参数化风景园林设计的方法实践——以成都市环城生态区桂溪生态公园景观为例

2017-06-30 04:33:07

刘司南 / LIU Si-nan吕 锐 / LÜ Rui王 霞* / WANG Xia

摘 要:信息技术的发展推动了参数化设计思潮,并对风景园林设计产生了一定的影响;在此背景下,探讨和完善参数化技术在风景园林设计中的理论框架及实践价值,就格外具有现实意义。总结了风景园林参数化设计的逻辑思维方式及应用方法,并结合四川省建筑设计研究院建筑景观院的参数化探索性实践——“桂溪生态公园”项目,论述了土方精算与洪涝分析、雨水径流分析、风环境模拟分析及日照分析等多种参数化设计手段在风景园林设计中的应用:即基于科学技术手段获取的分析成果,与风景园林设计中的竖向设计、雨洪管理、风廊道生态设计、植物设计等方面相结合的具体设计实践与应用,以期能为风景园林设计的参数化探索提供积极有益的线索。

关键词:风景园林;信息技术;参数化设计;逻辑思维方式;风景园林设计

文章编号:1000-6664(2017)05-0050-06

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2015-12-15;

修回日期:2016-11-04

Abstract: The development of information technology has fueled the concept of parametric design as well as parametric landscape design. In this context, it is particularly crucial to explore and improve the theoretical framework and practical value of parametric techniques' utilization in landscape architecture. This article summarizes the logic and application of parametric landscape design, combined with case study of High-tech Green Boat Urban Park, designed by Landscape Design Institute of Sichuan Provincial Architectural Design Institute. A series of applications methods of parametric techniques have been discussed, including earthwork actuarial analysis and flood analysis, storm runoff analysis, wind environment simulation analysis and sunlight analysis. Specifically, the obtained data analysis through parametric techniques has been integrated with various aspects of typical landscape architecture design application, such as vertical design, storm water management, ecological design of the wind corridor, planting design and so on. It is expected to propose reference value for future parametric design.

Key words: landscape architecture; information technology; parametric design; logical thinking; landscape architecture design

* 通信作者(Author for correspondence) E-mail: wxia@scu.edu.cn

风景园林是一门处理人类社会活动空间与自然生态环境关系的复杂学科[1],在发展的进程中,其设计内涵不断发生着变化:不再仅局限于传统亭台楼阁的营建以及花园庭院的空间布局和植物配置,而是纳入了更广阔的研究范畴,例如对旅游风景区域尺度的宏观规划设计,生态环境的再生和修复的研究等。这意味着新型的风景园林设计不仅依赖于传统的风景园林设计理论,并且更多地需要对复合性的生态环境特征,如气候(包括日照、温度、湿度、风等)、土壤、地形、地质、水文、植被、建筑与构筑物等场地客观要素进行综合分析;将其分析成果与特定场所的历史人文要素相互融合优化,使风景园林设计过程变成了一个解构与重组科学与艺术的过程。因此,参数化技术参与到风景园林设计中的新型设计方式应运而生。

1 参数化设计发展背景

随着计算机和信息技术的发展,在相对论、语言学、混沌理论、新几何学、系统论及涌现理论的影响下[2],参数化设计在此基础之上诞生和发展。

关于参数化设计的定义有很多,参数化设计的理论基础之一是西方科学中的混沌学理论,“其核心观点是即使一个十分简单的方程式也会经过自组织(self-organization)和发展而产生无限且不可预料的可能性”[3]。目前关于参数化设计的定义中较为全面、深刻的认识为徐卫国[4]所提到的“参变量控制或表明设计结果的某种重要性质,改变参变量的值会改变设计结果”。他认为设计过程的关键环节分别为:设计要求信息的数据化、设计参数关系的建立、计算机软件参数模型的建立等。

参数化设计一直广泛应用于工业设计领域[5],并在航空、船舶等工程领域得到更进一步的研究和深化。建筑设计、城市规划及风景园林规划设计也正因此发生巨大的变革,设计师可以借助计算机思考和推导得到传统方法无法得到的成果,极大地拓展了设计的可能性。

20世纪90年代后期以来,在英国建筑联盟学院(AA School of Architecture),荷兰贝尔拉格学院(Berlage Institute)以及优恩设计事务所(UN Studio)等的推动下,非线性和复杂性科学以参数化设计为媒介在建筑领域得到了应用[6]。同时,在法国吉尔·德勒兹(Gilles Louis Rene Deleuze)哲学思想和计算机辅助设计等的影响下[7],参数化设计作为纽带,促进了参数化主义、关联设计、数字化设计、数字建构、非线性建筑、建筑信息模型等建筑新思潮的产生[8-10]。近年来,随着学科间的相互渗透和学习,参数化设计也渐渐介入风景园林领域,但由于学科差异和风景园林学科的广袤性与复杂性,参数化风景园林设计理论研究和应用还相对滞后。图1 风景园林设计与选取参数的演进关系——以植物要素为例图2 参数化设计逻辑思维框架2 风景园林参数化设计的逻辑思维及应用方法2.1 风景园林要素参数化思路

