參數(shù)化技術(shù)在建筑表現(xiàn)中應(yīng)用的研究

張開劍

摘要：建筑的可視化表現(xiàn)是設(shè)計(jì)方案落成之前最直觀的展示方式，也是建筑設(shè)計(jì)過程中必不可少的一環(huán)。優(yōu)秀的建筑表現(xiàn)作品往往需要耗費(fèi)制作者大量的時(shí)間和精力來完成整體設(shè)計(jì)構(gòu)思。本文旨在將建筑設(shè)計(jì)中常用的參數(shù)化技術(shù)引入到建筑表現(xiàn)作品的設(shè)計(jì)流程中，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方式，以此提高工作效率和作品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 參數(shù)化；建筑表現(xiàn)；配景

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0277-03

1 引言

近些年來，隨著建筑市場的供需的日驅(qū)平衡與圖形渲染引擎的發(fā)展，建筑的可視化已經(jīng)從當(dāng)初的一圖難求到現(xiàn)在成了許多建筑師的基本技能之一。競爭日益激烈的當(dāng)下，對目前仍在建筑可視化領(lǐng)域的從業(yè)人員提出了更高的要求：一方面是在觀感上，業(yè)主對與美的要求有增無減；另一方面，大多數(shù)項(xiàng)目周期時(shí)間較短，并且需隨方案變動(dòng)多次修改。

實(shí)際上，在整個(gè)項(xiàng)目流程中，有相當(dāng)一部分精力被繁復(fù)的機(jī)械勞動(dòng)所占據(jù)，成為提高生產(chǎn)效率的極大的阻礙。而這正是參數(shù)化技術(shù)的切入點(diǎn)，本文將探究在建筑表現(xiàn)常用軟件Rhino，Grasshopper，Lumion工作流下使用計(jì)算機(jī)程序代替人工完成部分機(jī)械勞動(dòng)，并結(jié)合基本場景布置美學(xué)原則，快速生成植物配景模型的工作流程。

2 軟件簡介

Rhino全稱為Rhinoceros，是一款功能強(qiáng)大的3D建模軟件，具有易用性高，可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，工業(yè)設(shè)計(jì)，動(dòng)畫制作，機(jī)械加工等領(lǐng)域。

Grasshopper是一款Rhino的常用參數(shù)化插件。借助Grasshopper內(nèi)置運(yùn)算器設(shè)計(jì)師可以進(jìn)行操作更友好的可視化編程，進(jìn)而以計(jì)算機(jī)內(nèi)部的指令取代機(jī)械性的重復(fù)勞動(dòng)，生成復(fù)雜的形體模型。

Lumion是由荷蘭Act-3D公司開發(fā)的著名建筑可視化軟件，通過其優(yōu)秀的GPU渲染技術(shù)，可以快速地生成影視級的高質(zhì)量建筑效果圖或漫游視頻。

3 室外場景配景的布置要素

建筑表現(xiàn)作品（包括效果圖，漫游動(dòng)畫，VR場景等）不同于建筑及景觀專業(yè)的嚴(yán)謹(jǐn)，相較于平面圖紙而言表現(xiàn)作品需要包含更多的信息，有時(shí)為追求表現(xiàn)的效果也會使用適當(dāng)夸大的手法起到烘托主題和營造氛圍的作用。建筑表現(xiàn)作品的好壞，除去建筑本身設(shè)計(jì)與模型質(zhì)量外，配景的搭配布置對整體觀感上的提升起了至關(guān)重要的作用，故優(yōu)秀的建筑表現(xiàn)作品對配景的排布上有著極高的要求。

因室內(nèi)外表現(xiàn)手法以及側(cè)重點(diǎn)的不同，本文主要針對室外場景中的配景植物，結(jié)合建筑表現(xiàn)的布置原則對植物的參數(shù)化布置做出總結(jié)。

以樹木為代表的植物在配景主要由兩種類型構(gòu)成：

1） 經(jīng)過人工設(shè)計(jì)的出于景觀目的，有規(guī)律性排布的植物

此種類型的植物多呈現(xiàn)出明顯的人工介入的規(guī)律性，如相近的尺寸和長勢，嚴(yán)格控制間距的線性排布，有一定幾何形狀的密集排布等，從而表現(xiàn)出藝術(shù)線條、圖案等景觀元素，因此在放置植物模型時(shí)，對邊緣這個(gè)概念需著重強(qiáng)調(diào)否則將導(dǎo)致圖案的連續(xù)性中斷，影響成品觀感。另外雖然所采用的植物種類，尺寸和長勢均相近，卻不可單純地使用同種模型陣列生成，否則將導(dǎo)致大量的視覺符號重復(fù)，真實(shí)感大打折扣。

