編程技術(shù)輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)方法探尋

包瑞清 劉永BAO Rui-qing LIU Yong

編程技術(shù)輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)方法探尋

包瑞清 劉永
BAO Rui-qing LIU Yong

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和編程語(yǔ)言的成熟與完善，編程語(yǔ)言在風(fēng)景園林學(xué)科中的應(yīng)用價(jià)值逐步顯現(xiàn)并承擔(dān)起越來(lái)越重要的作用。編程設(shè)計(jì)是面向建筑、城鄉(xiāng)規(guī)劃、風(fēng)景園林學(xué)科，以編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)，解決規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題的方法。編程景觀則面向風(fēng)景園林專(zhuān)業(yè)，依據(jù)風(fēng)景園林學(xué)科特點(diǎn)，使用相關(guān)編程語(yǔ)言解決該領(lǐng)域的問(wèn)題。具體闡述編程景觀方法時(shí)，在編程地形與設(shè)計(jì)思維方式的轉(zhuǎn)變中，在一定控制條件下基于參數(shù)化編寫(xiě)地形衍生的程序，以及基于地形的部分相關(guān)程序處理技術(shù)，探索智能化設(shè)計(jì)的應(yīng)用；在基于數(shù)據(jù)、依托編程，跨平臺(tái)解決問(wèn)題中，將地理信息系統(tǒng)和城市洪澇災(zāi)害研究結(jié)合起來(lái)，強(qiáng)調(diào)基于地理信息系統(tǒng)、跨學(xué)科相關(guān)研究中，編程語(yǔ)言的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)。

編程景觀；參數(shù)化設(shè)計(jì)；地理信息系統(tǒng)；低影響開(kāi)發(fā)

修回日期：2016-02-01

風(fēng)景園林學(xué)本身就是一門(mén)建立在廣泛自然科學(xué)和人文藝術(shù)學(xué)科基礎(chǔ)上的應(yīng)用學(xué)科，是基于技術(shù)的空間藝術(shù)營(yíng)建。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及編程語(yǔ)言的發(fā)展和趨于成熟，各種新思想不斷涌現(xiàn)，從傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助制圖到參數(shù)化、建筑信息模型、規(guī)劃設(shè)計(jì)相關(guān)的大數(shù)據(jù)分析、地理信息系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)，都從跨學(xué)科的角度，借助相關(guān)學(xué)科的研究滲入到規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域。大部分新思想都是依托于計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，或由編程語(yǔ)言衍生，或者訴諸于編程語(yǔ)言。編程語(yǔ)言作為輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)發(fā)展的支撐技術(shù)，其重用性日益凸顯，成為跨學(xué)科研究的紐帶。

面向設(shè)計(jì)師編程設(shè)計(jì)方法是指面向建筑、風(fēng)景園林和城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域設(shè)計(jì)師，使用CAD系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)計(jì)軟件的腳本語(yǔ)言或者直接使用編程語(yǔ)言編寫(xiě)程序解決設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題的過(guò)程。定義中界定了使用編程語(yǔ)言的對(duì)象，區(qū)分一般意義上的系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)、網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)以及游戲等的程序員。同時(shí)，確定以程序編寫(xiě)作為解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的手段，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)過(guò)程中的編程思維，即以編程思維解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的過(guò)程，一般都可以界定為面向設(shè)計(jì)師的編程設(shè)計(jì)方法。編程景觀基于面向設(shè)計(jì)師編程設(shè)計(jì)方法，從風(fēng)景園林學(xué)科領(lǐng)域切入，探索編程技術(shù)在該學(xué)科的應(yīng)用價(jià)值。編程景觀需要立足于跨學(xué)科相關(guān)領(lǐng)域，使用即有的編程技術(shù)和學(xué)科知識(shí)來(lái)解決風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題。

編程景觀的相關(guān)研究探索可以滲透到大部分即有的具體研究方向中，例如從園林要素出發(fā)的編程地形、編程種植、道路、置石和建筑等；以及解決某一具體問(wèn)題，例如搭接不同分析平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口，提高分析問(wèn)題的效率；同時(shí)立足于跨學(xué)科領(lǐng)域，例如基于地理信息系統(tǒng)的、基于參數(shù)化的、基于景觀信息化的、基于復(fù)雜系統(tǒng)的、基于機(jī)器人的不斷橫向擴(kuò)展和縱向探索數(shù)字景觀體系結(jié)構(gòu)來(lái)解決風(fēng)景園林學(xué)中的問(wèn)題。本文就編程景觀的研究探索從分析設(shè)計(jì)層面的編程地形和規(guī)劃分析層面的城市洪澇災(zāi)害研究進(jìn)一步闡述編程設(shè)計(jì)應(yīng)用的價(jià)值，并說(shuō)明當(dāng)今設(shè)計(jì)師知識(shí)結(jié)構(gòu)的調(diào)整對(duì)推動(dòng)學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。

