基于邏輯構(gòu)建與算法實現(xiàn)的擬自然水景參數(shù)化設(shè)計

袁旸洋 陳宇龍 成玉寧

“擬自然”就是模擬自然，指通過人工營造有如自然一樣的景觀環(huán)境。這里的“模擬”有著雙重意義，不僅是“形態(tài)”的相似，更強調(diào)“規(guī)律”的解讀。“擬自然”水景設(shè)計從解讀自然水景生成規(guī)律出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)狀地形條件模擬自然形態(tài)與生態(tài)過程，生成擬自然的水景觀系統(tǒng)[1]。自然水景順應(yīng)地形地貌呈現(xiàn)不同的形態(tài)，是自然水網(wǎng)系統(tǒng)的組成部分，具有一套完整的水生態(tài)系統(tǒng)[2]。 人工營造的水景耦合于自然的系統(tǒng)，有助于維持區(qū)域水系的完整性和系統(tǒng)性?！皵M自然”水景的設(shè)計強調(diào)“理”水：就現(xiàn)有的山之形，水之勢，因勢利導，最小化對場地的擾動，通過梳理形成新的水景觀或優(yōu)化既有水系統(tǒng)。

水景觀往往是風景環(huán)境中最吸引人的節(jié)點，也是風景園林規(guī)劃設(shè)計的重要內(nèi)容。人工干預下生成的擬自然水景“源于自然，高于自然”，不僅是對自然水景的藝術(shù)抽象與加工，而且能夠?qū)⒑虾踝匀灰?guī)律的多種水景形態(tài)集中呈現(xiàn)，生成優(yōu)美的景觀，滿足人們游憩的需求。水景觀除了具有審美與文化方面的意義，還有著重要的生態(tài)價值：一方面能夠減緩瞬時降水產(chǎn)生的地表徑流對土壤的沖刷以及對下游的沖擊，另一方面可以儲存降水并緩釋，合理調(diào)配、利用水資源；同時，水陸交接帶也是生物多樣性最豐富的區(qū)域，有助于良好生境的營造。

擬自然水景的設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，要求動態(tài)平衡與綜合調(diào)節(jié)多個設(shè)計要素[3]。傳統(tǒng)的設(shè)計方法大多依靠設(shè)計師的經(jīng)驗，具有較強的主觀性、模糊性與或然性，而參數(shù)化的設(shè)計方法借助計算機技術(shù)更為理性、客觀與精準。將參數(shù)化的設(shè)計方法運用于擬自然水景設(shè)計，其關(guān)鍵技術(shù)是以“形態(tài)—壩高—水量”的擬自然水景參數(shù)化設(shè)計邏輯為核心，構(gòu)建參數(shù)化的模型，提取關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，通過調(diào)控參數(shù)生成設(shè)計結(jié)果。本文運用Grasshopper軟件采用Python語言進行算法編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)多要素的統(tǒng)籌設(shè)計與動態(tài)調(diào)控，并實時呈現(xiàn)與反饋設(shè)計結(jié)果，得到綜合最優(yōu)的擬自然水景設(shè)計方案。

1 天然水景的形成

天然水景由降水匯集而成，其形成必須滿足2個必要條件：降水與洼地。到達地面的降水主要由4部分組成：一部分被植被表面攔截，這個過程稱為截留；一部分直接被土壤吸收，這個過程被稱為滲透；另外有部分被儲存在地表一些小的凹地及洼地內(nèi)，這一過程稱為洼地蓄水；剩余部分雨水沿地表流動，生成地表徑流，最后匯集到溝道、河流和池塘等水體之中[4]。某一匯水區(qū)的水量由匯水區(qū)面積與單位面積降水量以及地表截留量共同決定。依據(jù)徑流的分級，上一次富余的水量會匯集至下一級，不同標高的水體通過溪流串聯(lián)構(gòu)成了一個“水網(wǎng)系統(tǒng)”。因此，自然狀態(tài)下水體不是單一存在的，而是在水網(wǎng)系統(tǒng)中根據(jù)所處地形的情況表現(xiàn)為湖、池、河、溪、潭、汀、瀑等多種形式。集水區(qū)顧名思義是收集水的區(qū)域，又可稱之為集水盆地、流域，同樣與地形有著密切的關(guān)聯(lián)。降水會在重力的作用下向低洼處匯集。地形中最為高聳的山脊自然成為“分水嶺”（圖1）。集水區(qū)依據(jù)徑流的分級呈現(xiàn)嵌套的等級體系，高等級集水區(qū)由一系列低一級的集水區(qū)構(gòu)成，其匯水量是上一層級匯水量之和，面積也是次一級的集水區(qū)面積總和。對于“水網(wǎng)系統(tǒng)”而言，位于某一等級集水區(qū)的水景，其水量為上一層級水景截留的水量與匯水量的差值[5]（圖2）。以上對水網(wǎng)系統(tǒng)與集水區(qū)的分析，是擬自然水景設(shè)計中單一水體與水網(wǎng)的水量計算依據(jù)。