借助于计算机信息技术的准确性,参数化设计具有高效性、直观性、注重理性分析和科学归纳的特点,极大程度地契合了风景园林设计所需要的生态辅助设计以及部分大尺度规划设计的复杂数据的统计查询与分析的需求,并且能弥补单一的传统感性设计带来的不确定性。将参数化设计应用到风景园林设计中,首先应明确设计中需要进行分析的风景园林要素类别,其次根据所分析的具体要素筛选出相关影响因素,并将这些因素进行数据化的拆解,即依托于基础学科的理论,借以多个因子的数据来辅助论证相关因素的客观状态,将影响这一分析内容的多个因素集合在一起,全面客观地表征这一内容的状态和变化。简单说来,即“设计要素-影响因素-因子数据化”的参数化设计过程。换言之,通过因子参数化的分析过程,理性地量化风景园林要素的变化规律,再利用感性的设计思维进行把控,以多样的设计手法来实现景观要素的预期发展,以此来保证对设计要素的准确把控。

基于传统理论中的风景园林设计要素:地形、植物、水体、建筑物、铺装、园林构筑物等共同构成了完整的风景园林设计。同时,这些要素也是指导风景园林参数化设计的精髓。以构成风景园林设计重要因素之一的“植物”为例,会受到气候、地域、微环境等因素的影响,这些因素的影响程度又取决于多个可数据化的因子,如气候因素会受到包括光照、降水、温度湿度等因子的影响(图1)。通过对这些因子的参数化,来量化判断气候因素对植物要素的影响,同理判断其他2个因素。因此,参数化设计的方法以风景园林设计的基本理论为根基,将设计要素的影响因素参数化,以科学准确地量化这些要素的发展模型,使风景园林项目的实施效果高度可控,以提升设计品质。

2.2 风景园林参数化设计建模及可视化方法

通过对风景园林参数化设计现阶段研究成果进行归纳整合,笔者梳理出了风景园林参数化设计当前主要的分类与方法,形成了一个结合景观信息参数化、参数关系的建立和参数模型可视化平台三者之间关系的应用框架(图2)。首先,在景观设计中从相关设计要素如植物、水体等提取相关景观信息,将其数据化;其次,基于传统学科的理论,依托于景观数据,建立参数关系,得出理论模型;最后,选择相应的计算机技术,将理论模型进行可视化处理。以风景园林规划中的雨洪管理设计为例,首先需要从设计场地的水体要素中进行信息提取,得到相关的降雨量、水体比例等数据;然后基于数学、物理学、流体力学等基本理论,建立雨水径流理论模型;最后通过GIS、Ecotect软件平台,得出可视化的地表雨水径流分析模型,用以指导规划场地设计中的雨洪管理。

图3 高新绿舟景观总平面图3 成都高新区“桂溪生态公园”项目简介

为进一步探索参数化设计理论与实践的相互关系,本文以比较有代表性的位于成都市环城生态区的桂溪生态公园项目为例,重点阐述风景园林参数化理论在生态环境分析设计中的具体应用。

桂溪生态公园景观项目位于成都市高新区北部,整体用地面积约1 340亩(89hm2),同时是成都市环城生态系统的有机组成部分(图3)。其中,天府大道从场地中部穿越,并作为城市主轴线串联起多种形式的城市绿地。因此,该场地与成都天府广场、天府中央公园并列为目前成都具有较大规模和城市开放共享功能的三大绿地。可见,桂溪生态公园项目具有极其重要的生态价值和极其稀缺的都市共享价值。四川省建筑设计院景观所于2014年进行该场地的绿地景观设计,作为对景观设计有着积极思考和探索的团队,在本次设计中,使用参数化技术手段进行大胆的探索和实践。

设计团队综合分析了项目周边环境以及游人需求,试图打造一个会呼吸、能交流的环城生态之心。以经典雅致、多元开放、都市增益为核心理念,通过参数化技术的引入,从土方精算、雨水径流分析、风环境模拟、日照分析等多种途径为生态设计策略提供技术支撑,构建一个具备调节都市节奏功能的绿色循环体系;同时提出合理的文化活动策略,从场地互动教育、社区交流、生态感触、市民休憩等方面来实现景观绿地的交流性。本文将聚焦在上述参数化技术的应用以及相对应的设计策略。

