面向高质量可持续发展未来城市设计｜协同式城市设计工具插件发布

2020年11月10日，中国城市规划设计研究院的未来城市实验室主办的“面向高质量可持续发展未来城市设计CIM课题研讨”专家会议以线上会议如期召开。会议邀请多名业界大咖，以规划设计行业智能升级的技术方法和应用场景为主题，研讨城市信息模型CIM及其跨界融合的难度与优势，从互联网思维、计算机算法、人工智能发展趋势等方面探索行业升级的解决方案，并深入探讨高质量城市发展、智慧规划设计的有效技术路径。中规院副院长汪科、中规院学术信息中心主任徐辉进行会议致辞。出席会议的专家有：清华大学建筑学院教授党安荣、东南大学建筑学院教授杨俊宴、北京师范大学中国绿色发展协同创新中心副主任孙世友、清华大学建筑学院副教授黄鹤、北京城市象限科技有限公司创始人兼CEO茅明睿、深圳大学建筑与城市规划学院副教授王伟玺、北京清华同衡规划设计研究院技术创新中心副主任李栋、北京交通大学建筑与艺术学院副教授盛强、同济大学建筑与城市规划学院助理教授沈尧、清华大学建筑学院副教授/特别研究员龙灜、中央美术学院教授/设计学院副院长韩涛以及中央美术学院设计学院教师景斯阳等各位专家分别从科技、人文、社会、艺术的角度共同探讨了数字化规划设计的新兴探索、发展趋势和未来展望。

中规院未来城市实验室2020年开展了面向高质量可持续发展未来城市设计CIM专项研究。主要目标为通过多专业融通的城市设计方法，探索可持续理念在城市建设过程之中的高质量落地，推动以人为中心的城市共同体设计。

课题拟解决关键问题有三点，具体内容如下：

关键问题一：怎样建立控规指标在城市设计的三维形态之中的有效传递？

在城市设计工作中，如项目设计范围较大，基于上位规划对所有地块进行手动建模所需人员投入较大、时间成本较高。如果项目周期较短，很难保证每个地块中的建筑布局及其体量满足上位规划的指标要求。

因此，时间和质量的矛盾将会影响控规指标在城市形态之中的有效传递？

关键问题二：怎样建立城市设计与规划方案之间的快速反馈和辅助决策机制？

城市设计工作的主要功能之一是从城市空间形态层面对规划方案进行深化、细化，并提出修改建议。但是当工作投入增多，方案不断调整或深化，其修改难度也急剧增大。同时由于不同阶段方案之间数据连通性较差，很难在形态上实现快速高效的方案反馈，降低了城市设计辅助决策的作用。

关键问题三：怎样建立多专业协同的智能化城市设计方法论？

近几年可以观察到数字城市、智慧城市、数字孪生城市、城市信息模型CIM的热度不断提升，以上述新概念为主的新趋势着重强调了城市设计需与生态、市政、交通、能源、物流等专业进行智能化协同的重要性。结合智慧城市各部分专项的城市设计是一片蓝海，但由于城市不同专业需高效有机结合，使得工作难度更高，需要业务与数字技术的综合性创新。此问题主要研究内容是如何将城市空间信息与城市复杂系统进行连接与协同。

为解决以上三个问题，课题组首先借鉴了复杂系统理论、网络理论、自组织理论、新陈代谢理论等，这些理论为理解城市系统和发展动力提供了经典的理论性模型。

对于城市高质量发展，课题组研究了哈佛大学可持续规划导则，该方法将城市整理为七大系统，景观、交通、水资源、能源、固态垃圾、信息系统及食物供给系统。通过对各子系统的深入理解和综合运用，完成可持续城市方法的规划设计。此框架与环境、社会、经济等评估模块连接，进行系统地评估，从而做到针对性的方案比选和优化。

城市新陈代谢理论发源于北欧智慧城市的实践，主要研究材料、能源、水、食物等在城市生态系统中的流动模式，并通过量化分析和节能环保的措施手段，减少城市资源使用总量和有害垃圾产生量，提高城市可持续发展能力。

MIT在早年提出的生成式多性能设计系统，主要由四个模块构成，生成、分析、评估、进行优化，各环节形成闭环，可以在给定的限制条件内指导设计方案的生成。如以互联网的思路来看，其核心理念是方案迭代升级。

