舒斌龍
王忠杰
王兆辰
孫明峰
風(fēng)景園林信息模型(Landscape Information Modeling,LIM)的概念由哈佛大學(xué)Ervin教授提出[1],衍生自BIM技術(shù),是面向風(fēng)景園林行業(yè)的獨(dú)特表達(dá),以實(shí)現(xiàn)園林工程項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、建造到后期運(yùn)營管理的信息無損交換為目標(biāo)[2]。這一概念已逐漸被各國行業(yè)協(xié)會(huì)認(rèn)可,并成為推進(jìn)行業(yè)信息化發(fā)展的核心技術(shù)[3]。隨著中國生態(tài)文明與信息化建設(shè)的加速推進(jìn),正在邁向信息化的風(fēng)景園林行業(yè)已顯現(xiàn)出對(duì)于LIM技術(shù)應(yīng)用的迫切需求。在近些年國內(nèi)外的理論研究基礎(chǔ)上,LIM技術(shù)正逐漸步入實(shí)際工作流程,與地理信息系統(tǒng)一道成為風(fēng)景園林行業(yè)邁向信息化的主要手段[4]。通過融入更多BIM軟件的應(yīng)用,LIM技術(shù)框架得到了進(jìn)一步拓展。在產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)項(xiàng)目的支撐下,LIM形成了更為標(biāo)準(zhǔn)化、完善化的實(shí)踐應(yīng)用體系[5]。2019年風(fēng)景園林工程國際會(huì)議在清華大學(xué)召開,主題即圍繞LIM的信息化設(shè)計(jì)與施工,引起行業(yè)的廣泛關(guān)注。LIM技術(shù)自此進(jìn)入了從理論研究邁向?qū)嵺`應(yīng)用的新階段。
風(fēng)景園林行業(yè)的信息化格局對(duì)精細(xì)、高效的核心技術(shù)虛位以待,信息模型與信息應(yīng)用形成了明顯的供需關(guān)系。目前我國的LIM理論研究與技術(shù)應(yīng)用存在斷層,尚未形成一套完整、可推廣的LIM模型建構(gòu)技術(shù),從而難以實(shí)現(xiàn)完整的信息化工作流程,也很難與信息化平臺(tái)進(jìn)行模型信息的完整對(duì)接,導(dǎo)致LIM技術(shù)在實(shí)踐項(xiàng)目中應(yīng)用不足。由此可見,推行LIM技術(shù)在風(fēng)景園林實(shí)踐中的應(yīng)用,具有重要的實(shí)驗(yàn)價(jià)值和推廣意義。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)下的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作流呈現(xiàn)單向線性模式,各環(huán)節(jié)之間缺乏協(xié)同性和可逆性(圖1)。而LIM技術(shù)在園林設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是一個(gè)以LIM為中心進(jìn)行信息發(fā)散和信息反饋的工作流。圍繞同一個(gè)LIM模型進(jìn)行正向設(shè)計(jì),能夠完成不同專業(yè)和不同階段的信息成果,當(dāng)這些信息集中在一個(gè)LIM模型中,可以實(shí)時(shí)反饋各專業(yè)、各階段中存在的協(xié)同問題,以此進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,避免相互之間的沖突,形成完整、精確的信息化項(xiàng)目模型,從而更好地對(duì)接施工建造平臺(tái)和信息化管理平臺(tái)(圖2)。
實(shí)現(xiàn)LIM工作流,需要一套完善的建模技術(shù)和信息應(yīng)用路徑。本文以北京市通州區(qū)云景公園為例,從建模技術(shù)和信息應(yīng)用2個(gè)方面對(duì)LIM技術(shù)在實(shí)踐項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行探索。
應(yīng)用Autodesk Civil 3D、Autodesk Revit等軟件,參考《公園設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51192—2016)的章節(jié)劃分[6],將云景公園按地形、道路與鋪裝場(chǎng)地、建構(gòu)筑物、給排水工程,以及植物景觀5個(gè)部分進(jìn)行建模和論述,同時(shí)分析LIM技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段的差異。
云景公園場(chǎng)地東側(cè)存在較多方形魚塘,方案利用這些魚塘改造為景觀湖區(qū),一方面實(shí)現(xiàn)控規(guī)對(duì)水體面積的要求,另一方面通過挖湖堆山構(gòu)建公園山水格局和空間基底。豎向設(shè)計(jì)是風(fēng)景園林設(shè)計(jì)的核心,利用LIM技術(shù)進(jìn)行地形建模,通過輸入測(cè)繪數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)等高線等各類地形特征要素,得到精確的不規(guī)則三角網(wǎng)曲面(TIN Surface)地形,包括現(xiàn)狀地形和設(shè)計(jì)地形。
2.1.1 現(xiàn)狀地形
云景公園現(xiàn)狀地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括測(cè)繪高程點(diǎn)、魚塘邊界線和紅線范圍等。將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Autodesk Civil 3D以生成初步的基礎(chǔ)地形,但這一基礎(chǔ)地形尚不能完全精確反映現(xiàn)狀,需要使用高程賦值后的魚塘邊界線刻畫場(chǎng)地,加入紅線邊界以限定場(chǎng)地范圍,即可還原出相對(duì)精確的現(xiàn)狀地形(圖3)。現(xiàn)狀地形作為基準(zhǔn)曲面,也可用于高程的相關(guān)分析,為后續(xù)土方工程計(jì)算提供依據(jù)。

