基于數(shù)字技術(shù)的綠色城市空間設(shè)計研究

金艷萍(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 200032)

傳統(tǒng)城市空間設(shè)計給人最直觀感受的是視覺形象方面，缺乏對城市空間性能品質(zhì)方面的要求?；?ArcGIS 與建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）技術(shù)在綠色城市空間設(shè)計中的應(yīng)用，可以使整個過程科學(xué)化、精細(xì)化、高效化。在方案設(shè)計階段能夠方便快捷地得到直觀、準(zhǔn)確的方案性能反饋信息。對基于數(shù)字技術(shù)的綠色城市設(shè)計進(jìn)行探索，定性與定量相結(jié)合，剛性與彈性并重，主要是為了尋求更合理的設(shè)計方法和模式，提出面向?qū)嵤┑臄?shù)字技術(shù)綠色城市空間設(shè)計思路。通過數(shù)字技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造可持續(xù)的城市空間環(huán)境，其內(nèi)涵和特征反映城市綠色發(fā)展的思想，并且隨著社會、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展也會不斷得到補充和進(jìn)步。

1 城市空間結(jié)構(gòu)模擬

一般影響綠色城市設(shè)計空間結(jié)構(gòu)的主要因素包括：城市外部發(fā)展條件、城市空間發(fā)展、自然地理環(huán)境、交通條件以及空間發(fā)展需求等。因地制宜，展現(xiàn)本土特色，基于ArcGIS 技術(shù)的綠色城市設(shè)計空間結(jié)構(gòu)模擬包括利用 ArcGIS技術(shù)柵格分析城市綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)條件，運用多因子評價的方法確定城市重點建設(shè)區(qū)域，將城市重點建設(shè)區(qū)域疊加于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)地圖上，得到最終的城市空間結(jié)構(gòu)模型。最后對結(jié)果模型進(jìn)行修正，對規(guī)劃區(qū)域內(nèi)用地進(jìn)行生態(tài)重要性評價，確定空間規(guī)模及分布特征，得出適合城市發(fā)展的綠色城市空間結(jié)構(gòu)，確定規(guī)劃區(qū)生態(tài)用地的規(guī)模和格局，進(jìn)而研究城市空間分析與城市環(huán)境模擬等方法對綠色、生態(tài)、低碳理念具體落實的綠色城市空間設(shè)計技術(shù)。

2 城市土地生長模擬

基于 ArcGIS 技術(shù)關(guān)于土地生長模擬的結(jié)果，可以分析自然用地增長需求與綠色生態(tài)安全之間的矛盾，在土地利用布局時可以盡量避免，符合綠色城市用地功能設(shè)計的功能復(fù)合設(shè)計原則?；?ArcGIS 技術(shù)的綠色城市用地生長模擬包括選取 ArcGIS-CA 模型 5 個類別的要素，土地利用類型的數(shù)據(jù)、交通影響數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、非建設(shè)用地數(shù)據(jù)和規(guī)劃建設(shè)用地數(shù)據(jù)。土地利用類型數(shù)據(jù)是模型的核心，不同土地利用單元的相互作用和動態(tài)變化造成了城市的動態(tài)發(fā)展變化。同時要設(shè)定 ArcGIS-CA 模型的 6 個參數(shù)，包括擴(kuò)散參數(shù)、沿交通線生長參數(shù)、自然生長參數(shù)、中心點生長參數(shù)、受主觀規(guī)劃影響生長參數(shù)、坡度參數(shù)等。通過一個發(fā)展變化的動態(tài)數(shù)據(jù)層，分析最適宜的土地生長空間，保障自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性。運用 ArcGIS 中的空間距離分析工具，模擬出相關(guān)源點之間最合理的聯(lián)系通廊，確定生態(tài)源，生態(tài)緩沖區(qū)和生態(tài)廊道，進(jìn)而構(gòu)建完整的生態(tài)安全格局。

