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摘要：基于BIM的设计流程虽已在人居环境设计中日益得到广泛的应用，但在风景园林设计中，与景观小气候研究相关的bim流程辅助设计仍缺乏研究。文章基于前期研究成果，在统计实验场地环境量化信息的基础上，使用景观BIM流程辅助，以BIM-GIS协同、环境模拟、参数化辅助设计等设计方法，展现了对研究场地热环境分析、风环境分析、人群行为时空特征分析、IFC辅助深化设计以及虚拟漫游等BIM辅助设计流程，展示了研究案例的相关结果。研究为景观空间设计的量化模拟方法提供了详细的解析案例，体现了BIM流程在辅助小气候适应性景观改造方面的初步应用。
关键词：参数化；户外空间；改造设计；景观小气候；BIM1
1研究内容与目的小气候是受到地形、植被、河流等影响，由太阳辐射、温度分布、温度状况、气流等发生变化而形成的空间内部相对完整的气候独立运作体系[1]。本研究基于景观信息系统（BIMforLandscape），以坐落于杭州高教园区的一处户外场地为研究对象，依据上阶段项目研究进展，使用BIM参数化分析手段，以BIM环境模拟手段验证小气候提升策略的作用，并为类似空间改造设计提供范例，体现参数化的BIM技术在辅助景观设计中的应用。研究将研究场地的三维BIM模型和具有场地自身地域、时域特征的气象数据样本导入景观BIM参数化平台，围绕优化小气候环境的目的，在设计各阶段贯穿参数化分析方法，归纳了基于景观BIM辅助的小气候适应性微改造设计流程。
2相关概念和研究
建筑信息模型（BuildingInformationModelling，BIM）技术是一种应用于多行业的设计、建造、管理的数据化工具，其核心是通过建立虚拟三维模型，以数字化技术为模型提供完整的、与实况一致的建筑工程信息库[2]。BIM的应用提高了项目设计、施工、维护过程中的信息集成化程度，大大提升了设计的科学性[3]。相比于传统设计技术，BIM技术可以有效解决传统设计中对环境要素缺乏定量参考依据、2D图纸难以详实表述场地实际3D空间、各节点深化设计信息难以精准传达等缺陷。随着BIM技术的普及应用，建筑设计、城乡规划、风景园林、工业设计等学科中有越来越多的与户外空间有关的设计，尤其是环境评估中运用三维BIM技术辅助设计。ENVI-met，Ecotect等与建筑、景观、城乡规划类软件结合的BIM环境模拟软件，已应用于城乡规划、建筑学等领域的量化评估。其中，王频[4]利用城市气候地图进行了环境热环境评估，表达拟建成环境的风、热等气候要素分布。刘滨谊等[5]基于BIM环境分析研究了滨水区、城市绿地[6]等户外空间中诸多小气候要素及人体热舒适度感受的相互关系，并在施工过程中检验了相关适应性设计措施的成效。然而，在目前阶段，风景园林学科的设计流程仍局限于使用三维BIM表现人工植物造景、园路、构筑物等景观要素，缺乏对景观空间中小气候要素的综合量化考量。大多数景观设计方案生成过程中，仅采用定性手段对户外空间的热环境、风环境、人群行为分布等热点问题进行粗略预估，缺乏定量分析，主观性过强[7]。研究结果多集中在小气候要素和景观组成要素的单一模拟评估，以及小气候环境的模拟推演，BIM辅助景观设计仍缺乏相关研究和应用[8]。
3上阶段研究
上阶段研究中，以杭州某高教园区作为实验基地，分别对其空间内部进行了连续7天的夏季气象数据实测。基于3S技术，制作了场地模型，并使用Excel，RayMan1.2等软件辅助完成了对气象数据的分析和可视化，探讨了待改造场地中不同下垫面材质对局地空间的小气候环境影响，提出了具有杭州地域特征与夏季时域特征的校园风景园林小气候适应性设计策略，包括降温、降湿、遮阳和通风。本研究以此为基础，对该场地开展基于BIM流程的全阶段设计。设计利用BIM协同方法，将参数化辅助设计方法贯穿于设计过程中的信息收集、分析模拟、深化表现三大阶段，避免了现阶段主流景观小气候改造设计流程中主观性过强、可视性过弱等缺陷。
4研究方法
