紧凑条件下的宜居——BIM在城市微环境模拟中的应用

刘 宏 谢 宜 张家立

(1．佛山国土资源与和城乡规划局，佛山 528000;2．华中科技大学BIM工程中心，武汉 430074;3．广州优比建筑咨询有限公司，广州 510640)

1 背景资料

进入21世纪以来中国经济发展非常迅速，伴随而来的是高速城市化发展带来的负面问题，其中，“病态城市”的不断增多是最突出的问题。所谓“病态城市”，是指现代城市面临的土地资源日渐枯竭、人口过度膨胀、建设投资入不敷出、交通拥堵、人居环境日趋恶化等诸多病态。目前，世界范围的大城市都面临着同样的问题。

经多方研究表明，城市作为一种极具效益同时又具有发散效应的人类生存空间，并不是占地越多越好。恰恰相反，城市越松散，管理的难度越大、死角越多、治安越差，对汽车交通越加依赖、城市交通总量越大、交通拥堵越重、交通占用时间越长，汽车燃油消耗越多、尾气污染越重、城市噪音越强，人居环境越差、城市效率越低。

造成城市松散的原因主要是城市土地粗放利用，表面看起来是多占用了土地，从深层次上看，它是城市全面不可持续发展的总祸根。只有通过土地利用集约化，实现城市高度紧凑，才能消除城市松散的诸多弊端，实现城市的可持续发展。因此，城市可持续发展问题的核心是土地利用集约化。

图1 “病态城市”——城市土地粗放利用造成的结果

近年世界各国已开始意识到西方国家尤其是美国，其城市发展模式是不可持续且不可复制的，以美国为例，它以占5%世界总人口却消耗30%的世界总资源，美国人的平均能源消耗是中国的10倍，是印度的20倍，是全世界平均水平的5倍，美国城市造成的环境污染也是全世界最高的，而其根本原因是其蔓延式发展的郊区城市化发展模式。

早在2000年，100多个国家代表参加了世界未来城市大会，并发表了《柏林宣言》，指出占世界人口三分之一的城市消耗了全球三分之二的资源，城市再这样发展，全球将发生生态性灾难，因此必须竭力发展出另一种城市模式，紧凑型城市应该是可持续发展城市的远景。由亚洲人居环境协会发起主办、联合国人局署驻亚太区办事处、日本福冈市政府联合主办的第二届亚洲人居环境国际峰会于2006年提出的《绿色亚洲人居环境宣言》第四条明确提出倡导紧凑城市。亚洲作为全球人口最多、面积最大、经济发展最活跃的地区，城市化进程已经进入了快速、复杂的发展阶段。

中国近年也对“摊大饼”的城市发展模式进行了反思，例如北京的城市布局将走出以往“摊大饼”式的思维，取而代之的是吴良镛教授提出的“串葡萄”模式，“串葡萄”即交通轴加上一些城镇建设的区域，加上生态绿地，就像一个葡萄藤、葡萄叶、葡萄珠之间的关系，有序地安排城市发展的空间，有序组织城市建设。重庆城市发展也放弃北美模式，在2009年提出了“章鱼式”发展，一个主城，多个卫星城由快轨连接，快轨两侧是绿化带，其核心是“分散——紧凑型”城市组团。“分散”是指城市的“多中心”，而不是过度的城市蔓延。“紧凑”是指每个城市组团内以步行距离为半径，尽可能在控制密度的前提下提高其空间利用率。其他城市如广州、杭州、深圳、佛山等等都以在城市紧凑发展上付诸行动。时任国家建设部副部长国家仇保兴博士在2006年《紧凑度和多样性——我国城市可持续发展的核心理念》一文中也明确了观点:“我认为，无论从国外城市化的历史经验或我国国情来看，建设用地的紧凑度和城市的多样性应该是我国城市可持续发展的核心理念。”

