基于数字技术的绿色城市空间设计研究

金艳萍(上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 200032)

传统城市空间设计给人最直观感受的是视觉形象方面，缺乏对城市空间性能品质方面的要求。基于 ArcGIS 与建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）技术在绿色城市空间设计中的应用，可以使整个过程科学化、精细化、高效化。在方案设计阶段能够方便快捷地得到直观、准确的方案性能反馈信息。对基于数字技术的绿色城市设计进行探索，定性与定量相结合，刚性与弹性并重，主要是为了寻求更合理的设计方法和模式，提出面向实施的数字技术绿色城市空间设计思路。通过数字技术应用创造可持续的城市空间环境，其内涵和特征反映城市绿色发展的思想，并且随着社会、经济和技术的发展也会不断得到补充和进步。

1 城市空间结构模拟

一般影响绿色城市设计空间结构的主要因素包括：城市外部发展条件、城市空间发展、自然地理环境、交通条件以及空间发展需求等。因地制宜，展现本土特色，基于ArcGIS 技术的绿色城市设计空间结构模拟包括利用 ArcGIS技术栅格分析城市绿色生态网络的基础条件，运用多因子评价的方法确定城市重点建设区域，将城市重点建设区域叠加于生态网络地图上，得到最终的城市空间结构模型。最后对结果模型进行修正，对规划区域内用地进行生态重要性评价，确定空间规模及分布特征，得出适合城市发展的绿色城市空间结构，确定规划区生态用地的规模和格局，进而研究城市空间分析与城市环境模拟等方法对绿色、生态、低碳理念具体落实的绿色城市空间设计技术。

2 城市土地生长模拟

基于 ArcGIS 技术关于土地生长模拟的结果，可以分析自然用地增长需求与绿色生态安全之间的矛盾，在土地利用布局时可以尽量避免，符合绿色城市用地功能设计的功能复合设计原则。基于 ArcGIS 技术的绿色城市用地生长模拟包括选取 ArcGIS-CA 模型 5 个类别的要素，土地利用类型的数据、交通影响数据、坡度数据、非建设用地数据和规划建设用地数据。土地利用类型数据是模型的核心，不同土地利用单元的相互作用和动态变化造成了城市的动态发展变化。同时要设定 ArcGIS-CA 模型的 6 个参数，包括扩散参数、沿交通线生长参数、自然生长参数、中心点生长参数、受主观规划影响生长参数、坡度参数等。通过一个发展变化的动态数据层，分析最适宜的土地生长空间，保障自然生态系统的完整性。运用 ArcGIS 中的空间距离分析工具，模拟出相关源点之间最合理的联系通廊，确定生态源，生态缓冲区和生态廊道，进而构建完整的生态安全格局。

3 空间建设强度分析

在绿色城市空间设计领域，通过对土地承载能力进行全面、系统的管控，结合最小生态用地约束，预测土地资源的承载力，以引导城市空间形态塑造、保障城市公共空间、创造良好城市环境。土地上人口、环境及建筑的承载量是用地建设强度的主要反映，用地建设强度的控制内容和指标类别也从最开始的容积率、建筑高度等逐渐扩展到建筑密度、绿地率甚至是空地率等方面。基于 ArcGIS 技术的城市建设强度分析方法是多因素叠加分析法。影响城市建设强度的因素有很多，一般包括区位因素、地价因素、土地用途、人口密度、功能集聚等。影响土地建设强度的决定性影响因素应包括服务条件、交通条件、生态环境条件、功能条件等，通过这些因素的综合评价来确定城市建设强度级别。

4 城市绿色交通分析

在设计绿色交通规划等各类道路系统前，应充分把握城市交通发展的现状。通过 ArcGIS 技术与居民出行调查的方法获取现状交通出行结构、交通流向、交通流量、交通出行距离等规划区内城市交通特征，分析绿色交通的现实和潜在需求特征。掌握现有城市交通基础设施的性质、规模、分布、承载力和利用率等特征，分析绿色交通的发展潜力。分析现有城市交通设施对绿色交通需求的适应性，把握供需的主要矛盾及发展趋势。

结合城市实际，确定城市交通的方式结构目标；绿色城市出行占全方式出行的比例的目标值。根据绿色交通方式结构，科学预测未来各方式的交通需求。绿色城市应构建并常态化维护不少于一个综合交通模型。应按照交通与用地一体化规划的原则，对城市的交通设施布局分区域、差异化控制。宜划定城市核心区、城市次中心区、生活性一般功能区等，作为道路网密度分区域、差异化控制的基础。应按照 ArcGIS 技术分析的公共交通的承载力划定公交先导区（TOD 分区）。应用 ArcGIS 技术的分析功能，综合评价顺应地形地势的走向、道路坡度要求、地质条件稳定、选择最短路径等工程和经济成本等方面，确定最佳线路。应用ArcGIS 技术使道路选线的方法要由定性分析提高到定量、定性和定位相结合的综合分析。