圖1 傳統(tǒng)線性工作流
2.1.2 設(shè)計(jì)地形
云景公園的山水格局在方案構(gòu)思階段定形定量,通過二維等高線或三維數(shù)字模型表達(dá)出空間關(guān)系和高程點(diǎn)等信息,再利用LIM技術(shù)進(jìn)一步精確化設(shè)計(jì)。以設(shè)計(jì)等高線的方式導(dǎo)入Civil 3D,建立初步的設(shè)計(jì)地形曲面,利用設(shè)計(jì)道路及場(chǎng)地邊緣作為特征要素線,并結(jié)合土方量、坡度等關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),對(duì)設(shè)計(jì)地形進(jìn)行反復(fù)調(diào)整,以形成較為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)地形曲面。最后通過水位線作為等高線和邊界來獲取不同標(biāo)高的水面,將水面單獨(dú)疊加到設(shè)計(jì)曲面上,得到最終的精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)地形(圖4)。
利用LIM技術(shù)做豎向設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,其優(yōu)點(diǎn)在于參數(shù)化和精準(zhǔn)化。在云景公園的設(shè)計(jì)過程中,由于土方供給條件的變化,圍繞挖填方量對(duì)豎向設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次調(diào)整,而Civil 3D的參數(shù)化功能可以實(shí)現(xiàn)模型與信息的同步更新,可快速復(fù)核土方量,為豎向設(shè)計(jì)提供極大便利。同時(shí),LIM技術(shù)在地形建模的過程中,充分融合工程建造思維,精準(zhǔn)控制排水方向、坡度和相關(guān)的地形銜接關(guān)系,可得到更為精確合理的地形方案。

圖2 LIM正向設(shè)計(jì)工作流
云景公園設(shè)計(jì)了多個(gè)出入口廣場(chǎng)、濱水廣場(chǎng)和林間場(chǎng)地,并以3個(gè)級(jí)別的園路進(jìn)行串聯(lián)。LIM在構(gòu)建道路和場(chǎng)地模型的同時(shí),綜合考慮其與周邊豎向地形、給排水、電力管線和綠化種植等的銜接,使場(chǎng)地和道路設(shè)計(jì)更具可實(shí)施性。
2.2.1 道路及交叉口建模
Civil 3D可以通過道路“中軸線、縱斷面、橫斷面”三要素生成參數(shù)化的道路模型(圖5)。中軸線反映道路的位置和走向,縱斷面反映了道路和地形的關(guān)系及道路縱坡,橫斷面反映了道路的寬度、橫坡和斷面構(gòu)造做法。云景公園的道路分為3個(gè)級(jí)別,在設(shè)計(jì)好線路和縱坡之后,只用3組橫斷面裝配即可完成建模(圖6)。在Civil 3D中,當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑豎向設(shè)計(jì)不符合要求時(shí),交叉口建模往往會(huì)失敗。這一節(jié)點(diǎn)的反復(fù)修改也是對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)校核。

