面向城市設計的參數化三維建模方法初探

唐相楨

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引言

城市設計貫穿于城市規(guī)劃的全過程［1］，是對城市空間形態(tài)和環(huán)境所做的整體構思和安排。如何將規(guī)劃設計師的設計意圖在三維空間中直觀形象地表達，同時提供高效、實時的評估分析及反饋機制，成為目前城市設計領域在傳遞設計意圖、優(yōu)化設計成果方面亟待解決的問題［2］。

目前城市設計三維模型多是采用3ds Max、Multigen Creator等三維建模軟件制作。這種模式存在的問題是:①耗費大量的人力，并對人員對建模軟件的熟悉度有要求，需要投入大量建模學習成本。②三維設計方案可調節(jié)性低，靈活性差，更新頻率得不到保證。③功能較單一，未真正在城市設計過程中起輔助決策作用，這些問題大大制約了三維地理信息技術在城市設計的應用與發(fā)展。

Esri CityEngine［3，4］作為國際上優(yōu)秀的三維城市建模軟件平臺，廣泛應用于數字城市、城市規(guī)劃、游戲開發(fā)和電影制作等多個領域。在城市設計中，CityEngine可以利用二維數據快速創(chuàng)建三維場景，并能實現(xiàn)“所見即所得”的交互式規(guī)劃設計。本文以重慶市大渡口釣魚嘴片區(qū)三維城市設計全過程為例，基于CityEngine實現(xiàn)了城市設計成果參數化三維建模，為大規(guī)模、高重復度的城市設計三維空間形態(tài)化提供了一種行之有效的新思路。

2 工作方法

2.1 前期調研

重慶市大渡口釣魚嘴片區(qū)是重慶市主城區(qū)唯一尚未開發(fā)的江岸半島，片區(qū)約 7.9 km2，將建設成為一個“生態(tài)文化之區(qū)，山水宜居之城”。規(guī)劃中，按照南北把釣魚嘴分成4個片區(qū)、7個中心，包括太陽城、中心廣場、月亮灣廣場、會議中心、白居寺公園、釣魚嘴公園、濱江公園。

根據設計方提供的片區(qū)設計總平面圖，對不同設計要素進行詳細分析，了解片區(qū)設計理念與定位，為下一步的實現(xiàn)設計方案三維可視化打下基礎。

2.2 建模流程

結合傳統(tǒng)城市設計三維建模流程及方法，通過對道路、建筑、景觀等對象的結構特點進行分析，制定相應的形狀文法規(guī)則［5，6］，并將規(guī)則應用于點、線、面等場景形狀，即可實現(xiàn)城市設計三維空間形態(tài)化。

將城市設計三維建模流程全過程分為6大步驟，詳述如下:

第一步，提取出總平面圖中道路中心線，通過道路中心線生成tin網格，經格式轉換為地形tiff文件;導入tiff地形到CityEngine，為城市設計三維模型提供高程參考。

第二步，提取出總平面圖中居民地、植被、水系，分層導出為shp文件。其中建筑底面的shp文件中屬性字段需含有建筑高度。

第三步，通過道路中心線構建道路路網，同時生成街區(qū)地塊。第四步，建立不同風格的建筑和景觀、道路規(guī)則。第五步，分類導入shp文件到場景，確定片區(qū)建筑、景觀平面位置。

第六步，將已建立的規(guī)則應用到對應的場景形狀，即可實時生成建筑、道路和景觀三維模型。

第七步，優(yōu)化城市設計三維場景，包括場景整體色彩和諧度、街區(qū)地塊形狀優(yōu)化。

三維規(guī)則建模流程如圖1所示:

圖1 全過程三維建模流程圖

2.3 建模規(guī)則

實現(xiàn)城市設計三維空間形態(tài)化，關鍵在于建立城市空間三維模型，其落腳點在于制定城市空間對象規(guī)則。三維設計場景中任意一種空間對象都需對應到一個規(guī)則約束。將同一規(guī)則映射到同類對象上，即可實現(xiàn)批量建立復雜參數化驅動的精細三維模型。

