一種基于BIM的高仿真植物族建立方法

文｜ 四川天藝生態(tài)園林集團(tuán)股份有限公司 黃遠(yuǎn)祥 沈江林 王昱凡

引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是近年在建筑信息化領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)，我國正積極推行BIM技術(shù)的發(fā)展，已發(fā)布了多項(xiàng)針對(duì)BIM應(yīng)用的規(guī)范文件。然而近年來BIM技術(shù)的快速發(fā)展卻并未帶動(dòng)起來BIM在風(fēng)景園林行業(yè)的發(fā)展運(yùn)用，盡管大家都對(duì)風(fēng)景園林BIM抱有極大希望，但是從實(shí)際上看BIM相關(guān)技術(shù)應(yīng)用在園林方面少之又少，所以當(dāng)務(wù)之急是各相關(guān)專業(yè)人才齊心協(xié)力研究發(fā)展BIM技術(shù)在園林方面的實(shí)際應(yīng)用，才能把BIM技術(shù)真正落地于風(fēng)景園林行業(yè)。

圖1 傳統(tǒng)BIM植物族

1 參數(shù)化族庫介紹

參數(shù)化建模一直是建筑信息模型的基本思想之一，筆者認(rèn)為參數(shù)化建模就是BIM的框架，如果框架能搭好，BIM發(fā)展自然能水到渠成，而參數(shù)化建模在revit中最主要的體現(xiàn)就是族的建立。族是構(gòu)成revit所有圖元的基石，是圖元信息的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，所以族的建立、收集和成庫對(duì)整個(gè)BIM行業(yè)來說至關(guān)重要。BIM從業(yè)人員要想提高工作效率，建立一種甚至多種豐富的BIM族庫是關(guān)鍵，然而在園林行業(yè)中，因?yàn)橹参锞哂袠O強(qiáng)的不規(guī)則性，所以植物族庫一直是風(fēng)景園林行業(yè)在應(yīng)用BIM過程中的薄弱點(diǎn)。

2 傳統(tǒng)BIM植物族庫在實(shí)際運(yùn)用中的適用性

傳統(tǒng)BIM的族庫主要包括建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣、園林、施工等分類，植物屬園林分類中的分支，本文以族庫大師為例，族庫大師中分享的各類植物族總數(shù)僅200個(gè)左右，占所有族的百分之二。

由此可見植物族在整個(gè)族庫當(dāng)中占比不高，且精度大多較低，主要原因有幾點(diǎn)：一是植物族在revit中建模相對(duì)困難，revit對(duì)于這種不規(guī)則多面體的建模功能不強(qiáng)，導(dǎo)致從業(yè)人員很難通過revit的內(nèi)建模型來滿足植物的形態(tài)要求，且既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，所以對(duì)此積極性不高。二是由于植物本身的多樣性，導(dǎo)致同種植物可能擁有多種不同形態(tài)，不僅為建模人員增加了很多工作量，而且很難去定義一株建好的植物模型，這也給植物族入庫造成了一定的影響。

因此傳統(tǒng)BIM的植物族庫應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中的效果顯而易見，如果僅是應(yīng)用于低精度BIM模型，傳統(tǒng)的植物族庫能夠滿足要求，但是在國家大力推廣發(fā)展BIM的背景下，這樣的植物族一定不能滿足人們的需求。

3 在三維軟件中建模導(dǎo)入revit制作族庫

由于現(xiàn)有植物族庫在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中適用性不強(qiáng)，因此本文提供了一種高仿真的植物族建立方法以供參考。

3.1 植物完整泛信息收集和整理

要建立一棵高仿真的植物，首先我們需要得到植物各種有代表性的信息，如樹高、胸徑、冠幅、葉片及果實(shí)的形狀大小顏色、凈空等。獲得這些信息的途徑有兩種，一是根據(jù)實(shí)地情況，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量樹形優(yōu)美，全枝全冠的樹種，把采集的結(jié)果記錄下來，再根據(jù)采集信息建立模型。此種途徑缺點(diǎn)是耗時(shí)耗力，但更為貼近真實(shí)。二是通過查閱借鑒相關(guān)文獻(xiàn)信息來確定樹種信息，此種途徑缺點(diǎn)是不具有代表性，使其仿真度有所下降。選用哪種途徑來獲得信息要根據(jù)實(shí)際情況來確定，也可二者相結(jié)合使用。

