面向实践的城市三维模型自动生成方法_以北海市强度分区规划为例_孙澄宇

随着我国城市化进程的不断推进，城市土地资源越来越稀缺，高 强度开发模式成为了一种常态。国内绝大多数城市，在城市总体规划 划定的建成区范围内，做大面积甚至是满覆盖的控制性详细规划，这 是一种普遍现象，但也存在一定弊端 ( 讨论弊端已超出本文的范围 )。 在规划管理理念相对先进的城市，开展了强度分区规划，该规划的主 要内容是对容积率、 建筑高度等开发强度指标， 提出相对刚性的规定， 作为控制性详细规划的依据，覆盖范围更大、更满，可以克服大范围 编制控制性详细规划的盲目性 1。 在实践中，规划师需要面对各个强度分区，推敲相关指标的各种 分布设定，优化其所对应的具象三维城市形态与各种物理环境性能。 该过程必然包含从抽象开发强度指标到具象三维建筑形态的生成工 作。这里所需要生成的形态，不同于城市设计或建筑设计阶段所追求 的具有艺术属性的形态，它仅需要符合人们对给定指标下“一般”建 筑群的普遍认识既符合开发强度指标的约束，又符合当地的常用 建筑规范，还要符合市民对相应建筑类型的基本判断。 长久以来，这项从指标到形态的生成工作都是由设计单位的大量 设计人员手动完成的，弊端十分明显当主创设计师要成片调整各 街坊的指标设定时，上述手动过程需要重新来过，工作量巨大，直接 影响设计推敲调整的积极性，对各种性能分析的优化迭代更是无从谈 起，这最终制约了设计的质量。 2015 年底，笔者开始在广西北海市开展强度分区规划的编制工 作，对上述问题的解决进行了尝试，即通过对当地典型街坊案例与规 范的广泛调研， 提出适应北海实践的三维建筑模型批量自动生成方法。 它针对北海市“弱日照、强通风”的特点，有效地支撑了设计师对强 度指标分布的多轮迭代优化，并通过以其为基础的多轮风廊道性能计 算，把此次规划编制的质量提高到了一个新的高度。 1 建筑形体的自动生成研究 这里所关注的从抽象指标到具象形态的自动生成方法，属于建筑 学与计算机科学的交叉领域。一般来讲，自动生成方法会采用类似类 型学的方法，即通过案例研究，先由设计者总结出多个基本建筑形态 的类型原型，每个原型以一组变量来描述； 在确定自动生成的条件后， 先选择恰当的原型，再由计算机程序在相应参数组所限定的多维空间 中，搜索出符合条件的一个或多个实例，即完成自动生成与由人 面向实践的城市三维模型 自动生成方法 以北海市强度分区规划为例 A Practical Approach to Generating 3D City Models A Case Study of the Density Zoning Project in Beihai 孙澄宇 Sun Chengyu 罗启明 Luo Qiming 宋小冬 Song Xiaodong 谢俊民 Xie Junmin 饶鉴 Rao Jian 作者单位 同济大学建筑与城市规划学院 ( 上海，200092) 收稿日期 2017/02/20 国家重点研发计划项目 (2016YFC0700207) 摘 要 以北海市强度分区规划项目实践为例，介绍了 一 套从街坊容积率、限高、建筑密度等强度开发指 标，到城市三维模型的计算机自动生成方法，以 及由其支撑的城市尺度下风廊道性能计算工作流。 它面向规划实践 “任务明确、时间紧”的特点， 在街坊、组团、建筑单体3 个层面采用了 “调研 设计案例、建立数学模型、搜索多解空间”的研 究范式，尝试建立层级化的参数原型系统，为在 实际项目中通过原型积累，来不断缩短研发时间 奠定基础。 关键词 街坊； 指标可视化； 自动排列； 生成设计； 强度 分区规划； 城市三维模型 ABSTRACT This paper introduces an automatic approach to generating 3D city model from a set of land-use indexes, including FAR, height limit, and building density, as well as a following performance-based optimization of wind corridor, which is applied in a density zoning project in Beihai. Confronting clear targets and tight schedules, it adopts a research paradigm