設計技術等專業技能的應用。例如場地基礎數據的收集和處理涉及工程測繪技術、無人機傾斜攝影測量、三維實景數字模型、激光雷達掃描、聲吶探深測量等內容，以及三維數字模型的構建操作等內容[46-47]。

LIM應用技術具有普遍性內涵，自身不反映風景園林專業性。應用這些技術的專業思想、理論、方法，以及應用這些技術所解決的問題讓它們具有LIM的專業化應用屬性；這些技術的成果或應用過程以信息的形式融合，讓它們成為信息模型技術體系的組成部分。

圖2 基于Vault的LIM項目管理平臺界面(王靜慈、徐慧、齊祥程、陳衛剛、劉晶、劉芳菲繪)

4.4 LIM實施框架

LIM實施框架是構成技術應用體系的基礎和保障。實施框架具有多層級的特點，其基層是項目組層級，中心層級是企業層級，主體層級是行業層級，行業層級向上與更為廣泛的BIM專業應用實施層級對接，融入信息化實踐的總體環境。

項目層級LIM實施框架的組織需要項目數據、軟硬件和網絡條件、工作流、人員等要素。項目數據包括通過外部接口與業主單位和管理單位銜接的項目要求、場地基礎數據等內容；以及通過內部接口與項目組的內部成員和外圍合作團隊銜接的項目管理要求、相關標準和技術規范、數據交付標準、協作成果文件等內容。軟件和硬件條件是保障LIM實施的基本工具，網絡條件是實現項目協同的支撐條件，分布式數據管理服務器和中心模型工作站與終端形成的局域網是項目層級LIM實施的基礎單元，基礎單元可以進一步基于霧計算系統或私有云、公有云的構架進行并聯擴大規模。工作流在項目層級的LIM實施中具有靈活性，可根據具體的使用需求構建適宜且高效的工作流。人員的組織需要在傳統的項目組基礎上安排專人負責LIM實施，可由掌握相關技術的項目經理兼任，需要在項目準備階段增加LIM實施技術協調會，確認團隊內部的分工和責任[48]。

企業層級的實施框架主要包括技術構架、管理構架和協同構架。技術架構包括IT環境資源、人力資源和信息資源。環境資源指軟硬件技術條件、網絡環境及配置等；人力資源指相關技術和管理人員；信息資源指經標準化處理所形成的可重復利用的信息，如模型庫、構件庫、知識庫等數據庫。管理構架指技術應用的管理環境，規定了項目團隊內部技術操作的方法，包括項目管理流程、質量審查流程、相關標準和規范等。協同構架指項目成果交付規則，為項目團隊參與多專業配合和全周期管理制定數據交換的規則，如外部協作數據的管理方法、模型檢查規范、交付物內容、深度及數據格式等[49]。

行業層級的實施框架主要包括LIM標準體系、LIM共享資源庫、LIM知識庫和LIM實施協調機制。LIM標準化是行業層級實施框架的重點，其中自主的LIM數據標準是重中之重。在其基礎上可以構建為行業整體服務的資源庫和知識庫，如統一數據標準下的產品信息模型庫、苗木信息模型庫、技術培訓資源等，作為LIM產業化持續發展的支撐。LIM實施協調機制為企業提供培訓和咨詢，代表行業進行技術交流和規則制定，支持和推廣LIM應用，并推動LIM在BIM/CIM實踐環境中充分發揮專業作用。

5 討論：LIM研究的問題與方向

根據建設領域信息化發展的整體趨勢，風景園林行業實踐需要抓緊融入以BIM為技術路徑，CIM為協同平臺的信息化實踐環境，從而推動行業高質量發展轉型。因此，發展LIM從而為行業實踐的信息化發展提供與時俱進的工具平臺和方法體系實屬必要。

目前LIM研究從概念引介和理念框架探討的階段進入面向應用的設計研究和技術開發階段。相較于國家對科技革新的總體要求和建設領域信息化發展的進程，LIM處于后發地位，仍面臨亟待解決的關鍵問題。其主要內容體現在以下三方面。

1)缺少緊密結合我國風景園林建設實踐的LIM底層數據標準。BIM的核心內涵是數據的共享和協同，實現路徑不依賴于任何系統的中間實踐標準，如IFC等底層數據標準。現有的國外數據標準多以建筑外環境或市政基礎設施為主體，將風景園林要素作為從屬性內涵加以定義。這些數據標準不能完全滿足我國風景園林建設實踐在工程內容、尺度規模、項目管理制度和協同機制等方面所具有的特點和需要。因此需要開發風景園林BIM底層數據標準，即LIM數據標準。這一工作因為與風景園林的實踐緊密相關，所以不能完全依靠IT工程師和軟件開發人員完成，必須由風景園林師依托自身專業特長完成。

LIM數據標準是LIM技術體系的基石，也是LIM發揮項目管理和優化不可缺少的基礎條件。

2)全面系統應用LIM的工程實踐案例不足。目前的LIM工程項目案例對技術的應用呈現片段化特點，或集中在規劃設計階段，或集中在工程建造過程的某個局部，反映LIM生命周期特點的綜合性案例較少，在LIM理論指導下綜合應用LIM數據開展分析、管理、優化的案例則更為缺乏。面向應用的LIM研究需要基于項目的設計研究過程，開展“貫穿設計的研究”(RID)以發展LIM工作流和LIM技術應用體系，并以最佳實踐案例的形式總結和推廣LIM應用經驗，明確LIM實施的成果要求。

3)缺乏前瞻性的技術理論研究和先進技術儲備。LIM是行業信息化實踐的路徑，也是風景園林實踐從數字化向智能化發展的必經階段。在社會信息化進程快速發展的背景下，需要對面向未來的應用場景、應用技術和支撐構架展開研究，為智能化行業實踐進行必要的技術儲備。目前，面向5G、人工智能、物聯網等新一代信息技術在風景園林智能化實踐中應用的研究仍然相對缺乏。

圖3 基于LIM模型的方案施工可行性驗證(Andreas Luka、胡子威、李睿繪)

圖4 基于LIM模型的方案影響評價：風環境影響數值模擬(閆少寧繪)

圖5 基于LIM模型的三維施工圖設計界面(郭湧、閆少寧繪)

綜合以上LIM技術應用體系的發展現狀和問題可以判斷，LIM研究進一步發展的關鍵方向包括LIM底層數據標準研究、結合重大項目的技術應用研究、新一代信息技術的深度融合技術試驗等。開展LIM研究還可以從具體的專項技術著手進行LIM應用技術研究，從項目類型細分入手開展LIM應用場景研究，從行業實踐組織、行業標準和技術規范、企業經營管理和軟硬件開發等方面深入開展LIM實施框架的研究。此外，針對風景園林實踐中的具體問題，以問題為導向，以技術解決方案為目標，也可以形成有益的LIM研究。因此，LIM研究可以形成一個廣闊的研究領域，為風景園林行業實踐和學科發展拓展新的內涵。

注：圖1由作者繪制，圖2～5引自第八屆“創新杯”建筑信息模型(BIM)應用大賽優秀綠色設計BIM應用獎獲獎項目報獎材料。