基于地理設(shè)計的三維建筑規(guī)劃方案設(shè)計

文／聶瀟 山東志合建筑設(shè)計院有限公司 山東濟(jì)南 250101

杜哲 濟(jì)南長清城市建設(shè)開發(fā)有限公司 山東濟(jì)南 250399

引言：

隨著數(shù)學(xué)規(guī)劃向智慧規(guī)劃的邁進(jìn)，傳統(tǒng)的CAD 二維繪圖、3DMax 三維建模等設(shè)計工具無法滿足更深層次的應(yīng)用和分析的需求。這些技術(shù)面臨一些挑戰(zhàn)，例如，它們不僅能夠?qū)缀蚊嫫限D(zhuǎn)化為可視化的圖像；設(shè)計流程必須在多個平臺上進(jìn)行，而且還要應(yīng)對用戶及其決策者的多次變更，這大大提高了溝通的難度，降低了設(shè)計的效率。因此必須尋找新的技術(shù)來支持這些轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)真正的智能化規(guī)劃。

地理設(shè)計作為一種創(chuàng)新的設(shè)計和規(guī)劃方式已經(jīng)被廣泛采用，它通過模擬、系統(tǒng)思考、數(shù)字技術(shù)等多種手段，有效地把握地理環(huán)境的影響，實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的設(shè)計。它不僅可以通過圖像、文本等表現(xiàn)形式，讓人們更加清晰地看到設(shè)計方案的實際情況，而且可以利用其強大的空間數(shù)據(jù)管理與分析功能，實現(xiàn)多次、快速的影響評估，從而持續(xù)改善設(shè)計方案的質(zhì)量。以ESRI 公司Jack Dangermond、加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校的M.F Good Child 教授、哈佛大學(xué)Carl Stein it z 教授、Geo

Design 科技公司總裁Michael Flax man 等一大批杰出的學(xué)術(shù)專家在地理、規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究與實踐的推動下，取得了顯著的成果。近年來，地理設(shè)計的概念被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如土地利用、生態(tài)環(huán)境和文化遺產(chǎn)的保護(hù)等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，ESRI 公司的城市引擎軟件已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，它能夠以腳本引擎的形式實現(xiàn)規(guī)則的設(shè)計，并且可以迅速模擬出建筑物的外觀特征。因此，本文首先分析了三維建筑規(guī)劃方案中的設(shè)計流程，然后分析了建設(shè)的布局，接著進(jìn)行了初步設(shè)計，最后對方案進(jìn)行了優(yōu)化。希望通過本文的研究，對今后的設(shè)計有一定的幫助意義[1]。

1.設(shè)計流程

地理設(shè)計注重以人的視角來探索和分析各種可能的因素，并通過綜合考慮各種數(shù)據(jù)和外部環(huán)境來實現(xiàn)最佳的設(shè)計效果。在此基礎(chǔ)上，將設(shè)計過程中最重要的設(shè)計靈感轉(zhuǎn)化為信息生成，提高了設(shè)計效率，豐富了語義信息的設(shè)計結(jié)果。這篇文章的目的是通過提供一個三維的解決方案，讓設(shè)計師能夠快速構(gòu)思出一個有效的解決方案。將使用交互式設(shè)計來模擬一個三維地理空間環(huán)境，綜合考慮三維空間、規(guī)劃條件、自然和社會經(jīng)濟(jì)條件等，根據(jù)地塊特征來制定最佳的布局。最后對這個解決方案進(jìn)行詳細(xì)地設(shè)計分析與評估。經(jīng)過精心的構(gòu)思，在專業(yè)的建筑中進(jìn)行更加精細(xì)的室內(nèi)模型設(shè)計，最終建立內(nèi)外融合，創(chuàng)造出具有語義和幾何的三維規(guī)劃作品。因此通過深入分析，提出一種新的三維建筑規(guī)劃方案設(shè)計流程和方法，以滿足當(dāng)前的需求，并將其應(yīng)用到實踐中。

