CN116361883A - 一种基于bim的多要素开放场景声景观分析设计方法 - Google Patents

一种基于bim的多要素开放场景声景观分析设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于声景观技术领域，特别涉及一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法。其技术方案为：一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，包括以下步骤：S1：按照设计意图及声环境质量标准，对目标区域声环境功能区进行划分，明确各区域环境噪声限值；S2：结合开放景观周边环境，选择一定数量的环境噪声监测点，对环境噪声源进行监测；S3：借助BIM技术，将涉及声音传导的景观要素以三维模型的方式进行场景还原；S4：将步骤S2的声源数据和步骤S3的场景模型导入声学软件进行仿真分析；若声景效果达到预期，则确定声景方案；若声景效果未达到预期，则返回步骤S3。本发明提供了一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法。

Description

一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法
技术领域
本发明属于声景观技术领域，特别涉及一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法。
背景技术
随着我国城市化率不断上升，人民生活质量不断提高，城市公共空间的品质提升越来越受到重视。开放式公共景观作为城市公共空间中的重要角色，在改善城市生态环境、丰富市民生活等方面起到越来越重要的作用。作为开放式公共景观的重要组成部分“声景”，越来越多的被关注和研究，对营造满足使用者需求的公共空间起到越来越重要的作用。
声景观(Soundscape)由sound(声)和Scape(景)构成，是相对于视觉景观(landscape)而言的听觉的景观,其意义为用耳捕捉的景观，听觉的风景。而声景观的设计,就是运用声音的要素,对空间的声音环境进行全面的设计和规划,并加强总体景观的调和。
当前针对开放式景观声环境设计的研究主要局限于声音的数据采集、理论分析、指标评价、噪音监测等单一领域，暂无系统性的全要素数据分析及设计方法，特别是缺乏有效手段对设计方案的效果进行科学评价。
发明《一种声景观信息的可视化方法》，通过采集声景观的音频文件，测量采样区域的地理坐标，分析音频文件进行频谱，计算声景观指数；从而对音频文件的采集时间、地理坐标和声景观指数进行综合绑定并可视化，最后生成kml文件，在Google Earth加载kml文件，实现结果的空间显示与信息查询。
发明《一种周期性台阶结构声景观设计方法》，通过对台阶结构的散射声进行理论计算，可准确预测台阶结构散射声的基频，为声景观的设计提供参考，该设计方法中理论计算散射声是基于二维台阶模型，但可用于三维台阶结构的设计。
发明《值得保护的城市声景观品质自动监测方法》，对值得保护的城市声景观进行声音数字信号采集，再与各类噪声信号进行混缩得到混缩噪声信号；以原声信号为基准、逐一与混缩噪音组进行比对，通过决策树分类模型，获取指代声景观品质的指标的不同组合方式与声景观品质受影响程度之间的关系，用于实践中对声景观品质监测，对声景观的受影响程度进行分类识别。
图书《BIM应用与项目管理》介绍了如何利用BIM技术分别进行室内外声景观设计，提出了借助信息化技术，对室内外声音环境进行分析，然而该技术仍存在一定弊端；特别是在城市公园这类室外场景中，声音传播影响要素多、传播路径复杂，若无法在模型中准确还原场景要素，将严重影响数据分析的可靠性和准确性。
通过文献检索和调研，尚未发现针对城市公园这类开放式场景的声景观设计方法及其相应的研究课题，本发明所描述的内容，可为景观声环境设计人员提供一套精准高效的三维可视化数据分析方法及方案设计调整手段，具有较强的研究意义。
近年来，声环境在城市公园等开放式景观设计中越来越受重视。然而当前声景观设计仍停留在理论研究和定性评价阶段，缺乏全面系统的数据分析及设计方法。现有技术主要具有以下缺点：
(1)当前针对开放场景的声景观分析方法，主要是以各类声源以及它们营建的声环境为研究对象，通过“文献研究学习法”、“实例研究法”、“询问调查研究法”等研究手段开展设计、研究。该方法主要依靠人工调研与分析，无法准确还原开放场景内影响声音传播的各项关键要素，同时人工分析无法对开阔空间的各种声学行为进行模拟。
(2)声景观素材采集不全、场景分析不准确。通常声景观设计方案主要针对室内或封闭场景进行分析，声景观素材及场景较为单一，然而城市公园属于开放空间，且往往涉及复杂的地形起伏及景观植物、构筑物分布，声音传播方式更为复杂。传统的声景观设计方式，在城市公园场景下，往往存在影响因素考虑不全，场景分析不准确的问题，导致分析结果出现严重偏差。
