BIM 技術(shù)在大熊貓城市棲息環(huán)境營(yíng)造中的應(yīng)用

鄧力銘 羅利 王佳林 馮明友

（1.中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司，成都 610000；2.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610000）

引言

在城市公園體系中，動(dòng)物園或主題公園作為特殊公園，發(fā)揮著保護(hù)物種、維護(hù)生物多樣性的作用。因此，在動(dòng)物園規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需因地制宜合理規(guī)劃，建設(shè)科學(xué)良好的展覽體系和棲息環(huán)境，確保動(dòng)物園能夠發(fā)揮科學(xué)教學(xué)和科研功能，營(yíng)造生態(tài)和諧。

動(dòng)物園建造經(jīng)歷了從“牢籠式”到“自然展示”的發(fā)展過(guò)渡，從強(qiáng)調(diào)人的視覺(jué)感受發(fā)展到為動(dòng)物提供豐榮福利，滿足動(dòng)物身心健康需求，在動(dòng)物保護(hù)理念方面取得較大的進(jìn)步[1]。同時(shí)，城市熊貓繁育基地的建設(shè)對(duì)于大熊貓的培育具有基礎(chǔ)性的作用，將圈養(yǎng)大熊貓野化放歸，是改善野生大熊貓遺傳多樣性、壯大野外大熊貓種群的一個(gè)重要途徑。目前研究以大熊貓生活習(xí)性和繁育為主，側(cè)重于動(dòng)物野外保護(hù)區(qū)及棲息地生態(tài)修復(fù)技術(shù)[2]，對(duì)于在城市中構(gòu)建自然化的棲息環(huán)境的研究相對(duì)較少。

基于此，本文以成都大熊貓基地改擴(kuò)建項(xiàng)目為研究背景，在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，以BIM 技術(shù)為基礎(chǔ)對(duì)數(shù)字化場(chǎng)地、AI 衍生式設(shè)計(jì)和虛擬仿真模擬等技術(shù)升級(jí)，為大熊貓的野化放歸做準(zhǔn)備。

1 數(shù)字化場(chǎng)地應(yīng)用

成都大熊貓基地改擴(kuò)建項(xiàng)目占地114.56 公頃，地形多變、高差大，類似大熊貓?jiān)车匦巍５匦螛?gòu)建中，需尊重并最小化干預(yù)場(chǎng)地地形地貌，同時(shí)需打造出水系形態(tài)自然的溪流，以自然跌落的形式匯入場(chǎng)內(nèi)人工湖區(qū)。針對(duì)本工程地形格局多變、地形微調(diào)面積廣，多區(qū)域分步實(shí)施的施工難點(diǎn)。采用無(wú)人機(jī)測(cè)量+GIS 技術(shù)，快速完成測(cè)量作業(yè)，為土石方調(diào)配方案做好數(shù)據(jù)支撐。利用獲取的場(chǎng)地模型整合地形與道路模型，分析場(chǎng)地特性，合理規(guī)劃運(yùn)輸路線，減少對(duì)地形格局的影響，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工便道，保障設(shè)備車輛合理調(diào)度。

1.1 無(wú)人機(jī)地形測(cè)量

無(wú)人機(jī)在邊坡、場(chǎng)平等多種復(fù)雜土石方平衡情況下具備較高的計(jì)算準(zhǔn)確性及工作效率[3]。為提高地形測(cè)量效率，本項(xiàng)目采用飛馬無(wú)人機(jī)D2000+五鏡頭D-OP3000 傾斜模塊，設(shè)置航高150m、重疊率85%等飛行參數(shù)，自動(dòng)生成航線任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)地快速成像數(shù)據(jù)采集。應(yīng)用Context Capture Center 生成的傾斜攝影模型，導(dǎo)出模型文件，借助Acute3D Viewer 讀取模型信息，對(duì)指定區(qū)域土石方填挖測(cè)量。

