基于BIM技術的城市園林景觀工程豎向設計研究

文｜中建八局第三建設有限公司 郭福建 全有維 孫立偉 劉波；河海大學土木與交通學院 陳思民

隨著城鎮化率的不斷提高，人們對自身的生活環境、生活質量的要求也漸漸提高。園林景觀工程與民眾的日常休閑、生活娛樂息息相關，成為城市建設中重點關注的建設領域，也成為城市居民生活環境舒適健康的保障。而以建筑三維模型、數字化技術為核心的BIM，正以其獨特的技術優勢在城市園林景觀的平面規劃、豎向設計中發揮著越來越重要的作用。

1 概述

1.1 BIM 技術

Autodesk 公司將BIM 視作是對傳統二維圖紙為主的信息載體模式的顛覆。美國國家建筑科學院(NAS)認為BIM 既可以認為是信息建筑模型，也可以被理解為建筑信息模型[1]。對于BIM 的定義，各組織、國內外專家并未統一，但基本可以將其視為是建筑模型的構建與結果的綜合。

BIM 技術具有可視化、模擬性、優化性、協調性等特點，這使得建筑物的設計、運營等階段都能在可視化狀態下進行，同時便于多專業協同。BIM 應用在園林設計及具體建設時，能夠在設計階段發現并解決可能出現的問題，從而營造更美好的園林景觀。當今中國建筑業發展步伐快、基礎設施建設需求大，為實現碳中和目標和建筑行業的可持續發展，施工企業正面臨著技術革新、產業升級的嚴峻考驗。在此背景下，BIM 在土建行業中的作用和地位愈加凸顯。

Civil 3D 是由Autodesk 公司開發，面向地質、交通、勘測、園林和水利等行業提供BIM 解決方案。作為一款典型的BIM軟件，Civil 3D 充當BIM 技術實現的載體工具，使各設計行業從傳統二維走向三維，通過將工程的各種信息集成在一個數據庫中，實現全生命周期的運維管理。另外其基于AutoCAD 的架構，使其在擁有可視化、參數化、實時性強、準確性高等特點的同時還對傳統模式有很強的兼容性，這對各行業的轉型及設計效率、質量的提高都有積極作用。

1.2 豎向設計

景觀設計中，對場地進行豎向設計實質上就是將景觀中的風景、設施、小品及地形地貌等在豎向上創造錯落、和諧、優美的布局，其具有統籌性與復雜性。

實際建設中，首先要考慮場地的平面布局是否滿足工程要求，其次還要考慮到豎向高程因素。因此，在對場地進行設計時，必須統籌兼顧總體平面和豎向關系：它們的使用功能是否協調?布局安排是否合理?同時還要妥善處理規劃與實施的矛盾，才能保證場地建設與使用的合理性、經濟性。場地的豎向設計做好，對降低成本、提高工程質量和效率等都有積極作用。

1.3 國內外研究現狀

國內外研究對BIM 技術在各領域的應用、豎向設計及園林景觀規劃中存在的問題、設計方案、優化方法等進行了闡述。

現有文獻對園林景觀設計的研究大多是以BIM 技術為核心，對BIM 在園林景觀設計中的運用特點及應用前景進行了深入的分析研究。焉青[2]以當代一個豎向工程為實例，闡述了豎向設計特別是地形設計在園林景觀設計中的重要性。唐俊[3]針對傳統園林景觀設計中的問題并結合景觀設計建設的發展趨勢，認為加強豎向設計、強調地域特色、遵循生態原則為未來園林建設的發展方向。張方方[4]結合工程實例提出了基于Civil 3D 的豎向設計優化方法，該方法實現了豎向和平面的相互協調、反饋。彼得· 派切克[5]以拉珀斯維爾應用科技大學學生數字化豎向設計方法取得成效并在東南大學、清華大學得到證實，表明數字化豎向設計對促進風景園林行業BIM技術的發展有積極作用。