of “case analyzing, computational modeling, solution searching” on three levels, namely street blocks, building groups, and individual buildings, to develop a hierarchy of parametric prototype system, so that prototypal accumulation reduces time to modify the system for a new project. KEY WORDS street block; index visualization; automatic layout; generative design; density zoning; 3D city model 077ARCHITECTURAL JOURNAL 类建筑师进行的“找形” 2 过程的本质十分 相似。这里存在“设计原型”与“解搜索” 两个关键问题。 “设计原型”属于建筑师的专业范畴， 即根据设计意图，通过定义一系列几何元素 特征及其间约束关系，来设计出一个可以在 一定范围内产生形变，以适应外界条件变化 的“原型” 。在目前已有的设计实践中，对 它的定义可以通过计算机程序代码或是可视 的参数化建模工具完成 3 ； 定义的逻辑结构 可以是串行的、并行的、递归的 4 ； 定义对 象可以直接针对形态的几何属性与特征，如 基于参数化特征建模技术(parametric feature based modeling) 5，或是通过针对形态生长 的规则参数而间接影响最终形态的特征，如 元胞自动机 (cellular automata)、形式语法 (shape grammar)等具有时间属性的方法 6。 但无论如何，上述这些方法的核心都是用一 组参数去映射一个形体 ( 随机数也可以是一 种参数 )。这种思想的根源可以追朔到西方 对于柱式的比例化描述、对于立面构图的种 种经典约束 7。 “解搜索”发端于约翰弗雷泽 (John Frazer) 等人，在 20 世纪末的建筑实践 如 诺曼福斯特 (Norman Foster) 的不列颠博 物馆大中庭(Great Court in British Museum, 1994-1997) 引入了以遗传算法 (genetic algorithm) 为代表的一批计算机领域的“解 搜索”算法 8。根据计算机领域的定义，任 何一个由 N 个参数映射出的解，可以被看 成是在 N 维抽象空间中的一个点，而任何 求解过程则可以被看作是在所有潜在解的集 合，即 N 维的解空间中，搜索符合要求的点 或点集的过程 6。计算机科学为这种“解搜 索”提供了多种算法，于是它们很自然地就 被应用到了对于“设计原型”的目标参数组 的求解过程中， 来完成生成， 即自动“找形” 。 随着算法的不断演进， 上述“设计原型” 中的一些具有时间属性，且对形态生长规则 进行参数定义的方法，逐步演进出了一定的 “解搜索”能力，例如，目前炙手可热的“涌 现 (emergence)”方法 9。它基于“多代理 系统 (Multi-agent System)”理论框架， 通过 构建一群具有互动能力的个体 ( 基本行为规 则以参数形式定义 )，允许其在一定的时间 内不断相互协调应变，最终令其群体分布展 示出一种适应外部约束的生成结果。这里的 “设计原型”实例化的过程与“解搜索”的 过程合二为一了。 显然，无论上述哪种情况，建筑师定 义“设计原型”总是先于计算机的“解搜索” 计算，这使得前者总是从根本上限制了后者 找出“解”的可能性与特征。因此，由建筑 师主导的“设计原型”定义工作当之无愧地 成为了整个自动生成的核心。他们在定义时 的主观意图也直接限制了其生成成果的特征 与应用。长期以来，国内外不少研究者出于 各种意图， 开展了多种自动生成方法的研究。 