紧凑新城镇发展是一种可持续的绿色的发展模式，我们在关注城市紧凑节约化发展的同时，也要关注城镇的宜居。

宜居城市建设是城市发展到后工业化阶段的产物。宜居性比较强的城市是具有良好的居住和空间环境、人文社会环境、生态与自然环境和清洁高效的生产环境的居住地。1996年联合国第二次人居大会提出了城市应当是适宜居住的人类居住地的概念。此概念一经提出就在国际社会形成了广泛共识，成为21世纪新的城市观。中国也在2000年在建设部主持下设立了“中国人居环境奖”。2005年，在国务院批复的《北京城市总体规划》中首次出现“宜居城市”概念。

从我国的现实情况看，在当前城市化高速发展的今天，一些城市在反思“大城市病”的同时，开始追求“幸福指数”、“健康城市”、“绿色城市”，许多中国政府官员已经意识到，当今中国城市居民的幸福指数并不简单取决于人均GDP或人均收入，还取决于当地的自然环境、居住条件、安全状况以及市民的精神状态等。综上所述，如何实现城市紧凑条件下的宜居，已经变得非常紧迫，值得我们持续关注与思考。

2 BIM应用于紧凑条件下城市宜居的技术思路

城市的紧凑条件和城市宜居并不矛盾，宜居城市有宏观、中观、微观三个层面的含义。从宏观层面来看，宜居城市应该具备良好的城市大环境，包括自然生态环境、社会人文环境、人工建筑设施环境在内，是一个复杂的巨系统;从中观层面来看，宜居城市应该具备规划设计合理、生活设施齐备、环境优美、和谐亲切的社区环境;从微观层面来看，宜居城市应该具备单体建筑内部良好的居室环境，包括居住面积适宜、房屋结构合理、卫生设施先进，以及良好的通风、采光、隔音等功效。

从城市规划专业角度看，城市宜居的宏观、中观和微观与规划专业的城市总体规划、控制性详细规划和修建性详细规划在层次上比较契合，城市规划管理比较注重城市整体定位和发展方向、城市功能分区和用地性质把握、城市建筑空间的合理性。在城市宜居方面与城市规划方面结合来看，总体上应该从城市定位入手，开发与生态保护并重，并注重城市各区定位，交通空间舒畅，城市人口层次分布合理等;在用地方面注重用地功能分布合理，各基础设施完善，城市居民生活便捷，绿地空间分布合理等;在建筑空间方面注重建筑的合理布局，城市建筑天际线合理，建筑空间的布局为城市小气候创造更有利生活舒适的条件。

目前城市规划信息化工作已经开展很多年，从最初的电子报批到现在的GIS统一信息平台和三维仿真系统，无论是从城市管理角度还是从城市规划技术手段都有了很大的提高。规划信息化工作是为整个城市规划设计、规划研究和规划决策提供辅助的技术工作，其技术层次和成果多样性可以直接影响规划者在设计、研究和决策的综合信息量，也直接影响规划者得最后成果和决策。

就紧凑条件下的城市宜居来说，如何利用信息化手段为城市规划者提供第一手的信息资料，达到规划从定性到定量的转变，最终实现城市规划空间精细化管理的目的，这需要有一种新的技术方法来统筹整个工作思路。要实现紧凑条件下的城市宜居，总的来说，需要从生态学角度和规划学角度两个方向入手，通过生态学严谨的评价体系对城市规划合理性给出评价，或者从城市现状进行规划检讨过程中将生态学引入，从评价结果对下一步的城市规划给出基本的方向和前提，这是从城市规划角度实现紧凑条件下的城市宜居的基本思想。技术方面，从现有国内外的一些文献和案例分析，除了现有的GIS系统外，还需要引入一种新的技术手段来对规划方案和现状进行生态方面的模拟和评估，达到规划生态化指标量化，这种新的技术手段就是BIM。

经过二十一世纪近十年的快速发展，BIM技术(英文全称:Building Information Modeling;中文名称:建筑信息模型)已经成为城市工程建设行业的主要支撑技术和方法，通过全球范围的研究和实际工程应用，BIM已经被证明是未来提升工程建设行业技术及管理升级的核心技术。因BIM具有参数化、信息化、可视化等特点，所以其数据可为城市管理者提供可视化的辅助决策分析。尤其在城市景观、微环境生态分析等领域发挥出巨大优势，让传统的三维可视化规划管理提升到定量的可视化分析高度，为城市规划管理者提供更科学的依据。