4.1BIM设计协同方法。本研究基于景观BIM技术，以上一阶段研究中对场地中4种不同下垫面区域的气象实测数据为基础，通过景观BIM全流程协同，将含有场地GIS物理信息、小气候环境信息和人群行为信息的模型链接至Grasshopper参数化平台，通过定量分析，得出进一步的改造措施。进而采用BIM建模软件对改造方案建模，深化小气候环境提升设计方案，并使用BIM环境模拟软件模拟改善后的小气候状况，验证改造方案的成效，验证微改造设计方案的科学性与可行性。最后，使用BIM虚拟漫游软件直观表现
4.2BIM景观模型建立方法。目前，风景园林学科的场地设计研究相对存在定量分析不足、主观因素过重等弊端。通过BIM与地理信息系统（GIS）等的结合，对场地及拟建的改造方案进行建模，依托参数化分析，在设计阶段把握场地的使用条件和环境特点，进而为场地小气候评估提供底层参照数据来源，故对得出合理的设计决策有很大帮助[9]。本研究对实验场地的物理信息，包括水体等径流、地表的坡面形式和竖向高差、绿化的植被空间结构等景观要素进行测绘，结合GoogleEarth卫星遥感图，运用SketchUp，Rhino等建模软件制作场地三维BIM景观模型，表现地形、水文、驳岸、原有植被、桥梁、构筑物等景观物理元素信息，如图2所示。
4.3BIM参数化分析方法。研究在参数化分析与模拟的过程中，主要应用Rhino的参数化平台Grasshopper编制参数化分析程序。依据上阶段研究的实测数据，建立热环境、风环境与人群行为活动数据库；运用Rhino和Revit等BIM核心建模软件建立改造方案模型后，以Grasshopper平台及Ladybug等模拟插件编写参数化程序，可实现采集的气象和人流数据库、BIM模型与Ecotect等软件的数据协同链接（图3），模拟场地气象情况，开展各户外空间改造前后的小气候参数化分析。
5研究过程与成果
研究利用BIM软件构建场地环境数据模型，结合已有实测的场地夏季气象数据库，与各类BIM环境模拟软件实现数据连接，研究对场地进行热环境、风环境等分析，由此确定植被选择、构筑物排布、竖向空间更改、水体分布等具体改造措施，验证景观物理性能的合理性，进而快速检验设计过程中改造方案是否达到有效改善局地小气候的设计目的，从而最大限度地避免设计中低效、无效方案的出现[1]。继而，基于BIM的IFC标准，研究对挑空构造等景观节点进行深化设计，并基于BIM虚拟漫游等可视化技术展现设计方案效果。
5.1基于BIM的热环境分析。将采集的场地日照数据通过Grasshopper平台与BIM模型互连，经Ladybug处理，得出测试期间场地太阳运动轨迹与太阳高度角，如图4所示。由此可知，研究场地夏季受直接太阳辐射时间较长，受太阳辐射直接作用持续时间长，在一定程度上加剧了该空间中的热岛效应。将改造方案的BIM模型导入模拟软件ENVI-met，对改造后的夏季各时段的地面温度分布状况进行参数化模拟，评估改造方案对局地小气候的改善效果。取得的ENVI-met模拟结果如图5所示。分析结果表明，改造方案中采用的降温、遮阳、通风降湿等措施，对改善户外空间夏季小气候状况尤其对于降低正午时段各测点地温具有较显著的成效。
5.2基于BIM的风环境分析。因研究场地地处校园户外空间中一处狭长谷地，又有河流流经，故地形地势、水文、已有建筑排布状况等对局地小气候中的风力、风向等产生多因素的影响。传统场地设计中，设计者缺少对建立在风环境定量研究基础上的考量，且设计决策者多倾向于降低对场地风环境方面考虑的权重[10]，而使用基于BIM的风环境模拟则可依据量化模拟，对设计方案做出较为科学的检验。在拟改造方案中，通过在桥上设置阵列式树池、在广场中央设置环绕式多层次微林带、通过植被围合与蒸腾作用引起气压差[11]来引导气流，改善场地风环境。Ecotect软件是BIM中计算流体力学的成熟应用之一，其算法可推算风流或不恒稳气流的流体力学与BIM模型中地面、墙、屋顶和植物等几何形式复杂的区域间发生的热力学过程[12]。将改造方案模型导入BIM环境分析软件Ecotect中，将模拟分辨率设置为5m，对改造前后的风力分布进行推算（表1）。BIM风环境模拟模拟结果表明，改造方案在夏季显著增大了场地中的风流强度，尤其是南北向的主导风，有效强化了场地中央区域的风力聚集。尤其在12:00左右的较极端小气候下，通过设计方案重建主风道，使场地整体风流较改造前同比提升71.4%，对局地性园林冷岛（PCI）的维持具有明显作用，论证了校园户外景观空间适应性改造方案中通风措施的成效。
