重庆基于风景园林信息模型的山地景观地形参数化设计实验研究

摘要

缺乏参数关联与控制的山地设计在科学性与精准性上出现诸多设计障碍，如山地场地、道路等三维设计信息与二维设计不匹配；山地曲线、曲面地形要素设计精度不高等。借鉴 BIM 技术在建筑参数化设计中的应用，探索 Civil3D 与 InfraWorks 协同处理山地地形并进行信息交互的设计方法，完成山地地形三维模型设计与二维设计的参数关联，从而优化山地设计程序，提高山地设计精细化程度，并为设计者即时提供设计反馈信息和设计变更途径。通过研究实现山地景观信息在 BIM 平台中的集成应用，构建基于风景园林信息模型（LIM）的山地设计路径，为山地地形设计提供参数化解决方案。

关键词

风景园林信息模型；LIM；BIM；山地景观；地形参数化设计；Civil3D；InfraWorks

修回日期：2022-03-21基金项目：教育部+光辉城市（重庆）科技有限公司产学项目“基于参数化设计的虚拟山地城市景观规划与评价的园林专业教学实训基地建设”（编号202101126069）、重庆市教委科学技术研究青年项目“基于风景园林信息模型（LIM）的山地景观信息提取与地形参数化交互设计实验研究”（编号 KJQN202101307）和重庆文理学院博士人才项目“基于数字技术的山地城市公园绿地规划与评价研究”（编号 R2019FLX18）共同资助

山地景观是中国常见的景观类型，面积占国土面积的60\%以上[1]。山地与平地在景观规划方法上存在明显差异[2]。基于科学性分析的山地景观设计，经过实地调研与勘测[3]、地理空间与生境分析[4]、景观信息数理统计分析[5]等方法，实现对山地景观的科学规划。

由于山地地形竖向多变，其精准设计受到诸多技术上的限制，因此在传统山地地形设计中，很难将山地三维模型设计与二维地形设计集成在同一景观信息模型中开展规划。同时，缺少目标参数控制的地形设计势必在工程质量、工程管理和工程造价等环节付出额外成本。随着风景园林信息模型（LandscapeInformationModeling，LIM）平台技术的发展，强调关联与过程描述的参数化设计凭借其方案比对及优化更新等特性在景观设计行业受到高度关注[6]。LIM 与 BIM 同源[7]，是创建利用数字化模型对风景园林工程设计、建造、运营全过程实施管理和优化的过程、方法与技术[8]。

1988年，刘滨谊建立了以电子计算机和航测为主要手段的风景信息集取处理和风景环境信息空间形态评价程序框架，并提出在景观规划中采取主观感受判断和风景客观描述相结合的“主-客”观评价方法[9]，这是国内较早有关 LIM 的研究。随着 LIM 体系不断发展与变化，众多学者将 BIM、GIS 技术作为 LIM 研究的主要技术手段并取得了丰硕的研究成果。

郭湧在理论与实践探索中逐步完善 LIM 的概念内涵与技术应用体系，将 BIM 作为 LIM 的技术基础，应用 Civil3D 对秦始皇陵园进行数字地面模型构建实验，探索了 LIM 构建技术路径[10]，并确立了以 Civil3D 为核心的 LIM 模板开发，以及基于“雾计算”技术的“互联网+” LIM 协同设计平台，通过12项[11]实践研究验证了 LIM 在景观规划中的科学性与必要性；成玉宁通过 GIS 技术在南京牛首山水景设计分析与规划中将景观信息模型理念与景观参数化设计机制应用于工程实践中[12]，丰富了 LIM 的研究方法，认为 LIM 和 BIM 在概念和内涵上具有相似性。由于风景园林设计存在缺乏量化分析与评价体系、信息传递缺乏精准度、协同作业难度大及信息交流困难等问题，因此构建基于交互式参数化设计的 LIM 系统势在必行[13]118-119。包瑞清[14]应用 Python、Grasshopper 等编程语言，探索参数化协同处理的景观设计路径，并构建城市空间数据分析方法，同时将风景园林学等相关专业研究程序与方法基于“代码结构途径”，通过编程突破传统设计平台技术的束缚，完善了 LIM 的构建技术。

