基于BIM技术的城市园林景观工程竖向设计研究

文｜中建八局第三建设有限公司 郭福建 全有维 孙立伟 刘波；河海大学土木与交通学院 陈思民

随着城镇化率的不断提高，人们对自身的生活环境、生活质量的要求也渐渐提高。园林景观工程与民众的日常休闲、生活娱乐息息相关，成为城市建设中重点关注的建设领域，也成为城市居民生活环境舒适健康的保障。而以建筑三维模型、数字化技术为核心的BIM，正以其独特的技术优势在城市园林景观的平面规划、竖向设计中发挥着越来越重要的作用。

1 概述

1.1 BIM 技术

Autodesk 公司将BIM 视作是对传统二维图纸为主的信息载体模式的颠覆。美国国家建筑科学院(NAS)认为BIM 既可以认为是信息建筑模型，也可以被理解为建筑信息模型[1]。对于BIM 的定义，各组织、国内外专家并未统一，但基本可以将其视为是建筑模型的构建与结果的综合。

BIM 技术具有可视化、模拟性、优化性、协调性等特点，这使得建筑物的设计、运营等阶段都能在可视化状态下进行，同时便于多专业协同。BIM 应用在园林设计及具体建设时，能够在设计阶段发现并解决可能出现的问题，从而营造更美好的园林景观。当今中国建筑业发展步伐快、基础设施建设需求大，为实现碳中和目标和建筑行业的可持续发展，施工企业正面临着技术革新、产业升级的严峻考验。在此背景下，BIM 在土建行业中的作用和地位愈加凸显。

Civil 3D 是由Autodesk 公司开发，面向地质、交通、勘测、园林和水利等行业提供BIM 解决方案。作为一款典型的BIM软件，Civil 3D 充当BIM 技术实现的载体工具，使各设计行业从传统二维走向三维，通过将工程的各种信息集成在一个数据库中，实现全生命周期的运维管理。另外其基于AutoCAD 的架构，使其在拥有可视化、参数化、实时性强、准确性高等特点的同时还对传统模式有很强的兼容性，这对各行业的转型及设计效率、质量的提高都有积极作用。

1.2 竖向设计

景观设计中，对场地进行竖向设计实质上就是将景观中的风景、设施、小品及地形地貌等在竖向上创造错落、和谐、优美的布局，其具有统筹性与复杂性。

实际建设中，首先要考虑场地的平面布局是否满足工程要求，其次还要考虑到竖向高程因素。因此，在对场地进行设计时，必须统筹兼顾总体平面和竖向关系：它们的使用功能是否协调?布局安排是否合理?同时还要妥善处理规划与实施的矛盾，才能保证场地建设与使用的合理性、经济性。场地的竖向设计做好，对降低成本、提高工程质量和效率等都有积极作用。

1.3 国内外研究现状

国内外研究对BIM 技术在各领域的应用、竖向设计及园林景观规划中存在的问题、设计方案、优化方法等进行了阐述。

现有文献对园林景观设计的研究大多是以BIM 技术为核心，对BIM 在园林景观设计中的运用特点及应用前景进行了深入的分析研究。焉青[2]以当代一个竖向工程为实例，阐述了竖向设计特别是地形设计在园林景观设计中的重要性。唐俊[3]针对传统园林景观设计中的问题并结合景观设计建设的发展趋势，认为加强竖向设计、强调地域特色、遵循生态原则为未来园林建设的发展方向。张方方[4]结合工程实例提出了基于Civil 3D 的竖向设计优化方法，该方法实现了竖向和平面的相互协调、反馈。彼得· 派切克[5]以拉珀斯维尔应用科技大学学生数字化竖向设计方法取得成效并在东南大学、清华大学得到证实，表明数字化竖向设计对促进风景园林行业BIM技术的发展有积极作用。