1　編程地形與設(shè)計(jì)思維方式的轉(zhuǎn)變

地形設(shè)計(jì)手工途徑的逐步推導(dǎo)過(guò)程，需要設(shè)計(jì)思維的心手合一，通過(guò)逐步的反復(fù)推敲，設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷的靈光閃現(xiàn)與曾經(jīng)記憶的搜索，或直接文獻(xiàn)圖庫(kù)的查閱，從那些相關(guān)或者看似不相關(guān)的形式中碰撞出最初的原型，根據(jù)場(chǎng)地的需要不斷修正與細(xì)化。對(duì)于自然地形的設(shè)計(jì)需要研究自然山川的地形走勢(shì)，借助抽象出來(lái)的等高線研究空間開(kāi)合變化為己所用。然而，在關(guān)注借助抽象出來(lái)的等高線設(shè)計(jì)地形，進(jìn)而表達(dá)三維空間的時(shí)候，自然地形的生成僅僅是由于隨機(jī)地殼板塊碰撞擠壓或者太陽(yáng)及月球的引子所形成，那么在我們“師法自然”、“身即山川而取之”的時(shí)候，是否可以嘗試轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思維方式，從地形生成的本源上建立程序，即構(gòu)建邏輯來(lái)模擬地形衍生的過(guò)程。

2012年9月開(kāi)始著手山東聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院中心區(qū)的改造項(xiàng)目，由于學(xué)校中軸南門(mén)受到阿爾卡迪亞居住樓項(xiàng)目的影響，學(xué)校內(nèi)部空間感受到壓迫，不利于學(xué)?！抖Y學(xué)?學(xué)記第十八》所說(shuō)“故君子之于學(xué)也，藏焉修焉，息焉游焉”尋求幽靜學(xué)習(xí)環(huán)境的基本要求。在環(huán)境改善上采取了地形營(yíng)造的方式，減弱 “俗世”對(duì)學(xué)校自然環(huán)境的負(fù)面影響，同時(shí)改善銀杏林區(qū)域規(guī)則的種植方式，營(yíng)造“自山前而窺山后，謂之深遠(yuǎn)”之意的山林意境，兩個(gè)區(qū)域空間營(yíng)造上一個(gè)主為觀， 一個(gè)主為游。設(shè)計(jì)本質(zhì)上更加強(qiáng)調(diào)“精而造疏，簡(jiǎn)而意足”的主張，表現(xiàn)的是宋代文人寫(xiě)意山水園簡(jiǎn)、疏、雅、野的風(fēng)格特征，去繁縟，拒裝飾，更多側(cè)重于營(yíng)造意境美的傾向。例如《洛陽(yáng)名園記》中記述的環(huán)溪“園中樹(shù)，松檜花朩，千株皆品，別種列除，其中為島塢，使可張幄次，各待其盛而賞之”。因?yàn)楸敬雾?xiàng)目主要采取的措施為地形營(yíng)造，并采取自然地形的形式，因此作為編程景觀的實(shí)踐項(xiàng)目，探索編程地形的方法。

程序編寫(xiě)的初始條件應(yīng)該是可以控制的，并能夠與設(shè)計(jì)場(chǎng)地發(fā)生直接關(guān)聯(lián)，進(jìn)而建立互動(dòng)的虛擬三維模型。這個(gè)過(guò)程需要設(shè)置多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，例如用于調(diào)整地形的高度、偏移以及柔滑程度。參數(shù)的設(shè)置應(yīng)該滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件：（1）參數(shù)的設(shè)置應(yīng)該與設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的習(xí)慣相協(xié)調(diào)，便于設(shè)計(jì)方案的調(diào)整；（2）參數(shù)的控制應(yīng)該受制于場(chǎng)地的需求，從而獲取滿(mǎn)足場(chǎng)地要求的形式結(jié)果；（3）輸入?yún)?shù)（控制參數(shù)）沒(méi)有數(shù)量的限制，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求任意增減。