通過對現(xiàn)實中的空間對象進行系統(tǒng)分析，總結出三大類對象規(guī)則，包括道路規(guī)則、建筑規(guī)則、景觀規(guī)則。

道路由一系列要素組成，將其抽象為模型的整體，分別包括路基、邊坡、附屬設施等組件。針對不同的功能組件，編寫形狀文法，以參數化的方式驅動建立三維模型對象。

景觀可分為點狀景觀、線狀景觀、面狀景觀。根據這種分類方式，建立三類景觀小品規(guī)則，其特點是導入已建立的三維精細模型替換矢量要素，比如，點狀要素提供位置信息、平移、縮放和旋轉的屬性，以建立好的模型代替點狀要素，適用于城市塑像、古樹、電話亭等點狀小品。

建筑是影響城市空間形態(tài)的重要因素，針對建筑風格和特點，本文提煉出15種不同風格建筑規(guī)則，分門別類適用于居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、休閑別墅區(qū)。

下面對建筑物建模規(guī)則詳細闡述。

通過建筑物底面拉伸、表面拆分、屋頂幾何變換等空間規(guī)則的組合迭代細化，將其分解為門、窗、墻體、屋頂等基本要素，通過參數化方式確定基本要素的幾何尺寸，同時賦予各部件相應的紋理貼圖，組合形成建筑物精細三維模型，其拆分過程如圖2所示。

通過制定城市空間對象規(guī)則，在城市設計過程中，調整對象所關聯(lián)的規(guī)則參數，即可實現(xiàn)三維形態(tài)的變換。建筑物規(guī)則參數，一般包括建筑物高度、每樓層高度、單戶尺寸、窗戶尺寸以及造型特征等。圖3展示了調整建筑物高度和外墻色彩的效果。

圖2 三維建筑模型幾何拆分

圖3 三維建筑模型幾何拆分

2.4 建模成果

在城市設計中，將規(guī)則語法與三維建模方法相結合，建立了可實時動態(tài)調整的參數化三維模型，滿足了用戶對設計方案可不斷調整及時反饋的要求。同時，與傳統(tǒng)建模方式相比，基于規(guī)則的參數化三維建模方法具有靈活度高、復用性強等優(yōu)勢，節(jié)約了大量人力和時間成本。

重慶市大渡口釣魚嘴片區(qū)三維城市設計項目耗時單人 70 d工時，共計完成 8 km2的三維城市設計模型，與傳統(tǒng)手工建模方式相比，人力和時間成本方面優(yōu)勢明顯，建模效果如圖4所示。

通過參數化驅動三維建模技術，建立了不同建筑風格的城市設計建筑規(guī)則，包括居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、休閑別墅區(qū)，總計15種不同類型設計風格建筑模型。圖5展示了其中9種不同風格建筑模型。

圖4 釣魚嘴片區(qū)城市設計三維建模效果

圖5 釣魚嘴規(guī)則建筑三維模型

基于規(guī)劃要素shp文件，利用規(guī)則建模技術，研究了道路參數化建模及樹木的排布策略，實現(xiàn)了釣魚嘴道路及景觀三維批量建模，建模效果如圖6所示。

3 結語

本文以重慶市大渡口釣魚嘴片區(qū)城市設計為例，總結出一套基于規(guī)則的三維城市設計建模綜合流程，建立了可交互調整的釣魚嘴三維城市設計成果。與傳統(tǒng)手工建模方式相比，基于規(guī)則的城市設計建模方法大幅提升了建模生產效率，滿足了甲方對工期緊、模型可實時優(yōu)化調整的需求，為大規(guī)模、高重復度的城市設計三維空間形態(tài)化提供了一種行之有效的新思路。

圖6 釣魚嘴三維景觀與道路建模效果

［1］ 羅云.對城市設計的幾點思考［J］.現(xiàn)代城市研究，2004 (11):30～33.

［2］ 高強.城市設計導則對空間形態(tài)的控制研究［D］.上海:同濟大學，2008.

［3］ Watson B，Muller P，Wonka P，et al.Procedural urbanmodeling in practice［J］.Computer Graphics and Applications，IEEE，2008，28(3):18～26.

［4］ 謝年，向煜，徐艇偉.基于規(guī)則的快速三維建模技術研究［J］.城市勘測，2013(4):5～8.

［5］ Schirmer P，Kawagishi N.Using shape grammars as a rule based approach in urban planning－a report on practice［C］.29th eCAADe Conference Proceedings，September 21－24，2011，Ljubljana，Slovenia，2011:116～124.

［6］ March L.Forty years of shape and shape grammars，1971－2011［J］.Nexus Network，2011，13(1):5～13.