利用BIM 技术进行竖向设计是风景园林行业新的发展方向，也是国内外近年来重要的研究趋势之一。相对于传统的设计方法，BIM 技术以其独特的技术优势在竖向设计中发挥出更高效、便捷的作用。国内外学者在此方面研究也呈现出多元化，这种开放性和包容性更促进了园林景观竖向设计利用BIM 技术的多样性探索，这无疑给风景园林行业的发展变革提供了生机和动力。

2 基于BIM 技术的竖向设计整体思路

竖向设计是在分析待建设地段地形条件的基础上，对原有地形加以利用和改造，以达到功能合理、技术可行、造价经济和景观优美的要求[6]。基于BIM 的竖向设计通过创建数字模型，分析场地的建设要素如高程、坡向、坡度等，在规划中融入理性思维，使各方面满足要求，具体步骤如下：

(1)资料的收集与整理

初始资料的收集与场地现状信息的采集是风景园林竖向设计的前提。可以向相关规划部门获取CAD 电子地形图，遥感影像及点云数据等。为方便构建地形模型，将原始地形图等高线及高程点数据提取，并剔除异常数据以保证模型建立的精确性。

(2)地形模型的构建

利用相关数字平台如Civil 3D、GIS 等均可建立地形模型。基于该地形模型，可以进行相关数据的录入、运算、方案设计及高程、流域等分析。

(3)场地竖向分析

竖向分析包括坡度、坡向、高程等分析。在Civil3D 中，调整显示模式，设置不同的分析参数即可实现对地形的分析。Civil 3D还提供了一种动态的曲面图例可在模型发生变动、分析精度改变后随之更新，大大减少了设计过程中的重复劳动。

(4)确定竖向设计方案

基于地形模型及分析结果，根据项目工程具体要求综合考虑各方因素，通过对设计结果的对比评估，不断对方案进行调整优化，直至获得一个竖向设计最优方案。

3 工程案例

3.1 工程现状

规划区瑞龙郊野公园位于南京市江北新区，总占地面积1561.08 m2，拟打造为集运动锻炼、休闲娱乐、旅游观景为一体的绿色公园。园区地势阶级分明，内有若干水系，现状整体标高在3-50 m 范围。

3.2 基于Civil 3D 理论模型的构建与分析

传统景观设计缺乏有效的技术手段，建立的地形模型精度较差，而Civil 3D 地形建模的精度较高，模型数据可动态更新，设计质量和效率都得到提高。下面以瑞龙郊野公园为例，介绍如何利用Civil 3D 进行竖向设计。

(1)数据处理

将从相关部门获得的原始地形图等高线及高程点两个图层提取为单独的CAD 文件，并对错误数据进行修正。

(2)模型构建

选择Civil 3D 的“曲面”功能 ，创建曲面，在弹出对话框可以对曲面样式和渲染材质等信息进行编辑，确定后生成曲面；展开所生成曲面子菜单，在定义菜单下分别添加等高线和图形对象，完成对等高线和高程点数据的导入，即可完成模型创建。

(3)场地分析

在Civil3D 中，调整曲面显示模式，设置不同的分析参数即可快速实现对地形坡度坡向、高程等分析。

此外，Civil 3D 还提供了动态分析图例，在对场地进行不同精度分析时，可以自动更新分析信息，大大减少了人为的重复操作。

3.3 竖向设计

竖向设计方案的实施应随实际工程项目的具体要求而确定。根据瑞龙郊野公园道路及景观的具体情况确定了以下的操作流程：划分排水分区--确定道路竖向位置及高程—场地及部分建筑竖向位置确立—土方填挖计算—是否满足工程要求，若满意则设计流程结束，若不满意则重回第一步进行调整，直至结果满意。流程图如图7。