本案例中程序的編寫(xiě)是基于Rhinoceros的Grasshopper和Python得以實(shí)現(xiàn)，即基于參數(shù)化技術(shù)的編程設(shè)計(jì)。參數(shù)化可以通過(guò)對(duì)于參數(shù)的控制獲取不同可預(yù)測(cè)甚至不可預(yù)測(cè)的形式，拓展設(shè)計(jì)師思維的觸角。就發(fā)揮參數(shù)化價(jià)值，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化意義、目的，達(dá)到對(duì)設(shè)計(jì)方法的影響，需要將參數(shù)化建立在編程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上。通過(guò)編程語(yǔ)言而不是對(duì)話(huà)框或者尺寸驅(qū)動(dòng)達(dá)到參數(shù)化的目的，使得設(shè)計(jì)的流程越加自由并具有創(chuàng)造性。基于編程設(shè)計(jì)方法，通過(guò)邏輯構(gòu)建實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)化過(guò)程，是將幾何體直接的構(gòu)建關(guān)系或者分析問(wèn)題的流程通過(guò)語(yǔ)言的方式表述出來(lái)，建立互相關(guān)聯(lián)的有機(jī)體或者解決問(wèn)題的程序過(guò)程，通過(guò)不同初始條件的設(shè)定和過(guò)程參數(shù)的調(diào)整獲取不同形式比較或者同一邏輯不同問(wèn)題的解析。一方面編程過(guò)程本身就是一個(gè)梳理思路的過(guò)程，具有參數(shù)化的意義，相反依據(jù)參數(shù)化思想，強(qiáng)化這個(gè)邏輯構(gòu)建的過(guò)程，有助于更高效的建立合理的程序。

編程地形程序核心的邏輯思想是建立可控制的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中的點(diǎn)在磁場(chǎng)力的作用下發(fā)生偏移，模擬自然地形發(fā)生的過(guò)程。為了更好控制磁場(chǎng)力的變化，借助于蟻群算法（ACO）解決旅行商問(wèn)題（TSP）的程序建立隨機(jī)的折線用于調(diào)整磁場(chǎng)的變化。圖1編程地形邏輯構(gòu)建中輸入條件包括控制輸出形式的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制、邊界控制、光滑地形、等高線距離和點(diǎn)控制等。輸出形式包括地形表面（mesh）、等高線和高程點(diǎn)。圖2是在不同ACO輸入?yún)?shù)隨機(jī)數(shù)控制變化條件下直接獲取不同結(jié)果的地形形式，研究不同地形在設(shè)計(jì)場(chǎng)地中的空間變化形式，為進(jìn)一步的地形營(yíng)造提供形式參照以及作為設(shè)計(jì)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。圖3為編程地形節(jié)點(diǎn)可視化程序grasshopper的文件，其中Python編寫(xiě)的ACO文件封裝在ACO組件中，磁場(chǎng)控制的程序封裝在地形設(shè)計(jì)組件中。

一旦程序建立完成，程序可以直接應(yīng)用于類(lèi)似的相關(guān)設(shè)計(jì)研究中，快速獲取地形營(yíng)造的多個(gè)原型，用于方案的發(fā)展。同時(shí)可以繼續(xù)通過(guò)Python語(yǔ)言編寫(xiě)計(jì)算坡度、坡向、起伏度和水文等相關(guān)的程序，提取地形的基本屬性參數(shù)。例如圖4中高程的可視化以及柵格單元坡向的數(shù)據(jù)提?。粓D5中則是利用galapagos進(jìn)化計(jì)算的方法，求取研究區(qū)域中哪個(gè)黑點(diǎn)具有最大的可視區(qū)域；同時(shí)，可以編寫(xiě)土方計(jì)算的程序，并求取研究區(qū)域內(nèi)土地平整填挖方平衡的高程位置；編寫(xiě)提取山頂點(diǎn)的程序；基于參數(shù)化技術(shù)的編程設(shè)計(jì)所建立起來(lái)的前后形式相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)聯(lián)系，也為智能化的形式反演提供基礎(chǔ)，例如根據(jù)相關(guān)影響因子，利用遺傳算法推算適宜區(qū)域等。

