基于數字技術的綠色城市空間設計研究

金艷萍(上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 200032)

傳統城市空間設計給人最直觀感受的是視覺形象方面，缺乏對城市空間性能品質方面的要求。基于 ArcGIS 與建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）技術在綠色城市空間設計中的應用，可以使整個過程科學化、精細化、高效化。在方案設計階段能夠方便快捷地得到直觀、準確的方案性能反饋信息。對基于數字技術的綠色城市設計進行探索，定性與定量相結合，剛性與彈性并重，主要是為了尋求更合理的設計方法和模式，提出面向實施的數字技術綠色城市空間設計思路。通過數字技術應用創造可持續的城市空間環境，其內涵和特征反映城市綠色發展的思想，并且隨著社會、經濟和技術的發展也會不斷得到補充和進步。

1 城市空間結構模擬

一般影響綠色城市設計空間結構的主要因素包括：城市外部發展條件、城市空間發展、自然地理環境、交通條件以及空間發展需求等。因地制宜，展現本土特色，基于ArcGIS 技術的綠色城市設計空間結構模擬包括利用 ArcGIS技術柵格分析城市綠色生態網絡的基礎條件，運用多因子評價的方法確定城市重點建設區域，將城市重點建設區域疊加于生態網絡地圖上，得到最終的城市空間結構模型。最后對結果模型進行修正，對規劃區域內用地進行生態重要性評價，確定空間規模及分布特征，得出適合城市發展的綠色城市空間結構，確定規劃區生態用地的規模和格局，進而研究城市空間分析與城市環境模擬等方法對綠色、生態、低碳理念具體落實的綠色城市空間設計技術。

2 城市土地生長模擬

基于 ArcGIS 技術關于土地生長模擬的結果，可以分析自然用地增長需求與綠色生態安全之間的矛盾，在土地利用布局時可以盡量避免，符合綠色城市用地功能設計的功能復合設計原則。基于 ArcGIS 技術的綠色城市用地生長模擬包括選取 ArcGIS-CA 模型 5 個類別的要素，土地利用類型的數據、交通影響數據、坡度數據、非建設用地數據和規劃建設用地數據。土地利用類型數據是模型的核心，不同土地利用單元的相互作用和動態變化造成了城市的動態發展變化。同時要設定 ArcGIS-CA 模型的 6 個參數，包括擴散參數、沿交通線生長參數、自然生長參數、中心點生長參數、受主觀規劃影響生長參數、坡度參數等。通過一個發展變化的動態數據層，分析最適宜的土地生長空間，保障自然生態系統的完整性。運用 ArcGIS 中的空間距離分析工具，模擬出相關源點之間最合理的聯系通廊，確定生態源，生態緩沖區和生態廊道，進而構建完整的生態安全格局。

3 空間建設強度分析

在綠色城市空間設計領域，通過對土地承載能力進行全面、系統的管控，結合最小生態用地約束，預測土地資源的承載力，以引導城市空間形態塑造、保障城市公共空間、創造良好城市環境。土地上人口、環境及建筑的承載量是用地建設強度的主要反映，用地建設強度的控制內容和指標類別也從最開始的容積率、建筑高度等逐漸擴展到建筑密度、綠地率甚至是空地率等方面。基于 ArcGIS 技術的城市建設強度分析方法是多因素疊加分析法。影響城市建設強度的因素有很多，一般包括區位因素、地價因素、土地用途、人口密度、功能集聚等。影響土地建設強度的決定性影響因素應包括服務條件、交通條件、生態環境條件、功能條件等，通過這些因素的綜合評價來確定城市建設強度級別。

4 城市綠色交通分析

在設計綠色交通規劃等各類道路系統前，應充分把握城市交通發展的現狀。通過 ArcGIS 技術與居民出行調查的方法獲取現狀交通出行結構、交通流向、交通流量、交通出行距離等規劃區內城市交通特征，分析綠色交通的現實和潛在需求特征。掌握現有城市交通基礎設施的性質、規模、分布、承載力和利用率等特征，分析綠色交通的發展潛力。分析現有城市交通設施對綠色交通需求的適應性，把握供需的主要矛盾及發展趨勢。

結合城市實際，確定城市交通的方式結構目標；綠色城市出行占全方式出行的比例的目標值。根據綠色交通方式結構，科學預測未來各方式的交通需求。綠色城市應構建并常態化維護不少于一個綜合交通模型。應按照交通與用地一體化規劃的原則，對城市的交通設施布局分區域、差異化控制。宜劃定城市核心區、城市次中心區、生活性一般功能區等，作為道路網密度分區域、差異化控制的基礎。應按照 ArcGIS 技術分析的公共交通的承載力劃定公交先導區（TOD 分區）。應用 ArcGIS 技術的分析功能，綜合評價順應地形地勢的走向、道路坡度要求、地質條件穩定、選擇最短路徑等工程和經濟成本等方面，確定最佳線路。應用ArcGIS 技術使道路選線的方法要由定性分析提高到定量、定性和定位相結合的綜合分析。