(3)多方案比选时，冗余建模工作量大。声景观分析时通常采用sketchup创建模型，然后利用声学软件进行仿真分析，不同方案需要创建不同场景模型，重复建模会浪费大量的人力和时间成本。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，包括以下步骤：
S1：按照设计意图及声环境质量标准，对目标区域声环境功能区进行划分，明确各区域环境噪声限值；
S2：结合开放景观周边环境，选择一定数量的环境噪声监测点，对环境噪声源进行监测；
S3：借助BIM技术，将涉及声音传导的景观要素以三维模型的方式进行场景还原；
S4：将步骤S2的声源数据和步骤S3的场景模型导入声学软件进行仿真分析；若声景效果达到预期，则确定声景方案；若声景效果未达到预期，则返回步骤S3进行景观方案调整。
本发明提供了一种“全要素场景还原+参数化建模”可视化声学仿真分析方法。本发明使用BIM技术辅助进行开放场景的景观声环境仿真分析，充分发挥BIM技术可视化、模拟性、优化性的特点，将传统景观声环境设计中的理论方法与信息化技术结合，使声景观分析结果更为直观、准确。本发明利用“无人机倾斜摄影+移动式三维扫描”技术，获取开放场景包括景观地形、景观构筑物、景观植物等各项既有的场景要素信息，为声景观场景还原提供数据支撑，确保在声学分析时，不遗漏重要信息。本发明利用参数化建模技术，创建景观地形、景观植物、景观构筑物的参数化模型，场景模型创建后，仅需调整部分参数即可实行不同版本景观方案切换，避免了大量重复建模工作，节约了建模时间。
作为本发明的优选方案，在步骤S2中，环境噪声监测点包括目标区域以内的内部测点和目标区域以外的外部测点。依据步骤S1中声景观功能分区，明确了各目标区域环境噪音限值和目标区域外部噪音源。外部测点主要是设置在临近噪音源处，其作用主要是通过监测噪音源相关数据为后续声源设置提供数据支撑。内部测点设置在各声景观分区范围内，其作用主要有：第一、采集各声景观分区原始状态下(未施工前)的声音数据，与步骤S1中设定的噪音限值数据进行比对，评判是否满足限值要求；第二、与各版景观声环境仿真数据进行比对，相关比对数据作为声景观方案的关键比选指标。
作为本发明的优选方案，在步骤S2中，对环境噪声源进行监测时，选择无雨雪、无雷电天气、风速5m/s以下的条件。
作为本发明的优选方案，步骤S3具体包括以下步骤：
S31：无人机倾斜摄影技术获取地形数据；
S32：三维扫描获取植被覆盖区地形及植物点云数据；
S33：创建构筑物参数化模型。
S34：依据景观设计方案将景观地形、景观树木、景观构筑物进行合模。
作为本发明的优选方案，步骤S31具体包括以下步骤：
S311：采用无人机免相控航测技术，获取目标区域非植被覆盖区的点云数据；
S312：在地形点云数据基础上进行去噪、分类编辑等处理，得到数字高程模型；
S313：在GIS平台中基于数字高程模型提取高程点、生成等高线。
作为本发明的优选方案，步骤S32具体包括以下步骤：
S321：作业人员手持扫描仪采用环绕穿梭的方式采集点云数据；
S322：将点云数据导入处理软件；
S323：从点云数据中提取树木的坐标及关键几何信息；
S324：将树木的空间坐标及关键几何信息按树木编号输出“树木信息报告”；
S325：基于“树木信息报告”，创建植被覆盖区的轻量化模型。
作为本发明的优选方案，步骤S33具体包括以下步骤：
S331：根据步骤S31获取的地形数据中的地形等高线数据，结合景观设计方案创建景观地形；
S332：对景观构筑物进行参数化建模。
作为本发明的优选方案，在进行步骤S4之前，进行场景模型声学参数设置、定义声源特性、定义接收点位置。
作为本发明的优选方案，进行场景模型声学参数设置时，定义步骤S3中创建的景观场景模型的各个模型面的材料类型、传播介质特性。
作为本发明的优选方案，步骤S2中，环境噪声监测点包括外部测点和内部测点；定义声源特性时，依据步骤S2中各外部测点的监测数据，在场景对应位置设置一定数量的声源并定义声源特性；定义接收点位置时，依据步骤S1中各声景分区情况和步骤S2中内部测点分布位置，设置接收点位置。
本发明的有益效果为：
1.本发明将传统的声景观理论分析方法与BIM技术结合，不仅效率高，而且结果更加详细，为声学设计的定量化提供了有效的手段。
2、本发明利用无人机倾斜摄影、三维扫描以及参数化建模技术，实现了开放式场景下的多要素场景还原，避免因关键数据缺失导致数据失真。
3、本发明提供了一种可视化的数据分析手段，使设计人员在不同声景方案间进行比选时可以使用量化指标进行数据分析。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是背景噪声测点布置示意图；