图1 竖向设计整体思路

图2 瑞龙郊野公园现状

图3 场地数字模型

图4 高程分析图

图5 坡向分析

图6 坡度分析

图7 竖向设计具体流程

3.3.1 排水分区

场地走向呈西北高东南低，中部较为突出，本着以安全、经济为首的原则，各分区场地排水借地势就近排入景观水体或通过下渗进入排水盲管。排水盲管具有表面渗水、内部通水的性质，并且其抗压性、抗变形性能良好，此外还具有诸多优良的机械化学性能，适用于本园区排水规划。根据雨水工程排水分区竖向规划的要求，设置了如下排水分区(见图8)一区雨水主要通过排水盲管汇入人工水池和市政管道；二区雨水主要利用其地形坡度排入景观水体，辅以少量的排水盲管，以减少雨季的地下水压力；三区雨水主要由排水盲管收集排往周边水系；四区为环形观景平台，部分雨水直接利用地形排入景观水体，部分通过下渗进入排水盲管。场地设计使景观水体、人工水池及外部水系相连通，以便及时将过剩的雨水导出。

图8 排水分区

3.3.2 道路竖向规划

根据区域市政提供的道路设计标高及地形原始地形标高，考虑场地排水要求,公园主路的纵坡、横坡设计宜分别小于8%、3%。考虑场地可进行局部挖填方，因此坡度范围可在10%以下。综合地下水水位、工程具体要求考虑，园区绿道控制点不低于15.4 m,园区顶部3 m 主园路控制点标高不高于33.02 m。竖向设计应使外部道路标高与园区标高连贯。园路排水根据上述排水分区进入园区景观水体或下渗进入盲管。

3.3.3 场地及部分建筑竖向规划

图9 道路标高

由上述竖向分析图可知，场地整体坡度较大，东部及南部坡度较缓，高程分布具有明显的阶梯性，所以场地宜规划为台阶式。为避免场地成为凹地滞留雨水，场地设计标高应大于周边道路设计标高0.2 m以上。在园区地势较高或较低处应做相应的填挖方处理，以满足工程标高需求。在本园区中，东南部地势较低，做填方处理。中西部区域地势较高，做挖方处理，以便与周围地形协调贯通。在最高处规划观景平台，观景长廊底部标高最低33 m；东北部坡度大致在1%-5%范围内，可规划停车场地，进行地形微处理可满足排水等要求。

3.3.4 土方估算

竖向设计应考虑最大化利用原有场地，以使土方量填挖尽量达到平衡。考虑到场地排水、防洪防涝及地下水等因素，有必要对场地进行一些土方处理。基于Civil 3D，将原始曲面设为基准曲面，设计曲面设为对照曲面，生成土方量总表（见表1）。

表1 土方量总表

由表粗略估算此次规划土方约为2.9 万m3(挖方)，基本满足工程要求。

3.4 设计效果评估

以往在对复杂场地进行分析设计时，设计者仅凭自己的经验或传统设计软件，难以对各种因素进行科学量化。而Civil3D可以通过对原始地形图建模，并进行三维观察排除“粗差点”保证精度。而且，该软件还可快速对场地的高程、坡度、坡向等进行分析，在原始数据更改时实现同步更新，大大提高了设计的准确性与效率，此外，在Civil 3D 中设定好松散、压实系数，能快速精确地计算出土方工程量，进一步提升工程效率。

图10 设计效果图

利用Civil 3D 对场地进行竖向设计后，场地整体高程控制在15-35 m，设计后地势走向有规律，建筑、小品设施布局合理，地面径流按照排水分区规律排往相应水体及管道中，满足了观景休闲、防洪防涝等要求。

4 结语与展望

目前国内外利用BIM 技术进行园林景观竖向设计已成为新的发展趋势，因此，了解BIM 技术在竖向设计中的应用方法，提升风景园林竖向规划水平显得尤为重要。在对场地竖向设计时,需结合地形现状特点、透彻理解设计方案,统筹考虑规划与实际施工的矛盾和问题,确保工作的有效性和经济性。本文以瑞龙郊野公园为例，介绍了利用BIM 技术对场地进行竖向设计的方法，为风景园林竖向设计提供了参考。随着BIM 技术不断发展成熟，未来的园林景观设计必将更加高效、合理。