利用無(wú)人機(jī)獲取的原始地形測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)地形比對(duì)，調(diào)整優(yōu)化土石方調(diào)配方案；定期使用無(wú)人機(jī)測(cè)量施工區(qū)域，獲取高程數(shù)據(jù)，使用兩次相鄰測(cè)量數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)分析區(qū)塊挖填方量，實(shí)時(shí)調(diào)整土石方開(kāi)挖方案，實(shí)現(xiàn)土石方填挖動(dòng)態(tài)平衡，減少土石方二次開(kāi)挖量[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)域人工測(cè)量需要40 工日/人，無(wú)人機(jī)測(cè)量需3.5 工日/人，該項(xiàng)目地形微調(diào)階段測(cè)量時(shí)間較人工測(cè)量耗時(shí)縮短95%，極大地提高了測(cè)量效率，該項(xiàng)目挖填平衡圖，如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目挖填分析圖

1.2 運(yùn)輸?shù)缆芬?guī)劃

將傾斜攝影數(shù)據(jù)完成空三計(jì)算之后，導(dǎo)出格式為.las 的點(diǎn)云模型，通過(guò)Recap 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模型格式轉(zhuǎn)換，使.las 格式轉(zhuǎn)化為.rcp 格式，利用Revit 加載.rcp文件生成數(shù)字底板，整合園區(qū)永久道路、構(gòu)筑物BIM模型。通過(guò)三維可視化的方法分析其位置關(guān)系，以園區(qū)設(shè)計(jì)道路為基礎(chǔ)，根據(jù)施工作業(yè)量及機(jī)械調(diào)配需求，初步規(guī)劃施工便道路線。對(duì)擬建施工便道分區(qū)分段進(jìn)行分析，通過(guò)其總表面積與地形模型高差，計(jì)算土石方開(kāi)挖量調(diào)整施工便道布置方案，如圖2 所示。既滿足施工需求，又最大化利用后期永久道路，做到“永臨結(jié)合”實(shí)現(xiàn)綠色施工，減少對(duì)原始地形格局的影響。

圖2 便道調(diào)整方案圖

1.3 徑流分析

設(shè)計(jì)要求打造出形態(tài)自然，落差大的人工水系。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，使用無(wú)人機(jī)采集的地形高程數(shù)據(jù)，利用civil 3D 軟件進(jìn)行坡度分析，模擬地表徑流，如圖3所示。在地形模型上分階段創(chuàng)建旱溪水系，依據(jù)項(xiàng)目所在地歷史降雨數(shù)據(jù)，復(fù)核雨季流量[5]，確保水系能夠滿足場(chǎng)地未來(lái)補(bǔ)水、防洪的需求。

圖3 流量分析

項(xiàng)目工期緊張，需不間斷進(jìn)行施工，項(xiàng)目土方作業(yè)時(shí)間主要集中在雨季，為減少雨季對(duì)項(xiàng)目的影響。根據(jù)施工階段的需求，對(duì)水系施工動(dòng)態(tài)調(diào)整，提出先行實(shí)施旱溪、湖區(qū)的作業(yè)順序，保障雨季施工排水通暢。

為實(shí)現(xiàn)有效管控，對(duì)施工區(qū)域內(nèi)易形成匯水通道的部位，在大土石方作業(yè)階段，先施工旱溪、湖區(qū)，依據(jù)計(jì)算排水流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，作為施工場(chǎng)區(qū)內(nèi)的主要排水通道與蓄水區(qū)。土石方微調(diào)階段，先實(shí)施旱溪過(guò)濾層，減少土石方微調(diào)時(shí)水土流失對(duì)地形的影響，在土石方作業(yè)完畢之后栽植樹(shù)木。通過(guò)分批提前實(shí)施水系部分工序的方法，減少施工區(qū)域排水通道對(duì)地形格局的影響，并保障了項(xiàng)目景觀成形效果不受施工過(guò)程調(diào)整的影響。