在分析某一特定問(wèn)題時(shí)，可能已經(jīng)存在相關(guān)求解的途徑，例如使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)計(jì)算坡度、坡向、起伏度和水文等相關(guān)屬性值時(shí)，可以在ArcGIS平臺(tái)下求解，但是所基于的思想?yún)s截然不同，基于參數(shù)化目的構(gòu)建參數(shù)之間或者結(jié)果形式與影響因子之間的相關(guān)關(guān)系，可以從影響因子或者從預(yù)知的結(jié)果直接正向與逆向求解相關(guān)問(wèn)題，即對(duì)不同的問(wèn)題采取不同的思維途徑。如果希望能夠從復(fù)雜系統(tǒng)的角度出發(fā)建構(gòu)程序，研究地表污染物的流經(jīng)途徑和匯集區(qū)域的動(dòng)態(tài)過(guò)程，借助于低影響開(kāi)發(fā)（Low Impact Development，LID）設(shè)施控制污染物，則可以從微觀層面分析主體之間的相互關(guān)系，由微觀個(gè)體之間的行為規(guī)則研究宏觀的變化即涌現(xiàn)。編程可以解決不同平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)接口問(wèn)題，在應(yīng)用復(fù)雜系統(tǒng)思想，基于多智能體仿真模擬程序編寫(xiě)平臺(tái)NetLogo建立污染源匯流情況，將編程地形獲得的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)程序編寫(xiě)存為符合NetLogo輸入要求的文本文件，在NetLogo中加載，并再次使用NetLogo編寫(xiě)程序進(jìn)行分析。如圖6，程序主要包括“to load-patch-data”數(shù)據(jù)調(diào)入例程、“to show-patch-data”顯示高程例程、“to flow”地表徑流例程、“to go”基本運(yùn)算例程、“to save-data”和“to write-to-file”保存數(shù)據(jù)例程。圖中紅色點(diǎn)即為監(jiān)測(cè)的污染源。

基于語(yǔ)言編程地形邏輯構(gòu)建的途徑不局限于形式，而是能夠以數(shù)據(jù)為基本核心，衍生地形形式原型并發(fā)展地形相關(guān)屬性與設(shè)計(jì)相關(guān)關(guān)系，根據(jù)場(chǎng)地設(shè)計(jì)提出的問(wèn)題，尋找適宜的解決思路。這個(gè)過(guò)程同樣可以發(fā)展到，編程種植，研究植物群落的生長(zhǎng)演替過(guò)程；編程置石，探究唐宋置石規(guī)律；編程建筑，建立幾何形體間參數(shù)化關(guān)系，以及基于參數(shù)化下生態(tài)、結(jié)構(gòu)分析下形體變化的優(yōu)化算法。本例地形程序的編寫(xiě)將邊界作為輸入的參數(shù)，更多的從地形藝術(shù)空間上著手。實(shí)際上，在很多規(guī)劃設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)會(huì)受到更多自身或者外在條件的影響，如果希望將這些影響作為輸入?yún)?shù)來(lái)控制設(shè)計(jì)的最終形式，將會(huì)獲得更加理性的形式結(jié)果。但是同時(shí)需要明確設(shè)計(jì)的藝術(shù)性與影響因子邏輯參數(shù)之間潛在的制約關(guān)系，當(dāng)獲取一個(gè)在功能上滿(mǎn)足要求，適合于場(chǎng)地需求，并具有一定設(shè)計(jì)藝術(shù)水平多種要求的條件時(shí)，調(diào)整程序的邏輯捕捉到這個(gè)平衡就越加重要。

圖7是中心區(qū)建設(shè)過(guò)程和建設(shè)后地形營(yíng)造。雖然在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了新的技術(shù)來(lái)輔助設(shè)計(jì)，但是施工卻是傳統(tǒng)、非智能化的過(guò)程，這個(gè)從設(shè)計(jì)到施工的不連續(xù)性，使得整個(gè)流程未形成智能化技術(shù)的一體化。建立設(shè)計(jì)到施工一體化過(guò)程需要借助于景觀信息模型（Landscape Information Modeling，LIM）的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段到施工階段的平穩(wěn)過(guò)渡。

2　基于數(shù)據(jù)、依托編程，跨平臺(tái)解決問(wèn)題的途徑

規(guī)劃的過(guò)程往往是對(duì)即有條件分析研究提出解決策略的過(guò)程，例如在綠地系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)城市現(xiàn)有綠地情況的調(diào)查，提出當(dāng)前綠地系統(tǒng)存在的問(wèn)題并給予解決的策略。而隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，尤其通過(guò)遙感影像獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上，規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法也應(yīng)進(jìn)行必要的調(diào)整。不僅在數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、顯示上，同時(shí)應(yīng)將數(shù)據(jù)分析作為規(guī)劃設(shè)計(jì)方法的重要內(nèi)容，通過(guò)對(duì)即有數(shù)據(jù)的分析，定量、定性、準(zhǔn)確的研究問(wèn)題。

