基于風(fēng)景園林信息模型(LIM)的山地景觀地形參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究
——以Civil 3D和InfraWorks交互設(shè)計(jì)為例

崔 星 婁 娟 張媛媛 魏 雯 程梓易

山地景觀是中國常見的景觀類型，面積占國土面積的60%以上[1]。山地與平地在景觀規(guī)劃方法上存在明顯差異[2]。基于科學(xué)性分析的山地景觀設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)地調(diào)研與勘測[3]、地理空間與生境分析[4]、景觀信息數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析[5]等方法，實(shí)現(xiàn)對山地景觀的科學(xué)規(guī)劃。由于山地地形豎向多變，其精準(zhǔn)設(shè)計(jì)受到諸多技術(shù)上的限制，因此在傳統(tǒng)山地地形設(shè)計(jì)中，很難將山地三維模型設(shè)計(jì)與二維地形設(shè)計(jì)集成在同一景觀信息模型中開展規(guī)劃。同時(shí)，缺少目標(biāo)參數(shù)控制的地形設(shè)計(jì)勢必在工程質(zhì)量、工程管理和工程造價(jià)等環(huán)節(jié)付出額外成本。隨著風(fēng)景園林信息模型(Landscape Information Modeling，LIM)平臺技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)關(guān)聯(lián)與過程描述的參數(shù)化設(shè)計(jì)憑借其方案比對及優(yōu)化更新等特性在景觀設(shè)計(jì)行業(yè)受到高度關(guān)注[6]。LIM與BIM同源[7]，是創(chuàng)建利用數(shù)字化模型對風(fēng)景園林工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營全過程實(shí)施管理和優(yōu)化的過程、方法與技術(shù)[8]。1988年，劉濱誼建立了以電子計(jì)算機(jī)和航測為主要手段的風(fēng)景信息集取處理和風(fēng)景環(huán)境信息空間形態(tài)評價(jià)程序框架，并提出在景觀規(guī)劃中采取主觀感受判斷和風(fēng)景客觀描述相結(jié)合的“主-客”觀評價(jià)方法[9]，這是國內(nèi)較早有關(guān)LIM的研究。隨著LIM體系不斷發(fā)展與變化，眾多學(xué)者將BIM、GIS技術(shù)作為LIM研究的主要技術(shù)手段并取得了豐碩的研究成果。郭湧在理論與實(shí)踐探索中逐步完善LIM的概念內(nèi)涵與技術(shù)應(yīng)用體系，將BIM作為LIM的技術(shù)基礎(chǔ)，應(yīng)用Civil 3D對秦始皇陵園進(jìn)行數(shù)字地面模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)，探索了LIM構(gòu)建技術(shù)路徑[10]，并確立了以Civil 3D為核心的LIM模板開發(fā)，以及基于“霧計(jì)算”技術(shù)的“互聯(lián)網(wǎng)+”LIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，通過12項(xiàng)[11]實(shí)踐研究驗(yàn)證了LIM在景觀規(guī)劃中的科學(xué)性與必要性；成玉寧通過GIS技術(shù)在南京牛首山水景設(shè)計(jì)分析與規(guī)劃中將景觀信息模型理念與景觀參數(shù)化設(shè)計(jì)機(jī)制應(yīng)用于工程實(shí)踐中[12]，豐富了LIM的研究方法，認(rèn)為LIM和BIM在概念和內(nèi)涵上具有相似性。由于風(fēng)景園林設(shè)計(jì)存在缺乏量化分析與評價(jià)體系、信息傳遞缺乏精準(zhǔn)度、協(xié)同作業(yè)難度大及信息交流困難等問題，因此構(gòu)建基于交互式參數(shù)化設(shè)計(jì)的LIM系統(tǒng)勢在必行[13]118-119。包瑞清[14]應(yīng)用Python、Grasshopper等編程語言，探索參數(shù)化協(xié)同處理的景觀設(shè)計(jì)路徑，并構(gòu)建城市空間數(shù)據(jù)分析方法，同時(shí)將風(fēng)景園林學(xué)等相關(guān)專業(yè)研究程序與方法基于“代碼結(jié)構(gòu)途徑”，通過編程突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺技術(shù)的束縛，完善了LIM的構(gòu)建技術(shù)。此外，通過劉東云等[15]、舒斌龍等[16]、劉雯等[17]、Andreas等[18]的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，針對場地、道路、水景、建筑和植物等景觀要素，BIM平臺技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的景觀信息模型，并為景觀前期的分析與設(shè)計(jì)、中期的建設(shè)管理及后期的景觀評價(jià)與運(yùn)營提供信息集成。以上學(xué)者通過對LIM理論與實(shí)踐的研究，構(gòu)建了基于LIM的景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)路徑與技術(shù)方法。山地作為我國常見的地形地貌，其精準(zhǔn)和精細(xì)化設(shè)計(jì)需要在技術(shù)和方法上有新的探索與實(shí)踐。因此，本研究通過BIM平臺信息交互設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建基于LIM的山地地形參數(shù)化設(shè)計(jì)路徑，以期為山地地形設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)方法。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以重慶神女湖山地場地和道路設(shè)計(jì)為研究對象，探討B(tài)IM平臺中地形參數(shù)化交互設(shè)計(jì)技術(shù)方法。借助Global Mapper、Civil 3D和InfraWorks完成二維地形圖和三維地形模型可視化交互設(shè)計(jì)，探索基于LIM概念的山地地形參數(shù)化交互設(shè)計(jì)技術(shù)路徑。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自BigeMap數(shù)據(jù)下載，坐標(biāo)系為北京54高斯投影坐標(biāo)，數(shù)據(jù)格式為地面數(shù)字高程，地面影像如圖1所示。采集時(shí)間為2009年，分辨率12.5m。區(qū)位為重慶永川區(qū)神女湖山地風(fēng)景區(qū)。