2） 自然生長或模擬自然生長的隨機(jī)散布植物

此種類型的植物有兩種常見用途：一為公園或城市綠地采用，雖多為人工種植且有人養(yǎng)護(hù)，卻也遵從自然狀態(tài)下的生長規(guī)律。二是用作建筑主體效果制作完畢之后，周邊環(huán)境的填充。常見的漫游動(dòng)畫或是效果圖（尤其是鳥瞰圖）在沒有相關(guān)建筑資料的情況下的多采用填充植物的方式進(jìn)行處理。上述兩種分布方式均無明顯邏輯上的分布規(guī)律。布置原則首先應(yīng)注重圖面效果，植物之間不宜分布過與均勻，多以簇或者叢的形式存在，且簇的尺度不宜過大，否則會造成視覺上的失真感。同一簇植物內(nèi)部植物的數(shù)量也無定數(shù)，但畫面整體應(yīng)做到分布均衡，層次清晰。其次是植物的生長規(guī)律，大型樹木之間的分布應(yīng)保持一定間距，而因樹冠尺寸和高度的關(guān)系，周圍緊密分布的植物往往會因?yàn)楣庹占梆B(yǎng)分的不足而相對矮小。周圍相對空曠的樹木較密集分布區(qū)域而言，高度傾向于樹冠尺寸偏大。

以上細(xì)節(jié)部分在人工放置配景植物時(shí)因精力限制，多數(shù)難以照顧到，且初稿之后需要反復(fù)調(diào)整。而此過程若引入?yún)?shù)化技術(shù)，機(jī)械勞動(dòng)得以被計(jì)算機(jī)所取代，設(shè)計(jì)者將擁更多有精力與時(shí)間思考設(shè)計(jì)細(xì)部的布置，對作品的質(zhì)量將有的相當(dāng)大的促進(jìn)作用。

接下來對該工作流的具體操作步驟要點(diǎn)進(jìn)行說明。

4 圖紙與模型的前期處理

在實(shí)際項(xiàng)目中，收到的提資多為*.dwg圖紙與*.skp模型兩種，針對不同類型的提資均需要進(jìn)行前期的預(yù)先處理，下面將對兩種類型的文件在Rhino軟件中的前期處理方法分別做出介紹。

1） 二維圖紙

在獲取到場地圖紙之后，應(yīng)當(dāng)首先對其進(jìn)行適當(dāng)簡化處理，如去除填充，標(biāo)注等元素，根據(jù)需要保留待生成區(qū)域的輪廓線并使用Join命令將其組合成為封閉曲線，或所需要放置模型的路徑（單線）。

根據(jù)所需要生成的內(nèi)容，將圖紙內(nèi)容進(jìn)行圖層歸類，如草地，樹木等。

2） 三維模型

三維模型同樣需要按類別進(jìn)行圖層劃分，將所需要進(jìn)行處理的面放置于單獨(dú)的圖層，其余部分則進(jìn)行刪除，需要注意的是，因不同三維建模軟件成面方式的差異，導(dǎo)入的模型（尤其是Mesh）有可能會因?yàn)槿敲娴呐挪挤绞蕉鴮罄m(xù)生成結(jié)果造成影響，導(dǎo)致分布不均?？深A(yù)先對網(wǎng)格面進(jìn)行優(yōu)化處理，提取出網(wǎng)格面的邊緣，對其執(zhí)行Join命令組合之后，使用Simplify Curve命令，通過Toerance參數(shù)的調(diào)整適當(dāng)減少曲線的控制點(diǎn)，之后執(zhí)行Join命令，將邊緣合并。經(jīng)測試，步驟處理之后可以有效地降低分布不均的情況出現(xiàn)。

5 參數(shù)化構(gòu)建

原始資料處理完畢后將圖紙或模型輸入到Grasshopper并按照下述要點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算器的連接：

根據(jù)分布規(guī)律和工作平面不同，將置物分為水平方向和垂直方向兩種。（本文中提到的關(guān)于植物的垂直方向上的分布，指小范圍內(nèi)的局部垂直分布，并非不同海拔高度下的分布狀態(tài)。）

5.1水平方向

水平方向的置物又可細(xì)分為多種類型，如草地，樹林等物體需區(qū)域化批量生成，而行道樹則需要線性生成。

5.1.1區(qū)域化生成

簡單采用生成隨機(jī)點(diǎn)的方法是較為方便的，但是實(shí)際情況下，此種方法生成的樹木種類單一大小一致，自然界中的樹木即使是人工種植在生長過程中也會因?yàn)楣饩€水分營養(yǎng)等因素，形成長勢上的差異，在最終成果輸出中觀感較差，且實(shí)際項(xiàng)目中并不會只采用單一樹種。