2015年秋季，西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院風(fēng)景園林系綠地系統(tǒng)課題組，針對(duì)陜西省戶(hù)縣綠地系統(tǒng)規(guī)劃嘗試提出新的解決策略。在研究區(qū)域?qū)用嫔?，分為兩個(gè)層級(jí)，一個(gè)是縣域?qū)蛹?jí)的景觀安全格局分析，從水安全、生物安全、地質(zhì)災(zāi)害安全、視覺(jué)安全和人文安全等方面構(gòu)建綜合安全格局，提出基于安全格局的鄉(xiāng)土文化遺產(chǎn)廊道格局和戰(zhàn)略點(diǎn)規(guī)劃；在中心城區(qū)層面上，從洪澇災(zāi)害、城區(qū)生物安全和人文景觀上細(xì)分為三個(gè)方面。本次研究主要探索城市綠地系統(tǒng)與城市洪澇災(zāi)害之間的關(guān)系，提出解決問(wèn)題的規(guī)劃思路和技術(shù)路線?；陲L(fēng)景園林學(xué)科來(lái)探索城市洪澇災(zāi)害的問(wèn)題，如何限定研究的范圍，避免較大學(xué)科間的跨度，并能夠從水利工程、水土保持等專(zhuān)業(yè)中找到切入點(diǎn)或者碰觸點(diǎn)，主要從兩個(gè)方面來(lái)對(duì)城市綠地系統(tǒng)與洪澇災(zāi)害關(guān)系提出解決思路：一個(gè)方面是根據(jù)殷學(xué)文在《城鄉(xiāng)治理與規(guī)劃改革——2014中國(guó)城市規(guī)劃年會(huì)論文集（01城市安全與防災(zāi)規(guī)劃）》中《城市綠地景觀格局對(duì)雨洪調(diào)蓄功能的影響》一文提出以對(duì)景觀生態(tài)學(xué)指數(shù)的評(píng)價(jià)構(gòu)建城市排水壓力空間分布的方法確定低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施潛在的布局區(qū)域；另一個(gè)途徑是基于美國(guó)EPA（Environmental Protection Agency，環(huán)境保護(hù)署） SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）模擬開(kāi)發(fā)前后以及低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施調(diào)控下動(dòng)態(tài)降水-徑流模式。

圖8給出了基本的技術(shù)路線，左側(cè)為遙感（Remote Sensing，RS）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）處理部分。首先對(duì)獲取的2015年4月28日的Landsat 8遙感影像進(jìn)行輻射校正，包括輻射定標(biāo)和大氣校正。 不管是計(jì)算景觀指數(shù)，還是SWMM模擬的參數(shù)輸入，都需要根據(jù)分析的目的對(duì)圖像進(jìn)行分類(lèi)，重點(diǎn)提取不透水區(qū)域。本例采用分類(lèi)回歸樹(shù)算法（Classification and Regression Tree，CART），采用從Landsat 8多光譜（MultiSpectral）衍生的多源數(shù)據(jù)，包括主成成分分析中信噪比最高的前三個(gè)分量、城市建成區(qū)指數(shù)BUAI（Built Up Area Index）、歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）、改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)MNDWI（Modified Normalized Difference Water Index）和裸土指數(shù)BI（Bare soil Index）。圖9右側(cè)為圖像融合后分辨率為15m的真彩色圖像，左側(cè)深灰色區(qū)域?yàn)榉诸?lèi)回歸樹(shù)算法計(jì)算獲取的不透水區(qū)域。

首先計(jì)算城市綠地系統(tǒng)與洪澇災(zāi)害關(guān)系解決思路中景觀指數(shù)評(píng)價(jià)城市排水壓力空間分布?？梢杂梢呀?jīng)獲取的不透水區(qū)域分類(lèi)圖，直接在Fragstats中計(jì)算斑塊類(lèi)型面積（Class area，CA）、 斑 塊 密 度（Patch Density，PD）、 景 觀 破 碎 度（Landscape Division Index，LDI）、斑塊連接 度（Connectance Index， Connect）和斑塊結(jié)合度（Cohesion），并在ArcGIS中加載。為了提升操作的效率，直接通過(guò)Python編寫(xiě)腳本程序，采用最大最小值法對(duì)景觀指數(shù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化化處理，使得數(shù)據(jù)都落在（0，1）之間，具體語(yǔ)句為:

raster_remap=（raster_r-raster_r.minimum）/ （raster_r.maximum-raster_r.minimum）

其中raster_r為各個(gè)景觀指數(shù)每個(gè)單元柵格的值，raster_r.minimum為各個(gè)景觀指數(shù)最小值，raster_r.maximum為各個(gè)景觀指數(shù)最大值。對(duì)影響城市排水壓力空間分布標(biāo)準(zhǔn)化處理后的景觀指數(shù)賦予相應(yīng)權(quán)重計(jì)算獲取城市排水壓力的綜合分析圖，具體語(yǔ)句為:

evaluation=ca_remap*0.4774+pd_ remap*0.0602+division_remap*0.2907+connect_ remap*0.1130+cohesion_remap*0.0586。

