数字孪生时代的城市设计数字化创新与实践

发布时间: 2022-11-14    浏览(3827)

 摘要:多年来,深圳市持续探索规划设计数字化创新方法。随着深圳市进入存量发展阶段,利用数字化手段对存量空间实施精细化、多元化和高效化的优化提升成为深圳市探索的主要方向。本文介绍了深圳市在数字孪生城市通用技术、虚拟沉浸式、数字参量化、在线协同式和实时交互式等方面的数字化城市设计实践,以及对多学科协同、多集群设计和多主体协商等综合手段,为促进城市设计范式不断迭代演化提供初步思考。

关键词:虚拟现实;数字参量化;在线协同;实时交互

深圳市作为改革开放的“试验田”和“排头兵”,始终坚持以城市设计引领高质量规划建设,在国内率先建立了完整的城市设计管理制度,营造了技术创新土壤,进而培育出具有广泛影响力的设计生态,有效地支撑了社会经济的发展,促进了城市环境品质的提升和美好城市环境的建设。[1]

深圳市城市设计创新生态环境孕育了深圳特色的数字化创新,在国内率先建立城市与建筑设计三维仿真系统,不断迭代完善城市设计数字化体系,从最初的三维辅助评审,逐步发展到城市空间要素数字化、城市运行状态可视化、设计管理决策协同化和设计管理审查智能化。

本文结合深圳市城市设计面临的问题,以及对数字孪生城市的探索,介绍在线协同式设计、数字参量化设计、实时交互式设计、虚拟沉浸式设计等成熟度不一的技术创新和实践。

1 现状及问题
2005年以后,深圳市在土地空间、人口、资源、环境承载力等方面的“四个难以为继”问题日益尖锐,深圳市逐渐进入存量发展阶段。通过对存量空间实施精细化、多元化、高效化的优化提升,实现精致设计和精细管控,强化城市品质和活力塑造,是新时期深圳市城市设计的主要实践方向。然而,高密度轨道交通、高强度空间开发、立体化土地利用和多元化生活需求给新时期城市设计带来了巨大的挑战。在城市设计和管理的过程中,存在设计信息周边呈现不清晰、城市设计要求难以有效传导、三维空间立体复杂、设计效果难以分析评估、设计共识难以达成、设计工作重复巨大等诸多问题。

在数字孪生城市的各种愿景中,泛在的城市感知网络可以实时、智能、无缝地观测或连接城市多元空间实体,建立虚实融合的数字孪生城市环境。然而,关于城市复杂巨系统中数字孪生城市方面的研究,仍面临诸多理论和技术难点。例如 :关于物理、工程、生物、社会等多领域、多专业的模型,如何有效抽象世界,实现跨领域模型的有机融合?对于物理、计算、数学和人文等复杂问题,如何处理复杂实体之间的关系?对于不断变化的时间和空间,如何有效捕捉时间的变化,描述时间的维度?对于现实世界的测不准、可变性和环境噪音等问题,如何处理各类现实问题的不确定性?对于城市全空间和全要素,如何有效确定建模粒度、建模方法和聚合方法?对于人文社会,如何感知权力、法律、法规、行为、许可、限制等等?

尽管当下,甚至未来,信息技术均可能无法实现科幻作品中的数字乌托邦,但不断涌现的新型技术以及城市新数据环境,切实为数字化城市规划设计提供了诸多创新思路。数字孪生时代的城市设计需要融合多类型、多格式、多时态的海量异构数据资源,关注物理空间、信息空间和社会空间等多元空间诉求,通过多学科协同、多集群设计和多主体协商等综合手段解决城市复杂巨系统问题,促进城市设计范式不断迭代演化。[2]

2 数字孪生城市技术探索

城市设计数字化难点在于其涉及领域的复杂性和交叉性,以及城市中各种关系的组合。建筑、交通、环境和人文等城市要素空间交叉渗透,是交织耦合的动态关系系统。对于深圳这样的超大城市,地上、地下城市要素的关系复杂,并且建筑密度高,设计方案实施后在城市中的效果难以快速进行直观展示,决策反馈周期长,这些特点都制约了城市设计工作的快速开展。因此,建构高精度的具有数字化、综合性、可视化特点的数字孪生城市底座,是促进城市设计数字化创新的重要突破点。