图3是景观场景还原的结构示意图；
图4是声学数据仿真分析示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本实施例的基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，包括以下步骤：
S1：开放景观声景分区分析
按照设计意图及《声环境质量标准》GB3096-2008，对目标区域声环境功能区进行划分，明确各区域环境噪声限值。
表1为各区域环境噪声限值：
Figure BDA0004029382740000071
S2：对环境噪声源进行分析，结合开放景观周边环境，选择一定数量的环境噪声监测点。
S21：测点选择
如图2所示，依据步骤S1中声景观功能分区，明确了各目标区域环境噪音限值和目标区域外部噪音源。根据监测对象和目的，环境噪声监测点包括目标区域以内的内部测点和目标区域以外的外部测点。
S211：外部测点：设置在临近噪音源处，其作用主要是通过监测噪音源相关数据为后续步骤S43声源设置提供数据支撑。
S212：内部测点：设置在各声景观分区范围内，其作用主要有：第一、采集各声景观分区原始状态下(未施工前)的声音数据，与步骤S1中设定的噪音限值数据进行比对，评判是否满足限值要求；第二、与各版景观声环境仿真数据进行比对，相关比对数据作为声景观方案的关键比选指标。
S22：气象条件
测量应在无雨雪、无雷电天气，风速5m/s以下时进行。
S23：测量记录
测量记录应包括以下事项：
①日期、时间、地点及测定人员；
②使用仪器型号、编号及其校准记录；
③测定时间内的气象条件(风向、风速、雨雪等天气状况)；
④测量项目及测定结果；
⑤测量依据的标准；
⑥测点示意图；
⑦声源及运行工况说明(如交通噪声测量的交通流量等)；
⑧其他应记录的事项。
S3：依据声景设计方案进行多要素三维场景还原
该步骤借助BIM技术，将涉及声音传导的景观要素以三维模型的方式进行场景还原，为后续声学软件模拟声音在场景内的传导提供数据支撑。
S31：无人机倾斜摄影技术获取地形数据
S311：采用无人机RTK(Real-time kinematic)免相控航测技术，获取目标区域非植被覆盖区的点云数据。
S312：在地形点云数据基础上进行去噪、分类编辑等处理，得到数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)。
S313：在ARCGIS中基于DEM提取高程点、生成等高线，并以dwg文件进行保存。
S32：三维扫描获取植被覆盖区地形及植物点云数据
采用手持扫描仪对原始地形及树林进行三维扫描，获取地形、树木点云数据，并测算地形高程(DEM)、树木分布密度、树木平均胸径等数据，为创建后续深化设计模型提供数据支撑。
S321：提前规划好行进路线，作业人员手持扫描仪采用环绕穿梭的方式采集点云数据，确保核心测区每棵树木两侧均有经过，以确保点云数据的完整性。
S322：将点云数据导入处理软件，优选带实时配准功能的扫描设备，点云数据一次成型。
S323：从点云数据中提取树木的坐标及关键几何信息，主要包括单木中心点坐标、胸径、树高。
S324：将树木的空间坐标及关键几何信息按树木编号输出“树木信息报告”，为下一步树木模型创建提供数据支撑。
S325：作者通过对Sketch UP进行二次开发，编译了一套插件，可基于“树木信息报告”(Excel表格)，在Sketch UP中自动创建植被覆盖区的轻量化模型。
S33：创建构筑物参数化模型
S331：将第一步获取的地形等高线数据导入Rhino，并结合景观设计方案创建景观地形。
S332：采用Rhino+Grasshopper对景观构筑物进行参数化建模。
S34：如图3所示，最后在Sketch UP中，依据景观设计方案将景观地形、景观树木、景观构筑物进行合模，实现景观场景还原。
S4：将声源数据、场景模型导入声学软件进行仿真分析
S41：声学分析软件优选
常用的声学分析软件主要有Odeon、Raynoise和EASE,城市公园属于室外开放空间，因此应优先选用Raynoise或EASE，此处以Raynoise为例。
Raynoise是一款大型声场模拟软件系统。可对封闭空间或者敞开空间以及半闭空间的各种声学行为加以模拟。它能够较准确地模拟声传播的物理过程，这包括：镜面反射、扩散反射、墙面和空气吸收、衍射和透射等现象并能最终重造接收位置的听音效果。
S42：场景模型声学参数设置
将步骤S3中创建的景观场景模型导入Raynoise，通过定义各个模型面(合围面)的材料类型(包括土层、草地、木材等)以赋予其特定的吸声特性(如吸声系数、散射系数等)，同时定义其传播介质特性.
S43定义声源特性
依据步骤S2中各外部点的监测数据，在场景对应位置设置一定数量的声源并定义声源特性，最大程度上还原外部声源特性.
