数字孪生虚拟设计在公园城市智能建造中的应用与实践

袁弘毅 杨根明 张立云 吴启红 董建辉 陈雪梅

“公园城市”概念的提出，开启了从“城市中建公园”到“公园中建城市”的范式转变。5G、物联网、云计算、AI、BIM等技术的发展则使得数字孪生虚拟设计在公园建设中的应用成了新的热点和趋势。文章以东安湖体育公园的智能建造为例，探讨了数字孪生技术在公园建设虚拟设计中的应用与实践，对其全生态场境、苗木绿化、降水影响等公园主要参数进行了模拟分析。结果显示，运用虚拟设计，可以显著优化苗木设計，改善景观体验，降低洪涝灾害风险，且虚拟平台可服务于东安湖公园的全生命周期设计、建造及运营。

公园城市; 数字孪生; 虚拟设计; 智能建造; 全生命周期

TU984.11+4   A

[定稿日期]2021-09-03

[作者简介]袁弘毅（1965～），男，本科，教授级高工，从事市政工程技术工作。

1 “公园城市”的概念

2018年2月，习近平总书记来川考察时首次提出了“公园城市”的概念，明确要“突出公园城市特点，把生态价值考虑进去”，建设可阅读、可感知、可欣赏、可参与、可消费的美丽宜居公园城市[1]。 “公园城市”作为新的城市发展理念第一次被正式提出，这是对我国城市的生态环境和人居环境建设提出了更高要求，也为城市及公园发展提供了新契机。

2020年1月，习近平总书记在中央财经委员会第六次会议上明确支持成都建设践行新发展理念的公园城市示范区;11月，党中央国务院印发《成渝地区双城经济圈建设规划纲要》，将成都建设践行新发展理念的公园城市示范区正式纳入国家战略，为新时代城市建设发展指明了前进方向、提供了根本遵循。自此，成都市开始了从“城市中建公园”到“公园中建城市”的范式转变。

数字孪生技术是以高度仿真的动态数字模型来模拟验证物理实体的状态和行为的技术[2]，旨在以虚映实、以虚控实。刘占省[3]对数字孪生的内涵及特点、发展历程、目前的应用现状及发展趋势做了详细的介绍，从概念上来看，数字孪生技术有以下几个核心点： 一是物理世界与数字世界之间的映射;二是动态的映射;三是除了物理映射之外的逻辑、行为、流程的映射，比如生产流程、业务流程等;四是物理世界与数字世界的双向映射关系，即数字世界通过计算、处理，也能下达指令、进行计算和控制;五是全生命周期，数字孪生建立虚拟数字模型与现实物理实体是同步的，实现全过程的交互反馈。但简而言之，数字孪生就是通过建立建造目标的全场景、全信息、全要素模型，以可视化的方式在虚拟世界里展示出来，并用以指导真实目标的设计、建造和运营。

虚拟设计是运用计算机仿真技术，在产品设计阶段即模拟产品开发全过程及其对产品设计进行优化。相对于传统的二维CAD图纸设计，利用现有计算机仿真软件，全场景、全信息、全要素的虚拟展示设计目标，在模型内对景观园林各要素生态环境、降水、苗木等进行模拟并验证和调整，从而达到最优设计。

2 虚拟设计在公园城市中的应用

本文中的东安湖公园紧邻第31届世界大学生运动会主体育场，位于成都市龙泉驿区，车城大道与桃都大道交汇处，项目总占地面积394.7 ha。东安湖片区与老城中心距离19 km，是成都市东进战略的桥头堡。公园城市建设并不是单纯地在城市里建公园，公园城市建设注重产城互动、融合发展，通过科学合理的规划，在公园建设的基础之上打造现代城市绿色综合体。按照建规[2018]22号的要求，公园建设要做到“尊重自然、顺应自然、保护自然、因地制宜，科学合理开展城市生态建设，牢固树立人与自然和谐共生理念，统筹山水林田湖草系统治理”。因此，东安湖的设计要体现“休闲活动，文化宣传、农业灌溉和生态修复”的综合目标，就必须以秀美的自然山水为基地，多元的文化元素为内涵，丰富的休闲活动为特色，并兼具农业灌溉和生态修复功能（图1）。