圖1 神女湖山地影像(1-1)與高程數(shù)據(jù)(1-2)

1.3 技術(shù)路線

技術(shù)路線分為3個(gè)部分：1)基于Civil 3D和InfraWorks的數(shù)據(jù)可視化地形分析；2)基于InfraWorks的可視化地形概念設(shè)計(jì)；3)基于Civil 3D的二維地形精細(xì)化設(shè)計(jì)。通過地形分析與設(shè)計(jì)編輯，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)分析與設(shè)計(jì)編輯的LIM模型，實(shí)現(xiàn)對山地地形精細(xì)和精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)控制。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

2 基于InfraWorks-Civil 3D的地形可視化分析與設(shè)計(jì)

在Civil 3D中創(chuàng)建地形曲面，將地形曲面文件導(dǎo)入InfraWorks得到地形模型(圖3-1)，將Raster tools插件地理配準(zhǔn)的衛(wèi)圖加載在地形曲面模型中，得到可視化原始地形影像模型(圖3-2)，反映出植物、山體、水體等地表主要景觀要素和地形特征；通過查詢參數(shù)獲得模型地形的高程為315～495m，坡度為0°～43°。通過Civil 3D與InfraWorks信息交流實(shí)現(xiàn)了矢量二維地形圖向三維實(shí)景模型的切換，為地形可視化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

圖3 可視化山地地形模型

2.1 設(shè)計(jì)分析

在進(jìn)行山地道路與場地設(shè)計(jì)時(shí)，擬定以下設(shè)計(jì)任務(wù)(圖4)：1)地形1內(nèi)設(shè)計(jì)觀景臺地廣場，設(shè)計(jì)面積11 000m2；2)地形4處設(shè)計(jì)大型廣場，為整個(gè)景區(qū)的主要出入口，廣場連通觀湖道路，設(shè)計(jì)面積14 500m2；3)沿紅色區(qū)域水岸線設(shè)計(jì)閉合觀湖道路，路寬6m；4)場地與道路相關(guān)豎向設(shè)計(jì)參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)分析與計(jì)算獲得。