2 AI 衍生環(huán)境植物群落布置技術(shù)

植物是大熊貓棲息地植被因素中重要組成部分，作為植物群落的底層，生長(zhǎng)范圍零散不具備規(guī)則形狀。在設(shè)計(jì)時(shí)只能明確種植區(qū)域范圍，難以對(duì)覆蓋度進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)[6]。目前，AI 技術(shù)在居住建筑設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面廣泛應(yīng)用，為工程師提供多樣性和創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案，已顯著地提高設(shè)計(jì)效率[7-9]。當(dāng)前植物群落布置設(shè)計(jì)工作效率低、方案創(chuàng)意性不足，因此采用AI技術(shù)研究和探索全新的地被植物深化設(shè)計(jì)方法，全面提升設(shè)計(jì)的效率和效果勢(shì)在必行。

2.1 AI 衍生式設(shè)計(jì)概念

AI 衍生式設(shè)計(jì)是人與計(jì)算機(jī)之間的協(xié)作設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)師定義設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算機(jī)運(yùn)行出各種可能的設(shè)計(jì)方案。工程師通過(guò)制定可量化的評(píng)價(jià)目標(biāo)，評(píng)價(jià)運(yùn)行的各種設(shè)計(jì)方案能否達(dá)成既定目標(biāo)的情況，如圖4 所示。計(jì)算機(jī)在迭代生成設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中不斷學(xué)習(xí)工程師選擇的方案生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，吸收方案結(jié)果的反饋，不斷提高接下來(lái)生成方案的質(zhì)量。

圖4 AI 衍生式設(shè)計(jì)基本流程

2.2 AI 衍生式智能布置目標(biāo)

本項(xiàng)目結(jié)合開(kāi)發(fā)AI 衍生式智能布置算法構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)在不規(guī)則景觀布置區(qū)域范圍內(nèi)，篩選優(yōu)化方案，在滿足覆蓋度及景觀施工種植規(guī)定間距范圍內(nèi)，迭代模擬植株最小數(shù)量。

2.3 基于AI 衍生式智能植物布置算法構(gòu)型方案

2.3.1 選取研究區(qū)域

選取項(xiàng)目商業(yè)街西南側(cè)景觀區(qū)域內(nèi)不規(guī)則觀賞竹種植區(qū)域進(jìn)行AI 衍生式區(qū)域模型創(chuàng)建，擬合邊界選定算法聚焦范圍，如圖5 所示。

圖5 種植區(qū)域選定

2.3.2 選定研究植物對(duì)象

竹林以32%的主要植被占比在熊貓棲息地中扮演重要的角色，因此選用剛竹作為AI 衍生式智能布置技術(shù)的研究對(duì)象。在園林綠化工程中，一般剛竹每平米種植4～5 株，種植間距為50～60cm，種植穴的規(guī)格為長(zhǎng)、寬各40cm、深30cm，按間隔種植母竹，待母竹生長(zhǎng)后形成竹林景觀。

2.3.3 基于Dynamo 衍生式算法創(chuàng)建

調(diào)用可視化編程程序Dynamo，分別設(shè)置限定條件，如圖6 所示。條件一：兩棵剛竹母竹種植間距為最大值0.6m；條件二：起始布置點(diǎn)X 方向移動(dòng)間距；條件三：起始布置點(diǎn)Y 方向移動(dòng)間距；條件四：布置方向角。

圖6 Dynamo 衍生式算法創(chuàng)建

分析選定區(qū)域剛竹種植面積大小，設(shè)置一個(gè)50m×50m 虛擬場(chǎng)地使其覆蓋種植區(qū)域。沿場(chǎng)地兩邊各按0.6m 間距劃分若干正方形，并且可繞中心旋轉(zhuǎn)輸入端“旋轉(zhuǎn)角度”參數(shù)下設(shè)置的角度值，可見(jiàn)虛擬場(chǎng)地與種植區(qū)域交線角度隨之改變。