3.1 土方精算与竖向设计

在园林工程建设中,常常需要将自然地貌进行改造,以便于结合竖向设计进行各构筑物及节点的布局,这些都涉及土方的开挖与回填的问题。传统的土方量计算模型有很多种,如断面法、方格网法和表格法等,但都存在一些不足,导致计算工作量增大,后期成本难以控制。本项目基于地理信息系统(Geographic Information System,GIS)的平台利用数字高程模型(Digital elevation model,DEM)来建立地形的三维模型,并选择了针对土方精算较为合适的不规则三角网模型(Triangulated irregular network,TIN),TIN法的特点不仅能够准确地对地形进行模拟,还能减少规则格网方法带来的数据冗余,同时在计算效率方面又优于纯粹基于等高线的方法[11];并且,在改造前后可即时地表现出直观的三维对照结果。

桂溪生态公园项目原场地内最高点高程509.33m,位于西侧北部,临近绕城高速;最低点478.43m,位于场地东侧南部,整体地形呈西北高东南低,场地西侧地形较为复杂,堆土杂乱,东侧较有序(图4)。针对原本场地存在的问题,对地形进行了重新设计:最高点高程509.00m,最低点484.00m,位于西部西侧,整体地形仍保持西高东低;浅丘与平地分布有序,有利于开展各类活动;同时打开场地南北通风廊道与视觉廊道,也有利于城市排洪及场地排水。具体操作如下。

首先,将经过处理的原场地和设计的等高线相关数据导入GIS平台下,选择“3D Analyst”模块下“CREATE TIN FROM FEATURES”命令生成现状地形数据视图和设计地形数据视图,即不规则三角网的TIN模型,随后转换成栅格型地表模型,这二组栅格的单元值都是高程。其次,进入栅格计算器,输入Int[(“grd_design”-“grd_ present”)*100],经计算得到填挖栅格。栅格单元取值大于零的位置有填方,地图上颜色偏淡,小于零的位置有挖方,地图上颜色偏深。原本的高程模型以米为单位,数据类型为浮点型,乘以100变换单位为厘米,数据类型为整数型。整数型栅格有值属性表(Value Attribute Table,VAT),可直接通过取值属性表,添加字段,利用字段计算器进行综合填挖方计算,并注意将高程单位转换为米(图5)。其中填挖方量计算结果整理如表1,基本保持了土方运送平衡。

3.2 雨水径流分析与雨洪管理

雨水的分析和管理与计算流体动力学[12]有着密切的联系,计算流体力学作为科学分析的基础,可广泛应用于雨洪风险评估、雨水管理、城市河流、潮汐、水景设计以及污染物管理等多方面研究。团队对雨水径流的分析使用了较为常用的参数化设计软件Grasshopper(GH),它是一款基于Rhino软件平台采用可视化程序算法生成模型的插件,利用了计算流体力学对实际问题的计算机模拟手段进行了雨水径流分析和雨洪风险评估。

设计团队从GIS中获得简单的场地地形,在Grasshopper中进行数据分析,根据成都市年均降雨量918mm进行参数输入,得到了较为直观的雨水径流模型(图6)。同时,对成都市年降雨量的具体数据进行收集,整理出1年12个月中,分干湿两季,每个月的月平均降雨量、降雨天数以及日平均降雨量,选择了降雨较为集中的6—9月的降雨数据,完成雨洪风险分析,根据场地不同区域的坡度和坡向,可以看出其对应的地表雨水径流能力,以此来评估场地的雨洪风险,按照风险程度分为高、中、低3个等级,根据以上分析成果,提出相应的雨洪管理策略:在基地西区沿主要汇水面布置线性雨水花园作为收集手段,将雨水经植物过滤后进入临近喷泉节点的地下蓄水箱,作为景观喷泉用水和灌溉用水使用;在基地东区则经线性雨水花园的收集后进入旱溪式雨水花园,形成溪流体系,最终流入地下水箱作为大草坪区域的后备水源(图7)。

图4 原场地数字高程模型(DEM模型)

图5 设计后场地数字高程模型(DEM模型)3.3 风环境模拟与廊道打造

由于风景园林设计中场地的复杂性,场地小气候会受到周边环境因素的影响,尤其对于被高层建筑密集围绕的城市绿地,风环境成为影响场地小气候以及使用舒适度的重要因素。

风环境模拟可使用Ecotect生态模拟软件进行分析,Ecotect是一款全面的技术性能分析辅助设计软件,由于其界面亲切友好,适于设计师对声、光、风等物理环境进行全面分析。Ecotect的研究基础以地方气象数据为依托,一般使用典型气象年(Typical Meteorological Year,TMY)的数据,在我国定义为“以近30年的月平均值为依据,从近10年的资料中选取一年各月接近30年的气象参数平均值作为典型气象年”[13]。

