BIM技术在城市设计中的应用研究

傅楠，魏亦涵，彭荆

（广州市城市规划勘测设计研究院）

1 传统城市设计流程

城市设计需要将政治、社会、法律、经济、文化等因素与城市形态、城市结构、城市空间等专业要素纳入考虑，是一项综合性极强的社会系统工程[1]。传统城市设计基于CAD 等绘图软件和SketchUp 等三维建模工具，设计师通过与控制性详细规划、城市规划管理的成果融合，结合建筑形态、结构、空间的设计，平衡各方期望与价值取向。

1.1 传统城市设计的特点分析

在传统城市设计流程中，设计流程不能做到直线推进。受到传统建模软件的局限，定量指标需要手动调控，存在大量重复性工作。此外，传统城市设计还存在建模过程复杂、数据更新不及时等问题。

2 以广钢新城为样本探究BIM 在城市设计中的应用

2.1 BIM基于城市设计应用现状

BIM即“建筑信息模型”，以Revit软件为BIM软件代表，包含所有建筑要素的属性信息是其优势。当前BIM技术在城市设计中的应用局限在较小范围的园区设计中，大多数案例都是结合景观、交通进行辅助设计，与城市设计规范结合方面案例较少。

2.2 项目概况

广钢新城规划紧临白鹅潭国际商业中心与广钢新城产业片区，定位为广州市唯一的国际中央居住区，中轴线为中央公园。应用BIM 技术可从衔接法规条件与凸显居住价值两方面开展城市设计。

3 BIM应用研究

3.1 定量分析

3.1.1 建筑退距核验

通过dynamo进行运算，将道路宽度数值赋予到道路边线，再提取地块内所有建筑高度数值，以及建筑边界与相邻道路边界的最短距离，根据建筑工程临道路规定判断该建筑是否符合道路退距要求。如每一幢建筑都符合退距要求，则呈绿色（图1）；如任意一幢建筑不符合道路退距要求，则呈红色（图2）。

图1 dynamo核验道路退距界面（核验达标）

图2 建筑退的道路距核验不达标时模型

3.1.2 容积率计算

运用Dynamo 节点整合楼板面积、楼板数量、多种楼板类型的总面积，得到建筑总面积。继而通过建筑用地红线面积得到用地面积，两者相除得到容积率（图3）。容积率随着模型的调整实时变化，设计师根据容积率可随时调整模型。

图3 dynamo容积率计算电池组

3.1.3 控高分析

在Dynamo 中根据场地红线与从红线中提取出点生成平面，再输入场地限高，可得到向X轴方向偏移生成场地限高平面（图4），通过场地控高模型可以直观判断是否有建筑不符合控高要求。

图4 dynamo限高偏移电池组

3.2 定性分析

SuperMap 软件为GIS 和BIM 结合提供了平台，可将城市设计模型放置在地球模型中，结合实际的地理位置、环境气候等条件，对城市设计模型进行定性分析。

3.2.1 天际线分析

天际线即建筑物顶端边缘与天空的分界线，通过SuperMap三维分析的“天际线分析”模块，可以从不同角度进行观测，并提取出各个角度的天际线。对城市设计方案中重要观测点的天际线进行提取分析（图5），发现项目东侧的建筑体量过高，与周边建筑关系不和谐，天际线突兀，通过整体调整三维模型的建筑高度，再依照城市设计导则对天际线的管控进行优化调整，得到和谐的天际线（图6）。

图5 调整模型前的城市设计天际线

图6 调整模型后的城市设计天际线

3.2.2 可视域分析

可视域分析即根据特定垂直视角、水平视角及指定半径，基于三维场景内任意观察点，分析特定范围内所有通视点的合集。通过SuperMap 三维分析的“可视域分析”模块，选取观测点、观测方向、可视距离后，在模型中得到此视域范围内的可见范围（绿色区域）和不可见范围（红色区域）。

在广钢新城城市设计模型中，面向中轴绿带的住宅区块有较高的可视域分析价值。选取一块面向景观带的住宅区的后排建筑进行可视域分析（图7），由可视域分析图可见被前排建筑遮挡后，景观被割裂分散，利用率较低。调整前排住宅楼高度，将前后住宅位置错峰，使后排住宅的景观更为完整（图8）。