1 集水區(qū)的組成Composition of a Water Catchment Area

2 集水區(qū)嵌套等級體系示意圖Schematic Diagram of the Nesting System in Water Catchment Area

2 擬自然水景的設(shè)計及其參數(shù)化

2.1 擬自然水景設(shè)計的關(guān)鍵要素

充足的匯水與地表的洼地是人工營造擬自然水景的必要條件。匯水來源于自然的降水，而洼地則是通過人工筑壩或挖掘形成地表的凹陷區(qū)域。為了最小化對自然環(huán)境的擾動并控制工程量，通常結(jié)合水文分析選取具有適宜地形的區(qū)域，采取合理筑壩與局部地形梳理的方式營造洼地。洼地所能容納的水量即庫容，也就是水體的體積。庫容一方面與洼地的容積有直接關(guān)聯(lián)，另一方面受到壩高的制約。由“木桶效應(yīng)”可知，水位由壩高決定，故而水量與壩高呈正相關(guān)。此外，水景的形態(tài)也是擬自然水景設(shè)計的重點。水景的二維形態(tài)即水面形態(tài)，是水體與地形相交的水平切面。水面的形態(tài)受地形與水量共同影響，由于自然地形的起伏多變，水位不同則水面形態(tài)各異。從自然水體的生成規(guī)律可知，“水量、水體形態(tài)與壩高”三者之間存在著一種動態(tài)的關(guān)聯(lián)，是擬自然水景參數(shù)化設(shè)計的關(guān)鍵要素，也是參數(shù)化設(shè)計邏輯的生成基礎(chǔ)。

2.2 參數(shù)化設(shè)計邏輯的構(gòu)建

擬自然水景參數(shù)化設(shè)計邏輯與自然式水景生成規(guī)律相對應(yīng)，從系統(tǒng)角度出發(fā)，基于“形態(tài)—壩高—水量”的動態(tài)關(guān)聯(lián)，進行參數(shù)化模型構(gòu)建。為實現(xiàn)擬自然水景設(shè)計，本團隊構(gòu)建的參數(shù)化邏輯模型由“壩數(shù)據(jù)處理模塊”“地形數(shù)據(jù)處理模塊”“水體生成與水量計算模塊”“土方數(shù)據(jù)計算模塊”以及“水體形態(tài)評價模塊”5個子模塊構(gòu)成，功能分別為：確定壩址、優(yōu)化地形、生成水體、水量及土方量計算以及水體形態(tài)優(yōu)選（圖3）。其中，“壩數(shù)據(jù)處理模塊”與“地形數(shù)據(jù)處理模塊”用以處理外部輸入的地形等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Grasshopper軟件可以使用的數(shù)據(jù)類型；“水體生成與水量計算模塊”“土方數(shù)據(jù)計算模塊”以及“水體形態(tài)評價模塊”3個模塊將得到的數(shù)據(jù)進行計算與可視化表達，進行水體形態(tài)的評價與人機互動優(yōu)化設(shè)計；“水體生成與水量計算模塊”是“形態(tài)—壩高—水量”邏輯關(guān)聯(lián)的直接表達，也是擬自然水景設(shè)計的核心。