2.建筑物自動布局

為了達(dá)到最優(yōu)的使用效果，采取自動化的建筑布局設(shè)計，以便在不影響網(wǎng)站整體外觀的前提下，營造出協(xié)調(diào)而又美觀的視覺氛圍。在此過程中，綜合考量各種因素，從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到細(xì)節(jié)構(gòu)思，都進(jìn)行精心的調(diào)整[2]。通過對地塊的分析，可以確定建筑物的平面布局。這種布局需要考慮三個主要因素：排列方式、限制條件和布置算法。通過這些因素，可以確定建筑物的底部和整個空間的大小。

（1）地塊，為了實現(xiàn)最佳的空間布局，地塊的規(guī)劃必須包括多項指標(biāo)，例如土地性質(zhì)、容積率、綠化率等，以便更好地控制建筑物的分布。此外，還須充分考慮地塊的自然特征，例如坡度、坡向和高程、日照條件、風(fēng)向等，促使空間合理利用。

（2）建筑布局可行域，在建筑布局的過程中，必須保障所有的空間都被納入規(guī)劃的范圍之內(nèi)，以便實現(xiàn)最佳的空間利用效果。比如，當(dāng)需要提高綠化率時，就應(yīng)該在規(guī)劃的區(qū)域內(nèi)設(shè)置中庭、草坪等綠化空間，以此來提升整體的景觀效果。

（3）排布方式，建筑空間的排布方式是一個重要的考慮因素，它不僅要考慮美觀、日照和通風(fēng)，還要考慮約束指標(biāo)，包括自然環(huán)境因素，如地形地貌、日照、風(fēng)向、視線和水源等。此外，還需要考慮經(jīng)濟(jì)人文因素，如建筑物的規(guī)模、建筑材料的使用壽命、建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、建筑物的安全性、建筑物的抗震性、建筑物的耐久性等。規(guī)劃要求和其他輔助因素，如區(qū)域經(jīng)濟(jì)狀況、人口密度、開發(fā)難度等，都是影響項目成敗的重要因素。

（4）布局算法，研究表明，當(dāng)前，許多算法都能夠自動地根據(jù)建筑的可行性，在一定的區(qū)間范圍內(nèi)構(gòu)建出合理的建筑布局。其中：①鑲嵌式算法，它把建筑物抽象為一系列的點，并且根據(jù)它們的尺寸大小，采用Voronoi圖，以最接近的原則來劃分出平面；②砌磚式算法，它模擬工匠砌磚的過程，通過設(shè)定最低水平線和最高輪廓線，來實現(xiàn)對建筑物的精確規(guī)劃，從而達(dá)到優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)的目的③利用遺傳算法模擬生物進(jìn)化的自然選擇原理，通過反復(fù)迭代和優(yōu)化，可以有效地實現(xiàn)對齊基準(zhǔn)底面的布局，從而達(dá)到最佳的結(jié)果[3]。

（5）建筑底面，建筑物的底部是空間布局信息模型的重要組成部分，它反映出建筑物的位置、大小、方向和基礎(chǔ)高度，并且可以用來決定建筑物的外觀。

（6）建筑體量，建筑空間布局還反映出建筑物的體積，因此，它也可以用來決定建筑物的總重量。通過測量建筑物的尺寸，并結(jié)合容積率、其他空間參數(shù)，可以評估出該建筑物的布局是否符合規(guī)劃要求[4]。

3.初步設(shè)計

在這篇文章中將建筑規(guī)劃方案的設(shè)計分為兩個階段：首先，將使用建筑規(guī)則引擎來確定建筑的初始形態(tài)和風(fēng)格。然后，將使用BIM 模型來對建筑進(jìn)行深入的設(shè)計。充分利用三維數(shù)字城市和測繪地理信息技術(shù)的優(yōu)勢，重點關(guān)注外立面的整體效果和景觀設(shè)計。最后，讓專業(yè)的建筑師來對內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度設(shè)計，并將其轉(zhuǎn)換為 BIM 成果實現(xiàn)建筑物的內(nèi)外一體化集成應(yīng)用。

