BIM技術在小學校園海綿景觀中的應用初探

張少杰,趙子玉,夏子俊,郭江慧,張成永,王亞諾

（安徽建筑大學建筑與規劃學院,安徽合肥230601）

住建部2015年6月發布《推進建筑信息模型應用指導意見》,明確要求到2020年末,部分新立項項目應用BIM的比例達到90%.BIM（Building information Modeling）是“建筑信息模型”的簡稱,是一種數字信息的應用,實質為參數化的3D建筑模型,服務建設項目從設計、施工、運營維護到改建的整個生命周期[1].BIM技術在園林景觀上的運用主要體現在地理信息分析、生態分析、模型構建三方面,相關模型構建工具有Autodesk Revit、Vectorworks 2019等；地理信息分析平臺有Arcgis、Global Mapper；生態分析工具有Delft 3D、ANSYS等.BIM技術在國內建筑工程中的運用越來越普遍,但在園林景觀設計及工程中的應用并不深入,更多體現在景觀設計的整體布局,以及把地形塑造、水系處理、景石布置、建筑物（構筑物）設計、種植設計等由二維轉為三維,以取得更加直觀的整體效果[2].

孫鵬等[3]認為在風景園林規劃設計中,BIM同樣可以起到舉足輕重的作用.劉雯等[4]將BIM應用于長江三峽風景名勝區規劃中,從科學技術角度支撐了規劃,提高了風景名勝區規劃編制與管理的科學水平.劉東云等[5]以奧體文化商務園中心綠地為例,驗證了BIM作為景觀整體建構和高精度控制的現實意義.西北大學吳丹杰等[6]在進行海綿城市建設實踐研究時,提出需要打破多部門、多體系的壁壘,借助先進的BIM技術來銜接各部門規劃、分區規劃,以及銜接控制性詳細規劃來實現統一推進.由此說明BIM技術的深入發展、深入應用必將成為一個不爭的事實.

2012年4月在低碳城市與區域發展科技論壇上,作為一種新的城市雨洪管理概念,“海綿城市”的概念首次被提出.2017年3月5日李克強總理在政府工作報告中明確指出：要推進海綿城市建設,使城市既有“面子”,又有“里子”.隨著我國對于海綿城市建設的大力推進,很多學者開始提出在校園中建設綠色基礎設施,打造海綿校園.海綿景觀是將海綿城市中的一些常用技術,如保護自然的最小干預技術、加強型人工濕地凈化技術、城市雨洪管理、綠色海綿技術等在景觀設計中加以運用,讓水系統的生態功能得以發揮[7].對于學校而言,基于海綿城市的雨水景觀可以提高校園雨水系統的總體效益.據有關研究表明,我國高校人均用水量是城市居民平均用水量的1.95倍,包括了實驗、洗浴、校園綠化等用水.高校在節水控水方面將會有很大的潛力,并將在海綿城市建設中扮演越來越重要的角色.

校園景觀長期被忽視,海綿景觀設計中的自然性對彌補我國兒童長期缺少自然教育帶來的相關問題具有一定的現實意義.校園景觀關系到學生自身的發展,理查德·洛夫曾在2005年提出了兒童自然缺失癥的概念[8],兒童缺少了自然教育會導致自身感官和對外界感受的障礙,雨水景觀和學習型景觀的結合可以更好地促進小學生的學習與健康成長.在海綿校園的成功案例中,深圳百仕達小學注重系統性和自然性結合,建設的海綿體包括蓄水桶、生態樹池、雨水花園等[9].本文嘗試將“海綿”概念與小學校園景觀設計相結合,根據校園現狀及小學生的行為特點,結合BIM軟件直觀化、多專業協同的優勢,提出小學校園景觀的優化建議,以期為國內外其他類型小學校園海綿景觀設計提供參考.

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

合肥實驗學校位于安徽省合肥市烏魯木齊路與寧夏路交口,學校占地面積約1.95公頃,目前擁有40個教學班,1 700人.實驗學校內主要師生活動空間為南北兩個庭院,南庭院采用不規則式布局,三條主園路連接東北、東南、西南角三處走廊入口和中心廣場,沿路設置可供休憩的石椅.北庭院采用規則式布局,庭院中心設一小廣場,西南部轉角處設有廊架,其余部分為植被.