圖3 云景公園現(xiàn)狀地形建模

圖4 云景公園設(shè)計(jì)地形建模
相比于傳統(tǒng)的道路建模,LIM的道路建模則包含了道路精準(zhǔn)且完整的構(gòu)造及數(shù)據(jù)信息,提高了設(shè)計(jì)和施工的精準(zhǔn)性。項(xiàng)目的精準(zhǔn)化建造也是風(fēng)景園林行業(yè)信息化的助推劑。
2.2.2 場(chǎng)地建模
以云景公園北入口廣場(chǎng)為例,LIM模型需要完成入口廣場(chǎng)與園路、周邊地形、管線和植物的銜接,場(chǎng)地本身的豎向坡度、鋪裝的構(gòu)造做法,以及景墻欄桿的細(xì)部構(gòu)造等內(nèi)容,達(dá)到可施工精度。在Civil 3D中,通過調(diào)整場(chǎng)地邊緣特征線控制點(diǎn)的高程,實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地與道路和地形的銜接。在場(chǎng)地內(nèi)部通過控制高點(diǎn)及變坡線,得到排水方向和坡度的反饋,做出及時(shí)調(diào)整,從而得到較為精確的TIN曲面。場(chǎng)地最低處設(shè)雨水井和排水管線,管線設(shè)置避開擋墻基礎(chǔ)和周邊植物的點(diǎn)位,以防發(fā)生碰撞。通過使用的裝配和材質(zhì)可生成詳細(xì)的構(gòu)造做法信息。節(jié)點(diǎn)內(nèi)的景墻和欄桿等內(nèi)容則在Revit中進(jìn)一步細(xì)化(圖7)。
LIM的場(chǎng)地建模是全方位、全要素的,包括地上和地下兩部分,地上部分涉及場(chǎng)地的高程豎向、構(gòu)造做法等;地下部分展現(xiàn)場(chǎng)地與植物、基礎(chǔ)和各類管線的關(guān)系,不再局限于傳統(tǒng)表面形象的展示(圖8)。
在云景公園建模過程中,出于模型管理的需求,重要節(jié)點(diǎn)和建構(gòu)筑物需要單獨(dú)細(xì)化。Autodesk Revit擁有對(duì)帶有各類建造信息的構(gòu)件進(jìn)行組織的能力,不同于建筑BIM中的“建筑為主體、族為零件”的邏輯,LIM需要轉(zhuǎn)變思維,將場(chǎng)地景觀視為主體,景觀中的建構(gòu)筑物視為“零件”。
族是Revit管理模型的基本概念。將項(xiàng)目中的亭、橋等建構(gòu)筑物進(jìn)行單獨(dú)建模(圖9),單次使用的構(gòu)件可使用內(nèi)建族建模,需要重復(fù)利用的構(gòu)件如云景亭中的柱、梁等則可使用系統(tǒng)族進(jìn)行建模。另外,大部分園林小品、山石等可作為可載入族進(jìn)行建模。園林項(xiàng)目中的預(yù)設(shè)系統(tǒng)族包括一些標(biāo)準(zhǔn)工程做法的構(gòu)件,如護(hù)欄、駁岸和擋土墻等。
不同于傳統(tǒng)建構(gòu)筑物建模的邏輯,Revit的建模過程可以對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)反饋的施工圖紙,建構(gòu)筑物構(gòu)造做法對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)的信息明細(xì)表,省去了從概念模型到施工圖紙繪制的時(shí)間,同時(shí)也能利用詳細(xì)的物料統(tǒng)計(jì)信息來控制工程成本。

圖5 道路建模三要素

圖6 道路建模

圖7 云景公園場(chǎng)地建模

圖8 云景公園道路場(chǎng)地與地下管線
給排水工程作為風(fēng)景園林項(xiàng)目的重要一環(huán),卻很難在設(shè)計(jì)構(gòu)思階段得到完善的統(tǒng)籌考慮,而LIM的正向設(shè)計(jì)在項(xiàng)目之初就會(huì)考慮給排水工程的建模,地下管線工程的精確建模不僅能得到更完整的信息庫,也能為項(xiàng)目整體提供更完善可靠的基礎(chǔ)工程,同時(shí)還能為碰撞檢測(cè)提供依據(jù)。給水管道的布局與道路場(chǎng)地、植物和建構(gòu)筑物息息相關(guān),LIM通過三維圖示來檢測(cè)地下管線與地上各要素之間的設(shè)計(jì)是否合理。
Civil 3D中有多種預(yù)設(shè)的管線裝配形式,包括管道直徑、長(zhǎng)度和材質(zhì)等,建模的邏輯與道路建模相似,也是通過“中軸線、縱斷面、橫斷面”來生成管廊。
在LIM模型中,植物是景觀的一群“零件”,由于數(shù)量龐大,樹種庫缺失,植物板塊目前還未找到有效的信息化建模方法。在此提供2種植物信息化建模方法以供探討和參考。
1)參數(shù)化植物設(shè)計(jì)。根據(jù)種植設(shè)計(jì)常用的布置手法,利用參數(shù)化邏輯定義孤植、列植、片植3種種植方式。以“點(diǎn)”代表的孤植、以“曲線”和“間距”代表的列植,以及以閉合曲線“范圍”和“數(shù)量”(單位面積)代表的片植3種方式的綜合使用可形成最終的種植空間點(diǎn)位。將種植點(diǎn)位賦予樹種、規(guī)格、價(jià)格和生態(tài)習(xí)性等苗木信息后便能生成完整的參數(shù)化和信息化種植設(shè)計(jì)方案[6]。以此為基礎(chǔ)生成苗木信息表,并進(jìn)行下一步苗木采購、放線和栽植等工作(圖10)。