所以在指定區(qū)域中隨機(jī)分布點(diǎn)后，邏輯仍需加入一定優(yōu)化處理，生成結(jié)果才能夠更加自然和美觀，如下：

1） 設(shè)定樹木最小間距，根據(jù)期望種植的樹木的基本信息（如直徑高度等），當(dāng)兩點(diǎn)過于接近時(shí)，剔除其中一點(diǎn)；

2） 設(shè)定樹木種類，并將其隨機(jī)分配給其中的隨機(jī)點(diǎn)。

3） 設(shè)定樹種尺寸，若某一區(qū)域樹木分布密集，因涉及養(yǎng)分競爭等問題，樹木的發(fā)育會受到制約，則程序需要對該區(qū)域的樹木尺寸進(jìn)行二次處理，使其相對整個(gè)區(qū)域較為矮小，相反，若某區(qū)域樹木較為稀疏，則將樹木尺寸適當(dāng)加大，使其最終效果更加粗壯。

此過程中所使用的是根據(jù)上述邏輯編寫的Grasshopper運(yùn)算器，除去基本的生成方式和樹木大小的控制方式以外，加入了不同尺寸比例的控制，可以人為的通過參數(shù)去影響樹木的高度。如果將大型樹木的比例調(diào)高，那么相應(yīng)的在隨機(jī)分布的過程中，將會更傾向于生成高度更高的樹。

但是此方法仍然有一定局限性，如果將輸入條件設(shè)置過多，比如樹木種類較多，同時(shí)又設(shè)置了人為的樹木傾向的尺寸，樹種較多的同時(shí)每種樹又會產(chǎn)生不同尺寸的分支，各成一類，最終將會生成大量種類的樹木，給后續(xù)Lumion中的處理帶來巨大的工作量。故在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)當(dāng)按需要進(jìn)行考量，合理的設(shè)置參數(shù)。

5.1.2線性生成

按照線性規(guī)律進(jìn)行分布的物體較少，多數(shù)需要線性生成的模型均為人工放置＼種植。此類模型規(guī)律并不僅限于空間位置程線性排列，往往還會具有“間距”這一屬性。根據(jù)“間距”的有無，同樣可以將線性生成分為兩類：

1） 規(guī)律性分布。對于有“間距”屬性的物件來說（如上文中提到的路燈、行道樹。），現(xiàn)實(shí)中人工介入的成分較大，路燈為嚴(yán)格陣列錯(cuò)位排布，而樹木也因?yàn)橛邢鄳?yīng)的養(yǎng)護(hù)修剪，不同個(gè)體之間差異較小。此類模型只需拾取期望放置位置的線段，并且設(shè)置“間距”參數(shù)即可，按給定數(shù)值分割曲線之后，在斷點(diǎn)處放置圖塊。

2） 隨機(jī)分布。對規(guī)律性較弱的模型又呈線性排列的物件，則可以通過生成隨機(jī)數(shù)的方式，在曲線上定位并生成相應(yīng)的點(diǎn)。同樣的，和區(qū)域化生成一樣，針對間距過小的點(diǎn)可以設(shè)置規(guī)則進(jìn)行剔除，使排布更加自然。

5.2垂直方向

城市綠化中的景觀植物的垂直分布，因設(shè)計(jì)差異可能稍許不同，但整體上仍遵循著喬木-灌木-地被-草坪的多層次布局規(guī)律。

雖然植物的呈現(xiàn)垂直分布的層次感，但其仍以地面土壤為基礎(chǔ)生長，以圖形化的語言可以將其解釋為，此類物體可以具有相同或者相近的圖塊插入點(diǎn)。該插入點(diǎn)可以根據(jù)設(shè)計(jì)指定排布規(guī)律或者隨機(jī)生成，生成完畢之后即可以此點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行該點(diǎn)位其他高度的植被生成。

在此過程中，有以下事項(xiàng)需要注意：

1） 所有的植物，雖然具有相同的插入點(diǎn)，但是在實(shí)際的操作過程中要盡量避免點(diǎn)位的完全重合，否則后續(xù)在Lumion中會因?yàn)檎`選擇而降低工作效率。

2） 若需要生成的區(qū)域范圍較大或者數(shù)量過多，上述方法在計(jì)算效率上有可能會出現(xiàn)生成較為緩慢的情況，所以在實(shí)際應(yīng)用過程中如有需要建議采用圖塊嵌套的方式。即預(yù)先生成好某一處的植物或配景模型的圖塊組合，然后將這些模型合并為一個(gè)圖塊。之后將此圖塊作為分布的基本元素，并且給予隨機(jī)的范圍內(nèi)的位置偏移來做出差異化的效果。