圖10為計(jì)算結(jié)果，顏色越紅表示該區(qū)域城市排水壓力越大，綠地雨洪調(diào)蓄功能較弱；顏色越綠表示該區(qū)域排水壓力越小，綠地雨洪調(diào)蓄功能較強(qiáng)。城市排水壓力的分布與不透水區(qū)域和綠地區(qū)域的分布有直接空間上的聯(lián)系，根據(jù)空間分布情況選擇布置適合的低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施增強(qiáng)滲、滯、蓄、凈、用和排的作用。在不透水區(qū)域與綠地之間的過(guò)渡區(qū)域可以設(shè)置干式/濕式植草溝、植被緩沖帶，結(jié)合綠地設(shè)置雨水濕地、濕塘等設(shè)施，在城市排水壓力較大的城市核心區(qū)，增加透水鋪地使用的比例，建立綠色屋頂、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施和滲井等，通過(guò)低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施的設(shè)置有效補(bǔ)充地下水、消減峰值流量、凈化雨水和集蓄利用雨水。

在進(jìn)一步探索城市綠地系統(tǒng)與洪澇災(zāi)害之間的關(guān)系，將對(duì)城市開(kāi)發(fā)前后以及采取低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施后，徑流系數(shù)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)具體低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施布局給出反饋的建議?；贕DEM30m高程數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析，建立SWMM模擬所需要的輸入?yún)?shù)，包括對(duì)地表徑流的提取獲得劃分的子流域區(qū)域、面積、地表水流動(dòng)路徑的特征寬度、平均坡度、子流域中不透水面積所占的比例，以及出水口位置的確定和高程等。整個(gè)計(jì)算的流程和建立SWMM的.inp格式文件的輸出均在基于地理信息系統(tǒng)ArcGIS下通過(guò)Python語(yǔ)言編寫(xiě)相應(yīng)程序計(jì)算完成。在確定子流域區(qū)域研究范圍時(shí)，為了保證子流域研究區(qū)域的完整性，不以中心城區(qū)行政范圍為邊界，如圖11，同時(shí)計(jì)算獲取每一個(gè)子流域不透水區(qū)域的比例，顏色越紅不透水區(qū)域的比例越大，城市建設(shè)開(kāi)發(fā)的程度越高。圖12為子流域平均坡度變化情況，顏色越藍(lán)坡度越大，其中在子流域中分布的紅點(diǎn)是出水口的位置，分布在子流域高程相對(duì)較低處。

本例腳本程序約300行，包括SWMM基本輸入?yún)?shù)的計(jì)算、.inp格式的輸出和徑流系數(shù)調(diào)回ArcGIS平臺(tái)等三個(gè)部分。其中通過(guò)Python編程建立符合SWMM輸入.inp文件的格式，可以通過(guò)直接打開(kāi)一個(gè).inp文件確認(rèn)每行數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容；同時(shí)部分參數(shù)設(shè)置參考EPA的〈Storm Water Management Model Applications Manual〉。本例使用SWMM模擬是以服務(wù)于綠地系統(tǒng)規(guī)劃為目的，排除市政雨水管網(wǎng)后重點(diǎn)比較開(kāi)發(fā)前后和低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施布置與否對(duì)徑流的影響。

由于一定控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)雨量在是否加入低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施的運(yùn)行中體現(xiàn)不明顯，所以選取該地10年一遇的設(shè)計(jì)雨型作為SWMM模型中的運(yùn)行參數(shù)，可采用芝加哥降雨計(jì)算公式按需計(jì)算。

降雨量根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，選取至少近10年降雨量資料確定。對(duì)于陜西關(guān)中地區(qū)，其暴雨強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