近年来,深圳市正式提出“探索建设数字孪生城市”。其依托地理信息系统(GIS)、建筑信息模型(BIM)、城市信息模型(CIM)等数字化手段,开展全域高精度三维城市建模,加强国土空间等数据治理,构建可视化城市空间数字平台,链接智慧泛在的城市神经网络,提升城市可感知、可判断、快速反应的能力。

深圳市已初步打破跨部门和跨区域的行政壁垒,正在探索多层次多级城市信息模型的构建方法,以各类时空基础数据为统一空间底板,持续汇聚人口、法人、土地、规划、社会和经济等多领域的政务管理数据,接入手机信令、移动位置、交通监控、环境监测等城市运行感知数据(图1)。

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1 深圳市数字孪生城市试点(龙华区)

深圳市在CIM基础平台的研发过程中,研究并开发了数字孪生城市的系列关键技术 :针对高效的数据库管理与高性能的数据访问难题,研发多态混合的数据库存储架构和高性能可扩展的任务与资源调度框架,构建城市多源数据、实体数据、可视表达数据和分析计算数据等一体化组织的数据库逻辑结构 ;针对多来源、多格式、多形式、空间与非空间、结构化与非结构化的数据,探索空间语义关联、AI(人工智能)视觉识别和实体对象融合等多种方法,关联和融合城市多源异构数据的时空数据 ;针对海量多源异构数据的加载、全空间三维模型轻量化、大场景高逼真混合渲染等技术难题,实现数据轻量化预处理、三维地图综合、多尺度LOD(多细节层次)空间索引重建、大场景数据加载调度和云端并行渲染等核心算法和关键技术。对各种矢量数据、栅格数据、三维模型数据、视频数据、实时物联动态感知等数据进行接入、调度、渲染和展示,探索全空间、全维度和全场景可视化技术,在充分保障用户视觉体验的同时,提高平台的数据调度效率,提升多用户并发访问能力。

数字孪生城市的通用技术为深圳市城市设计数字化的创新奠定了技术基础。深圳市基于CIM平台研发了规划设计数字化平台、城市云图、城市视景平台,探索了部分具有一定跨代性和超前性的城市设计数字化创新。

3 虚拟沉浸式设计

传统城市设计表达受限于传播介质、空间维度、空间变换、空间组织和表达手段,难以表达复杂物理空间,以及动态变化的人文和信息空间。对城市设计的三维表达形式进行重构,利用各种泛地图的技术方法 [3],面向特定目的呈现数据,能使人们更加透彻地理解城市空间。

早在1998年,福田中心区建立了10 k㎡城市三维仿真模型,探索了城市和建筑设计三维辅助评审。2007年,基于DirectX自研三维引擎,建立了城市三维仿真系统,解决了大范围三维地形数据和巨量精细建筑模型数据实时渲染等问题,常态化开展设计三维会商工作。2016年,基于OpenGL重构的三维渲染引擎,研发了CIMAP三维仿真产品。2021年,基于UE4引擎,研发了城市云图产品,进一步提升了三维仿真的呈现能力。在历次的版本迭代中,同步实践了各类显示介质,包括半沉浸式的弧形屏、四面屏(图2),以及全沉浸式的VR头盔、裸眼3D等,陆续探索了单机单GPU、单机多GPU、多机多GPU等渲染架构,根据虚拟现实技术的发展,不断迭代演化。

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2 深圳市城市云图四面屏版(2021年建成)

虚拟沉浸式设计支持城市现状和设计的多角度表达,用户从传统的第三人称视角发展到全景、全视和裸眼 3D 的第一人称视角,可正视、俯视、侧视、窥视或透视感兴趣的设计要素的外在表象或内在结构,全方位、立体化、多角度观察城市空间,获得身临其境般的沉浸感、交互感和构想感,以及虚拟和现实相融合的超感空间体验。不同视角下的设计体验与人脑经验相互作用并产生反馈,达到增强理解城市空间知觉、高效获取信息的目的。