圖2 傳統(tǒng)植物族應(yīng)用效果近景

本文以銀杏在中國西南地區(qū)的生長狀況為例，收集到了優(yōu)良單株銀杏的參數(shù)信息：川銀：樹齡55年 ，樹高16.2 m，胸徑42.0cm，冠幅8.2 m× 9.5 m,樹形完整 ，樹冠圓錐形，生長旺盛 ，分枝力強(qiáng)。葉片近扇形，互生，長枝上輻射狀散生，短枝上3-5枚簇生狀，葉柄細(xì)長，柄長3-10厘米，葉片寬5-15厘米，球果近圓形，熟時(shí)橙黃色 ，頂具小尖 ，外種皮皺縮，被薄白粉。蒂盤呈長橢圓形 ，明顯下凹。果柄長約5cm，粗壯略彎曲。球果大小為 2.87 cm×2.76cm。種核為圓籽類，近圓形，頂具不明顯之小尖 ，中部鼓起 ，具豐滿狀?；繄A闊 ，兩束跡跡點(diǎn)小，間距約 1.0 mm。兩側(cè)棱線明顯 ，多呈窄翼狀邊緣。種核大小為2.37cm×2.00cm× 1.61 cm，該樹樹齡較幼，種核粒大飽滿，色白光潔，外形美觀。

3.2 建立植物高仿真模型

3.2.1 軟件介紹

圖3 拍攝銀杏樹

3ds Max是由美國Autodesk公司基于PC系統(tǒng)開發(fā)的三維模型制作和動(dòng)畫渲染軟件，其起源可追溯到DOS操作系統(tǒng)時(shí)代的3D Studio系列軟件，在2009年名稱正式更改為Autodesk 3ds Max。3ds Max在國內(nèi)主要應(yīng)用于建筑模型和效果圖以及動(dòng)畫制作中，它以其強(qiáng)大的功能及極高的建模自由度在業(yè)界擁有數(shù)量龐大的使用人群。因此它也廣泛應(yīng)用于BIM族庫的建立中。因植物的模型建立需要軟件的自由度極高，現(xiàn)如今國內(nèi)使用的主流植物建模軟件有Speedtree，GrowFX，Maya等，而GrowFX是筆者認(rèn)為三者中植物自由度最高的一款，所以筆者選用了GrowFX來快速建立高仿真植物模型，GrowFX是由ExLevel公司基于Autodesk 3ds Max平臺(tái)創(chuàng)建的一個(gè)植物插件，它可以創(chuàng)建參數(shù)化的樹木花草以及自然界的其他植物模型。它可以使用多樣化的參數(shù)來創(chuàng)建植物，比如年齡、生長方向、風(fēng)效以及動(dòng)畫效果等等。缺點(diǎn)是它本身的樹庫太少，且沒有漢化，要學(xué)習(xí)軟件有一定的難度。

3.2.2 構(gòu)建模型

本文以西南地區(qū)秋季的銀杏為例，模型的建立主要分為三個(gè)部分：樹干，葉柄及樹葉，而樹干又分為主干和分支，分支下有一級(jí)分支和二級(jí)分支。

（1）基本設(shè)置

圖4 3ds Max銀杏模型

模型的基本設(shè)置主要是在3ds Max中進(jìn)行，基本設(shè)置主要是單位的統(tǒng)一，一般情況下單位統(tǒng)一設(shè)置為米或者毫米，主要由項(xiàng)目決定，還有就是渲染器的設(shè)置，因?yàn)楸疚牟⒉簧婕颁秩?，所以就不再贅述?/p>

（2）主干構(gòu)建

樹干是一顆樹的起始建模位置，需要用到的植物信息有植物高度，半徑和樹干的凹凸結(jié)疤等。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，我們把樹干的高度設(shè)置為16.2米，接下來是半徑數(shù)據(jù)，我們把半徑設(shè)置為0.42米，再略微調(diào)整一下樹干的不規(guī)則凹凸，使其更為貼近真實(shí)。

（3）枝條構(gòu)建

枝條是一顆植物的重要組成部分，根據(jù)采集的信息，枝條分為一級(jí)枝條和二級(jí)枝條，一級(jí)枝條所需的主要控制參數(shù)有：枝條長度，與主干的夾角，半徑，枝條起始位置，結(jié)束位置，二級(jí)枝條的個(gè)數(shù)，而因植物生長的不確定性，植物的參數(shù)也有很強(qiáng)的無序性，我們只有盡可能的多采集一些數(shù)據(jù)來做平均值以達(dá)到更為接近真實(shí)效果，或者以在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的二次函數(shù)曲線來控制參數(shù)。二級(jí)枝條與一級(jí)枝條的設(shè)置近似，本文就不再贅述。