圖9 云景亭模型與結(jié)構(gòu)類別明細(xì)

圖10 植物景觀建模思路

圖11 云景亭表現(xiàn)圖

圖12 云景公園豎向分析圖

圖13 云景公園土方施工圖
2)借助平臺(tái),將整個(gè)種植設(shè)計(jì)模塊單獨(dú)解決。如光輝城市MARS,其擁有不斷完善的樹種資源庫,除了具備傳統(tǒng)的渲染功能之外,還可以通過從樹種庫中選取植物在三維場(chǎng)景直接放置的方式進(jìn)行種植設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)片植、列植,以及不同樹種搭配下的批量放置。每個(gè)植物模型都關(guān)聯(lián)有相應(yīng)的苗木信息,在完成建模后即可得到相應(yīng)的苗木統(tǒng)計(jì)信息。未來還將實(shí)現(xiàn)不同苗齡、不同季節(jié)的植物模型可視化表達(dá)(圖10)和模型反向輸出二維圖紙等。

圖14 云景公園施工圖
風(fēng)景園林作為一個(gè)多專業(yè)交融的學(xué)科行業(yè),在信息化的道路上需要建立一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。LIM技術(shù)的應(yīng)用可為各專業(yè)板塊提供一個(gè)共同的模型搭建平臺(tái),采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同與協(xié)作。由景觀方案團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)Civil 3D地形、道路和場(chǎng)地建模;建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)Revit的建構(gòu)筑物、景觀橋梁建模;植物團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)種植設(shè)計(jì)工作;水電團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)LIM管廊建模,各團(tuán)隊(duì)各司其職,精準(zhǔn)對(duì)接,最終納入Revit進(jìn)行整合,形成相對(duì)完整的LIM模型。完整LIM建模工作的拆分整合,是多專業(yè)協(xié)同的基本模式[7],各專業(yè)內(nèi)容也能在統(tǒng)一的模型空間中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)落位。云景公園LIM模型的建構(gòu)不僅是一種技術(shù)的探索,更是對(duì)于新的工作組織方式的探索。
數(shù)據(jù)信息是LIM技術(shù)的核心價(jià)值。LIM信息的獲取可分為“從模型導(dǎo)出信息”和“將模型作為信息”2種情形。前者包括圖紙類信息和數(shù)據(jù)類信息等,后者指對(duì)LIM模型文件的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以模型作為信息成果交付到具體的應(yīng)用平臺(tái),由平臺(tái)進(jìn)行信息二次導(dǎo)出應(yīng)用。