S44：定义接收点(听音区)位置
依据步骤S1中各声景分区情况以及步骤S2中内部测点(检查点)分布位置，设置接收点(听音区)位置。
S45：启动计算
完成上述参数设置后即可开始进行声学计算，影响计算结果的主要参数包括声线数量、反射方法、反射阶次、截止时间等。声学数据仿真分析如图4所示。
S46：多方案比选，选取最优解
计算结果经处理后，可通过生成图形、动画等形式进行呈现，将接收点(听音区)的模拟数据与步骤S1中的背景噪音限值和预期目标数值进行比对，满足要求的方案保留作为备选，不满足要求的返回步骤S3进行景观方案调整，并再次进行声学仿真分析。
最终对满足要求的多项方案进行横向对比，选取最优方案用于指导现场实施。
本发明将传统的声景观理论分析方法与BIM技术结合，为城市公园这类开阔空间的声学定量分析提供了全新的技术手段；采用无人机倾斜摄影+移动式三维扫描技术快速获取目标区域数字高程模型、既有景观植被等实景信息，为后续建模及场景还原提供数据支撑；利用二次开发及参数化建模技术实现声景观场景快速建模及修改。
本发明使用BIM技术辅助进行开放场景的景观声环境仿真分析，充分发挥BIM技术可视化、模拟性、优化性的特点，将传统景观声环境设计中的理论方法与信息化技术结合，使声景观分析结果更为直观、准确。
本发明利用“无人机倾斜摄影+移动式三维扫描”技术，获取开放场景包括景观地形、景观构筑物、景观植物等各项既有的场景要素信息，为声景观场景还原提供数据支撑，确保在声学分析时，不遗漏重要信息。
本发明利用参数化建模技术，创建景观地形、景观植物、景观构筑物的参数化模型，场景模型创建后，仅需调整部分参数即可实行不同版本景观方案切换，避免了大量重复建模工作，节约了建模时间。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：按照设计意图及声环境质量标准，对目标区域声环境功能区进行划分，明确各区域环境噪声限值；
S2：结合开放景观周边环境，选择一定数量的环境噪声监测点，对环境噪声源进行监测；
S3：借助BIM技术，将涉及声音传导的景观要素以三维模型的方式进行场景还原；
S4：将步骤S2的声源数据和步骤S3的场景模型导入声学软件进行仿真分析；若声景效果达到预期，则确定声景方案；若声景效果未达到预期，则返回步骤S3进行景观方案调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：在步骤S2中，环境噪声监测点包括目标区域以内的内部测点和目标区域以外的外部测点。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：在步骤S2中，对环境噪声源进行监测时，选择无雨雪、无雷电天气、风速5m/s以下的条件。
4.根据权利要求1所述的一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：
S31：无人机倾斜摄影技术获取地形数据；
S32：三维扫描获取植被覆盖区地形及植物点云数据；
S33：创建构筑物参数化模型。
S34：依据景观设计方案将景观地形、景观树木、景观构筑物进行合模。
5.根据权利要求4所述的一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：步骤S31具体包括以下步骤：
S311：采用无人机免相控航测技术，获取目标区域非植被覆盖区的点云数据；
S312：在地形点云数据基础上进行去噪、分类编辑等处理，得到数字高程模型；
S313：在GIS平台中基于数字高程模型提取高程点、生成等高线。
6.根据权利要求4所述的一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：步骤S32具体包括以下步骤：
S321：作业人员手持扫描仪采用环绕穿梭的方式采集点云数据；
S322：将点云数据导入处理软件；
S323：从点云数据中提取树木的坐标及关键几何信息；
S324：将树木的空间坐标及关键几何信息按树木编号输出“树木信息报告”；
S325：基于“树木信息报告”，创建植被覆盖区的轻量化模型。
7.根据权利要求4所述的一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：步骤S33具体包括以下步骤：
S331：根据步骤S31获取的地形数据中的地形等高线数据，结合景观设计方案创建景观地形；
S332：对景观构筑物进行参数化建模。
8.根据权利要求2所述的一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：在进行步骤S4之前，进行场景模型声学参数设置、定义声源特性、定义接收点位置。
9.根据权利要求8所述的一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：进行场景模型声学参数设置时，定义步骤S3中创建的景观场景模型的各个模型面的材料类型、传播介质特性。
10.根据权利要求8所述的一种基于BIM的多要素开放场景声景观分析设计方法，其特征在于：定义声源特性时，依据步骤S2中各外部测点的监测数据，在场景对应位置设置一定数量的声源并定义声源特性；定义接收点位置时，依据步骤S1中各声景分区情况和步骤S2中内部测点分布位置，设置接收点位置。
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