城市信息模型技术在历史街区纪念馆设计中的运用——以中国共产党第一次全国代表大会纪念馆项目为例

肖申君

上海华建工程建设咨询有限公司 上海 200041

1 引言

1.1 城市信息模型技术的发展

2007年，Khemlani 提出了City Information Modeling（CIM）的概念，也就是城市信息模型[1]。他提出将建筑中的信息化技术（例如BIM技术）应用到城市规划领域。2015年，同济大学吴志强院士将CIM的概念延伸为City Intelligent Model，即城市智能信息模型[2]。

CIM模型的研究是未来智慧城市与数字孪生城市的重要基础。从模型角度，CIM是表达孪生城市空间信息的模型。CIM的优势主要体现在城市空间全要素高精度模型的表达，以及城市级别海量多源数据和各类模型的汇聚融合[3]。从技术层面来看，CIM的本质是在云计算基础上实现“大场景的3DGIS数据+小场景的BIM数据+微观物联网 IOT数据”有机结合。从平台角度看，CIM将城市全空间高精度的数据汇聚融合至一个统一的平台。它建构了一个管理与城市空间孪生复刻的“信息空间”基础平台[4-5]。

1.2 项目背景

中国共产党第一次全国代表大会纪念馆（简称“中共一大纪念馆”）是上海市政府着力打造的红色文化纪念馆标志性建筑，同时也是2021年建党百年献礼工程，受到了社会各界的巨大关注。

图1 中共一大纪念馆鸟瞰全景

项目基地位于上海市新天地石库门历史风貌区，设计与建设过程受到周边城市环境的限制以及城市历史风貌的约束。项目建设工程工期紧、质量要求高、耐久年限长、施工难度大。为此项目在设计过程中引入城市信息模型技术，通过周边相关城市信息收集、周围街区高精度建模、数字孪生城市模型构建等手段，实现对建筑外观与周围环境的直观分析。论证了建筑与城市关系的合理性，同时提高设计与施工的效率。

2 城市信息模型技术的实践

2.1 城市信息采集

城市信息模型是建立在城市级别的地理信息基础上，融合建筑物BIM模型以及基础设施的三维数字模型，是表达和管理城市历史、现状、未来三维空间的综合模型，也是城市宏观领域的大场景模型。城市信息收集的成果以1：1模型仿真渲染方式展示。信息模型呈现一大会址周边现状，从宏观上给人视觉冲击感，同时具有互动可操作性[6-7]。

中共一大纪念馆在设计前期，汇集了基地区域的各类数据，如地形、建筑物、景观、公共设施、环境等。数据信息采集的主要技术手段包括：无人机摄影、三维激光扫描、BIM数字化建模。无人机摄影通过倾斜摄影技术，采集基础3DGIS地形信息；三维激光扫描以车载或机载方式采集城市街道的3D信息；BIM数字化建模对既有建筑或新建建筑按照图纸或测绘信息，建立三维数字模型。设计基地周边区域类型不同，采用的数据收集技术手段也不同。

2.1.1 地上部分采集方案

地上部分指存在于地表的地形、路网、建筑物、景观、水域等数据，采用“先整体覆盖，分阶段细化”的方式进行采集。

2.1.2 地下部分采集方案

地下部分指存在于地下的管线、隧道、轨道交通等设施。采用BIM建模等方式，根据图纸及测绘数据，完成地下部分数据采集。

表1 城市信息采集数据精度建议

中共一大纪念馆项目中，城市信息模型主要展示地理空间、交通道路、自然资源、重点建筑、公共设施等相关信息的点位和数据。展示的重点区域范围为：上海市黄浦区黄陂南路、兴业路口以东，湖滨路以南、太平桥公园以西的位置。同时根据中共一大“红色纪念馆”的特殊属性，模型收集了一大旧址周边1公里范围内聚集的红色文化旅游资源，为未来区域整合红色旅游发展提供参考。

图2 中共一大纪念馆周边城市信息收集半径

2.2 数字孪生城市模型构建

数字孪生城市模型是项目规划条件的可视化反映。孪生城市信息平台的建立和数据的详尽收集能够帮助设计团队在项目前期对规划条件进行整体梳理。中共一大纪念馆选址位于复杂城市历史风貌核心区域中建设，掌握周边城市的多维信息对做出正确的设计决策有着至关重要的作用。

孪生城市模型由多项服务模块组成，包括：孪生城市基础服务、三维仿真开发服务、模型自动导入及优化服务、光照贴图自动生成服务、物理光线追踪服务等。模型构建需要经历城市骨架生成、建筑还原、植被还原、水域还原的过程，同时纳入光照、天气、季节等元素。模型管理具有渲染服务、场景调度、数据集成配置、分析图表配置、用户权限、数据后台维护服务等模块[8]。

孪生城市模型基于楼宇的建筑CAD图纸，对楼宇几何结构进行BIM级还原，包含构建三维建筑模型，1：1还原建筑几何结构。BIM模型管理需有建模工具、模型导入以及轻量化处理BIM+GIS能力[9]。

图3 中共一大纪念馆孪生城市模型周边场景

图4 中共一大纪念馆孪生城市模型室内场景

3 城市信息模型技术对设计流程的优化

孪生城市模型的构建有助于完成设计前期以及施工前期的环境研究。中共一大纪念馆基地周边密布历史保护建筑、高层办公楼，靠近用地红线位置还有已建成的地下停车库以及太平桥公园人工湖。同时，基地周边的黄陂南路、湖滨路、太仓路是上海城市中心主干道，交通繁忙压力大。考虑到一大项目施工工期紧，施工难度大，因此在设计前期将施工条件与施工影响一并纳入考虑。

3.1 辅助设计前期决策

依托孪生城市模型，设计师在前期阶段对基地周边情况有全面的、多维的、可视化的认识。孪生城市模型能够反映基地周边城市道路的交通流量与交通情况，辅助建筑建成后的交通情况模拟，便于相关城市管理部门提前进行决策。此外，由于新天地附近有大量现存的历史保护建筑，因此在设计阶段对基地周边3倍基坑开挖深度范围内的建筑进行房屋检测，掌握现有房屋损坏程度，判断施工条件，预见潜在的施工风险。房屋检测的相关信息最终可集成反应在孪生城市模型的信息平台上，便于各团队设计师进行整体分析。

图5 中共一大纪念馆项目检测房屋平面位置示意图（红色线框内为检测房屋，蓝色线框内为3倍基坑范围）

3.2 提供施工环境预案

中共一大纪念馆项目用地紧张，用地红线紧贴市政道路。在方案设计阶段，团队通过前期掌握的周边城市现状与新建建筑设计情况，判断未来施工缺少作业和堆场场地，必然会侵占到太平桥公园内的人工湖。因此，团队提出对人工湖岸线进行整体改造，并且提前请相关园林部门提前介入，从城市管理者的角度判断方案的可行性，从而减少后期施工可能面临的巨大困难[10]。

同时在施工阶段，施工设计团队结合外部城市信息规划出最合理的施工方案。施工设计团队能够预判可能出现实施矛盾的位置，并提前与政府管理部门沟通，在紧张工期的压力下进一步提高施工效率

图6 中共一大纪念馆项目周边施工条件

4 结束语

城市信息模型技术能够帮助设计团队从多维角度判断整个工程项目的情况。对于中共一大纪念馆此类位于城市历史风貌环境中的重要项目，城市信息模型能够在设计阶段预见施工中以及建成后可能存在的城市问题，从而帮助设计师与城市管理者做出最优决策。同时模型信息可以交互传递应用到项目施工及运维的整体阶段，为后续建筑的智能化运营提供平台。