3 空間建設(shè)強(qiáng)度分析

在綠色城市空間設(shè)計領(lǐng)域，通過對土地承載能力進(jìn)行全面、系統(tǒng)的管控，結(jié)合最小生態(tài)用地約束，預(yù)測土地資源的承載力，以引導(dǎo)城市空間形態(tài)塑造、保障城市公共空間、創(chuàng)造良好城市環(huán)境。土地上人口、環(huán)境及建筑的承載量是用地建設(shè)強(qiáng)度的主要反映，用地建設(shè)強(qiáng)度的控制內(nèi)容和指標(biāo)類別也從最開始的容積率、建筑高度等逐漸擴(kuò)展到建筑密度、綠地率甚至是空地率等方面?；?ArcGIS 技術(shù)的城市建設(shè)強(qiáng)度分析方法是多因素疊加分析法。影響城市建設(shè)強(qiáng)度的因素有很多，一般包括區(qū)位因素、地價因素、土地用途、人口密度、功能集聚等。影響土地建設(shè)強(qiáng)度的決定性影響因素應(yīng)包括服務(wù)條件、交通條件、生態(tài)環(huán)境條件、功能條件等，通過這些因素的綜合評價來確定城市建設(shè)強(qiáng)度級別。

4 城市綠色交通分析

在設(shè)計綠色交通規(guī)劃等各類道路系統(tǒng)前，應(yīng)充分把握城市交通發(fā)展的現(xiàn)狀。通過 ArcGIS 技術(shù)與居民出行調(diào)查的方法獲取現(xiàn)狀交通出行結(jié)構(gòu)、交通流向、交通流量、交通出行距離等規(guī)劃區(qū)內(nèi)城市交通特征，分析綠色交通的現(xiàn)實和潛在需求特征。掌握現(xiàn)有城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的性質(zhì)、規(guī)模、分布、承載力和利用率等特征，分析綠色交通的發(fā)展?jié)摿?。分析現(xiàn)有城市交通設(shè)施對綠色交通需求的適應(yīng)性，把握供需的主要矛盾及發(fā)展趨勢。

結(jié)合城市實際，確定城市交通的方式結(jié)構(gòu)目標(biāo)；綠色城市出行占全方式出行的比例的目標(biāo)值。根據(jù)綠色交通方式結(jié)構(gòu)，科學(xué)預(yù)測未來各方式的交通需求。綠色城市應(yīng)構(gòu)建并常態(tài)化維護(hù)不少于一個綜合交通模型。應(yīng)按照交通與用地一體化規(guī)劃的原則，對城市的交通設(shè)施布局分區(qū)域、差異化控制。宜劃定城市核心區(qū)、城市次中心區(qū)、生活性一般功能區(qū)等，作為道路網(wǎng)密度分區(qū)域、差異化控制的基礎(chǔ)。應(yīng)按照 ArcGIS 技術(shù)分析的公共交通的承載力劃定公交先導(dǎo)區(qū)（TOD 分區(qū)）。應(yīng)用 ArcGIS 技術(shù)的分析功能，綜合評價順應(yīng)地形地勢的走向、道路坡度要求、地質(zhì)條件穩(wěn)定、選擇最短路徑等工程和經(jīng)濟(jì)成本等方面，確定最佳線路。應(yīng)用ArcGIS 技術(shù)使道路選線的方法要由定性分析提高到定量、定性和定位相結(jié)合的綜合分析。

5 城市綠色景觀分析

景觀指數(shù)分析是反映一定區(qū)域內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面特征的一種有效方法，對疏理規(guī)劃用地內(nèi)復(fù)雜多樣的景觀要素，進(jìn)而調(diào)整景觀格局、優(yōu)化景觀功能具有重要作用。運用 ArcGIS 中的成本距離（Cost Distance）功能模塊，利用已界定的生態(tài)過程源地和各個因子景觀過程的阻力面，建立各單因子最小累積阻力表面。構(gòu)建綜合的景觀生態(tài)格局，運用 ArcGIS 中的疊加分析（Overlay）功能模塊，按照土地利用格局、植物保護(hù)格局、廊道保護(hù)格局各單因子景觀生態(tài)格局的權(quán)重值進(jìn)行疊加分析，可得到規(guī)劃區(qū)城市的綜合景觀生態(tài)格局阻力差值表面。依照綜合景觀格局，對城市綠色空間進(jìn)行合理布局，實現(xiàn)城市園林綠地均質(zhì)化，提高生態(tài)服務(wù)水平。適當(dāng)提高城市園林綠地的規(guī)模，增加綠地率、綠化覆蓋率，提高人均公共綠地面積。

