风景园林规划设计的数字实践——以北京林业大学学研中心景观为例

蔡凌豪 / CAI Ling-hao

摘要：讨论了数字技术在风景园林规划设计中的应用价值及概念谱系。并以北京林业大学学研中心景观为例，论述了日照、光合有效辐射及风环境分析，结构有限元分析，流体分析，参数化设计，传感器驱动的动态景观等5种数字技术的基本原理在项目中的具体应用及实践经验。

关键词：风景园林；数字化规划设计；动态景观

Abstract: The value and the concept hierarchy of digital planning and design of landscape architecture are discussed in this paper. Illustrated by the landscape of Teaching and Scientific Research Center BJFU, the method and practice of five digital design technologies in this project, including solar radiation and PAR and wind circumstance analysis, structural FEA, CFD analysis, parametric design, and dynamic landscape drived by sensors, are expounded.

Key words: landscape architecture; digital planning and design; dynamic landscape

1 数字技术与风景园林规划设计

风景园林规划设计的过程，是将科学、艺术和技术融合重构的过程，它既需要对地理、生态、气候、土地、水文、植物、场地、视景、交通、构筑物和居所等客观要素进行综合解析、优化与重构，也需要综合利用不同的艺术形式去承载和叙述特定的场所语义与人文价值。

未来的时代是数字和信息的时代，由于计算机运算能力与数字技术的飞速发展，使人类处理复杂环境中的复杂问题具备了前所未有的能力。计算机不仅能辅助绘图，更能够帮助我们更为精确和科学地认知分析项目的基础条件，建立设计逻辑，评价设计结果，跨学科协作，网络计算与移动办公，输出更具有真实体验性的设计成果，数字化建造乃至数字化管理，甚至能够在参数输入的基础上，进行某种程度的智能运算，最终产生最优解的结果。

风景园林数字化规划设计的目标是将风景园林规划设计的整个流程建立在数字化平台之上，依靠计算机的运算能力和图形能力，科学分析和评价空间环境，理性建构客观严密的设计逻辑，增强应对复杂环境和设计对象的解决问题能力和创造力，产生符合时代的新的艺术形式，最终产生兼具科学、艺术、社会价值的风景园林设计成果。

数字时代的设计理论和方法强调方法自身的科学性，注重理性分析和科学归纳，从而具备了相对的科学性和客观性。计算机图形学和运算能力，将极大地加强传统手绘表达无法准确表述的复杂的空间结构与形式的建构和显影能力，从而增强了设计者的空间想象力和艺术创造力。在吸收其他学科相关领域研究成果的基础上，笔者在《风景园林数字化规划设计概念谱系与流程图解》一文中梳理了风景园林当前主要的数字化设计的概念与方法，形成了一个初步但清晰的风景园林数字化规划设计概念谱系图表。结合数字技术的最新发展，重新修订了概念谱系图解(图1)。这张图解可以廓清主要的数字化规划设计的方法、应用领域及设计流程，也对当下复杂纷繁的数字化概念做出一个相对准确的行业化定义和谱系划定。

在笔者近年主持设计的几个项目中，进行了风景园林数字设计和数字建造的探索性工作。其中比较有代表性且已施工完成的项目是北京林业大学学研中心景观项目。

2 溪山行旅——北京林业大学学研中心景观简介

北京林业大学学研中心景观项目位于北京林业大学校内，围绕着新建的11万m2的教学和科研大楼——学研中心。建筑U型的体量朝向校园，形成半开放式的方体内院空间。一个巨大的分形结构——树塔从建筑中心生长而出，成为校园的标志物。景观设计试图概括和延续校园空间语境和文化语境，使新建成区与旧有区域无缝衔接成整体，从而优化校园环境、功能、交通，并形成公共交流空间，以弥补目前校园存在的缺陷。同时利用创新的景观给校园文化注入新的活力，营造出具有公共性、纪念性、艺术性、可持续的校园景观。

设计概念来自于北宋画家范宽《溪山行旅》图——描绘几个渺小的旅人在宏大的自然山水间行走跋涉，体现出自然与人和谐朴素的辩证关系，它与北京林业大学校训“知山知水，树木树人”形成了完美的呼应。从溪山行旅中提炼出的“山、水、树、人”4个符号，成为景观形式的概念源泉。由于建筑和结构的限制，不允许以拟态山水的方式体现“溪山行旅”的空间意象，因此设计试图将中国传统的哲学审美及艺术语汇与当代的景观和材料语言相结合，从而在地域性与当代性之间取得平衡。