擬自然水景的參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)需完成以下2項前期工作：水景的選址與水體形態(tài)數(shù)據(jù)庫的建立。第1項工作，水景的選址基于ArcGIS軟件平臺構(gòu)建參數(shù)化選址流程，首先，對風景環(huán)境中的徑流、匯流累積量、集水區(qū)等進行水文分析；其次，根據(jù)設(shè)計訴求篩選出具有匯水潛力的區(qū)域并確定水系的位置，依據(jù)該區(qū)域的地形、徑流與集水區(qū)條件設(shè)計水面的數(shù)量與位置；再次，依據(jù)設(shè)計場地的年降水量、下墊面徑流系數(shù)和徑流折減系數(shù)計算匯水潛力區(qū)的匯水量。第2項工作，建立水體形態(tài)數(shù)據(jù)庫。水體形態(tài)的數(shù)據(jù)庫包含了數(shù)十個公眾認可度高的風景環(huán)境湖泊類水景的水體形態(tài)數(shù)據(jù)（圖4），具體形態(tài)指標有：面積、最長軸、近圓率、形狀率、緊湊度、岸線發(fā)育系數(shù)等。擬自然水景參數(shù)化設(shè)計邏輯模型中的“水體形態(tài)評價模塊”與該數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)。該數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的目的在于為水體形態(tài)的評價提供依據(jù)，即以數(shù)據(jù)庫中的指標區(qū)間值作為擬自然水景參數(shù)化設(shè)計得到的水體形態(tài)優(yōu)美與否的判定標準，是水景觀設(shè)計的重要參數(shù)。

此外，擬自然水景參數(shù)化設(shè)計邏輯模型針對單一水體，對于由多個水體構(gòu)成的水網(wǎng)系統(tǒng)而言，在單一水體參數(shù)化設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)同一集水區(qū)中各等級水體的水量關(guān)系將單一水體的參數(shù)化設(shè)計模型關(guān)聯(lián)，進一步生成整個水網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計模型。

3 擬自然水景參數(shù)化設(shè)計邏輯Logic for Naturalistic Waterscapes’ Parametric Design

表1 擬自然水景參數(shù)化設(shè)計參數(shù)Tab. 1 Parameters for Naturalistic Waterscape Parametric Design

3 基于Grasshopper軟件的算法編寫

本研究依托Rhino環(huán)境下運行的Grasshopper軟件進行運算集編制和數(shù)據(jù)計算。一方面，通過算法編寫Grasshopper運算集，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的精準與高效計算；另一方面，Grasshopper可以準確地對多類型數(shù)據(jù)進行運算和輸出，使數(shù)據(jù)有效銜接，避免了人工計算過程中的誤差；此外，借助Rhino軟件，Grasshopper的運算結(jié)果可實時呈現(xiàn)與反饋，便于調(diào)控與優(yōu)化。以前文所述的設(shè)計邏輯為基礎(chǔ)，根據(jù)水景選址、匯水量、場地地形、水體形態(tài)指標等前期分析及評價研究成果進行參數(shù)篩選（表1），并將前期研究數(shù)據(jù)作為初始常量輸入模型。本文采用Python語言基于Grasshopper軟件平臺對擬自然水景參數(shù)化設(shè)計邏輯的5個子模塊進行算法編寫與模型構(gòu)建，針對設(shè)計邏輯的特點與水景設(shè)計的實際情況，選取了適宜計算方式，編寫了“壩高—水量”算法、“水體—地形”算法、“水量—土方量”算法、“水體形態(tài)”算法（圖5）5項算法，并將其關(guān)聯(lián)組合構(gòu)建擬自然水景參數(shù)化設(shè)計模型。限于篇幅，本文以“壩高—水量”算法的編寫為例進一步說明運用Grasshopper軟件的擬自然水景參數(shù)化設(shè)計模型算法編寫：基于水景的選址與計算能夠獲得的匯水量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)需要與地形數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)以確定水壩的高度，但由于“體積—高度”類型算法過于復雜且限制條件較多，難以由單一算法涵蓋；因此，針對“壩高—水量”的關(guān)系，采用了Grasshopper軟件中的實體差集算法，將水體生成所需的水量與場地匯水量相比較，調(diào)整輸入壩高數(shù)據(jù)，使水體需水量與場地匯水量基本持平并保持于誤差范圍之內(nèi)，由此反向推演確定壩高。具體的算法規(guī)則為：從預設(shè)的水體立方中切去地形曲面得到水體（實體），用以體積計算和水體二維形態(tài)的輪廓線提取；根據(jù)水體選址與傾瀉點分析結(jié)果可得筑壩點（點集），結(jié)合等高線并以此為基點繪制壩體基準線，并進一步將基準線順應(yīng)地形方向擴展，獲得水體基準面，即水面高程位置；將基準面以基準線中心進行縮放來保證與地形的契合，得到水體的計算面（水面）；基于前期計算模塊中已經(jīng)獲取的地形相關(guān)數(shù)據(jù)（地形曲面），輸入壩標高（絕對高度）參數(shù)，將水體計算面向上延展即可得到所需要的水體計算體（水體體積）（圖6）。