最新的城市云图产品利用实景三维、时空大数据、游戏引擎等技术,深度融合深圳市2 000 k㎡实景三维、40年测绘地理、四版城市空间规划、三版自然资源调查,以及多类型城市设计、建设设计、古树名木和生态保护等规划和资源信息,支撑城市复杂空间多维度、层次化、立体化的组织、分析、表达和呈现。以山海连城城市设计为案例,设计团队尝试通过写真形象性、写意达情性和抽象概括性阐述深圳市城市整体风貌,多中心组团式的城市空间规划格局,“大蓝大绿”的自然资源保护格局。相较传统的静态要素表达,它通过直观、动态、连续和实时的城市空间演化过程,在实景三维和时空大数据的支撑下,通过三维动态表达增强人们对于城市设计的空间认知。

4 数字参量化设计

城市设计成果具有艺术创意和主观感性的独特社会价值,但城市管理方利用设计成果进行治理和管控,往往使其产生信息衰减的现象,包括与上位规划和向下建设在实施不同业务流程衔接过程中,难以进行高效的信息传导。因此,需要在规划设计体系中建构一套新的技术方法流程,使过程理性化、转译无损化、成果标准化,能够切实提升规划编制、城市设计水准和成果质量。

开展城市设计数字化转译,梳理《深圳市城市规划标准与准则》《建筑工程设计专业文件汇编》《房屋建筑面积测绘技术规范》等标准,结合业务管理所需内容,构建深圳市规划设计报建指标体系,包括场地需求的用地面积、用地性质、建筑退线、公共空间,以及对建筑空间的容积率、绿地率和日照间距的指标管理。以人机交互的方式提升管理效率,以不同性质的建设项目丰富深圳数字化转译体系。基于重点片区探索规划设计要点三维化管控的转译体系,将交通导控、建筑形态导控和空间导控共 18 个管控指标用于构建三维形式,实现自上而下的三维指标传导,实现基于CIM的规划设计数字化平台的直观、高效方案审查模式(图3)。

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3 基于CIM的规划设计数字化平台香蜜湖设计要点示例

基于数字化转译工作,面向城市设计的各类应用场景研发数字化工具,辅助城市设计管理和相关决策。例如 :基于城市信息模型,利用数字化工具,分析方案对于城市空间形态和城市空间结构的影响,辅助城市规划、建设和管理的业务实施。量化的城市天际线、视域通廊、剖面分析等分析工具,辅助工作人员对城市空间风貌、特色空间判定、方案适宜性评价等进行决策。通过构建城市规划设计数字转译体系,实现人机交互的报建审批机制,以及面向城市三维空间的城市管理指标传导流程。

5 在线协同式设计

在线协同式设计针对城市设计建设垂直领域,适配多类专业设计工具,以群体智慧协同为核心,为城市设计编制单位、政府、研究机构提供设计云坊和通用数据环境,让权威数据成为设计工作底板,通过“数据不落地、设计在云端”,在保障数据安全的前提下,实现城市设计数据、方法和分析结果的多方共享和在线系统,整体支撑城市规划、开放生态的构建。

基于CIM的规划设计数字化平台,通过设计云坊为城市设计单位提供在线统一的数据环境,包括各类时空基础、资源调查、空间规划,以及社会经济等信息 ;提供设计方案校验工具、三维辅助工具、数据导入工具等(图4)。设计单位可以使用原有的设计软件开展设计工作,并自行将阶段设计成果持续导入设计云坊,对不满足标准要求的设计方案进行修改,经过多次“校验—修改”,减少设计方案错误,提升设计方案与周边衔接的准确性,避免了正式审核时设计方案的反复修改,可有效提高设计方案的规范性与科学性。

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4 设计云坊示意图

设计云坊与三维辅助评审系统无缝衔接,为城市设计管理部门提供设计方案精细化管理数据支撑服务,有利于提升规划设计方案的审核效率,减轻设计方案审批的压力,为专家参与设计阶段评审提供方案评审功能,有效满足不同参与主体的实际需求,全方位提升城市设计的科学性与方案审核的高效性。

