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摘要：基于BIM的設計流程雖已在人居環境設計中日益得到廣泛的應用，但在風景園林設計中，與景觀小氣候研究相關的bim流程輔助設計仍缺乏研究。文章基于前期研究成果，在統計實驗場地環境量化信息的基礎上，使用景觀BIM流程輔助，以BIM-GIS協同、環境模擬、參數化輔助設計等設計方法，展現了對研究場地熱環境分析、風環境分析、人群行為時空特征分析、IFC輔助深化設計以及虛擬漫游等BIM輔助設計流程，展示了研究案例的相關結果。研究為景觀空間設計的量化模擬方法提供了詳細的解析案例，體現了BIM流程在輔助小氣候適應性景觀改造方面的初步應用。
關鍵詞：參數化；戶外空間；改造設計；景觀小氣候；BIM1
1研究內容與目的小氣候是受到地形、植被、河流等影響，由太陽輻射、溫度分布、溫度狀況、氣流等發生變化而形成的空間內部相對完整的氣候獨立運作體系[1]。本研究基于景觀信息系統（BIMforLandscape），以坐落于杭州高教園區的一處戶外場地為研究對象，依據上階段項目研究進展，使用BIM參數化分析手段，以BIM環境模擬手段驗證小氣候提升策略的作用，并為類似空間改造設計提供范例，體現參數化的BIM技術在輔助景觀設計中的應用。研究將研究場地的三維BIM模型和具有場地自身地域、時域特征的氣象數據樣本導入景觀BIM參數化平臺，圍繞優化小氣候環境的目的，在設計各階段貫穿參數化分析方法，歸納了基于景觀BIM輔助的小氣候適應性微改造設計流程。
2相關概念和研究
建筑信息模型（BuildingInformationModelling，BIM）技術是一種應用于多行業的設計、建造、管理的數據化工具，其核心是通過建立虛擬三維模型，以數字化技術為模型提供完整的、與實況一致的建筑工程信息庫[2]。BIM的應用提高了項目設計、施工、維護過程中的信息集成化程度，大大提升了設計的科學性[3]。相比于傳統設計技術，BIM技術可以有效解決傳統設計中對環境要素缺乏定量參考依據、2D圖紙難以詳實表述場地實際3D空間、各節點深化設計信息難以精準傳達等缺陷。隨著BIM技術的普及應用，建筑設計、城鄉規劃、風景園林、工業設計等學科中有越來越多的與戶外空間有關的設計，尤其是環境評估中運用三維BIM技術輔助設計。ENVI-met，Ecotect等與建筑、景觀、城鄉規劃類軟件結合的BIM環境模擬軟件，已應用于城鄉規劃、建筑學等領域的量化評估。其中，王頻[4]利用城市氣候地圖進行了環境熱環境評估，表達擬建成環境的風、熱等氣候要素分布。劉濱誼等[5]基于BIM環境分析研究了濱水區、城市綠地[6]等戶外空間中諸多小氣候要素及人體熱舒適度感受的相互關系，并在施工過程中檢驗了相關適應性設計措施的成效。然而，在目前階段，風景園林學科的設計流程仍局限于使用三維BIM表現人工植物造景、園路、構筑物等景觀要素，缺乏對景觀空間中小氣候要素的綜合量化考量。大多數景觀設計方案生成過程中，僅采用定性手段對戶外空間的熱環境、風環境、人群行為分布等熱點問題進行粗略預估，缺乏定量分析，主觀性過強[7]。研究結果多集中在小氣候要素和景觀組成要素的單一模擬評估，以及小氣候環境的模擬推演，BIM輔助景觀設計仍缺乏相關研究和應用[8]。
3上階段研究
上階段研究中，以杭州某高教園區作為實驗基地，分別對其空間內部進行了連續7天的夏季氣象數據實測?；?S技術，制作了場地模型，并使用Excel，RayMan1.2等軟件輔助完成了對氣象數據的分析和可視化，探討了待改造場地中不同下墊面材質對局地空間的小氣候環境影響，提出了具有杭州地域特征與夏季時域特征的校園風景園林小氣候適應性設計策略，包括降溫、降濕、遮陽和通風。本研究以此為基礎，對該場地開展基于BIM流程的全階段設計。設計利用BIM協同方法，將參數化輔助設計方法貫穿于設計過程中的信息收集、分析模擬、深化表現三大階段，避免了現階段主流景觀小氣候改造設計流程中主觀性過強、可視性過弱等缺陷。
4研究方法