圖4 InfraWorks地形模型分析

依據(jù)地形高程變化特征，在圖4中用紅、黃、藍(lán)、綠色區(qū)分4類地形。地形1所在藍(lán)色區(qū)域是高程為335～495m的山坡地帶，其坡度為25°～43°，其中陡坡地形占據(jù)了主要區(qū)域；局部范圍1為相對緩坡地帶，其坡度為9.9°～25°，選定在該區(qū)域做臺地廣場可降低后期工程土方量，減少對原始地形的破壞；紅色區(qū)域是水面高程為335m的水域，被地形1、2、3圍合；綠色地形2、3是高程為335～360m的山體；黃色區(qū)域地形4是高程為313～330m的平坦地形。依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，在地形4區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)廣場作為整個(gè)景區(qū)的主要出入口，同時(shí)為有效圍堰湖水，其設(shè)計(jì)高程大于335m。為滿足圍堰湖水并有效減少工程土方量的設(shè)計(jì)需要，在地形4區(qū)域內(nèi)初步設(shè)計(jì)一個(gè)高程為340m的小場地和一個(gè)高程為330m能夠進(jìn)行公共活動(dòng)的大場地，二者組成一個(gè)臺地廣場。

2.2 地形初步設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)分析，在InfraWorks中對地形模型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，利用“放坡區(qū)域”工具創(chuàng)建地形(圖5紅色區(qū)域)，其高程和面積可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與調(diào)整。在此實(shí)驗(yàn)過程中，依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)置地形目標(biāo)參數(shù)，并在三維模型中得到地形編輯成果(圖5、6)。利用“規(guī)劃道路”工具，沿湖岸線設(shè)計(jì)1條規(guī)劃道路，具體道路與場地地形的豎向參數(shù)設(shè)定如表1所示，并將以上場地與道路初步設(shè)計(jì)成果保存為imx格式。

表1 場地與道路初步設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

圖5 基于地形地貌的設(shè)計(jì)編輯

圖6 地形編輯

2.3 InfraWorks與Civil 3D信息交互

在Civil 3D中打開地形初步設(shè)計(jì)成果(圖7，InfraWorks導(dǎo)出的imx文件)得到地形曲面(圖8)，它反映了與InfraWorks地形模型完全匹配的地形初步設(shè)計(jì)。由于基于InfraWorks的初步設(shè)計(jì)是地形的概念設(shè)計(jì)，只對場地高程和面積進(jìn)行了參數(shù)限制(表1)，在圖8中無法完全獲取地形設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，例如，由于“放坡組”缺失，無法獲取場地土方體積和放坡坡度等參數(shù)。因此，刪除道路、場地相關(guān)曲面，只保留道路中心線和場地輪廓線(圖9)。通過Civil 3D“高程編輯器”發(fā)現(xiàn)，圖9所反映的高程、面積信息完全匹配InfraWorks設(shè)計(jì)參數(shù)(表1)，這是初步設(shè)計(jì)的最終成果，精確反映了基于可視化分析與設(shè)計(jì)的場地、道路在Civil 3D曲面中的地理空間信息。由于圖7、8所示地形設(shè)計(jì)未對場地進(jìn)行放坡、曲面粘貼和土方計(jì)算等地形精細(xì)化設(shè)計(jì)，因此，將圖9作為基礎(chǔ)地形圖，在Civil 3D中進(jìn)行場地、道路精細(xì)化二維設(shè)計(jì)，至此，完成InfraWorks與Civil 3D信息交互。

圖7 InfraWorks山地地形初步設(shè)計(jì)圖8 InfraWorks-Civil 3D交互地形圖圖9 Civil 3D中山地場地輪廓線與道路中心線

2.4 場地參數(shù)化設(shè)計(jì)

依據(jù)圖9，對場地1、2和場地3、4分別進(jìn)行坡度為2:1、4:1的放坡處理，得到放坡組，并創(chuàng)建曲面。通過Civil 3D“對象查看器”獲得場地曲面模型(圖10、11)。圖10中，綠色為填方區(qū)域，紅色為挖方區(qū)域。場地1、2和場地3、4分別有12個(gè)測站點(diǎn)，站點(diǎn)所對應(yīng)的高程參數(shù)如表2中高程1所示。通過放坡處理，設(shè)計(jì)坡面1、2分別連接場地1、2和場地3、4(圖12～14)，場地依據(jù)坡度參數(shù)與曲面表面精準(zhǔn)連接，得到放坡后的場地模型空間特征和填挖方區(qū)域。為有效降低建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)工程節(jié)能減排，土方就地平衡是最理想的處理方法，因此應(yīng)用Civil 3D就地平衡方法，得到相應(yīng)地形設(shè)計(jì)(圖14)。將圖13與14重疊得到圖15，通過與圖13對比平衡前后的地形設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)二者差異顯著：場地1、2明顯向西北方向偏移，場地3、4填方區(qū)域面積明顯縮小；通過“高程編輯器”查看測站點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)場地高程值發(fā)生了顯著變化，如表2中高程2所示。