5 城市绿色景观分析

景观指数分析是反映一定区域内景观结构组成和空间配置等方面特征的一种有效方法，对疏理规划用地内复杂多样的景观要素，进而调整景观格局、优化景观功能具有重要作用。运用 ArcGIS 中的成本距离（Cost Distance）功能模块，利用已界定的生态过程源地和各个因子景观过程的阻力面，建立各单因子最小累积阻力表面。构建综合的景观生态格局，运用 ArcGIS 中的叠加分析（Overlay）功能模块，按照土地利用格局、植物保护格局、廊道保护格局各单因子景观生态格局的权重值进行叠加分析，可得到规划区城市的综合景观生态格局阻力差值表面。依照综合景观格局，对城市绿色空间进行合理布局，实现城市园林绿地均质化，提高生态服务水平。适当提高城市园林绿地的规模，增加绿地率、绿化覆盖率，提高人均公共绿地面积。

以城市长期、高密度的气象观测数据为基础，对城市现状风环境和热环境进行评价，分析通风潜力路径，为通风廊道构建提供依据。对城市污染物扩散条件、大气污染源分布等进行分析，划定污染物扩散敏感区和聚集敏感区。结合绿地系统规划和水系统规划等，构建城市多级通风廊道体系，提出规划控制策略，并模拟验证通风廊道实施效果，以切实增强通风潜力、改善局部气候、缓解热岛效应。通过通风廊道规划，对城市空间布局提出引导，并对主通风廊道区域实施严格规划控制，包括建设高度、密度、容积率及地面粗糙度等的规范。

6 设计方案评估与模拟

为了实现绿色城市空间设计，需要基于 BIM 技术对城市空间设计方案进行景观可视度、风、光、热、声环境的模拟分析与评估，进而提升空间性能品质。对城市重要空间进行景观可视度分析，可以辅助城市设计实现最佳效果。通过建立科学的计算分析和客观的数据描述，能够模拟区域内地标性建筑的空间可视区域范围，为绿色城市空间布局、建筑高度等提供有效数据支撑。

基于 BIM 技术，对城市风、光、热、声环境进行可视化模拟分析，有利于优化空间的绿色性能和舒适度。城市风环境对绿色设计具有重要的作用，其涉及安全性、居民健康、绿色建筑与节能、污染物的扩散与空气自净等问题。基于 BIM 技术结合计算机流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）软件的城市空间风环境模拟主要用于在城市空间设计方案阶段，对城市空间进行相关模拟和分析，利用科学的手段提供依据，创造绿色城市空间形态。通过加载不同地区的气象资料，BIM 技术能够帮助进行快速的光环境分析，模拟任何时间、任何地点的光环境，观察城市空间中的建筑光影变化、高层建筑对周围的遮挡情况，并且能够进行精确的日照分析。还可以定量地分析特殊时间段内周围环境对建筑或者建筑某一部分的遮挡情况与强度及辐射。热环境是绿色城市空间环境里非常重要的因素，是影响建筑能耗水平和居住者舒适度的重要因素。通过基于 BIM 技术的热工性能模拟，进行热舒适度、温度分布和冷热负载等多项热工参数的分析计算，对城市空间及建筑进行热辐射分析、逐时温度分析、逐月不舒适度分析等，进而创造舒适的热环境。良好的城市声环境是建设宜居城市空间的重要前提，也是绿色城市空间设计的重要控制因子，是构建绿色城市空间形态的重要途径之一。通过 BIM 技术模拟分析，例如对城市空间内的指定噪声源进行模拟，分析其对城市空间的影响级别，从而为城市空间优化提出合理措施，从声环境角度为可持续城市空间提供辅助数据、三维演示和二维图示等。

总之，绿色城市空间设计目的是打造可持续和谐发展的城市空间，应基于所在地域的气候、资源、自然环境、经济、人文等特点，通过有效运用具有绿色生态特征的数字技术手段。通过基于数字技术平台进行城市空间设计工作，充分运用数字化的空间结构分析、土地生长测算、道路交通优化、三维可视模拟分析等优势，获得城市结构空间、道路规划、绿地景观设计等诸方面的科学依据，可以获得犹如漫步真实街道的感受，实现科学绿色的城市空间设计。