BIM是目前实现可计算信息模型的一种概念和总结，它将单纯的空间模型提升到了信息模型的程度，将以往二维信息空间提升到了四维信息空间。城市规划是一个四维信息模型，其包含了规划学里的各种实体，包括自然三维实体，人工三维实体及这些实体在时间空间演变的一个时间维度。BIM可以说是现有规划三维仿真辅助决策系统的拓展和延伸，但是从技术角度，它是一个全新的技术理念，其覆盖的信息更广，所能拓展的计算领域更加多样化和复杂化，这为城市规划的量化提供了广阔的空间，能使城市规划指标体系多样化和精细化，这为城市规划管理者提供更加丰富详细的多样化信息，是为规划管理者在规划设计、规划研究和决策时提供辅助决策信息的重要技术手段。

紧凑条件下城市宜居的模拟和评价需要将现有现状与规划方案中的三维要素进行BIM模型建立，并且将信息附加到模型上，以GIS信息平台作为用地和建筑数据支撑。城市空间的所有三维要素均有其物理属性和化学属性，物理属性如尺寸、形状等;化学属性如其材质的各类化学属性等。将这些BIM模型放入专业的计算平台中进行其化学属性与物理属性的提取，就能进行专业的模拟和推演，得到整个城市空间的一些生态数据，如热量的吸收与释放、温度场的分布、噪音扩散云图、空气污染颗粒及浓度分布等等，这些数据与城市建筑空间结构和用地布局等有着密不可分的关系，城市空间的多样性将大大导致这些数据的多样性。模拟生成的数据直接对城市现状和规划方案产生重要的研究和决策影响。

紧凑条件下的城市宜居主要目标是实现在既定规划指标下的城市空间布局对城市生态影响最小，或者是通过城市空间布局改善城市人居的舒适度。通过BIM模型的模拟和评估，在规划研究过程中对这些指标反复进行模拟和改善，最终达到规划经济指标与生态指标良好融合。

3 应用案例——南方某城市城乡规划微环境模拟平台

南方某城市在基于BIM的规划微环境分析方面做了较深入的探索，目前正在建设“某某市城市规划微环境模拟平台”，其主要功能是模拟城市规划修建性详细规划阶段城市空间的微环境，如模拟建筑物空间结构的日照关系、风环境、热工、空间景观的可视度和噪音分析等，除此以外，该平台还涵盖了目前三维仿真平台的基本功能，如指标查询、用地功能与建筑索引分类等。

该城乡规划微环境模拟平台是在建立城市规划BIM模型的基础上，通过微环境模拟，对城市规划修建性详细规划进行微环境指标模拟并评估，并以此评估结果对控规的用地指标进行修正和对修建性详细规划的建筑空间布局进行调控，辅助城市规划管理和城市规划设计。

图2－图7是该平台产生的部分成果。

图7 遮挡百分比分析图

4 小结

从世界各国的发展情况来看，城市紧凑集约化和生态化发展已成为必然趋势，BIM技术也正在逐渐成为一种新的城市规划建设核心技术，BIM的多维信息模型、属性信息管理手段，与生态分析技术相结合，在分析模拟城市规划区域的生态指标等方面表现出强大优势，为实现紧凑条件下城市的宜居提供了必不可少的技术实现手段。虽然目前很多应用还处于初级阶段，但其应用前景广阔，无论是城市新区规划建设或是旧城改造，通过专业分析都可达到优化规划设计，创造高舒适度空间的作用，对当前我国政府发展紧凑条件下的宜居城市具有很强的现实意义。

［1］仇保兴．紧凑度和多样性——我国城市可持续发展的核心理念，城市规划，2006年第11期．

［2］徐新，范明林．紧凑城市——宜居、多样和可持续的城市发展，上海人民出版社，2010年6月．

［3］谢宜，葛文兰．基于BIM技术的城市规划微环境生态模拟与评估［J］．土木建筑工程信息技术，2010，2(3):51-57．

［4］何关培．BIM总论，中国建筑工业出版社，2011年5月．