图7 调整前景观视域分析

图8 调整后景观视域分析

选取地块最高点进行视域分析，调整遮挡建筑，使重要景观节点、标志性广场或建筑物在其视域范围内。

3.2.3 开敞度分析

开敞度分析指在城市空间中根据指定观测点，基于设定的观测半径，模拟指定观测点周围的空间视域范围，生成相对应的“视域半球体”，以分析该区域内开敞度情况。在城市设计过程中，开敞度是衡量城市空间舒适性的一项重要指标。通过Super‐Map 中的“开敞度分析”三维分析模块，选取需要分析的场地中心点及视域半径，根据得出的开敞度分析可对空间的边界、围合性进行整体评价[3]。

本次研究通过选取不同尺度的广场、公共节点进行开敞度分析并优化调整。其中大型广场选取城市设计模型中的学校操场作为代表进行分析（图9）校园广场是学校全体师生开会、举办仪式感较强活动的场所，需要较为规整、对称的空间，通过开敞度分析发现目前存在边界不规整、围合性弱的问题，调整模型后问题得以解决（图10）。

图9 整模型前大型广场

图10 模型后大型广场

3.2.4 日照分析

日照分析指计算某特定区域在特定时间段内可被阳光照射到的总时长。根据指定的最大或最小高度、采样频率，采样距离得到特定区域内的采光信息指标，采光值则表示该区域的日照总时长所占时间百分比。通过SuperMap的“日照分析”模块，选取计算场地、高度、计算日期时间范围，可得到日照分析。

选取城市设计模型中的住宅和中小学地块进行分析，教学地块既需要满足住宅建筑的采光要求，还要在避免住宅塔楼对学校长时间遮挡。通过观察日照分析模型（图11），发现住宅地块的南侧建筑对北侧建筑遮挡过多，住宅地块西侧建筑过高，对学校建筑遮挡时间过久。根据分析结果调整住宅地块的建筑高度，地块的整体采光质量得到了提升（图12）。

图11 调整前（6：00-18:00）日照分析

图12 调整后（6：00-18:00）日照分析

3.3 城市设计模型成果

BIM技术辅助城市设计，前期对建筑退距、控高等定性指标进行限制、核验，后期在对天际线、日照、可视域、开敞度进行分析，结合设计师的经验进行调整，人机双向设计最终得到城市设计模型的成果。

4 BIM与城市设计结合前瞻

4.1 BIM辅助参与城市设计较传统城市设计模式的优势

传统的城市设计方式在前期设计阶段往往缺乏落地的着力点，而BIM 技术在前期设计阶段通过提供的抽象数学模型，决定整个项目的定位，辅助建筑师精准把控项目设计思路，指标与建筑形态联动。建筑团队在此基础上进行设计，从初始阶段就将项目落地纳入考虑，能够平衡建筑师的感性与规范的理性，实现创意与最优的构造方式。

在设计中后期，BIM 还能将复杂的建筑群功能和业态进行合理规划，为商业策划以及后期运维团队提供解决方案，这是传统城市设计方式所欠缺的[2]。

通过传统城市设计模式和BIM辅助城市设计在不同设计时期以及设计流程上的对比（见表1），BIM辅助城市设计在设计的各个阶段提供了管控设计、提供参考价值等作用，并且能优化设计流程、提高工作效率。

表1 传统城市设计模式和BIM辅助城市设计在不同设计时期以及设计流程上的对比

5 结语

目前，信息端与建筑设计资料库整合，仍需要手动录入，无法实现用地、规范信息导入计算用地的全自动化，虽然有小库、诺亚等强排工具可以辅助住宅地块的设计，将整个调整的过程提效，但整个地块的价值凸显目前无法通过计算机技术实现，仍需由设计人员判定与挖掘。BIM技术在城市设计中的应用还处于起步阶段，目前已经能作为城市设计的辅助工具进行使用，在提高城市设计效率方面有一定效果，相信未来定能被运用得更加广泛，越来越多的功能将得到发挥。