桂溪生态公园项目场地位于成都高新区大源CBD北侧,周边高层建筑密集,因此模拟场地风环境需对周边的建筑实体进行建模,以场地地形与周边建筑群模型共同为基底,通过Ecotect模拟场地内部风环境;根据成都全年主风向东北风以及年平均风速1.2m/s进行模拟分析,得到了气流方向、速率以及城市通风廊道。结果显示场地内部以北风为主导风向,全年平均风速0.9m/s,气流压力偏低,气流由北至南形成四大主要风廊,分别为西侧红星路风廊、中部天府大道风廊、场地内部地形调整的风廊、东侧锦江风廊,其中,锦江风廊为风速较高风压较大的风廊,其次为天府大道风廊,对场地内通风有较好的作用。以此科学分析成果为理论基础,通过整理微地形,并结合人的活动进行场地设计,不仅确保了城市主风向风的顺利导入,而且有机连接了城市风廊道以降低都市热岛效应。

3.4 日照分析与植物种植设计

在风景园林规划设计中,光环境是影响场地整体环境设计的重要因素之一,户外光环境主要来源于白天太阳光照和夜晚时部分城市照明,其中日照涉及光合有效辐射、热辐射、温度等多种重要概念,这不仅对人的行为活动、触觉感官以及舒适度有一定影响,同时可为风景园林植物配置提供科学的理论依据。

由于设计场地位于建筑密集区域,其日照情况复杂,场地的植物设计十分需要科学的日照分析成果的理论支撑,以便于对场地中不同类型的植物种植策略进行精确地判断,避免出现传统植物设计中因过分的主观性,而给后期施工维护带来风险和不确定性。在日照分析的过程中,直接对场地空间分别选择了春分、夏至、秋分和冬至4个季节最中心的一天进行分析研究,因为这4天是代表四季的典型日期。首先使用Maya软件对项目基本状况及周边建筑进行建模处理,然后导入Ecotect进行分析生成场地全年阴影投射图(图8)以及4个典型日期的投影分布情况。全年阴影投射叠加分析表明场地南部被建筑阴影覆盖,其中南部边界临大源中心边界为全覆盖,场地东侧阴影覆盖较弱,西侧场地中部覆盖较弱,场地整体北部无阴影覆盖。为了更好地观察场地不同位置受建筑遮蔽的状况,选取了位于主要景观节点中心的3个点位P1、P2、P3,分析其受建筑遮蔽情况。

基于以上对场地的日照分析,根据日照情况将场地划分为全日照70%以上的高辐射区域,全日照50%~20%的中等辐射区域2种空间类型;高辐射区域的种植植物品种选择如国槐、黄葛树、银杏、香樟、皂荚、鹅掌楸等阳性植物,中等辐射区域选择如云杉、玉簪、蕨类等耐阴植物。

图6 雨水径流模型

图7 雨洪管理策略规划图4 总结与展望

参数化技术应用带来的设计变革极大地提高了设计效率,同时建立了风景园林规划设计的科学性和逻辑性,从而可以有效地控制项目施工成本及后期维护成本,提高经济效益。通过参数化技术在桂溪生态公园城市绿地景观项目中的实践,从土方精算、雨水径流分析、风环境模拟和日照分析等几个方面进行了量化研究,与信息技术时代发展现状紧密结合,以数学、物理学、生态学等基础学科为依托,利用现代计算机技术手段,多种学科相互交叉协同,改变了风景园林设计一贯的感性化、艺术化的理念,形成了一种风景园林设计的新思路。

参数化技术仍然在进一步的实践探索中,未来将不仅仅是依靠数据进行严密的逻辑分析,甚至可以以数据为媒介,依托于信息技术的手段,结合场地的历史人文背景,发掘和定义新时代的美学逻辑,创造出更加理想的未来人居环境。图8 场地全年阴影投射分析图但是,参数化技术不能代替设计师进行景观设计,它无法具备人对环境感知的敏锐度,也不能解决所有复杂的城市问题,只是帮助分析数据信息和开拓思路的工具,在合理运用参数化技术的同时,应该理性地看待参数化设计手段,才能科学有效地探索景观设计的新思路新方法。

:图1、2,表1由刘司南绘制,图3~8由四川省建筑设计研究院建筑景观院提供。

参考文献:

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[13] JGJ 134—2010,夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].

(编辑/金花)

作者简介:

刘司南/1993年生/女/吉林长春人/四川大学在读本科生/研究方向为参数化设计,古村落研究与保护(成都 610225)

吕 锐/1986年生/男/四川成都人/伦敦AA建筑联盟学院都市景观主义硕士/伦敦AA建筑联盟学院全球访问学院讲师/四川省建筑设计研究院景观院景观规划总监院长助理/研究方向为景观都市主义(成都 610225)

王 霞/1980年生/女/四川成都人/英国谢菲尔德大学风景园林专业硕士/四川大学建筑与环境学院建筑系讲师/研究方向为城市公共空间设计、城市户外儿童游戏空间设计(成都 610225)

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