3.1 城市引擎規(guī)則制定

建筑規(guī)劃方案初步設(shè)計的主要目的是整合相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，形成建筑物的外觀和三維形狀。通過cad、3dmax 等現(xiàn)代化的三維建模技術(shù)，可以有效地將研究對象的三維空間信息構(gòu)造及模型轉(zhuǎn)化為可操作的實體，從而提高了規(guī)劃設(shè)計的精度，同時也減少了人為操作的需求，使得規(guī)劃設(shè)計更加便捷、可靠[5]。通過ESRI 公司的城市引擎平臺和二次開發(fā)包，可以實現(xiàn)對建筑外立面形態(tài)的創(chuàng)新性構(gòu)想，并且可以實現(xiàn)實時的交互式調(diào)整。城市引擎平臺是支持先進(jìn)的三維建模技術(shù)，它利用規(guī)則和屬性來構(gòu)建出高效、精確的建筑物外觀，它不僅可以根據(jù)用戶的需求，快速、自動、大規(guī)模地創(chuàng)建出建筑物外立面三維模型，而且還具有靈活的可變性，它的關(guān)鍵步驟是設(shè)計出一套完善的建筑物形態(tài)規(guī)則，以便更好地滿足用戶的需求。

3.2 建筑規(guī)則制定

通過對建筑規(guī)劃設(shè)計方案的研究，制定了一套完善的規(guī)則，旨在幫助建筑師更好地實現(xiàn)其設(shè)計目標(biāo)，同時也使規(guī)劃具備良好的可操作性。此外，還需要根據(jù)不同類型的建筑，如城市發(fā)動機，對其進(jìn)行有效的分割，并利用先進(jìn)的軟件技術(shù)，創(chuàng)造出精準(zhǔn)、高效的模型。規(guī)則的概念其實很簡單，只需要關(guān)注兩個方面即可。首先，建筑的基本形態(tài)是能通過多種空間規(guī)律，可以有效地利用季節(jié)變化的特點，并且，建筑物的附屬設(shè)施，如屋頂、煙囪和百葉窗，也具有極高的復(fù)雜性，無法僅憑系統(tǒng)提供的規(guī)則就可以完成。針對這種情況，可以使用專業(yè)的建模軟件來一個一個地創(chuàng)建模型，并將它們按照一定的標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)出，還可以使用平面幾何來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的腳本實體提升模型的逼真度。此外可以使用紋理映射來處理建筑物的表現(xiàn)，它的基本原理是利用建筑物的樹狀層次結(jié)構(gòu)，為每個葉子節(jié)點設(shè)定適當(dāng)?shù)?UV 值和紋理路徑。通過三維建模技術(shù)，可以獲得完整的三維建筑圖像[6]。因此，建筑規(guī)則能夠被重復(fù)利用,為其他建筑的規(guī)劃設(shè)計提供指導(dǎo)。因此,建筑規(guī)則制定為設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計過程提供強有力的理論支撐，經(jīng)驗的過程,意義重大。

3.3 建筑規(guī)則庫的建立

在城市引擎的過程中，生成規(guī)則的結(jié)果不是單一的建筑物三維模型，最重要的是規(guī)則腳本語言CGA 文件，CGA 文件具有極高的實用價值，它能夠根據(jù)特定的規(guī)則參數(shù)，創(chuàng)造出各種各樣的建筑風(fēng)格。此外，CGA 文件還具有可重復(fù)使用的特性，能夠滿足各種場合的需求，使得城市建筑物的設(shè)計更加靈活多變。通過構(gòu)建一個完善的建筑規(guī)則庫，不僅能夠幫助積累豐富的設(shè)計經(jīng)驗，而且還能夠為交互式設(shè)計提供多種可調(diào)整的參數(shù)，以滿足不同的需求。構(gòu)建一個完善的城市建筑規(guī)則分類體系，以滿足不同類別和風(fēng)格的要求，實現(xiàn)多種形式的建筑規(guī)則，并且通過相應(yīng)的參數(shù)來實現(xiàn)交互式設(shè)計更好地滿足各種需求。

4.方案優(yōu)化

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，知識經(jīng)濟(jì)時代的到來給建筑規(guī)劃設(shè)計帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的建筑規(guī)劃設(shè)計方法已無法滿足當(dāng)今社會的需求，因此，許多新的、復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)載體需要被開發(fā)，以滿足現(xiàn)代社會的需求。地理設(shè)計的發(fā)展可以讓人們更好地利用地理環(huán)境的特征、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的思維來制定有效的建筑規(guī)劃。它可以直接顯示設(shè)計的視覺效果，并依賴于良好的空間數(shù)據(jù)分析管理功能，為最終的方案提出優(yōu)化建議[7]。