智能建造是指在项目建造过程中，充分利用先进的智能化、机械化技术手段，达到项目质量、安全、进度、成本更优的目的，构建项目建造和运行的智能化环境[4]。目前，智能建造已广泛的应用于公共建筑、桥梁等建筑物的营造，而在公园的建设尚未有先例。在公园城市建设的背景下，对公园建设又提出了更高的要求。因而有必要采用虚拟设计技术，利用各种软件对公园各要素事先进行模拟建造，进行各种虚拟环境条件下的分析，以提前发现可能出现的问题，并采取预防措施，以达到优化设计、节约工期、减少浪费、降低造价的目的。

2.1 全场景模拟

利用BIM技术进行景观园林全场景虚拟还原，建立包含全环境要素的三维模型，并给予信息平台以整合要素模型，通过实时渲染和VR沉浸漫游，对设计进行优化、施工方案模拟等来对项目进行虚拟建造（图2）。

2.2 苗木绿化的模拟

对苗木种植进行虚拟还原后，BIM景观工程师联合专家对公园的苗木搭配、树种间距方案进行直观比选，累计完成500余处优化。图3所示为两种苗木的优化方案。A方案原设计的苗木种类为黄菖蒲，在虚拟设计场景中发现此类苗木的植株形态较为细长，布置空间欠充盈，且花朵颜色为黄色，与主植株桃花树的花朵颜色配合欠佳。通过优化设计，最后调整为墨西哥鼠尾草以弥补前述欠缺。B方案中的乔木类植株桃树，原设计中的放置在草坪上，虚拟设计显示观感孤立、割裂，因此将其放置在草本植物丛中，高矮结合，主次分明，突出了层次的丰富性。

2.3 降水的模拟

项目土方施工场地达394.7 ha，大场区地形营造需要三个阶段，分别是清表阶段、土石方施工阶段和微地形整理阶段。每个阶段的临设布置需求不一，第一阶段主要考虑拆迁障碍物的影响;第二阶段需要考虑地形的动态变化;第三阶要考虑种植土的填筑和地下管网埋设工作面的移交。除此之外，各阶段还需考虑雨水、原状水系对防洪渡汛、水土保持的影响，并采取积极有效的防范措施。

地形造型期间将改变原有水系通道，通过地形等高线建立汇水分析模型，见图4。该模型可直观展示水流方向、大小和标高对土方填挖的影响，辅助调整各施工阶段排水方案，见图5。

地形造型还将改变原雨水径流，经分析，雨季来临时水流将在湖区汇集，对土方开挖造成很大影响。结合成都市龙泉驿区近十年的水文、降雨量资料，模拟降水、汇水过程，在满足本片区排洪和灌溉的基本功能基础上，三阶段土方施工过程中分别动态调整排水沟、集水井的位置和尺寸，保证场内不积水，保障土方的正常填挖。通过提前设置泄洪道，实现永临结合（图6），为防洪渡汛提供有力保障，保证了防洪渡汛工作的顺利开展，规避了风险。

3 结束语

“公园城市”的概念的提出，开启了从“城市中建公园”到“公园中建城市”的范式转变。公园本身也从最初的休闲娱乐场地，变成了集“休闲活动，文化宣传、农业灌溉和生态修复”多重功能，并兼顾生态效益与经济效益的绿色城市综合体。数字孪生虚拟设计为公园城市的建设提供了新的技术支持。通过本文分析，可以知道，运用以数字孪生虚拟设计技术可以对绿色城市综合体的全环境、苗木绿化、降水等主要参数进行模拟分析，不断优化苗木设计，改善景观体验，降低洪涝灾害风险，并且虚拟平台可服务于东安湖公园的全生命周期设计、建造及运营。

参考文献

[1] 董建华，汪小琦，舒建英.从“城市中建公园”到“公园中建城市”——四川成都公园城市国土空间总体规划的探索[J].资源导刊，2021（7）：56-57.

[2] 陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统，2019，25（1）：1-18.

[3] 刘占省，史国梁，孙佳佳.数字孪生技术及其在智能建造中的应用[J].工业建筑，2021，51（3）：184-192.

[4] 刘占省，刘子圣，孙佳佳，等.基于数字孪生的智能建造方法及模型试验[J].建筑结构学报，2021，42（6）：26-36.

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