此外，通过刘东云等[15]、舒斌龙等[16]、刘雯等[17]、Andreas 等[18]的实验研究发现，针对场地、道路、水景、建筑和植物等景观要素，BIM 平台技术能够实现相应的景观信息模型，并为景观前期的分析与设计、中期的建设管理及后期的景观评价与运营提供信息集成。以上学者通过对 LIM 理论与实践的研究，构建了基于 LIM 的景观规划设计路径与技术方法。山地作为我国常见的地形地貌，其精准和精细化设计需要在技术和方法上有新的探索与实践。因此，本研究通过 BIM 平台信息交互设计实验，构建基于 LIM 的山地地形参数化设计路径，以期为山地地形设计提供新的设计思路和技术方法。

1 研究方法

1.1 实验设计

以重庆神女湖山地场地和道路设计为研究对象，探讨 BIM 平台中地形参数化交互设计技术方法。借助 GlobalMapper、Civil3D 和 InfraWorks 完成二维地形图和三维地形模型可视化交互设计，探索基于 LIM 概念的山地地形参数化交互设计技术路径。

1.2 实验数据

实验数据来自 BigeMap 数据下载，坐标系为北京54高斯投影坐标，数据格式为地面数字高程，地面影像如图1所示。采集时间为2009年，分辨率12.5m。区位为重庆永川区神女湖山地风景区。

1.3 技术路线

技术路线分为3个部分：1)基于 Civil3D 和 InfraWorks 的数据可视化地形分析；2)基于 InfraWorks 的可视化地形概念设计；3)基于 Civil3D 的二维地形精细化设计。通过地形分析与设计编辑，构建基于数据分析与设计编辑的 LIM 模型，实现对山地地形精细和精准的设计控制。技术路线如图2所示。

2 基于 InfraWorks-Civil3D 的地形可视化分析与设计

在 Civil3D 中创建地形曲面，将地形曲面文件导入 InfraWorks 得到地形模型（图3-1），将 Rastertools 插件地理配准的卫图加载在地形曲面模型中，得到可视化原始地形影像模型（图3-2），反映出植物、山体、水体等地表主要景观要素和地形特征；通过查询参数获得模型地形的高程为315—495m，坡度为0^\circ—43^\circ。通过 Civil3D 与 InfraWorks 信息交流实现了矢量二维地形图向三维实景模型的切换，为地形可视化设计奠定基础。

2.1 设计分析

在进行山地道路与场地设计时，拟定以下设计任务（图4）：

1)地形1内设计观景台地广场，设计面积11000m^{2；

2)地形4处设计大型广场，为整个景区的主要出入口，广场连通观湖道路，设计面积14500m^{2；

3)沿红色区域水岸线设计闭合观湖道路，路宽6m；4)场地与道路相关竖向设计参数通过实验分析与计算获得。

依据地形高程变化特征，在图4中用红、黄、蓝、绿色区分4类地形。地形1所在蓝色区域是高程为335—495m的山坡地带，其坡度为25^\circ—43^\circ，其中陡坡地形占据了主要区域；局部范围1为相对缓坡地带，其坡度为9.9^\circ—25^\circ，选定在该区域做台地广场可降低后期工程土方量，减少对原始地形的破坏；红色区域是水面高程为335m的水域，被地形1、2、3围合；绿色地形2、3是高程为335—360m的山体；黄色区域地形4是高程为313—330m的平坦地形。依据设计任务，在地形4区域内设计广场作为整个景区的主要出入口，同时为有效围堰湖水，其设计高程大于335m。为满足围堰湖水并有效减少工程土方量的设计需要，在地形4区域内初步设计一个高程为340m的小场地和一个高程为330m能够进行公共活动的大场地，二者组成一个台地广场。