以城市長期、高密度的氣象觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對城市現(xiàn)狀風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境進(jìn)行評價，分析通風(fēng)潛力路徑，為通風(fēng)廊道構(gòu)建提供依據(jù)。對城市污染物擴(kuò)散條件、大氣污染源分布等進(jìn)行分析，劃定污染物擴(kuò)散敏感區(qū)和聚集敏感區(qū)。結(jié)合綠地系統(tǒng)規(guī)劃和水系統(tǒng)規(guī)劃等，構(gòu)建城市多級通風(fēng)廊道體系，提出規(guī)劃控制策略，并模擬驗證通風(fēng)廊道實施效果，以切實增強(qiáng)通風(fēng)潛力、改善局部氣候、緩解熱島效應(yīng)。通過通風(fēng)廊道規(guī)劃，對城市空間布局提出引導(dǎo)，并對主通風(fēng)廊道區(qū)域?qū)嵤﹪?yán)格規(guī)劃控制，包括建設(shè)高度、密度、容積率及地面粗糙度等的規(guī)范。

6 設(shè)計方案評估與模擬

為了實現(xiàn)綠色城市空間設(shè)計，需要基于 BIM 技術(shù)對城市空間設(shè)計方案進(jìn)行景觀可視度、風(fēng)、光、熱、聲環(huán)境的模擬分析與評估，進(jìn)而提升空間性能品質(zhì)。對城市重要空間進(jìn)行景觀可視度分析，可以輔助城市設(shè)計實現(xiàn)最佳效果。通過建立科學(xué)的計算分析和客觀的數(shù)據(jù)描述，能夠模擬區(qū)域內(nèi)地標(biāo)性建筑的空間可視區(qū)域范圍，為綠色城市空間布局、建筑高度等提供有效數(shù)據(jù)支撐。

基于 BIM 技術(shù)，對城市風(fēng)、光、熱、聲環(huán)境進(jìn)行可視化模擬分析，有利于優(yōu)化空間的綠色性能和舒適度。城市風(fēng)環(huán)境對綠色設(shè)計具有重要的作用，其涉及安全性、居民健康、綠色建筑與節(jié)能、污染物的擴(kuò)散與空氣自凈等問題?；?BIM 技術(shù)結(jié)合計算機(jī)流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）軟件的城市空間風(fēng)環(huán)境模擬主要用于在城市空間設(shè)計方案階段，對城市空間進(jìn)行相關(guān)模擬和分析，利用科學(xué)的手段提供依據(jù)，創(chuàng)造綠色城市空間形態(tài)。通過加載不同地區(qū)的氣象資料，BIM 技術(shù)能夠幫助進(jìn)行快速的光環(huán)境分析，模擬任何時間、任何地點的光環(huán)境，觀察城市空間中的建筑光影變化、高層建筑對周圍的遮擋情況，并且能夠進(jìn)行精確的日照分析。還可以定量地分析特殊時間段內(nèi)周圍環(huán)境對建筑或者建筑某一部分的遮擋情況與強(qiáng)度及輻射。熱環(huán)境是綠色城市空間環(huán)境里非常重要的因素，是影響建筑能耗水平和居住者舒適度的重要因素。通過基于 BIM 技術(shù)的熱工性能模擬，進(jìn)行熱舒適度、溫度分布和冷熱負(fù)載等多項熱工參數(shù)的分析計算，對城市空間及建筑進(jìn)行熱輻射分析、逐時溫度分析、逐月不舒適度分析等，進(jìn)而創(chuàng)造舒適的熱環(huán)境。良好的城市聲環(huán)境是建設(shè)宜居城市空間的重要前提，也是綠色城市空間設(shè)計的重要控制因子，是構(gòu)建綠色城市空間形態(tài)的重要途徑之一。通過 BIM 技術(shù)模擬分析，例如對城市空間內(nèi)的指定噪聲源進(jìn)行模擬，分析其對城市空間的影響級別，從而為城市空間優(yōu)化提出合理措施，從聲環(huán)境角度為可持續(xù)城市空間提供輔助數(shù)據(jù)、三維演示和二維圖示等。

總之，綠色城市空間設(shè)計目的是打造可持續(xù)和諧發(fā)展的城市空間，應(yīng)基于所在地域的氣候、資源、自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、人文等特點，通過有效運用具有綠色生態(tài)特征的數(shù)字技術(shù)手段。通過基于數(shù)字技術(shù)平臺進(jìn)行城市空間設(shè)計工作，充分運用數(shù)字化的空間結(jié)構(gòu)分析、土地生長測算、道路交通優(yōu)化、三維可視模擬分析等優(yōu)勢，獲得城市結(jié)構(gòu)空間、道路規(guī)劃、綠地景觀設(shè)計等諸方面的科學(xué)依據(jù)，可以獲得猶如漫步真實街道的感受，實現(xiàn)科學(xué)綠色的城市空間設(shè)計。