4.1BIM設計協同方法。本研究基于景觀BIM技術，以上一階段研究中對場地中4種不同下墊面區域的氣象實測數據為基礎，通過景觀BIM全流程協同，將含有場地GIS物理信息、小氣候環境信息和人群行為信息的模型鏈接至Grasshopper參數化平臺，通過定量分析，得出進一步的改造措施。進而采用BIM建模軟件對改造方案建模，深化小氣候環境提升設計方案，并使用BIM環境模擬軟件模擬改善后的小氣候狀況，驗證改造方案的成效，驗證微改造設計方案的科學性與可行性。最后，使用BIM虛擬漫游軟件直觀表現
4.2BIM景觀模型建立方法。目前，風景園林學科的場地設計研究相對存在定量分析不足、主觀因素過重等弊端。通過BIM與地理信息系統（GIS）等的結合，對場地及擬建的改造方案進行建模，依托參數化分析，在設計階段把握場地的使用條件和環境特點，進而為場地小氣候評估提供底層參照數據來源，故對得出合理的設計決策有很大幫助[9]。本研究對實驗場地的物理信息，包括水體等徑流、地表的坡面形式和豎向高差、綠化的植被空間結構等景觀要素進行測繪，結合GoogleEarth衛星遙感圖，運用SketchUp，Rhino等建模軟件制作場地三維BIM景觀模型，表現地形、水文、駁岸、原有植被、橋梁、構筑物等景觀物理元素信息，如圖2所示。
4.3BIM參數化分析方法。研究在參數化分析與模擬的過程中，主要應用Rhino的參數化平臺Grasshopper編制參數化分析程序。依據上階段研究的實測數據，建立熱環境、風環境與人群行為活動數據庫；運用Rhino和Revit等BIM核心建模軟件建立改造方案模型后，以Grasshopper平臺及Ladybug等模擬插件編寫參數化程序，可實現采集的氣象和人流數據庫、BIM模型與Ecotect等軟件的數據協同鏈接（圖3），模擬場地氣象情況，開展各戶外空間改造前后的小氣候參數化分析。
5研究過程與成果
研究利用BIM軟件構建場地環境數據模型，結合已有實測的場地夏季氣象數據庫，與各類BIM環境模擬軟件實現數據連接，研究對場地進行熱環境、風環境等分析，由此確定植被選擇、構筑物排布、豎向空間更改、水體分布等具體改造措施，驗證景觀物理性能的合理性，進而快速檢驗設計過程中改造方案是否達到有效改善局地小氣候的設計目的，從而最大限度地避免設計中低效、無效方案的出現[1]。繼而，基于BIM的IFC標準，研究對挑空構造等景觀節點進行深化設計，并基于BIM虛擬漫游等可視化技術展現設計方案效果。
5.1基于BIM的熱環境分析。將采集的場地日照數據通過Grasshopper平臺與BIM模型互連，經Ladybug處理，得出測試期間場地太陽運動軌跡與太陽高度角，如圖4所示。由此可知，研究場地夏季受直接太陽輻射時間較長，受太陽輻射直接作用持續時間長，在一定程度上加劇了該空間中的熱島效應。將改造方案的BIM模型導入模擬軟件ENVI-met，對改造后的夏季各時段的地面溫度分布狀況進行參數化模擬，評估改造方案對局地小氣候的改善效果。取得的ENVI-met模擬結果如圖5所示。分析結果表明，改造方案中采用的降溫、遮陽、通風降濕等措施，對改善戶外空間夏季小氣候狀況尤其對于降低正午時段各測點地溫具有較顯著的成效。
5.2基于BIM的風環境分析。因研究場地地處校園戶外空間中一處狹長谷地，又有河流流經，故地形地勢、水文、已有建筑排布狀況等對局地小氣候中的風力、風向等產生多因素的影響。傳統場地設計中，設計者缺少對建立在風環境定量研究基礎上的考量，且設計決策者多傾向于降低對場地風環境方面考慮的權重[10]，而使用基于BIM的風環境模擬則可依據量化模擬，對設計方案做出較為科學的檢驗。在擬改造方案中，通過在橋上設置陣列式樹池、在廣場中央設置環繞式多層次微林帶、通過植被圍合與蒸騰作用引起氣壓差[11]來引導氣流，改善場地風環境。Ecotect軟件是BIM中計算流體力學的成熟應用之一，其算法可推算風流或不恒穩氣流的流體力學與BIM模型中地面、墻、屋頂和植物等幾何形式復雜的區域間發生的熱力學過程[12]。將改造方案模型導入BIM環境分析軟件Ecotect中，將模擬分辨率設置為5m，對改造前后的風力分布進行推算（表1）。BIM風環境模擬模擬結果表明，改造方案在夏季顯著增大了場地中的風流強度，尤其是南北向的主導風，有效強化了場地中央區域的風力聚集。尤其在12:00左右的較極端小氣候下，通過設計方案重建主風道，使場地整體風流較改造前同比提升71.4%，對局地性園林冷島（PCI）的維持具有明顯作用，論證了校園戶外景觀空間適應性改造方案中通風措施的成效。