利用BIM 技術進行豎向設計是風景園林行業新的發展方向，也是國內外近年來重要的研究趨勢之一。相對于傳統的設計方法，BIM 技術以其獨特的技術優勢在豎向設計中發揮出更高效、便捷的作用。國內外學者在此方面研究也呈現出多元化，這種開放性和包容性更促進了園林景觀豎向設計利用BIM 技術的多樣性探索，這無疑給風景園林行業的發展變革提供了生機和動力。

2 基于BIM 技術的豎向設計整體思路

豎向設計是在分析待建設地段地形條件的基礎上，對原有地形加以利用和改造，以達到功能合理、技術可行、造價經濟和景觀優美的要求[6]。基于BIM 的豎向設計通過創建數字模型，分析場地的建設要素如高程、坡向、坡度等，在規劃中融入理性思維，使各方面滿足要求，具體步驟如下：

(1)資料的收集與整理

初始資料的收集與場地現狀信息的采集是風景園林豎向設計的前提。可以向相關規劃部門獲取CAD 電子地形圖，遙感影像及點云數據等。為方便構建地形模型，將原始地形圖等高線及高程點數據提取，并剔除異常數據以保證模型建立的精確性。

(2)地形模型的構建

利用相關數字平臺如Civil 3D、GIS 等均可建立地形模型。基于該地形模型，可以進行相關數據的錄入、運算、方案設計及高程、流域等分析。

(3)場地豎向分析

豎向分析包括坡度、坡向、高程等分析。在Civil3D 中，調整顯示模式，設置不同的分析參數即可實現對地形的分析。Civil 3D還提供了一種動態的曲面圖例可在模型發生變動、分析精度改變后隨之更新，大大減少了設計過程中的重復勞動。

(4)確定豎向設計方案

基于地形模型及分析結果，根據項目工程具體要求綜合考慮各方因素，通過對設計結果的對比評估，不斷對方案進行調整優化，直至獲得一個豎向設計最優方案。

3 工程案例

3.1 工程現狀

規劃區瑞龍郊野公園位于南京市江北新區，總占地面積1561.08 m2，擬打造為集運動鍛煉、休閑娛樂、旅游觀景為一體的綠色公園。園區地勢階級分明，內有若干水系，現狀整體標高在3-50 m 范圍。

3.2 基于Civil 3D 理論模型的構建與分析

傳統景觀設計缺乏有效的技術手段，建立的地形模型精度較差，而Civil 3D 地形建模的精度較高，模型數據可動態更新，設計質量和效率都得到提高。下面以瑞龍郊野公園為例，介紹如何利用Civil 3D 進行豎向設計。

(1)數據處理

將從相關部門獲得的原始地形圖等高線及高程點兩個圖層提取為單獨的CAD 文件，并對錯誤數據進行修正。

(2)模型構建

選擇Civil 3D 的“曲面”功能 ，創建曲面，在彈出對話框可以對曲面樣式和渲染材質等信息進行編輯，確定后生成曲面；展開所生成曲面子菜單，在定義菜單下分別添加等高線和圖形對象，完成對等高線和高程點數據的導入，即可完成模型創建。

(3)場地分析

在Civil3D 中，調整曲面顯示模式，設置不同的分析參數即可快速實現對地形坡度坡向、高程等分析。

此外，Civil 3D 還提供了動態分析圖例，在對場地進行不同精度分析時，可以自動更新分析信息，大大減少了人為的重復操作。

3.3 豎向設計

豎向設計方案的實施應隨實際工程項目的具體要求而確定。根據瑞龍郊野公園道路及景觀的具體情況確定了以下的操作流程：劃分排水分區--確定道路豎向位置及高程—場地及部分建筑豎向位置確立—土方填挖計算—是否滿足工程要求，若滿意則設計流程結束，若不滿意則重回第一步進行調整，直至結果滿意。流程圖如圖7。