1.2 研究方法

本研究通過相關文獻及案例閱讀整理,對合肥市實驗學校進行實地踏查,在完成學校BIM模型的基礎上,對學校景觀部分單獨建模.以Revit和Vectorworks 2019為主要工具和平臺,在對校園氣象、土壤、地下水、周邊項目等海綿城市相關要素分析的基礎上,演繹與生成設計概念與方案,建立海綿景觀BIM模型.在雨水花園、屋頂花園等景觀節點深入闡釋了生命花園的設計主題,并總結了BIM技術在小學校園海綿景觀設計中的優勢與不足（見圖1）.

圖1 校園海綿景觀設計方法及過程Fig.1 The method and process of campus sponge landscape design

2 小學校園現狀及海綿景觀設計構想

2.1 小學校園景觀現狀問題

2.1.1 景觀的參與性和體驗性不高 合肥實驗學校南北庭院的景觀以植物造景為主,觀賞性較高,但師生的參與性和體驗性不足,難以滿足小學生豐富的活動需求.庭院內植物主要采取列植和中心空間自然種植的方式,造景手法單一,植物種類不夠豐富,景觀缺少層次感.校園開放空間面積有限,庭院空間幾乎承載了全校師生的所有課間活動,通過實地調研學生活動,該空間難以滿足小學生多樣化的活動需求并激發其創新活動.庭院單一的布局無法給學生的活動進行合理引導,六個年級的學生隨意占據空間造成互相干擾較大,且場地均為硬質鋪裝,對于孩子存在一定的安全隱患.

2.1.2 景觀下墊面及雨水處理問題 實驗學校的道路鋪裝多為瀝青,極大影響了雨水滲透效果.校園內下墊面采用透水材料鋪裝,但使用水泥在鋪裝下進行覆蓋,隔絕了雨水與鋪裝下面土壤的接觸,導致雨水滲透后無法排放.校園的雨水處理系統不具備儲存和凈化的功能,教學樓屋面積水經水管直接流入排水管,并未經過處理與地表徑流、滲透水流統一匯集到蓄水池里凈化循環再利用.另外現有校園景觀缺少定期修剪和維護,因此低維護性的海綿景觀成為解決方案.

2.2 校園海綿景觀設計初步設想

2.2.1 場地現狀對海綿景觀設計的影響 項目位于合肥中部,土壤結構緊實僵硬,質地黏重水分難以向下滲透,在30 cm深以上形成滯水層.海綿城市主要采取淺層入滲措施,影響范圍一般在1 m以內,不會因膨脹土的存在造成危害.合肥市地下水資源較貧乏,二十世紀八十年代曾經因過量開采地下水形成較大規模降落漏斗,九十年代后期,地下水開采得到很好的遏制,地下水位逐年回升.進入二十一世紀,地下水位恢復到二十世紀六七十年代水平,基本解決了地下水枯竭的問題.根據合肥市地下水位標高等值線圖,項目所在地地下水位大于10 m.項目占地面積20 000 m2,周邊有許小河生態補水工程和許小河初雨調蓄池.根據分類用地目標要求,確定該項目年徑流總量控制率目標為70%,對應設計降雨量18 mm,匯水面積為2 hm2,徑流系數ψ取0.6,安全系數取1.1,結合計算公式V=10DFφβ,最后得出實驗學校雨水滯留設施設計容積應約為237.6 m3.

2.2.2 適應季節變化的雨季景觀和旱季景觀 景觀綠地作為綠色基礎設施在海綿城市中將會發揮更大的作用,本項目考慮到兒童親近自然的天性,在雨水花園中融入雨季景觀和旱季景觀,具體體現在雨水鏈的設計和耐旱植物的選擇上.雨水花園作為海綿景觀中最常見的形式,是在雨水收集和利用的基礎上,使其更具景觀性和藝術化[10].自然降雨和不同水質的水經過相關技術處理在景觀設計中都可以發揮相關作用,如在雨季時,雨水在多級雨水花園中可以形成疊水景觀.海綿景觀建設中多關注目標降雨量和超標洪水,但低于目標降雨量時,需要優化耐旱植物的選擇與配置,形成親近自然的旱季常態景觀.

2.2.3 海綿景觀中的雨水滲透和滯留技術 滲透系統由可滲透地面與滲透設施組成.通過改變校園地面鋪設的材料,加強雨水的滲透性,減少暴雨徑流,延遲暴雨徑流峰值,補充地下水,改善城市氣候.滲透設施由滲透槽與滲透管組成.滲透槽主要利用于道路兩側自然排水,滲透管是在雨水管道上鉆孔,將管道鋪設在礫石中,雨水流入小孔通過礫石層進行過濾,再滲透入土壤中.滯留系統由生態屋頂、雨水花園和生態滯留池組成,達到雨水回用的目的,有效去除雨水徑流中的有害物質,減輕市政排水管網系統的壓力.屋頂花園使雨水經過初次過濾流入雨水管,再流入庭院中的雨水花園.雨水滯留在低洼處和植物根系處,可以有效地減少雨水徑流量,部分會被植物和土壤中的菌落吸收消化,能夠有效促進水質的凈化.