5.3基于BIM的人群行為時空分析。測試期間，研究人員在場地人流節點處設置了數臺攝像設備進行視頻采樣。將調查期間采集的樣本導入基于OpenCV等人工智能技術編寫的人臉識別程序，依托Grasshopper與場地BIM模型進行數據協同，對場地不同位置停留休憩人群進行統計分析，累計結果如圖6所示。經分析可知，場地中南側河流附近區域停留人數較少，流量高峰集中在午間。中央處廣場白晝期間，整體人流少；7:00～8:00及16:00～17:00時段，人流稍多；傍晚時段，人流量較白晝時段多，且駐留時長較長。木棧道處白晝期間人流量最少，傍晚時人流量增多。草坪處人群駐留時間最長，11:00～13:00時段人流量達谷值；16:00～18:00間的高峰時段，草坪使用頻率僅次于廣場。故在改造方案中，依據人流活動的BIM分析，對場所功能進行理性定位。將廣場中央作為人群集散地，設置合適的休憩設施，進而提升場地利用率；在草坪處增植喬木、增設張拉膜等，為人群提供駐留空間；對木棧道處水體進行豎向改造，吸引人群駐留。
5.4基于BIM的IFC輔助深化設計。在方案深化階段，本研究基于景觀BIM協同進行數據交換和共享的需求，完成較復雜的IFC輔助方案節點設計。行業基礎類（IndustryFoundationClass，IFC）標準是一種BIM體系下用于定義建筑信息可擴展的統一參數化數據工作流，便于在設計、工程和施工方案之間進行交互，使BIM深化設計的精準度得到提升[13]。本研究采用Revit等BIM軟件中的IFC功能對景觀對象進行深入設計。以廣場中央挑空構造微改造的節點深化為例，傳統景觀設計流程中，使用AutoCAD等軟件繪制的平、立、剖面圖紙只能體現該節點構造在正視、側視、仰視等固定視角的“平面形”及其“邊界”等純幾何信息；而在BIM模型“三維組件”的建模過程中定義了節點量體對象的“IFC屬性”（IFCProperty），并給予確切的“類別”描述（圖7），每一類別對象的尺度、形狀、材質屬性等皆基于圖元的參數化數據。IFC輔助深化設計有效地傳達了該細部構造中各構件的關鍵信息，滿足了研究在方案深化過程中對挑空構造中支撐柱體位置、環形棧道鋪設方式、挑空部分開洞等細部的需求，并可輸出IFC格式的模型，作為和其他BIM工程類軟件交互的媒介。以三維方式清晰地表達微改造設計意圖，使方案數據與工程易于對接，利于提升后續景觀工程的施工效率和質量。
5.5基于BIM的虛擬漫游。BIM虛擬漫游技術是將虛擬現實（VR）技術運用在建筑設計、城市規劃等領域的主要應用方式。VR在BIM三維模型基礎上，加強其具象性，通過構建虛擬展示，使BIM設計進一步可視化[14]。本研究運用景觀設計中主流BIM可視化軟件Lumion，進一步在上一階段改造方案的基礎上，完成了BIM方案模型到方案的三維VR動態表現的轉變，直觀地表現不同景觀區域的改造效果，如圖8所示。運用方案模型的BIM虛擬漫游場景預覽研究對植被生長狀況、構筑物形態等在落地后的視覺效果進行整體評估，并可模擬不同季節、一日中不同時間段的場景效果，充分利用BIM建模在VR輔助下協同的即時性、直觀性，詳實表現了小氣候適應性改造設計的最終方案決策。
6結語
基于上階段研究中測試場所的空間形態和實測氣象數據，本研究全階段基于BIM展開景觀設計，使用了SketchUp，Rhino等BIM建模軟件建立三維模型，使用Rhino的參數化平臺Grasshopper，Envi-met及其插件Winair4等進行BIM環境模擬分析，使用Revit深化BIM方案模型，最終以Lumion創建BIM虛擬漫游。通過BIM的全流程改造設計協同方法，為景觀BIM在戶外空間小氣候適應性改造設計中的應用提供范例。
作者:李天劼 梅欹 單位:浙江工業大學浙江工業大學