4.1 評價體系

具體而言，建筑規(guī)劃方案評價體系包括多個方面。在建筑規(guī)劃方案設(shè)計中，需要設(shè)計人員、決策者和用戶之間進(jìn)行有效的溝通，以保障模型的可靠性、可操作性和可持續(xù)性。為此，必須建立一套完善的評估體系，以便從空間、經(jīng)濟(jì)、安全等多個角度對方案進(jìn)行全面地評估和分析。一般來說，建筑規(guī)劃方案評估體系涵蓋了多個維度。

（1）空間評價，利用GIS 分析技術(shù)，實現(xiàn)二維層面的常規(guī)分析，如拓?fù)浞治觥B加分析等，以及三維層面的視域、日照、天際線等分析，在三維地理環(huán)境下直觀獲得效果反饋；

（2）安全評價，基于地上地下一體化的地質(zhì)、工程數(shù)據(jù)集成，可以進(jìn)行進(jìn)一步完成地質(zhì)災(zāi)害和工程安全性評估；

（3）經(jīng)濟(jì)評價，通過實時的數(shù)據(jù)分析，可以準(zhǔn)確估算出地形因素、容積率、綠化率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并將其與城市和農(nóng)村的規(guī)劃要求相比較，從而更好地滿足市場需求。

（4）環(huán)境影響評價，利用GIS 疊加分析技術(shù)，綜合評估建筑規(guī)劃方案建成后可能帶來的生態(tài)影響，包括但不限于水系、濕地、道路、氣候等，并進(jìn)行相應(yīng)的生態(tài)敏感性評估，從而獲得客觀準(zhǔn)確的評價結(jié)果，為建筑規(guī)劃的優(yōu)化提供有力的依據(jù)。

（5）景觀評估，旨在根據(jù)不同的環(huán)境條件，如尺寸、顏色、外觀等，以及其他可能的因素，綜合考慮后，最終確定最佳的方案[8]。

4.2 實時優(yōu)化

通過采用交互式設(shè)計方法，可以實時調(diào)整和動態(tài)構(gòu)建建筑規(guī)劃方案，從而使其具有更高的效率和準(zhǔn)確性。這種方法不僅可以保證設(shè)計結(jié)果的幾何形態(tài)和對象語義的一致性，而且還可以有效地支持實時調(diào)整，從而使得建筑規(guī)劃方案的前期環(huán)節(jié)更加高效、精準(zhǔn)。當(dāng)設(shè)計規(guī)則腳本時，會為建筑物設(shè)置一系列的參數(shù)，例如建筑高度、建筑層高、屋頂樣式和建筑外墻顏色?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)這些參數(shù)來實現(xiàn)建筑的三維形態(tài)的實時變化，通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)來達(dá)到三維形態(tài)實時效果。

5.深化設(shè)計及建筑室內(nèi)外一體化展現(xiàn)

在建筑工程領(lǐng)域，深化設(shè)計是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求設(shè)計師具有綜合的素質(zhì)、和工作經(jīng)驗。對于傳統(tǒng)的建筑室內(nèi)設(shè)計要具有創(chuàng)新精神，及時找到其中需要優(yōu)化的問題和缺陷，充分利用地理信息數(shù)據(jù)、工具和方法，并且以人的主觀能動性為核心，來完成建筑室內(nèi)外一體設(shè)計。以下體現(xiàn)了深化設(shè)計及建筑室內(nèi)外一體化的部分內(nèi)容。

