“十方聚合，和城共生”理念下BIM在城市设计中的运用——以南和县城总体城市设计为例

文/叶兆丽 河北省城乡规划设计研究院 规划研究所副所长

/汪丽君 天津大学建筑学院

/徐 军 天津大学建筑设计规划研究总院

城乡规划设计研究

“十方聚合，和城共生”理念下BIM在城市设计中的运用
——以南和县城总体城市设计为例

文/叶兆丽 河北省城乡规划设计研究院 规划研究所副所长

/汪丽君 天津大学建筑学院

/徐 军 天津大学建筑设计规划研究总院

本文基于城市空间形态理论研究，以南和县城总体城市设计为例，通过BIM技术在方案设计、方案优化、方案实施等过程中的运用进行城市设计创新实践，试图探索出一种基于BIM的城市空间形态设计模式，旨在使传统的城市设计过程更加理性、科学，以期达到绿色可持续的城市空间形态。

BIM；城市设计；绿色空间形态；物理环境；可视化导则

1 引言

随着城镇化的快速发展，城市特色危机日益严重，营造城市空间形态，进行城市设计迫在眉睫。近年我国北方大部分城市持续多日的雾霾，也使城市人居环境成为人们关注的热点。作为人居环境载体的城市空间对于城市人居环境品质有着深刻的影响，因而进行城市设计，研究城市空间形态对构建生态宜居城市具有重要意义。

南和是一座有着2100年历史的燕赵古城，是邢台市中心城区的东部卫星城,历史环境优美、历史胜迹众多、历代贤臣倍出，史有“小江南”之美誉。随着社会的演进和发展，南和原有的特色逐渐淡化，虽然历史的空间机理尚能依稀可辩，但老城原有的“官帽”城市形态基本被分解，唯有原学宫（现为小学）前元代古槐树下居民们围坐闲谈的情景能唤起对历史空间形态的追忆。在南和县城快速发展与建设阶段，如何有效整合城市空间要素、有机构建绿色空间形态、持续提升城市环境品质是亟待解决的难题。笔者在南和县

城总体城市设计中，高度关注城市形态和城市空间环境之间的关系，为了实现“自然与城市、历史与未来、城市与农村、经济与文化”四个共生的景观效益，结合当地传统文化，导入“十方聚合，和城共生”的设计理念，采用基于“共生城市”的设计手法，将传统“和”文化与生态宜居功能充分融合。在此设计理念下，通过对BIM理念和方法的研究，运用BIM技术，试图探索出一种基于BIM的更加科学、理性的城市空间形态设计模式，并尝试从城市空间形态方面改善提升城市环境质量，从而实现城市的健康、持续发展。

2 BIM于城市空间形态领域的发展背景

起源于西方的城市形态学早期的研究多基于历史演变、空间美学和空间认知，如康泽恩的城镇平面分析，凯文·林奇的城市空间意象，罗西的类型——形态学研究等多属于定性研究的范畴。随后逐渐兴起的空间句法、分形理论等开始关注城市空间形态的定量研究，主要涉及形体几何关系的参数化表述、形态结构的数学表述和空间结构的数据化表述。1980年代起在可持续发展思想的引导下，“生态城市”、“绿色城市”等概念相继被提出。作为生态城市的一个研究方向，西方学界开始关注城市形态与城市空间环境之间的关系。随着研究逐渐深入，城市空间环境与城市形态之间存在的密不可分的关系逐渐被确立。城市设计实践证明通过调整建筑的组合方式来改善城市空间的自然气候条件是可行的，此后调节城市物质空间形态以改善城市的空间环境质量逐渐成为城市设计与研究的目标。但是传统的城市设计过程与空间分析已显示出其局限性，使得研究者不断寻求一种能提高分析与决策功能的新工具，解决城市空间形态设计在微观层面生态指标的量化。20世纪末期整合了大量建筑信息的模型技术——BIM的出现和发展给这种情况带来了改善的契机。①

3 BIM在《南和县城总体城市设计》中的运用实践

在“十方聚合，和城共生”的设计理念下，以“一心双核，五带七区” ②为城市空间结构（图1），运用BIM理念和技术，通过片区、路径、节点从宏观、中观到微观逐层控制城市空间形态，使得传统“和”文化在生态宜居城市层面得以传承和升华。（图2）

图1 南和县城市空间结构图

图2 南和县城总体城市空间形态

3.1 基于BIM的三维可视化分析

建立BIM模型，从三维空间入手进行方案设计与调整，并对重点核心地段进行景观可视度分析。通过三维模拟和数据分析，优化建筑体量大小、空间布局紧凑度、开放空间疏密度等空间要素，以提高核心区域的景观可视度。（图3）

图3 综合商贸区空间形态及可视度分析图

3.2 基于BIM的城市物理环境模拟

通过BIM生态分析平台加载外部环境数据进行方案的物理环境模拟分析，包括自然环境下城市空间区域内的光环境感知、热环境感知、声环境感知等，为方案优化提供依据。

3.2.1声环境

采用BIM三维声源分析，在城市空间区域内对周边建筑特别是噪声敏感性强的建筑做出噪声分析。重点选取行政办公区和综合商业区的建筑空间进行模拟和评估,通过噪音污染源和交通噪音数据，模拟噪音源污染对周边建筑的实际影响，优化道路界面、街廓形态、开放空间、节点景观等声环境影响要素，从而达到绿色空间形态的声环境要求。（图4）