学研中心景观由中轴广场、下沉庭院及围绕在建筑周边的绿色空间组成(图2)。

中轴广场是学研中心朝向校园的主要公共空间。一个简约的矩形构造显影了建筑的轴线。矩形构造被不锈钢池壁分割为草地和水池2个部分，泉水从草地中黑色抛光花岗岩条石中涌出，流淌至白色石台处跌入水池，并沿着水池中央的不锈钢水环斜面缓缓汇入一片干涸的卵石滩中。水池倒映建筑和天空，使景观呼应着外部环境的动态变化(图3)。在广场的西端，一块巨石雕刻的“壁泉”作为整个轴线的收尾。

中轴广场的两侧，是南北2个下沉庭院。它们被命名为“溪山行旅”庭院，以表达学研中心景观的主题。巨幅的钢板蚀刻《溪山行旅》图悬挂在下沉庭院的北壁，进入下沉庭院的流水台阶上镌刻着美国自然主义女诗人Mary Oliver的“Sleeping in the forest”，尽管来自完全不同的语境，不同的载体，跨越时空和文化的限制，它却与千年前的《溪山行旅》图表述着共同的语义与情感。

庭院中暗红色耐候钢板种植池从建筑高层俯瞰，构成抽象的山体形态。而在人行高度，曲折的倾斜造型形成多变的高低错落的空间界面。Z型钢质坐凳抛光的黑色凳面倒映着建筑和竹林，将庭院分割成主通道和曲径通幽的竹林小径。钢板铺地、防腐木板铺地及碎石铺地进一步强化了几何的形式感，形成丰富的空间和行走体验，在防腐木地板下，隐藏着一条排水沟，庭院的雨水被收集后储存在庭院一角的储水池中，以供再利用。L型悬桌和Z型坐凳提供了艺术化的休憩与交流空间。

3 数字技术在学研中心景观中的应用

学研中心景观面积不大，但复杂的城市环境、紧凑的校园用地、庞大的建筑、严苛的防水和荷载要求、有限的日照给景观带来了巨大的挑战。小尺度的景观营造，对设计和建造的精细度提出更高的要求。为了使设计更加科学和高效，数字化规划设计方法贯穿于设计的全过程。它们主要包括：光合有效辐射；结构有限元分析；流体分析；参数化设计；传感器驱动的动态景观。

3.1 光合有效辐射

光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation)是太阳辐射光谱中可被绿色植物的质体色素吸收、转化并用于合成有机物质的一定波段的辐射能。绿色植物进行光合作用过程中，吸收的太阳辐射中使叶绿素分子呈激发状态的那部分光谱能量。波长约为400～700nm，单位为w/m2。光合有效辐射是植物生命活动、有机物质合成和产量形成的能量来源。根据相关研究，光合有效辐射指数小于3MJ/m2d的区域需要种植喜阴植物；介于3～6MJ/m2d的区域适合种植中性植物；高于6MJ/m2d的区域适合种植喜阳之物。对场地进行光合有效辐射分析(PAR Analysis)，可以精确地判定场地中不同类型植物的种植区域，给植物景观设计提供科学的参考数据，避免了传统植物景观设计根据经验推论的不确定性。

光合有效辐射分析可使用Autodesk公司的Ecotect软件。Ecotect专门针对非建筑物理专业的建筑设计师，界面清晰易懂，输入数据较为简单，可输出各种报表和图形化分析结果，适合在方案设计阶段进行快速的分析评价。Ecotect从2011版本后再无更新，Autodesk公司将用基于revit平台的Vasari来代替Ecotect。Vasari是一款简单易用的、专注于概念设计的应用程序，集成了基于云计算的分析工具。设计师可以借助它自由创建和编辑形体，并快速获得分析数据，从而得到最优、最有效的方案设计；查看丰富的、可视化的能耗分析，并进行对比；模拟太阳辐射、日照轨迹，进行能耗分析；模拟风洞，进行风环境分析。但Vasari目前尚处于评测阶段，其分析结果的可靠性尚未得到广泛的验证，其分析项目亦不如Ecotect全面。

使用Ecotect对学研中心及周边建筑群简化模型进行光合有效辐射分析，分析周期为主要植物生长期：4月1日—10月31日，以确定种植设计中植物种类的选择，根据分析结果(图4)，可知图中蓝色区域的光合有效辐射分析指数均小于3MJ/m2d(图中蓝色区域包含建筑室内部分)，只适宜种植耐阴植物。

3.2 结构有限元分析

有限元分析( FEA, Finite Element Analysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。有限元能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。它被大量地应用于结构的应力分析。

结构有限元分析软件包括：ANSYS， CATIA， PRO-e， Sap2000，Autodesk robot structure analysis，SolidWorks等。其中ANSYS的有限元分析最为强大功能也最为全面，但网格划分和参数设定较为烦琐复杂，其余具备有限元分析能力的CAD软件各有所长，可根据分析对象的不同选用。