式中 q——降雨強(qiáng)度，L/（s?hm2）；

P——重現(xiàn)期，a；

t——降雨歷時(shí)，min。

對(duì)于陜西地區(qū)可采用芝加哥雨型進(jìn)行設(shè)計(jì)，其具體降雨量分布如下式：

當(dāng)0≤t≤ta時(shí)：

當(dāng)tb≤t≤T時(shí)：

式中：

A、b、n——暴雨雨強(qiáng)計(jì)算公式中地方參數(shù)，A=16.715（1+1.1658lgP），b=16.813，n=0.9302；

r——雨峰系數(shù)，降雨開(kāi)始至暴雨洪峰形成的時(shí)間與總降雨歷時(shí)的比例，一般在0.3～0.5之間，常取0.5；

ia——峰前雨強(qiáng)，mm/min；

ib——峰后雨強(qiáng)，mm/min；

ta——峰前降雨歷時(shí)，min；

tb——峰后降雨歷時(shí)，min；

t ——總降雨歷時(shí)min。

在劃分匯水分區(qū)時(shí)，以滿(mǎn)足水文格局和安全格局的前提下，盡量以區(qū)域排水坡度為依據(jù)。地表漫流長(zhǎng)度控制在150m以?xún)?nèi)。

圖13為開(kāi)發(fā)前后各個(gè)子流域徑流系數(shù)對(duì)比情況，由于不透水區(qū)域比例的增加，徑流系數(shù)相應(yīng)改變，為了比較開(kāi)發(fā)前后各個(gè)子流域徑流系數(shù)變化的幅度，編寫(xiě)腳本增加字段，讀取計(jì)算后徑流系數(shù)并計(jì)算差值，圖14顯示顏色越黑的區(qū)域開(kāi)發(fā)前后徑流系數(shù)變化幅度越大。選取變化幅度相對(duì)較大的S71子流域，計(jì)算開(kāi)發(fā)前后S71子流域徑流過(guò)程線，如圖15，因?yàn)椴煌杆畢^(qū)域比例的大幅度增加，開(kāi)發(fā)前后徑流變化幅度較大，高峰徑流發(fā)生在高峰降雨時(shí)，并且一旦降雨停止，開(kāi)發(fā)后的過(guò)程線以更快的速度下降。

參照陜西省西咸新區(qū)海綿城市建設(shè)目標(biāo)，50年一遇建成區(qū)綜合徑流系數(shù)控制在0.3，建成區(qū)可滲透地面面積比例不低于40%，天然水域面積保持程度不得減少；以及細(xì)化控制目標(biāo)中下沉式綠地建設(shè)比例在市政道路、廣場(chǎng)/停車(chē)場(chǎng)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、公服用地、工業(yè)區(qū)、綠廊和城市公園中所占最小比例為40%的條件，在各個(gè)子流域中按比例增加低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施，可以參考城市排水壓力設(shè)置低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施，包括生物滯留設(shè)施（Bio-Retention Cell），設(shè)計(jì)蓄水深度為300mm和透水鋪地（Permeable Pavement），計(jì)算模擬結(jié)果如圖16。在10年一遇設(shè)計(jì)雨型模擬中，低影響開(kāi)發(fā)（LID）調(diào)控后徑流系數(shù)減少，各子流域平均徑流系數(shù)由0.51控制到約0.27。

第一個(gè)案例基于參數(shù)化闡述了智能化設(shè)計(jì)的過(guò)程，編程設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)本身形式有較大的控制，截然不同于傳統(tǒng)方案推敲的過(guò)程，能夠直接獲取空間形式；第二個(gè)案例基于地理信息系統(tǒng)，解決必然面臨的數(shù)據(jù)處理、分析等相關(guān)問(wèn)題，推進(jìn)基于數(shù)字景觀的規(guī)劃設(shè)計(jì)順利發(fā)展。編程設(shè)計(jì)具有較廣泛的擴(kuò)展性，不僅可以建立幾何模型部分間的參數(shù)化關(guān)系，強(qiáng)調(diào)部分之間的因果聯(lián)系，達(dá)到影響因子（參數(shù)）對(duì)幾何形式的影響。其中建立具有參數(shù)化關(guān)系的幾何模型，控制幾何模型的影響因子可以是氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)等，同時(shí)從傳感器中獲取的數(shù)據(jù)，例如旋轉(zhuǎn)角度電位計(jì)、光線傳感器、傾斜傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅饕约盁o(wú)線信號(hào)，都可以作為影響因子影響幾何形式的變化；另外基于復(fù)雜系統(tǒng)，在多智能體仿真中設(shè)置智能體規(guī)則，涌現(xiàn)宏觀形式，例如基于多智能體的地表徑流分析，自然演替的生態(tài)過(guò)程模擬等；基于地理信息系統(tǒng)與地統(tǒng)計(jì)，使用公交刷卡數(shù)據(jù)、出租車(chē)軌跡數(shù)據(jù)和社會(huì)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，例如使用微博數(shù)據(jù)計(jì)算反映城市土地利用均衡程度的信息熵；利用傳感器、物理輸出建立機(jī)器人，進(jìn)行智能化結(jié)構(gòu)的原型設(shè)計(jì)以及加工建造。未來(lái)的建筑必然趨于智能化，在各類(lèi)傳感器的幫助下可以將建筑“物聯(lián)”，實(shí)現(xiàn)建筑與環(huán)境，建筑與人行為之間的關(guān)聯(lián)，由傳感器或者參數(shù)驅(qū)動(dòng)下的物理輸出，控制舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等建筑結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)；以及由程序和GPS定位系統(tǒng)控制下的大型施工機(jī)械?；跀?shù)據(jù)的設(shè)計(jì)分析過(guò)程因?yàn)槭褂猛緩缴系牟町?，異常豐富，并不斷的產(chǎn)生著新的創(chuàng)造影響設(shè)計(jì)的過(guò)程，設(shè)計(jì)建造的過(guò)程和設(shè)計(jì)的管理。