5.3基于BIM的人群行为时空分析。测试期间，研究人员在场地人流节点处设置了数台摄像设备进行视频采样。将调查期间采集的样本导入基于OpenCV等人工智能技术编写的人脸识别程序，依托Grasshopper与场地BIM模型进行数据协同，对场地不同位置停留休憩人群进行统计分析，累计结果如图6所示。经分析可知，场地中南侧河流附近区域停留人数较少，流量高峰集中在午间。中央处广场白昼期间，整体人流少；7:00～8:00及16:00～17:00时段，人流稍多；傍晚时段，人流量较白昼时段多，且驻留时长较长。木栈道处白昼期间人流量最少，傍晚时人流量增多。草坪处人群驻留时间最长，11:00～13:00时段人流量达谷值；16:00～18:00间的高峰时段，草坪使用频率仅次于广场。故在改造方案中，依据人流活动的BIM分析，对场所功能进行理性定位。将广场中央作为人群集散地，设置合适的休憩设施，进而提升场地利用率；在草坪处增植乔木、增设张拉膜等，为人群提供驻留空间；对木栈道处水体进行竖向改造，吸引人群驻留。
5.4基于BIM的IFC辅助深化设计。在方案深化阶段，本研究基于景观BIM协同进行数据交换和共享的需求，完成较复杂的IFC辅助方案节点设计。行业基础类（IndustryFoundationClass，IFC）标准是一种BIM体系下用于定义建筑信息可扩展的统一参数化数据工作流，便于在设计、工程和施工方案之间进行交互，使BIM深化设计的精准度得到提升[13]。本研究采用Revit等BIM软件中的IFC功能对景观对象进行深入设计。以广场中央挑空构造微改造的节点深化为例，传统景观设计流程中，使用AutoCAD等软件绘制的平、立、剖面图纸只能体现该节点构造在正视、侧视、仰视等固定视角的“平面形”及其“边界”等纯几何信息；而在BIM模型“三维组件”的建模过程中定义了节点量体对象的“IFC属性”（IFCProperty），并给予确切的“类别”描述（图7），每一类别对象的尺度、形状、材质属性等皆基于图元的参数化数据。IFC辅助深化设计有效地传达了该细部构造中各构件的关键信息，满足了研究在方案深化过程中对挑空构造中支撑柱体位置、环形栈道铺设方式、挑空部分开洞等细部的需求，并可输出IFC格式的模型，作为和其他BIM工程类软件交互的媒介。以三维方式清晰地表达微改造设计意图，使方案数据与工程易于对接，利于提升后续景观工程的施工效率和质量。
5.5基于BIM的虚拟漫游。BIM虚拟漫游技术是将虚拟现实（VR）技术运用在建筑设计、城市规划等领域的主要应用方式。VR在BIM三维模型基础上，加强其具象性，通过构建虚拟展示，使BIM设计进一步可视化[14]。本研究运用景观设计中主流BIM可视化软件Lumion，进一步在上一阶段改造方案的基础上，完成了BIM方案模型到方案的三维VR动态表现的转变，直观地表现不同景观区域的改造效果，如图8所示。运用方案模型的BIM虚拟漫游场景预览研究对植被生长状况、构筑物形态等在落地后的视觉效果进行整体评估，并可模拟不同季节、一日中不同时间段的场景效果，充分利用BIM建模在VR辅助下协同的即时性、直观性，详实表现了小气候适应性改造设计的最终方案决策。
6结语
基于上阶段研究中测试场所的空间形态和实测气象数据，本研究全阶段基于BIM展开景观设计，使用了SketchUp，Rhino等BIM建模软件建立三维模型，使用Rhino的参数化平台Grasshopper，Envi-met及其插件Winair4等进行BIM环境模拟分析，使用Revit深化BIM方案模型，最终以Lumion创建BIM虚拟漫游。通过BIM的全流程改造设计协同方法，为景观BIM在户外空间小气候适应性改造设计中的应用提供范例。
作者:李天劼 梅欹 单位:浙江工业大学浙江工业大学