5.1 基于BIM 的建筑物室內(nèi)深化設(shè)計

建筑深化設(shè)計是指通過深入的設(shè)計，可以更好地理解和利用建筑空間，為人們提供舒適的生活環(huán)境。這一過程包括了場地規(guī)劃、布局和外觀設(shè)計等步驟。BIM技術(shù)的出現(xiàn)，使得建筑設(shè)計的效率和質(zhì)量大大提高。它是一種用于建筑物的三維數(shù)字化技術(shù)，可以幫助建筑師更好地理解建筑結(jié)構(gòu)，并且能夠更快地完成建筑設(shè)計。隨著數(shù)字城市的發(fā)展，BIM技術(shù)正在逐漸取代傳統(tǒng)的二維建筑設(shè)計圖紙。根據(jù)前期的規(guī)劃，對建筑的外觀、高度和樓層進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了更加精細(xì)的設(shè)計。這些細(xì)節(jié)涵蓋了建筑的基本尺寸、入口、陽臺和屋頂?shù)牟季?，從而實現(xiàn)了整個建筑的美觀和舒適。通過分析現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和場地情況，可以制定出一個完整的建筑方案。在設(shè)計過程中，會考慮到建筑物的采光和通風(fēng)情況，并對方案進(jìn)行優(yōu)化[9]。因此，基于地理設(shè)計的三維建筑規(guī)劃設(shè)計不僅豐富了設(shè)計成果的語義信息，而且有效地提高了設(shè)計效率，促進(jìn)了建筑業(yè)的發(fā)展。

5.2 建筑室內(nèi)外一體化展現(xiàn)

在深度設(shè)計的過程中，將建筑的空間信息轉(zhuǎn)換成構(gòu)件信息模型，并從中提取出它們的位置坐標(biāo)、形狀。這些信息會被轉(zhuǎn)換成三角面片的結(jié)構(gòu)，并使用唯一的ID 編碼來連接它們。這樣，就能夠在三維地理環(huán)境下，讓建筑的室內(nèi)外都能夠得到完美的呈現(xiàn)。通過將室外表面模型和室內(nèi)建筑構(gòu)件模型完美結(jié)合，使得它們的幾何特征和語義信息完全一致，從而實現(xiàn)三維數(shù)字城市的微觀、精細(xì)的應(yīng)用，也為實現(xiàn)基于室內(nèi)空間的智慧城市的發(fā)展提供了可行的解決方案。

6.平臺研發(fā)

通過對傳統(tǒng)的三維地理環(huán)境下的建筑規(guī)劃方案交互式設(shè)計模型的改良，創(chuàng)建了一個新的平臺，其結(jié)構(gòu)由四層組成，其中（1）數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)收集和處理基礎(chǔ)空間信息、建筑規(guī)范、建筑結(jié)構(gòu)部件等，以及其他相關(guān)的數(shù)據(jù)。（2）引擎層，由三種不同的引擎組成：一種是專為三維數(shù)字城市而設(shè)計的，另一種是二次開發(fā)的，以滿足不同的需求。（3）服務(wù)組件層，由多種服務(wù)組件組成，它們可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫、交互、三維展示以及指標(biāo)的計算，為應(yīng)用層提供更加完善的服務(wù)。（4）應(yīng)用層，是一個完整的三維數(shù)據(jù)庫，它包含多種功能，如瀏覽、分析、查詢、布局、設(shè)計、評估，以及各種界面和功能，可以滿足不同的需求。它可以幫助規(guī)劃設(shè)計人員在三維地理環(huán)境中進(jìn)行交互式的建筑規(guī)劃，包括但不限于：建筑的布局、形態(tài)設(shè)計、實時的評估以及交互式的調(diào)整，還可以將室內(nèi)外的元素融合在一起，并且可以對室內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行信息的查詢和分析。通過改變傳統(tǒng)的設(shè)計流程，能夠更加直觀地展示信息，避免語義信息的遺漏，并能夠快速地進(jìn)行方案調(diào)整。

結(jié)語：

總而言之，在建筑規(guī)劃方案設(shè)計中設(shè)計者需要充分利用他們的專業(yè)技能、豐富的經(jīng)驗、敏銳的洞察力以及豐富的想象力，以便更好地實現(xiàn)其獨特的設(shè)計目標(biāo)。相比于傳統(tǒng)的草圖繪制或CAD 圖形的繪制，會花費大量的時間與精力進(jìn)行多種設(shè)計思路的融合，地理設(shè)計的核心思想強調(diào)了人的主觀能動性，并且通過地理信息數(shù)據(jù)、技術(shù)手段以及其他相關(guān)資源，努力構(gòu)建一套將科學(xué)知識與實際應(yīng)用相結(jié)合的空間規(guī)劃模型。通過將設(shè)計靈感和思維與信息的派生相結(jié)合，利用虛擬三維地理環(huán)境來實現(xiàn)交互式設(shè)計，從而大大提升設(shè)計效率，豐富設(shè)計成果，并且為未來的智能化應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。