2.2 地形初步设计

依据设计任务与设计分析，在 InfraWorks 中对地形模型进行初步设计，利用“放坡区域”工具创建地形（图5红色区域），其高程和面积可进行参数设置与调整。在此实验过程中，依据设计任务设置地形目标参数，并在三维模型中得到地形编辑成果（图5，6）。利用“规划道路”工具，沿湖岸线设计1条规划道路，具体道路与场地地形的竖向参数设定如裘1所示，并将以上场地与道路初步设计成果保存为 imx 格式。

2.3 InfraWorks 与 Civil3D 信息交互

在 Civil3D 中打开地形初步设计成果（图7，InfraWorks 导出的 imx 文件）得到地形曲面（图8），它反映了与 InfraWorks 地形模型完全匹配的地形初步设计。由于基于 InfraWorks 的初步设计是地形的概念设计，只对场地高程和面积进行了参数限制（表1），在图8中无法完全获取地形设计相关参数，例如，由于“放坡组”缺失，无法获取场地土方体积和放坡坡度等参数。

因此，删除道路、场地相关曲面，只保留道路中心线和场地轮廓线（图9）。通过 Civil3D“高程编辑器”发现，图9所反映的高程、面积信息完全匹配 InfraWorks 设计参数（表1），这是初步设计的最终成果，精确反映了基于可视化分析与设计的场地、道路在 Civil3D 曲面中的地理空间信息。由于图7、8所示地形设计未对场地进行放坡、曲面粘贴和土方计算等地形精细化设计，因此，将图9作为基础地形图，在 Civil3D 中进行场地、道路精细化二维设计，至此，完成 InfraWorks 与 Civil3D 信息交互。

2.4 场地参数化设计

依据图9，对场地1、2和场地3、4分别进行坡度为2:1、4:1的放坡处理，得到放坡组，并创建曲面。通过 Civil3D“对象查看器”获得场地曲面模型（图10、11）。图10中，绿色为填方区域，红色为挖方区域。场地1、2和场地3、4分别有12个测站点，站点所对应的高程参数如表2中高程1所示。通过放坡处理，设计坡面1、2分别连接场地1、2和场地3、4（图12—14），场地依据坡度参数与曲面表面精准连接，得到放坡后的场地模型空间特征和填挖方区域。

为有效降低建设成本，实现工程节能减排，土方就地平衡是最理想的处理方法，因此应用 Civil3D 就地平衡方法，得到相应地形设计（图14）。将图13与14重叠得到图15，通过与图13对比平衡前后的地形设计，发现二者差异显著：场地1、2明显向西北方向偏移，场地3、4填方区域面积明显缩小；通过“高程编辑器”查看测站点，发现场地高程值发生了显著变化，如表2中高程2所示。

2.5 道路参数化设计

2.5.1 道路纵断面设计

图16中的红色道路中心线是基于图9的设计成果，依据道路中心线对沿湖道路进行参数化设计（图17—19）。首先对道路纵断面进行设计得到图20，该道路起点从0+000桩号处开始至2+100处结束，总长2063.9m，红色曲线表示道路原始地面高程变化特征，黑色曲线表示道路设计高程变化特征即设计纵断面。对比2条曲线发现，在整个道路设计中，除桩号1+400—1+700有明显高程变化外，设计纵断面基本匹配原始地形竖向变化特征，且道路设计中心线高程控制在约340m，通过中心线高程设计控制，降低了未来工程建设中对山地地形破坏的程度。

依据表2中场地3高程2的参数控制，在道路的起点和终点设置高程为334.9m，实现道路与场地3等高程对接。通过道路纵断面设计获取了道路原始高程和设计高程，便于设计者依据原始地形进行道路高程参数调整与设计，其中纵断面高程值的调整与道路信息模型发生联动关联。

2.5.2 道路模型拟合

基于图20和道路装配设计最终生成道路放坡模型（图21）。在道路曲面加载采样线（图19）生成道路横断面图，从而获得和调整道路横断面参数信息。图22反映的是图19中选取的a、b 2点采样线所在道路的横断面，通过横断面图可获取道路高程和填挖方信息。通过以上参数化设计可及时获取道路设计反馈，为合理评估道路设计方案、工程造价和工程管理运营提供数据支撑。