擬自然水景由一系列“單一”水體構(gòu)成，因此在完成單一水體設(shè)計的基礎(chǔ)上還需進行水系統(tǒng)的構(gòu)建。基于單一水體的參數(shù)化設(shè)計模型，通過水量關(guān)聯(lián)位于同一集水區(qū)中的多個水體，搭建水系的參數(shù)化設(shè)計模型。在算法編寫中需要使用Grasshopper軟件中的樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)多個單一水體的同步處理，即將單一水體數(shù)據(jù)調(diào)整為樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過水量參數(shù)的調(diào)整生成多個水體數(shù)據(jù)。借助Rhino軟件可對參數(shù)化調(diào)控生成的擬自然水景設(shè)計結(jié)果實時呈現(xiàn)，水量、壩高以及水體形態(tài)共同形成了一套參數(shù)修改方案，從而反饋到壩體數(shù)據(jù)模塊與地形處理模塊，經(jīng)過多次參數(shù)調(diào)整和形態(tài)優(yōu)化后，最終輸出水系景觀的設(shè)計結(jié)果。

4 湖泊類水景水體形態(tài)數(shù)據(jù)的計算Calculation of morphological data of lake waterscape

5“壩高—水量”算法、“水體—地形”算法、“水量—土方量”算法及水體形態(tài)算法“Dam Height-Water Quantity” algorithm,“Water Body-Landform” algorithm,“Water Quantity–Earthwork Quantity”algorithm,“Water Body Shape” algorithm

4 以南京花卉公園美人沖片區(qū)設(shè)計為例

花卉公園位于江蘇省南京市主城區(qū)北部，總面積78.3hm2。場地呈現(xiàn)典型的低山緩崗丘陵地貌，總體地勢東北高、西南低。場地東部為自然山體，是農(nóng)場山的組成部分，海拔最高處123.00m，最低處22.50m，最大高差100.50m。該場地原為苗圃基地，2016年南京市政府計劃將其打造成為一個以花卉為主題的公園（圖7）?；ɑ芄珗@的場地內(nèi)部現(xiàn)狀有多處零散小型水面，未能較好地形成水網(wǎng)體系?；ɑ芄珗@的規(guī)劃設(shè)計提出充分勾連場地現(xiàn)有水體形成水系，并優(yōu)化水體形態(tài)，生成可持續(xù)的水環(huán)境，在塑造多樣水景的同時，為植物生長提供良好的小氣候環(huán)境。本文選取花卉公園美人沖片區(qū)為案例，論述擬自然水景的參數(shù)化設(shè)計過程。

設(shè)計的第一步需要進行水景的選址研究，分析場地的水文情況，研究所得數(shù)據(jù)將作為下一步參數(shù)化設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)值。首先，設(shè)計運用ArcGIS軟件對花卉公園場地進行徑流、河網(wǎng)、集水區(qū)、傾瀉點等水文分析（圖8），并根據(jù)分析結(jié)果確定在美人沖片區(qū)進行擬自然水景的營造。在此基礎(chǔ)上，進一步對美人沖片區(qū)進行水文分析，結(jié)合地形對具有水景營造潛力的場地進行篩選，確定集水區(qū)的范圍、水系的位置及其中每個單一水體對應(yīng)的筑壩位置。其次，依據(jù)南京地區(qū)的年降水量及花卉公園場地的徑流折減系數(shù)計算得出該集水區(qū)的年匯水量為16828m3，該數(shù)值即為設(shè)計水系的總水量。

6“壩高—水量”的算法規(guī)則Rule for the“Dam Height-Water Quantity” algorithm

7 南京花卉公園區(qū)位及現(xiàn)狀地形的數(shù)字高程模型Location of Nanjing Flower Park and digital elevation model of the current terrain

8 南京花卉公園的水文分析Hydrological Analysis of Nanjing Flower Park

9 水體形態(tài)根據(jù)壩高值改變而變化Changes in Water Body Shape corresponding to Changes in Dam Height Value