学研中心下沉庭院中的Z型坐凳，设计时希望用10mm厚的不锈钢板焊接成简约的Z字造型，表面镶嵌约20mm厚的花岗岩石板。Z字造型在抗压受力结构上具有一定的缺陷，其凳面和45°斜向支撑皆为悬臂梁，因此必须校验其受力变形值。为了验证建造和使用的可靠性，利用SolidWorks 软件进行结构有限元分析。

SolidWorks为达索系统公司(Dassault Systemes S.A)三维CAD软件，在机械设计领域广泛应用，其可靠性得到了深入得验证。SolidWorks软件的建模由全参数驱动，也可导入多种通用格式文件。在Rhino中建出Z型坐凳的模型，导入SolidWorks软件，将坐凳材质设定为304不锈钢，进入SolidWorks的Stimulation模块，将坐凳底面设定为固定夹具，在凳面施加荷载，包括凳子自身质量，石板质量及800kg的分布质量(根据凳面长度，设定平均重量80kg的10个人站于凳面之上，这是极限状况)，软件自动划分有限元分析网格并进行计算，最终得出凳子的应力分布和变形合位移，并可输出变形动画(图5)。

根据分析可知，Z型坐凳在设定的极限条件下，最大变形值仅为1.5mm左右，完全在不锈钢弹性模量的允许范围之内。Z型坐凳具备可实施性，且可保证使用过程中不发生不可恢复的形变。使用有限元分析软件，能够在最短时间内验证复杂结构的合理性和可靠性，比起制作1:1的模型样品，节省了大量的开支和时间(图6)。

3.3 流体动力学分析

CFD(Computational Fluid Dynamics)，即计算流体动力学, 简称CFD。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。流体动力学分析在风景园林规划设计领域中具有广泛的应用前景，包括潮汐、河流、雨洪管理、污染物扩散、水景观以及风环境，都可以利用CFD来分析各类流体的动态变化过程及流量、流速、分布、姿态、多相流模拟等相关数据。常用的水动力分析软件包括FLUENT， FLOW3d， XFlow等。其中美国Flow Science 公司开发FLOW3d具有模型全面，网格划分简便，针对性强等特点，较适宜风景园林规划设计过程中使用。

学研中心“溪山行旅”庭院的流水台阶，高近5m，为了在设计之初就能预测不同流量下的台阶流水流速、水舌形态、水膜均匀度和光滑度，使用了由Next Limit科技公司开发的新一代计算流体动力学(CFD)模拟软件Xflow来模拟流水台阶的水景。比起FLOW3d，XFlow使用基于粒子的完整拉格朗日函数来处理复杂计算流体动力学问题，无须进行烦琐的分析网格划分，分析对象的表面复杂性不再是一种限制因素。因此，Xflow更适宜在方案阶段对水景进行快速评估。

在Rhino中建立多个台阶模型(不同的台阶高度和踏面倾斜度)，导入Xflow，设定条件为外部自由表面(Free Surface)水流体分析，设计分析区域、台阶表面粗糙度、入流位置，根据选择的潜水泵参数设定每秒流量，选择分析步长和时长，即可计算出流水在台阶表面的流速、水压，并通过粒子模拟水膜的形态。可对比不同台阶模型及不同流量下水膜的不同形态及流速，选择最合适的流量参数和台阶造型。传统上水景的形态控制完全基于水景工程师的经验，CFD分析可以更为精确地模拟不同参数下的水景观，快速评估和优化水景观方案。学研中心流水台阶的CFD模拟结果经与建成后的实际情况比较，其水膜形态基本相似，验证了CFD模拟的可靠性(图7)。

3.4 参数化设计

参数化设计(Parametric Design)与单纯的几何建模不同，“每个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”[2]。参数化设计是风景园林数字化规划设计最重要的发展方向之一。它既是一种技术，又是一种方法。作为技术的参数化设计，有时也被狭义地理解为“参数化建模技术”。参数化设计工具可分为两大类别，其一为基于几何体的参数化工具，这类工具直接对几何体本身进行驱动控制，如revit，Archicad，Intentor，Civil3d，Digital Project等软件。其二是基于图形脚本参数设计工具，设计者编制某种逻辑来控制参数化过程。由于多数设计师对程序语言不熟悉，类似Grassshopper，Dynamo等图形脚本参数工具可通过直观的图形化节点模块组织设计逻辑。

参数化不仅是一种技术，更重要的是它所蕴含的开放的、由下至上、逻辑的参数关联，可检验和可回馈的设计成果，非预设立场的过程化和系统论的设计思想，它实质上是一个重要的设计方法的革命。