推進(jìn)數(shù)字景觀和編程設(shè)計(jì)的方法，對(duì)設(shè)計(jì)師的知識(shí)架構(gòu)提出了新的要求?；跀?shù)字景觀的設(shè)計(jì)思維更多傾向于數(shù)理邏輯思維，而所涉及的每一個(gè)領(lǐng)域往往可以借助于編程語(yǔ)言來(lái)有效解決問(wèn)題，編程語(yǔ)言本身的思維方式也恰恰反映了數(shù)字景觀思維的本質(zhì)，編程景觀以編程語(yǔ)言為依托，實(shí)現(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)的碰撞。但是同時(shí)也需要理性的看待編程技術(shù)輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法途徑，編程設(shè)計(jì)方法更應(yīng)是對(duì)學(xué)科本身知識(shí)結(jié)構(gòu)的拓展，自身在具有無(wú)限拓展能力的同時(shí)，也存在著應(yīng)用上的局限性。目前希望能夠指望一個(gè)或者多個(gè)程序自動(dòng)完成一個(gè)項(xiàng)目的可能性很難，而且即使達(dá)到了這個(gè)目的，每個(gè)設(shè)計(jì)師對(duì)藝術(shù)的評(píng)判各不相同，即使具有相同的藝術(shù)形式傾向，具有明顯邏輯特征的程序也只會(huì)讓更多的設(shè)計(jì)變得枯燥乏味。如何正確的看待和應(yīng)用編程技術(shù)，對(duì)于它的理解只有在具體的項(xiàng)目實(shí)踐中判斷，對(duì)于碰到的任何問(wèn)題都可以思考使用編程技術(shù)來(lái)解決，并評(píng)估其可行性以及是否優(yōu)于一般的方法。

［1］包瑞清.編程景觀［M］.南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2015.

［2］殷學(xué)文，俞孔堅(jiān)，李迪華.城市綠地景觀格局對(duì)雨洪調(diào)蓄功能的影響［C］//中國(guó)城市規(guī)劃學(xué)會(huì).城鄉(xiāng)治理與規(guī)劃改革——2014中國(guó)城市規(guī)劃年會(huì)論文集.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

［3］EPA. Strom Water Management Model Reference Manual Volume1-Hydrology［Z］.2015.

［4］Jorge Gironás， Larry A. Roesner， Jennifer Davis. Storm Water Management Model Applications Manual［Z］.2009：7.

A Study on the Method of Programming Technology Aided Planning and Design

With development of computer technology and programming languages， programming is playing an increasingly important role in Landscape Architecture subject. Programming Design is an approach to solve problems of plan and design in Architecture， Urban Planning and Landscape Architecture by the programming language. According to the characteristics of landscape， Programming Landscape aims to solve problems in Landscape Architecture. The paper illustrates the method of programming landscape architecture in details， to write the derivative program in the exchange between the terrain programming and the design thoughts， and then figure out the parametrics which is under the certain controlled conditions. And explore the applications of intelligent design which is based on the relevant procedure of the terrain. Combining GIS and city flood disaster researches to solve the problems under the data program and cross-platform situation，which emphasizes the relevant researches based on the geographic information system and cross-platform， and the technology of programming language data processing analysis.

Programming Landscape； Parametric Design； Geographic Information System； Low Impact Development

TU986

A

1673-1530（2016）02-0026-07

10.14085/j.fjyl.2016.02.0026.07

2015-12-15

包瑞清/1980年生/男/河北人/西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院講師/博士/研究方向：數(shù)字景觀（西安710055）

劉永/1987年生/男/ 河南人/西安建筑科技大學(xué)碩士/研究方向：低影響開(kāi)發(fā) （西安710055）