2.2.4 結合自然教育的海綿景觀設計 在校園的戶外空間中打造具有教育性質的寓教于樂型的景觀,可作為傳統室內教育的補充,把知識融入到戶外景觀中,讓學生通過觀察、實踐、互動來汲取知識,從而提高學生的實踐能力,激發其探索和創新精神[11].使用透水路面材料、建造雨水花園、生物滯留池、生態樹池等海綿化景觀可以更好的解決雨水問題.如果可以使這一過程可視化,通過更直觀簡單的表現方式展現給學生,就可以讓學生形成海綿城市、生態環保的概念.學生處在“海綿校園”的環境之中,自己也成為其中的一部分,可以知道自己的行為給環境帶來哪些影響,從而知道如何才能更好的保護自然環境.

3 基于BIM技術的海綿校園景觀設計過程及成果分析

3.1 設計工具選擇

BIM系列軟件如Ectwork 2010、Arcgis等可以直觀的通過圖表分析展現場地日照條件、地理信息、風環境等.Revit作為BIM技術的主要軟件,適合以幾何形狀為主的硬質鋪裝用地,如果場地中包含很多自由、有機的元素,如樹、流水等,就需要借助其他的軟件建模,同時需要自建族庫.Vectorworks 2019集平面繪制、BIM建模、排版于一身,自帶優質配景和材質,界面友好且工具使用配有圖示,同時含有豐富的三維植物數據庫,還增加了植物灌溉設計功能,因此本項目選擇該軟件結合Revit,作為BIM技術在小學校園海綿景觀中的主要工具.

3.2 設計過程

3.2.1 日照分析Ecotect 2010作為BIM配套軟件中重要的分析軟件,用在本項目的前期分析.地理位置設定為安徽省合肥市包河區,緯度31°48′,經度117°20′,計算精度1 min,時間累計方式為累計所有時間段,有效日照為6：00-18：00.經分析得出：場地北側日照較長,宜布置更多的活動空間,場地南側日照較少,植物選擇時應該慎重考慮（見圖2）.

圖2 日照分析Fig.2 Sunshine analysis diagram

3.2.2 輔助設計 利用BIM軟件自帶的GIS對設計場地進行準確定位,避免了傳統設計流程中調整衛星圖比例的步驟,能夠直接在GIS生成的圖紙上進行設計.圖3展示了利用GIS進行概念模型推敲的過程.

圖3 場地分析Fig.3 Site analysis diagram

3.2.3 跨專業協同 實驗學校的海綿景觀設計是基于建筑BIM模型建造完成的基礎上（見圖4）,進行雨水系統設計.項目涉及景觀設計、污水處理、水循環設計、管網排布等多個領域,通過BIM技術可以實現景觀與給排水及相關專業的交互.開發利用地面植物、景觀小品、蓄水池的雨水收集功能并將其與地下雨水系統管道協調,使得地面景觀與地下管道共同形成海綿校園的雨水收集儲存、回收利用系統.BIM將不同專業的設計通過同一平臺結合到一起,從整體上實現跨專業的協同設計.

圖4 實驗學校建筑BIM模型建立過程（1F-4F）Fig.4 Process of building BIM model of experimental school building（1F-4F）

3.2.4 可視化設計 現有的景觀設計利用二維軟件進行平面設計,采用Sketch UP、3DMAX等進行效果圖制作,平面方案修改時無法及時觀察三維效果,且無法統計因修改而產生的造價變化.BIM技術使得二維三維設計可以同時進行,便于及時發現設計過程中方案與施工交互產生的問題,并且可在3D模式下探討最適宜的解決方案.同時具有可出圖性,便于與施工方進行對接,結合動畫渲染、漫游等三維可視化功能預知項目建成后的地面景觀形態及與地下管網的結合,提前進行調整改善,從而最大限度地減少返工,縮短工期并做到節材與節能[12-14].模型中植物數據的可視化優勢,就是可以通過對植物的果實顏色、類別和開花顏色等進行分類,直觀的看出來每個區域的植物色彩搭配和景觀效果（見圖5）.