在学研中心南侧和东侧与城市的边界，由1280片1500mm×100mm×10mm的不锈钢钢片组成围栏，在特定位置切割弯折，构成山水主题抽象图案，人在围栏外侧道路行走时，因为视角的变化，山水图案会逐渐显现，从而使校园和城市相互渗透，并向城市展现校园文化。由于围栏数目极大，且每片弯折位置各不相同，使在方案设计阶段调整图案变成极为费时费力，且很难用传统的施工图绘制方法来指导厂家进行制作及现场安装。

因此，采用Rhino+Grasshopper参数化设计平台，编写图形化脚本程序，通过围栏的地面投影控制线及山体形状的折线(东侧水主题围栏的波浪图案采用正弦曲线生成)即可控制围栏模型的即时生成，当改变控制线时，图案发生改变，所有围栏的切割位置也发生改变，设计者可以随心所欲地改变图案，直至满意。当围栏图案确定后，1280片不锈钢板的切割位置和定位编号被自动写入Excel表格，厂家无须了解图案，只根据Excel表格加工并现场安装。因此，施工图纸被简化为一张平面定位图及一个Excel电子表格。最大限度地提高了设计和绘图效率，也避免了厂家在阅读施工图时的误解，简化了建造工序，加快了安装速度，使山水主题围栏得以精确地实现(图8)。

3.5 传感器驱动的动态景观

在学研中心溪山行旅下沉庭院的竹林种植池中，设有5片PM2.5空气质量感应玻璃艺术装置，它是实验性的动态景观。

利用激光内雕技术将5种代表性植物图解雕刻于20mm厚的玻璃之中，高强度的激光在玻璃内部烧蚀出无数气泡，这些气泡形成“点云”图案，穿过玻璃的光线会被这些气泡折射，植物纹样会散发出迷人的光芒。在夜晚，暗藏在玻璃之下的LED灯条会实时地根据当时庭院内空气中PM2.5微尘数量改变颜色，当空气质量良好时，灯光为蓝白色，空气质量越差，则灯光越红。变化的LED灯照亮玻璃之中的植物纹样，使之仿佛具备了生命的呼吸，似乎正从土地中生长而出，动态地呼应着周边的环境。它使庭院具有了多重的艺术与生态的含义，呼唤关注中国日益严重的空气污染问题。

在北林信息学院刘士营老师的协助下，设计了由PM2.5传感器和Arduino单片机组成的控制系统。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，最大优点是拥有数量庞大的各类传感器来感知环境，并通过控制灯光、马达、继电器和其他装置来反馈、影响环境。这些传感器包括：人体红外传感器、非接触式温度传感器、紫外线传感器、水位传感器、超声波传感器、压力传感器、风力传感器、湿度传感器等等。这些传感器使Arduino系统具备了无限的可能性。PM2.5空气质量感应玻璃艺术装置选用了Microduino(Arduino的微型版本)作为控制核心，连接夏普粉尘传感器。粉尘传感器的数据传递至单片机，并通过烧录入芯片的程序来根据相应的传感器数字信号控制数控LED灯条的颜色变化。系统最大的难度是市面上无法找到达到IP67等级的与Arduino单片机兼容的数控LED灯条，最后只能购买PVC线槽和LED灌封胶自制防水的数控LED灯条，并且利用3d打印机打印了防水的控制系统外壳，最终将其隐蔽地安装在L型悬桌之下(图9)。

由于装置属于自制而非工业化生产，在安装过程中也遇到了种种问题，如线缆信号的干扰问题，低压电无法远程传输，灯座无法彻底防水等问题。作为一个实验装置，希望能够在未来逐渐将其完善。

4 展望

通过数字技术在北京林业大学学研中心景观项目中的实践，可以看到风景园林数字化规划设计的巨大潜力和美好未来。它提高风景园林设计的科学性和逻辑性，使风景园林突破了感性的艺术创作的范畴，而与时代同步，形成了与其他学科协同设计的对话平台和数据接口。它极大地提高了设计和绘图的效率，使设计者可以独立完成本项目从方案到施工图的全部工作成为可能。它也将改变以平面施工图纸指导施工的传统流程，在未来，全数字模型和数据库将成为指导施工的更为精确、高效的依据。数字技术，也并非总是冰冷的理性数据、复杂的软件和电路，科学和艺术的结合，将产生新的建构逻辑，产生新的复杂与动态的美学形式。

注：文中图片均由作者拍摄或绘制。

 

作者简介：

蔡凌豪/1976年生/男/浙江平阳人/清华大学建筑学院在读博士研究生/北京林业大学园林学院讲师(北京 100083)