運(yùn)用Python 語(yǔ)言結(jié)合開(kāi)發(fā)運(yùn)算邏輯，求取出種植區(qū)域邊界線與虛擬場(chǎng)地相交的小正方形塊（含內(nèi)部），過(guò)濾掉邊界以外的小正方形塊，隨種植起算點(diǎn)角度、X方向偏移量、Y 方向偏移量變化，種植場(chǎng)地內(nèi)劃分正方形網(wǎng)格隨之變化，形成動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程。

通過(guò)邊界取整，判斷種植區(qū)域邊界與劃分各正方形交線相交情況，將距離小于植株間距0.6m 的線段舍去，大于0.6m 的位置自動(dòng)添加點(diǎn)位。求解出區(qū)域內(nèi)各正方形的中心點(diǎn)與邊界處各多邊形的交點(diǎn)，將其作為植株的種植點(diǎn)。啟用Dynamo調(diào)用構(gòu)件按坐標(biāo)放置功能，通過(guò)擬算點(diǎn)位精確布置簡(jiǎn)化的剛竹模型，模擬種植效果，如圖7 所示。

圖7 剛竹模型精確布置

2.4 AI 衍生式智能植物布置算法構(gòu)型分析

將植株種植數(shù)量設(shè)為輸出項(xiàng)，在前端輸入量變化過(guò)程中，輸出值也將不斷變化，最優(yōu)化的種植布局應(yīng)是在保證間距符合要求的情況下，在特定角度以特定種植起算點(diǎn)偏移量時(shí)，植株種植數(shù)量最少。衍生式設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是探索盡可能多的布局方案，并找到同時(shí)滿足條件的最優(yōu)解。

啟動(dòng)Dynamo 中的Generative Design 功能，將該Dynamo 程序?qū)肫渲校状芜\(yùn)行使用Randomize 的衍生方法，設(shè)置隨機(jī)生成方案的數(shù)量，假定生成200 個(gè)方案，軟件會(huì)自動(dòng)生成出200 個(gè)不同的方案，如圖8所示。

圖8 衍生式智能植物布置算法構(gòu)型分析

從中找出“種植數(shù)量”，排名靠前的方案，分析其所對(duì)應(yīng)的輸入值所屬的數(shù)值區(qū)間，利用所得數(shù)值區(qū)間，再一次進(jìn)行衍生優(yōu)化。

改為使用Optimize 的衍生方法，設(shè)置最大的“種植數(shù)量”為優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)Randomize 運(yùn)行的結(jié)果，可知有小部分方案能達(dá)到超過(guò)2 300 棵植株的布局。將“種植數(shù)量”限制為大于等于2 300，進(jìn)行第二次衍生。

通過(guò)優(yōu)化衍生，在滿足設(shè)計(jì)覆蓋度要求之下，最終獲得了2 個(gè)最優(yōu)方案，綜合來(lái)說(shuō)最優(yōu)種植數(shù)量為2 381 棵植株，同時(shí)滿足0.6m 植株間距，此時(shí)旋轉(zhuǎn)角為27°，選取最終方案后輸出種植布置圖，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)種植實(shí)施，程序自動(dòng)保存該類植被最終選擇的種植方案，記錄相關(guān)參數(shù)，作為下一次運(yùn)行結(jié)果的優(yōu)先計(jì)算規(guī)則。

3 生境仿真分析

3.1 生境環(huán)境分析

通過(guò)調(diào)查研究表明，大熊貓喜歡在坡度較為平緩（小于20°）的緩坡活動(dòng)，特別喜歡小于10°的平地，不喜歡在大于30°的陡坡覓食。因此在熊貓獸舍地形構(gòu)造方面：休息區(qū)、游玩區(qū)地形設(shè)置坡度小于10%，覓食區(qū)設(shè)置坡度小于20%。在滿足大熊貓的喜愛(ài)地形上，將游玩區(qū)設(shè)置于坡頂，保持大熊貓部分活動(dòng)區(qū)域的標(biāo)高不低于人群觀賞主視線標(biāo)高，以抬高大熊貓活動(dòng)區(qū)域標(biāo)高的方式使大熊貓能避免人群的俯瞰視角帶來(lái)壓迫與焦慮，保障大熊貓的視野開(kāi)闊，同時(shí)通過(guò)不同的觀賞通道，最大限度滿足游客的觀賞需求，如圖9所示。