在水景選址研究的基礎(chǔ)上，運用Grasshopper軟件平臺構(gòu)建美人沖片區(qū)的擬自然水景參數(shù)化設(shè)計模型。第1階段，根據(jù)水景的選址結(jié)果，就單一水體進行設(shè)計。將壩高參數(shù)值輸入模型，即可由“壩高—水量”模塊生成初步水體設(shè)計方案，借助Rhino軟件將運算生成的水體結(jié)果實時呈現(xiàn)，提供比較。第2階段，設(shè)置一組壩高值，對應(yīng)于不同的值，生成的一組水體方案，包括水量、土方量與水體形態(tài)的參數(shù)值。如圖8所示，壩標高為21.3m時，該水體的水量為396.8m3，壩體的坡度為0.248，筑壩所需土方量為3.5m3；當壩標高增加為24.5m時，水體的水量增加為1911.6m3，壩體的坡度變化不明顯，為0.224，土方量則增加至28.4m3；由于淹沒位置根據(jù)壩高的改變，水體的形態(tài)也發(fā)生了變化（圖9）。

在初步水體設(shè)計方案生成后，運用水體形態(tài)評價模塊對水體形態(tài)展開評價，依據(jù)水體形態(tài)數(shù)據(jù)庫，當最長軸、近圓率、形狀率、緊湊度、岸線發(fā)育系數(shù)等多項形態(tài)參數(shù)值均位于指標區(qū)間，便可認定該水體形態(tài)符合設(shè)計要求。如果水體形態(tài)指標不符合要求，可通過人機交互操作，在Rhino軟件中調(diào)整地形控制點，優(yōu)化水體形態(tài)；同時水體形態(tài)評價模塊可對優(yōu)化后的水體形態(tài)進行實時評價與反饋，如此經(jīng)過多次迭代最終得到滿足設(shè)計要求的水體方案。通過壩高值的調(diào)整與地形的控制，借助參數(shù)化的設(shè)計模型可生成多個擬自然水景設(shè)計方案。此外，基于水系的樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，水網(wǎng)系統(tǒng)中的單一水體互相關(guān)聯(lián)，其水量之和為設(shè)計水系的總水量，通過總水量的調(diào)控與二次分配可實現(xiàn)對擬自然水系的設(shè)計（圖10）。

10 南京花卉公園的擬自然水景參數(shù)化設(shè)計實踐—水系設(shè)計平面圖Water system design plan—naturalistic waterscape parametric design of China Nanjing Flower Park

5 結(jié)語

擬自然水景的參數(shù)化設(shè)計在解讀自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，借助計算機等技術(shù)方法與手段輔助，科學化實現(xiàn)對自然水景的模擬，是對中國傳統(tǒng)水景設(shè)計方法的傳承與創(chuàng)新。由于運用參數(shù)化的方法，能夠在動態(tài)調(diào)控中實現(xiàn)統(tǒng)籌設(shè)計：設(shè)計方案的數(shù)據(jù)與形態(tài)能夠?qū)崟r呈現(xiàn)與反饋，并通過與水體形態(tài)等數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，可以達到對水體形態(tài)的調(diào)控與工程量的精細化控制，在多個設(shè)計方案中尋求綜合最優(yōu)，兼顧了美觀與經(jīng)濟[9]。本文對采用Grasshopper軟件的擬自然水景參數(shù)化設(shè)計方法進行了探討，基于設(shè)計邏輯構(gòu)建與算法編寫，在實際工作中可由多種軟件平臺實現(xiàn)參數(shù)化的設(shè)計。

水景設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，需要兼顧“形態(tài)”優(yōu)美與“生態(tài)”健康。面積、最長軸、近圓率、形狀率、緊湊度、岸線發(fā)育系數(shù)、分形維數(shù)等為水生態(tài)學研究中常用指標，用于討論湖泊等水體的生態(tài)情況[6-8]。為確保擬自然水景的生態(tài)功能，本文的研究引入了上述指標作為表述水體形態(tài)的參數(shù)，構(gòu)建了包含數(shù)十個湖泊類水景形態(tài)的數(shù)據(jù)庫，用于參數(shù)化設(shè)計方案的評價。在今后可將水體岸線緩沖帶以及水體深度等影響水體生態(tài)功能的因素納入研究范疇，構(gòu)建相應(yīng)的指標，并作為參數(shù)進一步優(yōu)化擬自然水景參數(shù)化設(shè)計模型。此外，庫容與水面面積一定的情況下，水體的連續(xù)性是檢驗水體形態(tài)豐富度及水岸發(fā)育系數(shù)的重要因素，其不僅與底部坡度線的長度有關(guān)，還受水體復雜程度影響，相關(guān)專題有待在日后的研究中進一步探討。

注釋：

圖2引自參考文獻[4],其余圖表為作者自繪。