圖1 豎向設計整體思路

圖2 瑞龍郊野公園現狀

圖3 場地數字模型

圖4 高程分析圖

圖5 坡向分析

圖6 坡度分析

圖7 豎向設計具體流程

3.3.1 排水分區

場地走向呈西北高東南低，中部較為突出，本著以安全、經濟為首的原則，各分區場地排水借地勢就近排入景觀水體或通過下滲進入排水盲管。排水盲管具有表面滲水、內部通水的性質，并且其抗壓性、抗變形性能良好，此外還具有諸多優良的機械化學性能，適用于本園區排水規劃。根據雨水工程排水分區豎向規劃的要求，設置了如下排水分區(見圖8)一區雨水主要通過排水盲管匯入人工水池和市政管道；二區雨水主要利用其地形坡度排入景觀水體，輔以少量的排水盲管，以減少雨季的地下水壓力；三區雨水主要由排水盲管收集排往周邊水系；四區為環形觀景平臺，部分雨水直接利用地形排入景觀水體，部分通過下滲進入排水盲管。場地設計使景觀水體、人工水池及外部水系相連通，以便及時將過剩的雨水導出。

圖8 排水分區

3.3.2 道路豎向規劃

根據區域市政提供的道路設計標高及地形原始地形標高，考慮場地排水要求,公園主路的縱坡、橫坡設計宜分別小于8%、3%。考慮場地可進行局部挖填方，因此坡度范圍可在10%以下。綜合地下水水位、工程具體要求考慮，園區綠道控制點不低于15.4 m,園區頂部3 m 主園路控制點標高不高于33.02 m。豎向設計應使外部道路標高與園區標高連貫。園路排水根據上述排水分區進入園區景觀水體或下滲進入盲管。

3.3.3 場地及部分建筑豎向規劃

圖9 道路標高

由上述豎向分析圖可知，場地整體坡度較大，東部及南部坡度較緩，高程分布具有明顯的階梯性，所以場地宜規劃為臺階式。為避免場地成為凹地滯留雨水，場地設計標高應大于周邊道路設計標高0.2 m以上。在園區地勢較高或較低處應做相應的填挖方處理，以滿足工程標高需求。在本園區中，東南部地勢較低，做填方處理。中西部區域地勢較高，做挖方處理，以便與周圍地形協調貫通。在最高處規劃觀景平臺，觀景長廊底部標高最低33 m；東北部坡度大致在1%-5%范圍內，可規劃停車場地，進行地形微處理可滿足排水等要求。

3.3.4 土方估算

豎向設計應考慮最大化利用原有場地，以使土方量填挖盡量達到平衡。考慮到場地排水、防洪防澇及地下水等因素，有必要對場地進行一些土方處理。基于Civil 3D，將原始曲面設為基準曲面，設計曲面設為對照曲面，生成土方量總表（見表1）。

表1 土方量總表

由表粗略估算此次規劃土方約為2.9 萬m3(挖方)，基本滿足工程要求。

3.4 設計效果評估

以往在對復雜場地進行分析設計時，設計者僅憑自己的經驗或傳統設計軟件，難以對各種因素進行科學量化。而Civil3D可以通過對原始地形圖建模，并進行三維觀察排除“粗差點”保證精度。而且，該軟件還可快速對場地的高程、坡度、坡向等進行分析，在原始數據更改時實現同步更新，大大提高了設計的準確性與效率，此外，在Civil 3D 中設定好松散、壓實系數，能快速精確地計算出土方工程量，進一步提升工程效率。

圖10 設計效果圖

利用Civil 3D 對場地進行豎向設計后，場地整體高程控制在15-35 m，設計后地勢走向有規律，建筑、小品設施布局合理，地面徑流按照排水分區規律排往相應水體及管道中，滿足了觀景休閑、防洪防澇等要求。

4 結語與展望

目前國內外利用BIM 技術進行園林景觀豎向設計已成為新的發展趨勢，因此，了解BIM 技術在豎向設計中的應用方法，提升風景園林豎向規劃水平顯得尤為重要。在對場地豎向設計時,需結合地形現狀特點、透徹理解設計方案,統籌考慮規劃與實際施工的矛盾和問題,確保工作的有效性和經濟性。本文以瑞龍郊野公園為例，介紹了利用BIM 技術對場地進行豎向設計的方法，為風景園林豎向設計提供了參考。隨著BIM 技術不斷發展成熟，未來的園林景觀設計必將更加高效、合理。