圖10 場地1、2曲面模型

圖11 場地3、4曲面模型

圖12 場地放坡設(shè)計(jì)

圖13 場地曲面創(chuàng)建

圖14 場地土方就地平衡

圖15 場地曲面重疊對比

2.5 道路參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.5.1 道路縱斷面設(shè)計(jì)

圖16中的紅色道路中心線是基于圖9的設(shè)計(jì)成果，依據(jù)道路中心線對沿湖道路進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)(圖17～19)。首先對道路縱斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)得到圖20，該道路起點(diǎn)從0+000樁號處開始至2+100處結(jié)束，總長2 063.9m，紅色曲線表示道路原始地面高程變化特征，黑色曲線表示道路設(shè)計(jì)高程變化特征即設(shè)計(jì)縱斷面。對比2條曲線發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)道路設(shè)計(jì)中，除樁號1+400～1+700有明顯高程變化外，設(shè)計(jì)縱斷面基本匹配原始地形豎向變化特征，且道路設(shè)計(jì)中心線高程控制在約340m，通過中心線高程設(shè)計(jì)控制，降低了未來工程建設(shè)中對山地地形破壞的程度。依據(jù)表2中場地3高程2的參數(shù)控制，在道路的起點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)置高程為334.9m，實(shí)現(xiàn)道路與場地3等高程對接。通過道路縱斷面設(shè)計(jì)獲取了道路原始高程和設(shè)計(jì)高程，便于設(shè)計(jì)者依據(jù)原始地形進(jìn)行道路高程參數(shù)調(diào)整與設(shè)計(jì)，其中縱斷面高程值的調(diào)整與道路信息模型發(fā)生聯(lián)動(dòng)關(guān)聯(lián)。

表2 場地高程參數(shù)

圖16 道路中心線

圖17 道路放坡

圖18 道路曲面

2.5.2 道路模型擬合

基于圖20和道路裝配設(shè)計(jì)最終生成道路放坡模型(圖21)。在道路曲面加載采樣線(圖19)生成道路橫斷面圖，從而獲得和調(diào)整道路橫斷面參數(shù)信息。圖22反映的是圖19中選取的a、b 2點(diǎn)采樣線所在道路的橫斷面，通過橫斷面圖可獲取道路高程和填挖方信息。通過以上參數(shù)化設(shè)計(jì)可及時(shí)獲取道路設(shè)計(jì)反饋，為合理評估道路設(shè)計(jì)方案、工程造價(jià)和工程管理運(yùn)營提供數(shù)據(jù)支撐。

圖19 道路采樣線

圖20 道路縱斷面設(shè)計(jì)

圖21 道路放坡及曲面模型

圖22 道路橫斷面

通過場地與道路參數(shù)化設(shè)計(jì)，分別得到場地和道路曲面地形(圖14、18)，其中曲面信息包含體積、高程、面積和放坡等參數(shù)；并得到場地和道路土方施工圖(圖23)，從方格網(wǎng)中可以獲得每個(gè)角點(diǎn)所對應(yīng)的設(shè)計(jì)高程、原始高程及其高程差，以及每個(gè)方格對應(yīng)的土方填挖方量、占地面積等關(guān)鍵豎向設(shè)計(jì)信息。這些參數(shù)信息能夠更加具體地描述山地地形豎向特征，展示山地地形豎向設(shè)計(jì)的核心成果，場地、道路土方施工圖即代表了山地地形精細(xì)化設(shè)計(jì)成果。依據(jù)表1、2的參數(shù)信息，借助SketchUp對場地1～4建模，并將模型加載到InfraWorks地形模型中，得到工程設(shè)計(jì)效果圖(圖24)。

圖23 山地場地、道路土方施工圖

圖24 山地工程設(shè)計(jì)效果圖

通過以上實(shí)驗(yàn)完成了InfraWorks三維可視化設(shè)計(jì)和Civil 3D二維精細(xì)化交互設(shè)計(jì)的山地地形規(guī)劃，構(gòu)建了基于LIM的山地地形參數(shù)化交互設(shè)計(jì)技術(shù)路徑。