（4）葉柄及樹葉構(gòu)建

銀杏的葉柄細(xì)長，顏色也和葉片不同，略微偏黃綠色，葉片呈扇形，且葉片以3-5枝簇生的方式長在二級(jí)枝條上，生長位置分布在枝條長度的三分之一到尖端處，柄長我們?cè)O(shè)置為0.06米，葉片寬度設(shè)置為0.08米，再略微調(diào)整一下葉片的朝向和彎曲，因樹的無序性，可根據(jù)需要調(diào)整葉片數(shù)量及分布位置的混亂度，使其在人的視覺感官上不會(huì)呈現(xiàn)出規(guī)律和有序的感覺。

（5）樹根的構(gòu)建

可根據(jù)需要建立根系的模型，以獲得更為真實(shí)的植物模型。根系的數(shù)據(jù)信息可從互聯(lián)網(wǎng)以及相關(guān)文獻(xiàn)上獲取。

圖3為真實(shí)拍攝的銀杏樹，圖4為在3ds Max中建立的模型，兩相比較下可以看出制作的模型基本還原了真實(shí)植物的形態(tài)，特征和神韻。使用同樣的方法理論上可以完成任何植物的高仿真模型建立。

（6）導(dǎo)入revit

因revit無法兼容合并3ds Max文件，所以我們需要將3ds Max中的植物模型導(dǎo)出成DWG文件，再將植物的DWG文件導(dǎo)入revit，如圖5所示。

圖5 高仿真銀杏族與傳統(tǒng)銀杏族對(duì)比

3.3 添加植物參數(shù)

族的參數(shù)是做參數(shù)化族庫的核心，族不止擁有幾何信息，還有大量的數(shù)據(jù)可以添加運(yùn)用。植物有其特有的參數(shù)信息，我們需要將這些信息設(shè)置為族的參數(shù)，首先需要收集到自身需要的植物信息，再在revit族中添加各項(xiàng)參數(shù)，添加好之后的族屬性如圖6。

3.4 測(cè)試及存入族庫

最后將構(gòu)建好的銀杏族載入項(xiàng)目當(dāng)中測(cè)試，測(cè)試效果如圖7。

由于族庫需要統(tǒng)一進(jìn)行管理和維護(hù)更新，所以族在存入族庫時(shí)的命名需要統(tǒng)一格式，族的命名遵循標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該遵循項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)的命名方式，而應(yīng)該簡潔和具有代表性。因此植物族按照“專業(yè)-品種-名稱-樹齡”來劃分，例如銀杏就命名為：“園林-喬木-銀杏-40年”。

圖6 族屬性表

圖7 項(xiàng)目測(cè)試效果

4 結(jié)語

本文通過對(duì)傳統(tǒng)BIM植物族的優(yōu)缺點(diǎn)分析，并結(jié)合3ds Max，CAD，revit等BIM軟件的應(yīng)用完成了一株銀杏的高仿真族建立，同時(shí)將族應(yīng)用于項(xiàng)目中取得了不錯(cuò)的效果。雖然有一定的研究成果，但是仍然有一些方面可以完善和改進(jìn)。在接下來的工作中，主要需要攻克的難點(diǎn)有：

（1）植物族在revit中面數(shù)過大，所占用內(nèi)存過多，可能會(huì)在導(dǎo)入及使用中造成電腦卡頓的情況。

（2）葉片花紋過于復(fù)雜的植物構(gòu)建困難，CAD文件導(dǎo)入revit中會(huì)造成貼圖和材質(zhì)丟失，導(dǎo)致基本無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜花紋類植物族的建立，后期需尋找模擬植物花紋的方法。

（3）基于真實(shí)感的模型永遠(yuǎn)都沒有最真實(shí)，只有更真實(shí)，如何高效率地利用我們現(xiàn)有的技術(shù)來達(dá)到更好的模擬效果，并且降低占用內(nèi)存是今后研究的重點(diǎn)。

植物族庫的建設(shè)不僅需要滿足精度和分類，它最終的目的是為了提高BIM風(fēng)景園林團(tuán)隊(duì)的工作效率，以及分享項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，所以管理者需要思考如何激勵(lì)從業(yè)人員能更為高效、高精度的建好每一個(gè)族，讓它成為一種知識(shí)財(cái)富，推動(dòng)植物族庫的建設(shè)更加良性的發(fā)展。