5.3 文件輸出

經(jīng)測試Lumion對于同一文件內(nèi)包含多個(gè)不同圖塊的情況并不支持，會導(dǎo)致所有樹種均被統(tǒng)一化。此時(shí)有兩種解決方案：

1） 樹木種類較少的情況，可以將做好的圖塊按圖層或群組的方式分類，按類別依次手動(dòng)導(dǎo)出為獨(dú)立的文件。

2） 樹木種類較多的情況，建議使用插件Elefront和TTbox中的功能，（連接次序如下圖所示），在File Extension端輸入“.skp”，之后點(diǎn)擊下方的Active之后即可自動(dòng)輸出為獨(dú)立文件。

6 Lumion中的創(chuàng)建

將前序步驟結(jié)果按類別導(dǎo)出至Lumion打開，（測試格式為*.skp，可正常使用）。此時(shí)Lumion將會識別Rhino中的圖塊為Nodes，而Nodes在Lumion是可以替換為自帶素材庫中的樹木的。這樣就達(dá)到了我們以參數(shù)化的方式生成植物配景的目的。

此外Lumion本身對樹木也具有一定的模擬自然分布的功能，例如在一定范圍內(nèi)隨機(jī)縮放樹木尺寸，更改樹木的旋轉(zhuǎn)方向等，此功能的短板在于過程不可控，修改的結(jié)果幾乎是完全隨機(jī)化的，倘若完全采用其自帶功能來進(jìn)行植物的差異化布置，其結(jié)果仍舊需要人工干預(yù)，對樹木進(jìn)行手動(dòng)的框選移動(dòng)，才能達(dá)到理想中聚、散狀態(tài)。

7總結(jié)

技術(shù)與藝術(shù)之間并沒有不可逾越的界限，依靠常規(guī)的人工建模與景觀排布固然可以保證作品質(zhì)量，但是在項(xiàng)目周期短修改頻繁的情況下，如果僅僅依靠增加人力或者延長工作時(shí)間的方式，不僅會對項(xiàng)目整體進(jìn)度造成影響，且由于建筑表現(xiàn)作品設(shè)計(jì)者的個(gè)人審美以及技術(shù)能力不同，成品的質(zhì)量也難以把控。

適時(shí)的引入?yún)?shù)化及編程技術(shù)，結(jié)合個(gè)人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與合理的邏輯設(shè)置，采用人工設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助實(shí)施的方式可以有效地提升工作效率，保證成品質(zhì)量。

其主要特點(diǎn)如下：

1） 計(jì)算機(jī)可以以極快的速度處理不同樹種的大小尺寸隨機(jī)位置的偏移等，極端情況下甚至可以保證每一個(gè)樹木的尺寸大小各異，這一點(diǎn)是人工無論如何也無法達(dá)到的。

2）退一步講，在設(shè)置邏輯并不完善的情況下，可以在參數(shù)化生成的基礎(chǔ)上，由設(shè)計(jì)師對生成結(jié)果進(jìn)行把關(guān)，不合理處進(jìn)行少量的人工修飾即可。這樣也大大降低了從零起步的工作量，提高實(shí)際生產(chǎn)效率。

本文因篇幅所限僅就配景中的樹木部分的參數(shù)化配置進(jìn)行思路與流程總結(jié)，除去搭配實(shí)時(shí)渲染引擎Lumion之外，參數(shù)化技術(shù)與知名游戲引擎Unreal Engine4、最近在建筑表現(xiàn)領(lǐng)域大火的插件Enscape也有相當(dāng)好的配合切入點(diǎn)。

望后續(xù)參數(shù)化技術(shù)可以更好地服務(wù)于建筑行業(yè)的美術(shù)設(shè)計(jì)師，減少機(jī)械勞動(dòng)在工作中時(shí)間占比，從而將精力從繁重的體力勞動(dòng)抽出投入到設(shè)計(jì)本身中來。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉麥瑞.Rhino輔助制作建筑模型應(yīng)用淺析[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2018，37（8）：149-152.

[2] 覃麗瓊.基于Lumion的虛擬現(xiàn)實(shí)景觀仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019（2）：1-8.

[3] 沈?qū)氄?草坪中園林植物的選擇及其配植[J].綠色環(huán)保建材，2018（7）：248-249.

[4] 李丹陽.淺析Sketchup與Lumion軟件的特點(diǎn)與應(yīng)用[J].大眾文藝，2018（5）：87.

【通聯(lián)編輯：唐一東】