在深圳市新冠肺炎疫情期间,城市设计云坊曾有效地支撑了深圳市歌剧院等城市设计项目的国际竞赛工作,通过线上勘察、线上设计和线上协同的方式,解决了设计院无法来深考察、无法面对面会商的问题。城市设计云也有助于减低数据获取成本,让所有设计单位基于统一的设计底板开始设计工作,通过高频次的设计迭代,助力打造更加精准和精致的城市设计方案。

6 实时交互式设计

在实时交互式设计方面,深圳市联合同济大学和美国麻省理工学院,融合数据科学、人工智能、城市设计等领域研究成果,共同合作开发深圳城市视景平台,打造CityScope平台的中国实践版本。该平台是深圳市国土空间智慧治理实验室的组成部分之一,致力于城市分析、高效资源利用和空间规划,用于可视化复杂的城市关系,模拟多种城市干预措施的影响,并在动态、迭代、基于证据的过程中做出决策支持。平台使用了多元化的数据以及多样的数据分析方法,并以友好的实体交互平台形式向公众呈现。平台关键技术包括增强现实技术、多代理人模拟技术及交互技术等。[4]

在增强现实技术应用方面,通过物理桌面集成了建筑物现状模型与包含所有要素的规划区模型,再现丰富的城市形态,反映各项资源的现实情况,呈现区域空间格局。平台将热力图以及多代理人模拟结果等虚拟信息与物理模型精准定位匹配,使用增强现实技术将虚拟信息投影到物理模型中,为公众提供沉浸式的用户体验。

在多代理人技术应用方面,通过模拟来研究城市发展中社会经济活动的动态特征,对规划设计进行评估优化,形成多代理人模型等算法,对未来的规划设计方案进行各种模拟预测。例如 :模拟居民的日常活动,模拟不同人群如何通过交流来激发创新潜力,等等。这些模拟结果同样会反映在指标体系上,用于前后对比和多方案平行对比。平台通过数据分析、模拟预测等手段,使规划设计的决策基础更客观、科学。

在交互技术应用方面,通过操作手机,用户可以通过“虚拟无人机”的视角在城市中穿梭,并在实时渲染的数字三维模型中看到效果。该“虚拟无人机”的位置亦将实时投影于操作台物理城市模型上。平台交互区域由带有光学标签的交互模块构成,用户可以通过替换模块、改变用地类型、调整模块密度属性等方式生成新的设计方案。方案将被实时模拟与分析,可视化结果包括墙面投影城市表现指标,以及投影于物理模型上的热力图和多代理人模拟(图5)。

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5 深圳城市视景平台

7 应用实践

从1998年至今,深圳市规划和自然资源局通过三维辅助评审,积累建筑和城市设计方案近万个,开展了虚拟沉浸式、数字参量化、在线协同式、实时交互式等各种数字化城市设计方法、技术、平台和模式探索,部分成果具有一定实验性质,通过“以用促建”的迭代升级,持续开展实践工作。根据深圳市政府最新要求,市政府会议决策建设项目必须基于CIM基础平台进行三维会商。在行政、技术和市场的多重推动下,数字孪生时代的深圳市城市设计数字化创新将迎来一次新的发展机遇。(本文主要数据来源于深圳市规划和自然资源部门,并得到历任领导高度支持和团队人员的协作,一并致谢!)


‍参考文献

[1] 赵广英,单樑,宋聚生,等.深圳规划建设40年发展历程中的城市设计思维[J].城乡规划,2019(5):11.

[2] 吴志强,甘惟.转型时期的城市智能规划技术实践[J].城市建筑,2018(3):4.
[3] 郭仁忠,陈业滨,应申,等.三元空间下的泛地图可视化维度[J].武汉大学学报(信息科学版),2018,43(11):8.
[4] 张砚,肯特 · 蓝森.CityScope——可触交互界面,增强现实以及人工智能于城市决策平台之运用[J].时代建筑,2018(1):6.

来源:城市设计联盟

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标签: 现代设计 城市设计 建筑资讯

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