通过场地与道路参数化设计，分别得到场地和道路曲面地形（图14、18），其中曲面信息包含体积、高程、面积和放坡等参数；并得到场地和道路土方施工图（图23），从方格网中可以获得每个角点所对应的设计高程、原始高程及其高程差，以及每个方格对应的土方填挖方量、占地面积等关键竖向设计信息。这些参数信息能够更加具体地描述山地地形竖向特征，展示山地地形竖向设计的核心成果，场地、道路土方施工图即代表了山地地形精细化设计成果。依据表1、2的参数信息，借助 SketchUp 对场地1—4建模，并将模型加载到 InfraWorks 地形模型中，得到工程设计效果图（图24）。

通过以上实验完成了 InfraWorks 三维可视化设计和 Civil3D 二维精细化交互设计的山地地形规划，构建了基于 LIM 的山地地形参数化交互设计技术路径。

3 讨论

在山地地形设计中，应摒弃缺乏参数控制与量化分析不严谨的设计方法，利用同一参数化设计平台集成设计分析与设计编辑，通过分析与设计对接、三维与二维信息对接实现方案的即时变更与优化，将方案设计、施工图设计等阶段全部基于 LIM，使地形设计的每个阶段与成果之间建立参数关联，实现设计的全程可控与成果的同步输出[13]119。

本研究将山地地形分析、设计编辑全部集成在 BIM 平台并完成了二维地形图与三维地形模型的交互设计，构建了基于 BIM 平台的山地景观信息模型，通过 BIM 技术提高了山地设计的精准与精细化程度，通过 InfraWorks-Civil3D 交互，将道路中心线、道路高程、道路长度、场地面积和场地高程等竖向设计的重要参数信息[19]在 Civil3D 中精准传递。在实际的山地地形设计应用中，可以先在 InfraWorks 中通过参数调整完成三维可视化设计分析与初步设计，细节深化的部分再转移到 Civil3D 中进行，这种设计程序使设计者能够直接在模拟的精准环境中设计编辑，从而更加准确地把握山地地形设计中的各项信息，提高设计效率。这不仅为设计者带来了高效智慧的地形数字化设计体验，也为山地地形参数化设计提供了一种新思路。

4 结语

BIM 凭借其卓越的参数化设计技术与工程建设全周期信息集成管理，在工程规划与建设行业受到了高度关注与广泛认可。在山地景观设计中，BIM (LIM) 技术值得借鉴与应用。由于缺乏技术平台支撑，山地景观精准、精细化设计受到制约，如山地三维设计信息与二维设计不匹配，山地曲线、曲面设计精度不高等。杜春兰[22]、毛华松[23-25]、秦华[26-28]等学者长期致力于以科学严谨的方法推动山地景观规划设计技术的发展。

现阶段，加快 BIM (LIM) 技术应用研究是山地景观设计响应数字化、智能化建设所面临的新课题，可以尝试以 Civil3D、Revit、InfraWorks 等 BIM 软件构建山地景观信息模型，完成山地景观设计，并通过 Dynamo 可视化编程提升 BIM 技术解决山地参数化设计问题的能力。相信在不久的将来，依托 BIM 技术的 LIM 平台将整合多元参数交互设计，并依靠设计师自主编程，如 Python、Dynamo 语言在 LIM 中的应用，突破技术平台束缚，完成高效且个性化的参数化设计，实现方案即时比对及优化更新，让强调关联与过程描述的参数化设计贯穿山地“设计一施工一运营管理”的全生命周期。

山地地形设计是一个系统性问题，除了山地地形竖向设计因素以外，还受到生态、自然、人文和经济等多因素制约，这就要求设计平台底层技术不断升级，提高 LIM 设计信息集成水平，构建更为全面的山地景观信息模型，探索山地景观参数化设计的科学路径。

注：文中图片均由作者绘制。致谢：感谢重庆大学建筑城规学院风景园林学博士后流动站提供的科研平台；感谢光辉城市（重庆）科技有限公司提供的产学平台。