圖15 LIM全生命周期流程
圖紙類信息導(dǎo)出是LIM技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐項(xiàng)目所要實(shí)現(xiàn)的首要功能。LIM導(dǎo)出的圖紙可實(shí)現(xiàn)與模型的可視化聯(lián)動(dòng),提高出圖效率和準(zhǔn)確性,包括效果圖、分析圖和施工圖等[8]。
LIM模型可以結(jié)合渲染軟件導(dǎo)出效果圖。視頻渲染和VR演示則是更高級(jí)的效果展示,其本質(zhì)都是對(duì)模型圖形及材質(zhì)信息的可視化。云景公園項(xiàng)目過程中,利用Enscape與Revit的結(jié)合,得到了云景亭的實(shí)時(shí)渲染效果(圖11)。
基于模型的幾何屬性和模擬的環(huán)境空間信息,可以對(duì)場(chǎng)地坡度、坡向、匯水和光照等要素進(jìn)行分析與可視化表達(dá)。提取模型屬性字段中的有效信息,通過可自定義的符號(hào)系統(tǒng),生成針對(duì)不同問題的數(shù)據(jù)分析圖。如云景公園的高程、坡向和匯水分析圖(圖12),對(duì)方案推敲起到了良好的指導(dǎo)作用[9]。
LIM軟件具有豐富的標(biāo)注功能,可以根據(jù)模型生成施工圖,如Civil 3D可以生成土方施工圖(圖13),并利用AutoCAD的布局進(jìn)行圖紙排版。Revit可以圍繞同一模型,在不同視角和樣式下生成可聯(lián)動(dòng)的多張施工圖(圖14)。但目前還缺少符合國內(nèi)相關(guān)規(guī)范的出圖樣式標(biāo)準(zhǔn)。
除了幾何屬性之外,LIM模型還包含許多數(shù)據(jù)信息,這些數(shù)據(jù)以一定的規(guī)則儲(chǔ)存在模型中,軟件可以將這些數(shù)據(jù)組織成為可讀取的信息,以參數(shù)化表格的形式實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息的量化、反饋與修改。如Civil 3D可以生成道路土方報(bào)表;Revit可以提取族屬性,導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)表(圖9);基于帶有苗木信息的樹種模型庫建立的模型,可以生成苗木表。
通過與其他軟件或信息化平臺(tái)相對(duì)接,按照不同需求對(duì)信息進(jìn)行提取與組織,是LIM模型信息的另一種應(yīng)用方式。如Autodesk Navisworks可以基于信息模型進(jìn)行多專業(yè)成果協(xié)同、三維漫游、碰撞檢測(cè),以及四維(時(shí)間)五維(成本)管理等工作。LIM模型還可以交付于政府審查、業(yè)主管理和施工運(yùn)維等領(lǐng)域的信息平臺(tái),作為推動(dòng)行業(yè)信息化的核心技術(shù)[10]。
LIM技術(shù)的應(yīng)用路徑能夠完美地對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的全生命周期(圖15)。立項(xiàng)審查階段,審批部門的審查平臺(tái)能從設(shè)計(jì)方提供的LIM模型中提取審查信息,按照預(yù)設(shè)指標(biāo)項(xiàng)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行審查。勘察設(shè)計(jì)階段,LIM模型的建構(gòu)可以輔助設(shè)計(jì)分析與方案構(gòu)成。施工階段隨著信息化的發(fā)展逐步實(shí)現(xiàn)信息化建造,開發(fā)智慧施工平臺(tái),提取LIM模型中的信息,對(duì)施工場(chǎng)地布置、材料采購、質(zhì)量監(jiān)督和工期管理等各個(gè)方面實(shí)現(xiàn)全面把控。運(yùn)維管理階段可利用LIM模型進(jìn)行安全檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)管理等工作,還可以將LIM對(duì)接政府信息化管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)城市管理和公眾參與評(píng)價(jià)等功能。
從項(xiàng)目運(yùn)作的角度來看,LIM的應(yīng)用覆蓋了從立項(xiàng)到交付的全流程;從技術(shù)的內(nèi)在角度來講,以LIM模型為媒介,讓信息通過這一媒介傳遞到各方參與者,參與者通過對(duì)這一信息媒介的共建共營,以LIM為平臺(tái)服務(wù)項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)工具、信息和角色等要素在項(xiàng)目全生命周期中的閉環(huán)。
以云景公園LIM模型的建構(gòu)初步探索LIM技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用,希望通過LIM建模技術(shù)構(gòu)建一個(gè)完整的信息化模型,從模型中獲取信息數(shù)據(jù),進(jìn)而形成從模型出發(fā)的信息傳遞路徑,通向多樣化的信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
隨著信息化的發(fā)展,LIM技術(shù)應(yīng)用必將推動(dòng)行業(yè)的變革。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域新技術(shù)的相關(guān)政策明確了政務(wù)管理平臺(tái)的信息化趨勢(shì)。政府將統(tǒng)一格式的項(xiàng)目成果模型納入數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行項(xiàng)目審查、決策和可視化表達(dá)等工作。LIM模型以更精簡(jiǎn)、更合理的數(shù)據(jù)對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)成果進(jìn)行交付,以滿足政務(wù)管理平臺(tái)的各項(xiàng)需求。施工建設(shè)領(lǐng)域,除了參考LIM技術(shù)去解決部分建造問題之外,以信息模型為核心的施工建設(shè)信息平臺(tái)也在迅速發(fā)展。EPC項(xiàng)目總承包機(jī)制的推廣,讓LIM技術(shù)的受益頻次更加集中,更好地鼓勵(lì)承包單位在項(xiàng)目中運(yùn)用LIM技術(shù)。LIM與EPC項(xiàng)目總承包機(jī)制相輔相成,前者提供技術(shù)支持,后者為新技術(shù)提供鼓勵(lì)機(jī)制,給LIM的發(fā)展提供了更加廣闊的空間與更為良好的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。不同的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)為L(zhǎng)IM的信息應(yīng)用層次提供更明確的指導(dǎo),讓模型應(yīng)用方式逐漸范式化、標(biāo)準(zhǔn)化。
注:文中圖片均由作者繪制。
致謝:感謝中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院風(fēng)景園林與景觀研究分院園林工程設(shè)計(jì)所馬浩然所長(zhǎng)對(duì)本文的指導(dǎo),感謝云景公園項(xiàng)目組成員在項(xiàng)目中的付出,以及對(duì)項(xiàng)目成果的分享。