數字孿生虛擬設計在公園城市智能建造中的應用與實踐

袁弘毅 楊根明 張立云 吳啟紅 董建輝 陳雪梅

“公園城市”概念的提出，開啟了從“城市中建公園”到“公園中建城市”的范式轉變。5G、物聯網、云計算、AI、BIM等技術的發展則使得數字孿生虛擬設計在公園建設中的應用成了新的熱點和趨勢。文章以東安湖體育公園的智能建造為例，探討了數字孿生技術在公園建設虛擬設計中的應用與實踐，對其全生態場境、苗木綠化、降水影響等公園主要參數進行了模擬分析。結果顯示，運用虛擬設計，可以顯著優化苗木設計，改善景觀體驗，降低洪澇災害風險，且虛擬平臺可服務于東安湖公園的全生命周期設計、建造及運營。

公園城市; 數字孿生; 虛擬設計; 智能建造; 全生命周期

TU984.11+4?? A

[定稿日期]2021-09-03

[作者簡介]袁弘毅（1965～），男，本科，教授級高工，從事市政工程技術工作。

1 “公園城市”的概念

2018年2月，習近平總書記來川考察時首次提出了“公園城市”的概念，明確要“突出公園城市特點，把生態價值考慮進去”，建設可閱讀、可感知、可欣賞、可參與、可消費的美麗宜居公園城市[1]。 “公園城市”作為新的城市發展理念第一次被正式提出，這是對我國城市的生態環境和人居環境建設提出了更高要求，也為城市及公園發展提供了新契機。

2020年1月，習近平總書記在中央財經委員會第六次會議上明確支持成都建設踐行新發展理念的公園城市示范區;11月，黨中央國務院印發《成渝地區雙城經濟圈建設規劃綱要》，將成都建設踐行新發展理念的公園城市示范區正式納入國家戰略，為新時代城市建設發展指明了前進方向、提供了根本遵循。自此，成都市開始了從“城市中建公園”到“公園中建城市”的范式轉變。

數字孿生技術是以高度仿真的動態數字模型來模擬驗證物理實體的狀態和行為的技術[2]，旨在以虛映實、以虛控實。劉占省[3]對數字孿生的內涵及特點、發展歷程、目前的應用現狀及發展趨勢做了詳細的介紹，從概念上來看，數字孿生技術有以下幾個核心點： 一是物理世界與數字世界之間的映射;二是動態的映射;三是除了物理映射之外的邏輯、行為、流程的映射，比如生產流程、業務流程等;四是物理世界與數字世界的雙向映射關系，即數字世界通過計算、處理，也能下達指令、進行計算和控制;五是全生命周期，數字孿生建立虛擬數字模型與現實物理實體是同步的，實現全過程的交互反饋。但簡而言之，數字孿生就是通過建立建造目標的全場景、全信息、全要素模型，以可視化的方式在虛擬世界里展示出來，并用以指導真實目標的設計、建造和運營。

虛擬設計是運用計算機仿真技術，在產品設計階段即模擬產品開發全過程及其對產品設計進行優化。相對于傳統的二維CAD圖紙設計，利用現有計算機仿真軟件，全場景、全信息、全要素的虛擬展示設計目標，在模型內對景觀園林各要素生態環境、降水、苗木等進行模擬并驗證和調整，從而達到最優設計。

2 虛擬設計在公園城市中的應用

本文中的東安湖公園緊鄰第31屆世界大學生運動會主體育場，位于成都市龍泉驛區，車城大道與桃都大道交匯處，項目總占地面積394.7 ha。東安湖片區與老城中心距離19 km，是成都市東進戰略的橋頭堡。公園城市建設并不是單純地在城市里建公園，公園城市建設注重產城互動、融合發展，通過科學合理的規劃，在公園建設的基礎之上打造現代城市綠色綜合體。按照建規[2018]22號的要求，公園建設要做到“尊重自然、順應自然、保護自然、因地制宜，科學合理開展城市生態建設，牢固樹立人與自然和諧共生理念，統籌山水林田湖草系統治理”。因此，東安湖的設計要體現“休閑活動，文化宣傳、農業灌溉和生態修復”的綜合目標，就必須以秀美的自然山水為基地，多元的文化元素為內涵，豐富的休閑活動為特色，并兼具農業灌溉和生態修復功能（圖1）。