圖9 數(shù)字底板剖面圖

3.2 人類活動(dòng)分析

人類活動(dòng)中對(duì)生境內(nèi)大熊貓?jiān)斐捎绊懀饕蛩厥怯慰彤a(chǎn)生的噪聲。因此，擬利用生境的地形與植被種植搭配相結(jié)合，來(lái)阻擋和減弱外界游客噪聲對(duì)生境內(nèi)大熊貓的影響。為了解游客游玩時(shí)產(chǎn)生的噪聲大小，結(jié)合實(shí)際的現(xiàn)狀選取高峰期和普通期的時(shí)間段對(duì)熊貓基地老園區(qū)熊貓生境做專業(yè)的噪音對(duì)比測(cè)試，如表1和圖10 所示。

表1 熊貓基地噪音對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

圖10 熊貓基地噪音測(cè)試對(duì)比圖

結(jié)合實(shí)測(cè)高峰期的測(cè)試數(shù)據(jù)，作為客觀數(shù)據(jù)采用大型聲場(chǎng)模擬分析軟RAYNOISE，利用其Conical Beam Mehtod 算法、Triangular Beam Method 算法輸入進(jìn)行模擬分析，客觀預(yù)測(cè)出噪聲分布狀況，同時(shí)為下一步的利用植被、地形的降噪提供出客觀比對(duì)基礎(chǔ)對(duì)象，如圖11 所示。

圖11 噪聲傳播模擬圖

將利用虛擬還原技術(shù)形成的生境數(shù)字底板模型[10-12]導(dǎo)出.dxf 格式，將其導(dǎo)入RAYNOISE 軟件中，通過(guò)軟件的計(jì)算模擬分析高峰期游客噪聲，如圖12 所示。當(dāng)增加地形起伏和植被繞射計(jì)算后，熊貓游玩區(qū)附近的綠色區(qū)域?yàn)?0-55dBA，大型喬木起到了很好的遮擋噪聲的作用，綠色區(qū)域面積增加；黃色區(qū)域55-60dBA，地形起到了一定的遮擋作用，黃色區(qū)域面積少量減少。通過(guò)模擬分析合理調(diào)整地形以及生境內(nèi)的植物搭配能夠有效阻擋與降低游客傳播噪聲，讓大熊貓獲得一個(gè)相對(duì)安靜舒適聲環(huán)境。

圖12 數(shù)字底板噪聲模擬圖

4 總結(jié)與展望

本文從大熊貓棲息地生物因子、外界影響因素、植被種植環(huán)境等方面對(duì)城市棲息環(huán)境營(yíng)造進(jìn)行研究，實(shí)施過(guò)程中主要使用無(wú)人機(jī)+GIS 技術(shù)、AI 衍生式設(shè)計(jì)、虛擬仿真模擬等技術(shù)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算進(jìn)行分析，指導(dǎo)修正城市棲息地設(shè)計(jì)方案及植被現(xiàn)場(chǎng)施工，實(shí)現(xiàn)了將傳統(tǒng)動(dòng)物生境從“牢籠式”到“自然展示”轉(zhuǎn)變的設(shè)計(jì)理念；同時(shí)有效地節(jié)約項(xiàng)目成本，保障了項(xiàng)目工期。實(shí)現(xiàn)了BIM 技術(shù)與大熊貓生態(tài)環(huán)境營(yíng)造的深度融合，可為后續(xù)類似動(dòng)物城市棲息地打造提供了一定的參考。