同时，针对国内近几年相关实践，课题组通过总结各应用场景特点，提出以城市资源“供需平衡”为核心的研究体系，连接不同业务系统。比如，当所研究内容为城市可提供最大资源总量时，可理解为资源动态承载力问题。同样，通过对供需平衡公式的动态调整，可得到不同的城市问题研究方向。

因此，基于上述参考，课题组总结出一套核心理念，即协同城市多专业系统，构建复合图网络结构，在各层级的网络内部和外部，探究资源供需动态平衡关系。以此为核心，调整城市空间结构、用地性质和开发强度，优化城市设计方案。

此处所提资源包含物质资源，如供电、供水等，同时也包含社会资源，比如公共服务设施等。城市设计方案作为形态基底，承载了不同属性、类型的资源的流动，同时更是串联各系统的重要媒介。不同系统的基础设施规模、布局与城市用地性质、开发强度、人口荷载等因素成强因果关系，因此可以人口为中心，基于业务逻辑进行抽象建模，并借助相关算法完成资源配置的科学优化。

课题组基于参数化联动的方法，结合多专业协同的理念，试图连通规划方案与城市设计方案，并在此阶段实现方案核心内容的量化建模，如路网结构、开发强度、用地性质、资源荷载、设施选址、建设成本等。

课题组基于上述内容，提出一套设计方案论，即基于上位方案（规划方案参数）快速自动生成城市设计草模（设计师参与），对生成的结果进行方案多维评估，并针对评估结果由设计师对方案进行优化与修改，修改后参数反馈给上位规划。该过程不断迭代，形成控规方案与城市设计方案的高频反馈迭代机制。在此过程中，为实现设计、评估、优化流程的有效迭代，需保证各阶段数据连通；方案生成、评估等模块可快速完成；同时对于优化算法而言，需要保证其符合业务逻辑并可真实解决相应问题。

为落实上述思路，课题组针对不同的对象开发了两套原型产品，一款是针对城市设计师的插件工具集UrbanXTools，该产品主要依托于设计师常用软件Rhino上，开放较多参数调整选项。另外一款产品，基于CESIUM（webGIS）进行开发，移植插件端核心功能，主要面向非Rhino的使用人员，可快速简洁使用自动生成与评估功能。

主要功能展示

路网结构：

公服覆盖：

自动生成：

资源荷载：

网页端全流程：

多维评估

评估系统主要分为以下六个子系统：能源系统、水资源系统、固废系统、气候系统、空间系统及交通系统。该系统的开发主要利用了以下三种方式：

1. 依托于Rhino插件本身的开源社区，例如ladybug；

2. 移植开源模拟引擎，例如energyPlus；

3. 基于业务逻辑自主研发评估模型。

迭代优化

课题组与我院水务院的合作，尝试协同用地方案（总规、控规、城市设计）和供水管网方案，精准计算各用地或建筑需水量，连结两个专业方案。同时，针对规划方案的需要水量及场地高度，对供水管网进行基于业务逻辑的算法优化，计算管段压力、流量、流速、节点水头和能耗，降低供水管网建设运维成本和能源消耗量。该功能模块通过移植开源水力计算引擎，在设计阶段对供水方案进行实施评估。

方案优化结果可节省69%建设成本，减少50%以上的水泵耗能。但是该方法是以减少经济和能耗作为主要优化目标，所得为极限方案，暂时没有考虑管段断裂等突发状况。后期算法优化过程中，需结合灾害评估、概率论等模型进行深化。此案例表明多专业协同对方案优化的意义与现有技术的不足。

课题组希望以多专业协同的理念，借助参数化联动的技术，探索新的设计方法，节省设计师的时间，提高方案的精度和质量。目前所研发的插件和网页原型，也是课题组对这一目标迈出的一小步，希望之后能与更多同行共同进步。

另附插件下载链接：
https://github.com/CAUPDxUrbanXLab/UrbanXTools

以上是课题组产品的正式发布，网页版的城市设计辅助平台，随后到插件目前还是属于1.0.0版本，如果有遇到bug或者对功能有疑惑的地方，还请大家见谅。同时，对于大家的建议与意见，课题组将会认真仔细回复，希望能与大家共同探索未来城市设计发展的新方向。

The End.