智能建造是指在項目建造過程中，充分利用先進的智能化、機械化技術手段，達到項目質量、安全、進度、成本更優的目的，構建項目建造和運行的智能化環境[4]。目前，智能建造已廣泛的應用于公共建筑、橋梁等建筑物的營造，而在公園的建設尚未有先例。在公園城市建設的背景下，對公園建設又提出了更高的要求。因而有必要采用虛擬設計技術，利用各種軟件對公園各要素事先進行模擬建造，進行各種虛擬環境條件下的分析，以提前發現可能出現的問題，并采取預防措施，以達到優化設計、節約工期、減少浪費、降低造價的目的。

2.1 全場景模擬

利用BIM技術進行景觀園林全場景虛擬還原，建立包含全環境要素的三維模型，并給予信息平臺以整合要素模型，通過實時渲染和VR沉浸漫游，對設計進行優化、施工方案模擬等來對項目進行虛擬建造（圖2）。

2.2 苗木綠化的模擬

對苗木種植進行虛擬還原后，BIM景觀工程師聯合專家對公園的苗木搭配、樹種間距方案進行直觀比選，累計完成500余處優化。圖3所示為兩種苗木的優化方案。A方案原設計的苗木種類為黃菖蒲，在虛擬設計場景中發現此類苗木的植株形態較為細長，布置空間欠充盈，且花朵顏色為黃色，與主植株桃花樹的花朵顏色配合欠佳。通過優化設計，最后調整為墨西哥鼠尾草以彌補前述欠缺。B方案中的喬木類植株桃樹，原設計中的放置在草坪上，虛擬設計顯示觀感孤立、割裂，因此將其放置在草本植物叢中，高矮結合，主次分明，突出了層次的豐富性。

2.3 降水的模擬

項目土方施工場地達394.7 ha，大場區地形營造需要三個階段，分別是清表階段、土石方施工階段和微地形整理階段。每個階段的臨設布置需求不一，第一階段主要考慮拆遷障礙物的影響;第二階段需要考慮地形的動態變化;第三階要考慮種植土的填筑和地下管網埋設工作面的移交。除此之外，各階段還需考慮雨水、原狀水系對防洪渡汛、水土保持的影響，并采取積極有效的防范措施。

地形造型期間將改變原有水系通道，通過地形等高線建立匯水分析模型，見圖4。該模型可直觀展示水流方向、大小和標高對土方填挖的影響，輔助調整各施工階段排水方案，見圖5。

地形造型還將改變原雨水徑流，經分析，雨季來臨時水流將在湖區匯集，對土方開挖造成很大影響。結合成都市龍泉驛區近十年的水文、降雨量資料，模擬降水、匯水過程，在滿足本片區排洪和灌溉的基本功能基礎上，三階段土方施工過程中分別動態調整排水溝、集水井的位置和尺寸，保證場內不積水，保障土方的正常填挖。通過提前設置泄洪道，實現永臨結合（圖6），為防洪渡汛提供有力保障，保證了防洪渡汛工作的順利開展，規避了風險。

3 結束語

“公園城市”的概念的提出，開啟了從“城市中建公園”到“公園中建城市”的范式轉變。公園本身也從最初的休閑娛樂場地，變成了集“休閑活動，文化宣傳、農業灌溉和生態修復”多重功能，并兼顧生態效益與經濟效益的綠色城市綜合體。數字孿生虛擬設計為公園城市的建設提供了新的技術支持。通過本文分析，可以知道，運用以數字孿生虛擬設計技術可以對綠色城市綜合體的全環境、苗木綠化、降水等主要參數進行模擬分析，不斷優化苗木設計，改善景觀體驗，降低洪澇災害風險，并且虛擬平臺可服務于東安湖公園的全生命周期設計、建造及運營。

參考文獻

[1] 董建華，汪小琦，舒建英.從“城市中建公園”到“公園中建城市”——四川成都公園城市國土空間總體規劃的探索[J].資源導刊，2021（7）：56-57.

[2] 陶飛，劉蔚然，張萌，等.數字孿生五維模型及十大領域應用[J].計算機集成制造系統，2019，25（1）：1-18.

[3] 劉占省，史國梁，孫佳佳.數字孿生技術及其在智能建造中的應用[J].工業建筑，2021，51（3）：184-192.

[4] 劉占省，劉子圣，孫佳佳，等.基于數字孿生的智能建造方法及模型試驗[J].建筑結構學報，2021，42（6）：26-36.

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