圖5 BIM模型中景觀植物數據可視化展示Fig.5 Visual display of landscape plant data in the BIM model

BIM的另一優越之處是,可以使客戶在戴上3D眼鏡后漫游其中,以第一視角真實地體驗項目,達到“所見即所得”的效果.客戶及設計者可以通過真實視角的體驗,進行不同方案的比較,輔助規劃設計決策見圖6.

圖6 BIM模型中可視化漫游路徑演示Fig.6 Visualized roaming path demonstration in the BIM model

3.2.5 信息化評估及優勢 設計前期通過BIM軟件模擬計算環境風向與雨水量,為海綿景觀預計蓄水量與蓄水池的位置設計提供信息依據；設計中期模擬校園雨水循環系統,得出方案的優缺點并加以改進；設計后期方案完成后進行風險評估、價格預算、管理設施配備等.利用BIM技術可以將數據庫中植物的產地、胸徑、冠幅等統計出,如針對含水量較高的區域,可以通過植物列表篩選出適宜種植的植物.還可以根據數據庫確定植物的習性和外觀,進一步確定是否滿足設計的需要.BIM模型數據庫中還包括透水鋪裝等的材料及做法,也可以自行定制其他的鋪裝形式.

3.2.6 提前模擬和優化設計BIM的設計過程包括：第一,項目整體方案的設計及經濟成本計算；第二,通過BIM選擇施工原料,給排水組件,產生設計圖紙；第三,對組件進行仿真,模擬原料在項目中最終效果,綜合考慮方案的經濟性、功能性,確定適合該項目的方案及材料；第四,設計方案完成后,通過BIM完成三維動畫模型,通過全面的“三維校審”,可發現大量隱藏在設計中的問題,減少返工、縮短工期、節約成本.本項目利用BIM軟件中帶有的車輛碰撞檢測功能,自定義車輛類型和速度等,對合肥實驗學校的車流動線是否與場地其他部分產生碰撞進行檢測（見圖7）,根據碰撞結果,優化相關設計.

圖7 BIM模型中場地車流動線模擬優化設計Fig.7 The simulation and optimization design of the flow line of the ground vehicle in the BIM model

3.2.7 集成化改進 傳統風景園林設計要結合PS及SU產出二維及三維圖紙,在BIM軟件中對于初步方案的色彩調整,僅需利用其中帶有的調色功能即可滿足需求,大大增加了工作效率.BIM軟件中的圖紙圖層,可以達到CAD+ID的配合效果,能滿足施工圖、效果圖和圖片文字的排版需求,并形成標準化的文件.對于方案前期的圖面表現,BIM軟件中自帶的三維渲染引擎已經可以滿足要求.如果追求更佳圖面表達,依舊可以在BIM軟件中解決.

3.3 設計成果及分析

3.3.1 設計成果 利用BIM進行前期分析發現,受限于場地大小和綠化率等原因,綠化集中于兩個庭院,植物郁閉度過高,相應的兒童活動場地范圍較小.本設計主題為“生命花園”,希望營造有生命的場地和有吸引力的兒童花園解決庭院缺乏生命活力,無法吸引兒童的問題.考慮兒童親近自然的天性,在雨水花園中融入雨季景觀和旱季景觀.針對兒童的年齡進行分級設計,距離運動場較近的北庭院為高年級活動區,南庭院則為低年級活動區.同時設置有亭廊小品、樹桌花園和種植花園,滿足兒童多樣的使用需求（見圖8）.本項目徑流量控制設施主要采用雨水花園、下沉式綠地、透水鋪裝等,通過微地形改造和計算可得徑流量控制設施總調蓄容積為285.1 m3,滿足調蓄容積237.6 m3的目標（見圖9）.

圖8 實驗學校海綿景觀平面圖Fig.8 Sponge landscape plan of the experimental school

圖9 徑流控制目標核算圖Fig.9 Calculation chart of runoff control target

3.3.2 設計成果分析 針對項目實際情況,對屋面雨水、中水利用、綠地及雨水管網系統進行海綿化建設.教學樓屋面雨水經屋頂綠化初步過濾,采用滲排一體化系統引至周邊多層雨水花園.結合周邊的再生水管道,滿足中水利用需求.結合綠地系統,在低洼處建設雨水控制與利用設施,將運動場地和道路鋪裝的雨水引入綠地中,促進雨水下滲和雨水回用（見圖10）.設計雨水排水管網系統,與雨水外排控制設施相協調,雨水口高于設計水位約5 cm,超過調蓄設施調蓄的雨水經溢流雨水口排至雨水管網,再排至市政雨水管網和周邊調蓄設施.