5 城市綠色景觀分析

景觀指數分析是反映一定區域內景觀結構組成和空間配置等方面特征的一種有效方法，對疏理規劃用地內復雜多樣的景觀要素，進而調整景觀格局、優化景觀功能具有重要作用。運用 ArcGIS 中的成本距離（Cost Distance）功能模塊，利用已界定的生態過程源地和各個因子景觀過程的阻力面，建立各單因子最小累積阻力表面。構建綜合的景觀生態格局，運用 ArcGIS 中的疊加分析（Overlay）功能模塊，按照土地利用格局、植物保護格局、廊道保護格局各單因子景觀生態格局的權重值進行疊加分析，可得到規劃區城市的綜合景觀生態格局阻力差值表面。依照綜合景觀格局，對城市綠色空間進行合理布局，實現城市園林綠地均質化，提高生態服務水平。適當提高城市園林綠地的規模，增加綠地率、綠化覆蓋率，提高人均公共綠地面積。

以城市長期、高密度的氣象觀測數據為基礎，對城市現狀風環境和熱環境進行評價，分析通風潛力路徑，為通風廊道構建提供依據。對城市污染物擴散條件、大氣污染源分布等進行分析，劃定污染物擴散敏感區和聚集敏感區。結合綠地系統規劃和水系統規劃等，構建城市多級通風廊道體系，提出規劃控制策略，并模擬驗證通風廊道實施效果，以切實增強通風潛力、改善局部氣候、緩解熱島效應。通過通風廊道規劃，對城市空間布局提出引導，并對主通風廊道區域實施嚴格規劃控制，包括建設高度、密度、容積率及地面粗糙度等的規范。

6 設計方案評估與模擬

為了實現綠色城市空間設計，需要基于 BIM 技術對城市空間設計方案進行景觀可視度、風、光、熱、聲環境的模擬分析與評估，進而提升空間性能品質。對城市重要空間進行景觀可視度分析，可以輔助城市設計實現最佳效果。通過建立科學的計算分析和客觀的數據描述，能夠模擬區域內地標性建筑的空間可視區域范圍，為綠色城市空間布局、建筑高度等提供有效數據支撐。

基于 BIM 技術，對城市風、光、熱、聲環境進行可視化模擬分析，有利于優化空間的綠色性能和舒適度。城市風環境對綠色設計具有重要的作用，其涉及安全性、居民健康、綠色建筑與節能、污染物的擴散與空氣自凈等問題。基于 BIM 技術結合計算機流體動力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）軟件的城市空間風環境模擬主要用于在城市空間設計方案階段，對城市空間進行相關模擬和分析，利用科學的手段提供依據，創造綠色城市空間形態。通過加載不同地區的氣象資料，BIM 技術能夠幫助進行快速的光環境分析，模擬任何時間、任何地點的光環境，觀察城市空間中的建筑光影變化、高層建筑對周圍的遮擋情況，并且能夠進行精確的日照分析。還可以定量地分析特殊時間段內周圍環境對建筑或者建筑某一部分的遮擋情況與強度及輻射。熱環境是綠色城市空間環境里非常重要的因素，是影響建筑能耗水平和居住者舒適度的重要因素。通過基于 BIM 技術的熱工性能模擬，進行熱舒適度、溫度分布和冷熱負載等多項熱工參數的分析計算，對城市空間及建筑進行熱輻射分析、逐時溫度分析、逐月不舒適度分析等，進而創造舒適的熱環境。良好的城市聲環境是建設宜居城市空間的重要前提，也是綠色城市空間設計的重要控制因子，是構建綠色城市空間形態的重要途徑之一。通過 BIM 技術模擬分析，例如對城市空間內的指定噪聲源進行模擬，分析其對城市空間的影響級別，從而為城市空間優化提出合理措施，從聲環境角度為可持續城市空間提供輔助數據、三維演示和二維圖示等。

總之，綠色城市空間設計目的是打造可持續和諧發展的城市空間，應基于所在地域的氣候、資源、自然環境、經濟、人文等特點，通過有效運用具有綠色生態特征的數字技術手段。通過基于數字技術平臺進行城市空間設計工作，充分運用數字化的空間結構分析、土地生長測算、道路交通優化、三維可視模擬分析等優勢，獲得城市結構空間、道路規劃、綠地景觀設計等諸方面的科學依據，可以獲得猶如漫步真實街道的感受，實現科學綠色的城市空間設計。