图4 文体行政区空间形态及声环境分析图

3.2.2 光环境

BIM软件可以对城市空间的光环境进行模拟分析，包括日影分析和辐射分析。日影分析提供了建筑遮挡阴影、太阳光线追踪等多种计算和显示方式，可以为空间形态布局提供参照依据。辐射分析能够精确计算模型任何表面上太阳的辐射强度和反射眩光计算，并以图表的形式显示逐时辐射量或者某一时段的总量，为城市环境中的光污染提供辅助分析手段。在该项目方案设计中，重点对历史记忆区进行分析评价，根据BIM分析光环境指标优化该街区的建筑布局、建筑体量、街道形态和景观种植等。（图5）

图5 南和县城市辐射分析图

3.2.3 热环境

通过对城市空间的热环境进行BIM技术模拟以及综合评价，对方案进行不断地调整和优化，使得建成后的环境能够提供最大的人体舒适度，同时消耗最少的能源。该项目采用流体计算力学(CFD)软件，结合气象数据，重点对城市居住区进行风环境模拟，从而对建筑群的热岛效应、风速流场云图进行综合分析，优化建筑群空间关系，实现最合理的空间布局。（图6）

本次城市导则的编制基于BIM的理念和技术，通过对生态自然环境、历史人文环境和空间形态环境的综合考虑，分别对区块划分、街道网络、空间形态、建筑设计要求等方面进行城市设计的引导和控制，使其既有创意又富有弹性，既具有可操作性又有连续决策性和可持续发展的可能。

图6 行政办公区及居住区风环境分析图

3.3.1 基于BIM的信息集成

BIM理念强调信息的集成与共享。通过BIM模型的建立，集成城市设计图示语言与控规指标，导则在定性、定量和图文结合方式下形成了富有特色的弹性控制。（图7）导则纳入控规体系中的“规定性信息”，将两者进行有效衔接，建立法定化的空间管制方法，赋予其明确的法定效力，控制性详细规划在三维空间层面的指导效力也能得到有效的提升，可以有效推动高品质的城市空间环境建设。

3.3.2 基于BIM的可视化表达

BIM理念强调信息共享及计算机协同工作。BIM可视化导则既支持传统的二维方式显示以及图示表达，还支持三维方式、动画方式显示。并且可以通过网络使各种信息得到有效的管理与应用。可视化导则具有信息化、交互化、社会化的特点，尤其是网络与虚拟现实技术及多媒体的结合，可提供快速、方便、直观的方案展示，有利于提高公众参与的积极性。

图7 城市设计导则文本表达

4 基于BIM的城市设计方法探索

传统城市设计关注的是基于视觉“美”的城市空间形态，缺乏对城市空间性能品质方面的研究。BIM技术应用于城市设计中，可以使整个过程科学化、信息化、可持续化，在方案设计的任意阶段都能够方便快捷地得到直观、准确的设计方案性能反馈信息。笔者通过BIM在南和县城总体城市设计的运用实践中，探索了一种基于BIM的城市设计方法。

4.1 方案设计：从三维空间入手，建立“美”视觉形态

BIM立足于三维空间，可以进行多方案的实时比较和城市设计元素的实时编辑，并通过不断变换角度对其造型、单元组合进行观察、思考、推敲、修改，最后达至方案的确定。通过BIM对地标性建筑作区域景观可视度分析，可以增进其可达性，避免在设计过程中用主观臆断代替实际情况而引起设计失误，以更科学的手段为城市空间形态建立视觉“美”。

4.2 方案优化：从生态性能入手，追求“高”品质空间

将BIM信息模型引入城市设计当中，建立不同层次的城市空间信息模型，综合现有的GIS数据、气象数据和外部环境数据，分析模拟城市发展趋势及空间形态所产生的物理环境等一系列人居环境参数，使得城市空间环境品质无法表达的隐形指标通过计算量化出来，从而实现真正意义上的城市空间生态设计。(图8)

4.3 方案实施：从可持续性入手，实现“多”信息共享

城市设计方案的实施依赖于城市设计导则，基于BIM的城市设计导则表现形式除了图纸、文字外，还有数据以及可视化的数字信息，各种信息可以得到有效的管理和应用。同时BIM技术支持多种方式的数据表达与信息传输，为整个设计过程提供了信息的共享环境，使得信息的利用效率提高，为方案的可持续性提供了保障。

图8 基于BIM的城市设计优化过程图示

5 结语

借助地缘优势，基于BIM在《南和县城总体城市设计》中的运用，妥善处理了城市形态与城市空间环境的关系，构建了 “绿色城市空间形态”，因而该项目获得了河北省优秀城乡规划设计一等奖和全国优秀城乡规划设计表扬奖。

城市空间形态是人们通过各种方式去认识、感知并反映城市整体的意象总体。通过对城市空间形态的研究，可从纵向和横向两方面的比较探讨城市自身的发展规律，解释城市发展中的多种现象，并预测城市未来发展。深入研究基于BIM的城市空间形态规划方式和方法，进一步探讨如何建立一种基于BIM的科学量化方法以有效表征城市空间形态的差异与优劣，以及如何基于BIM建立起城市空间形态的参数指标体系与城市空间品质的对应关系，这都是未来BIM与城市空间形态的关联性研究趋势。

1 Oke T. Street Design and Urban Canopy Layer Climate[J]. Energy and Buildings, 1988(11):103-113.

2 Baker N., Steemers K. Thermal Comfort in Outdoor Urban Spaces: Understanding the human parameter[J].Solar Energy,2001,70(3): 227-235.

3 何关陪编.BIM总论.北京：中国建筑工业出版社，2011

4 李建成等编.数字化建筑设计概论.北京：中国建筑工业出版社，2008 .