圖10 實驗學校海綿景觀設計及建設Fig.10 Sponge landscape design and construction of experimental school

3.3.3 景觀節點設計 該項目創新性的將枯山水景觀融入到多級雨水花園中,雨季時雨水層層疊落形成疊水景觀,旱季時可以在防腐木座椅上欣賞枯山水景觀.將雨水口設置在最底層的生物滯留設施內,雨水口低于調蓄設施約5 cm,超過調蓄設施調蓄的雨水經溢流雨水口排至雨水管網,再排至市政雨水管網和周邊調蓄設施.

設計保留移植了原有的14棵樹并設置了維護,架構出三組自由流線型的桌面,漂浮交錯在大樹之間,形成綠蔭下的“樹桌”.桌面上還布置了花草盆景,創造出與樹為鄰的學習交流空間,能夠提供一堂特別的室外課程.由于與北庭院主要入口相連,也可滿足學校層級一些非正式的、輕松的小型交流活動.

根據美國教育家Michele Borba的理論,透過種植的方式,協助培育孩子建立自尊感中的獨特感、聯系感.獨特感是指感到自我是獨特的,知道個人的價值,清楚知道自己在現實中的特性、角色等.聯系感是指社交能力,感到被接納、認可、欣賞以及尊重,并有歸屬感.照料植物不僅有助于培養兒童的責任感,還可激發兒童的好奇心和想象力.讓小學生沉浸于種子萌芽、花兒綻放、蜜蜂采蜜、昆蟲傳粉等大自然的神奇之中,引領孩子探索大自然的奧秘.

光影亭廊設計中,光束穿過色彩不同的玻璃形成獨特的光影游戲,柔和地照射著有機形態的木質座椅和圓柱形拋光金屬柱.孩子可以根據自己的意愿就坐在不同的位置,開展不同的活動,凸顯周邊景觀迷人的景色.周邊的積木廣場則鼓勵通過探索,兒童能夠發現不同的空間布局.光影亭廊和積木廣場最終互為背景,形成看與被看的關系.

4 結論與討論

信息化是景觀現代化的主要特征之一,BIM技術作為景觀信息化的重要組成部分,將極大地促進景觀生產方式的變革.這種數字化的技術手段,從傳統的手工業式演進為系統化、信息化的現代設計邏輯建構和媒介表達,使從業人員獲得了更科學、客觀、理性的認知和分析事物發展規律的能力.基于BIM技術的小學校園海綿景觀建造是將信息技術運用于建造的各個環節,從前期勘測、方案設計、施工到后期維護這一過程均動態可視化,提供更為系統化的海綿景觀建造手段.

BIM技術中真正關鍵的因素是“I”,基本3D建模和BIM的關鍵區別在于模型中的信息及數據.BIM技術在景觀中可以存儲的對象信息包括灌溉管線、分配給特定植物的區域、不同植物的列表,圖中使用的注釋可以是2D或3D,并帶有附加信息.BIM模型中的軟質景觀元素如不同的植物類型,包含的參數有其學名、根大小、安裝條件和安裝高度,還包括成年高度、樹冠展開直徑、水和陽光需求,以及開花時間.植物數據描述和規格可確保植物的正確使用,如水供應存在問題,可以使用耐旱植物.硬質景觀元素如照明、表面覆蓋物、水池、長凳、花槽和人行道,也包含大量信息和數據,這些細節將有助于設計師設計、報告計劃和建議.憑借仿真和可視化,景觀設計師能夠演練動畫和渲染進行展示,在早期設計階段做出明智的決策,從而大大提升效率,并能夠與大型項目中涉及的其他行業更好地及早協調.

BIM技術在風景園林專業的應用剛剛起步,還有許多不足之處.BIM面臨著巨大的社會、法律、教育和技術限制,需要提高認識,讓景觀設計師了解在項目中使用BIM的重要性.Pietsch在2011年指出,通過擴展現有標準和制定新標準,可以改善園林建模中的信息交流問題[15-16].除此之外,專門為風景園林設計推出的BIM軟件工具明顯不足[17],景觀設計師目前使用的BIM軟件并不能兼容所有景觀任務,如Land FX軟件可用于種植和灌溉建模,ArchiCad用于演示、渲染和量化,但缺少一種軟件涵蓋風景園林的設計全過程.一個基BIM技術的跨學科、跨領域多級聯動平臺的建立是大勢所趨,也是海綿城市規劃、建設、維護、管理、運營的一個重要途徑.