3 討論

在山地地形設(shè)計(jì)中，應(yīng)摒棄缺乏參數(shù)控制與量化分析不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)方法，利用同一參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺集成設(shè)計(jì)分析與設(shè)計(jì)編輯，通過分析與設(shè)計(jì)對接、三維與二維信息對接實(shí)現(xiàn)方案的即時(shí)變更與優(yōu)化，將方案設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等階段全部基于LIM，使地形設(shè)計(jì)的每個(gè)階段與成果之間建立參數(shù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的全程可控與成果的同步輸出[13]119。

本研究將山地地形分析、設(shè)計(jì)編輯全部集成在BIM平臺并完成了二維地形圖與三維地形模型的交互設(shè)計(jì)，構(gòu)建了基于BIM平臺的山地景觀信息模型，通過BIM技術(shù)提高了山地設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)與精細(xì)化程度，通過InfraWorks-Civil 3D交互，將道路中心線、道路高程、道路長度、場地面積和場地高程等豎向設(shè)計(jì)的重要參數(shù)信息[19]在Civil 3D中精準(zhǔn)傳遞。在實(shí)際的山地地形設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可以先在InfraWorks中通過參數(shù)調(diào)整完成三維可視化設(shè)計(jì)分析與初步設(shè)計(jì)，細(xì)節(jié)深化的部分再轉(zhuǎn)移到Civil 3D中進(jìn)行，這種設(shè)計(jì)程序使設(shè)計(jì)者能夠直接在模擬的精準(zhǔn)環(huán)境中設(shè)計(jì)編輯，從而更加準(zhǔn)確地把握山地地形設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)信息，提高設(shè)計(jì)效率。這不僅為設(shè)計(jì)者帶來了高效智慧的地形數(shù)字化設(shè)計(jì)體驗(yàn)，也為山地地形參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

4 結(jié)語

BIM憑借其卓越的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)與工程建設(shè)全周期信息集成管理，在工程規(guī)劃與建設(shè)行業(yè)受到了高度關(guān)注與廣泛認(rèn)可。在山地景觀設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)值得借鑒與應(yīng)用。由于缺乏技術(shù)平臺支撐，山地景觀精準(zhǔn)、精細(xì)化設(shè)計(jì)受到制約，如山地三維設(shè)計(jì)信息與二維設(shè)計(jì)不匹配，山地曲線、曲面設(shè)計(jì)精度不高等。杜春蘭[2，20-22]、毛華松[23-25]、秦華[26-28]等學(xué)者長期致力于以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄍ苿?dòng)山地景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)階段，加快BIM技術(shù)應(yīng)用研究是山地景觀設(shè)計(jì)響應(yīng)數(shù)字化、智能化建設(shè)所面臨的新課題，可以嘗試以Civil 3D、Revit、InfraWorks等BIM軟件構(gòu)建山地景觀信息模型，完成山地景觀設(shè)計(jì)，并通過Dynamo可視化編程提升BIM技術(shù)解決山地參數(shù)化設(shè)計(jì)問題的能力。相信在不久的將來，依托BIM技術(shù)的LIM平臺將整合多元參數(shù)交互設(shè)計(jì)，并依靠設(shè)計(jì)師自主編程，如Python、Dynamo語言在LIM中的應(yīng)用，突破技術(shù)平臺束縛，完成高效且個(gè)性化的參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方案即時(shí)比對及優(yōu)化更新，讓強(qiáng)調(diào)關(guān)聯(lián)與過程描述的參數(shù)化設(shè)計(jì)貫穿山地“設(shè)計(jì)-施工-運(yùn)營管理”的全生命周期。

山地地形設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性問題，除了山地地形豎向設(shè)計(jì)因素以外，還受到生態(tài)、自然、人文和經(jīng)濟(jì)等多因素制約，這就要求設(shè)計(jì)平臺底層技術(shù)不斷升級，提高LIM設(shè)計(jì)信息集成水平，構(gòu)建更為全面的山地景觀信息模型，探索山地景觀參數(shù)化設(shè)計(jì)的科學(xué)路徑。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院風(fēng)景園林學(xué)博士后流動(dòng)站提供的科研平臺；感謝光輝城市(重慶)科技有限公司提供的產(chǎn)學(xué)平臺。