国外学者约翰杰罗 (John Gero) 等在 1990 年代末的单元式住宅平面自动生成方 法研究 10 是该领域中较早的范例，其首先 调研获得住宅平面的组成元素即房间的各种 规格、房间之间的相邻组合逻辑，定义了能 够演化出各种单元居住平面的“设计原型” ， 然后用遗传算法从一大群随机组合的方案开 始，迭代找出符合多个优选指标的方案，基 本确立了“调研设计案例、建立参数原型、 搜索解空间”的设计生成研究范式，但由于 该研究的初衷是以算法计算替代设计师的创 作，所以当遗传算法在面对设计中常见的多 维评价体系难以招架时，研究也就停滞了 ； 杰哈德舒米特 (Gerhard Schmitt) 等人也提 出了在大规模城市设计中对街区成片自动生 成的方法 11，此研究则强调运用“形式语法 (shape grammar)” 这种由参数控制生成过程 的算法，去探索特定城市空间形态的内在逻 辑，而非从建设体量指标逆向生成形态 ； 卢 卡卡内帕罗 (Luca Caneparo) 等人提出以 “多代理系统”算法为核心的城市空间生成 方法 12，而其焦点在于构建规划师与算法 之间的实时互动，即实时展示规划师的每个 决策对城市空间在时空维度上的影响，但就 从某个决策到城市形态的生成逻辑而言，尚 停留在“元胞自动机”算法的示意性层面 ； 云蔻 易 (Yun Kyu Yi) 和阿里 马卡威 (Ali. M. Malkawi)提出基于层级几何模型的街坊内建 筑节能生形方法 13，主要解决了从热工性 能计算逆向优化街坊环境中的建筑外形的自 动生成问题。从上述国外研究成果来看，其 核心的“设计原型”所反映出的主观意图、 算法背后的约束机理，都与本研究的初衷差 异巨大，难以应用。 国内，同济大学宋小冬在 2010 年，尝 试在现行日照标准约束下进行计算机自动生 成住宅建筑布局，其“解搜索”过程的核心 为“打包算法” ，得到的结果与常识中的住 宅排布尚有差距 14 ；华中科技大学的凌玲 在 2013 年根据住区建筑物需要考虑的日照、 消防等约束，构造了建筑布局的数学模型， 实现了矩形地块中建筑物的行列式和周边式 自动快速布局 15，但尚无法满足设计实践中 多种地块形状的需求； 东南大学的李飚以 “类 矩形基地剖分”方法为基础，进行了建筑生 成设计，将任意给定的建筑地形细分为多个 近似矩形，再在其中以自适应方式插入具有 中国传统民居特征的建筑群，生成覆盖全部 基地的建筑街区 16，其关注点更多地在于 形体自身，而非从建筑体量指标到形体的逻 辑。显然，这些研究成果与本研究所指的大 批量、指标约束严格、应用语境特定、周期 有限的实际设计工作中的自动生成之间，尚 有明显的主观意图差异，直接造成了其背后 的“设计原型”无法满足本研究。 由于本研究旨在 ： 针对目前国内日趋增 加的城市强度分区规划实践需求，提出一套 步骤明确可行的三维建筑群体自动生成方 法。即这里的街坊建筑体量模型的“设计原 型”定义、 “解搜索”算法都必须符合设计 实践的客观要求“任务明确、时间紧” 。 前者体现在对于常见街坊类型的抓大放小 上，体现在紧扣控规文件对于每个街坊的约 束指标上 ； 后者则体现在不苛求各种极限情 况，不使用随机数，而严格控制在普通个人 电脑上的单次计算时间，确保满足设计实践 的要求。这种定位与目前基于高性能计算的 人工智能主体(如围棋界的AlphaGo)有着本 质性的区别。 纵观 2017 年 6 月 3 日在深圳发布的人 工智能建筑师“小库 XKool”(www.xkool. org)， 图文并茂地宣称， 运用了人工智能技术， 使得计算机能够在大量案例的学习基础上， 完成一些街坊尺度下的建筑群自动生成，一 建筑学报 2017 08 设计研究 Research on Design 078078 群建筑师与开发商争相追捧。虽然，其能力 与原理还有待学界的认可，但不难看到，在 人工智能大行其道的时代，基于各种计算机 算法、出于各种主观意图的建筑模型甚或是 设计的自动生成，将会是建筑界在未来几十 年中的热点问题之一。而本研究仅是在这一 方向上的又一种探索，从作业流程上阐明建 筑师在自动生成过程中透过“设计原型”而 发挥的决定性作用。 当然本研究的阶段性成果，已经能够透 过其在北海案例中的应用过程，为同类实际 问题的解决提供思路。同时，虽然这里以强 度分区规划为服务对象，但是采用的方法对 于大范围、满覆盖的控制性详细规划工作也 具有借鉴意义。 2 北海案例中基于自动生成的设计工作流 本次实践案例的研究范围为广西北海市 半岛区域， 即总体规划确定的中心城区范围， 规划面积 386.4km2。预计到 2030 年建设用 地面积约 160km2，人口约 145 万人。重点 研究居住和商业服务业设施用地的开发强度 控制，按五级设置。整个规划的编制针对北 海市“弱日照、强通风”的特点，提出了以 城市风廊道优化为重要目标的设计理念。为 了达成这一目标，采用了“配置与优化强度 指标生成三维模型风廊道性能评 估”的循环迭代工作方式。其中的“生成三 维模型”环节即采用了从指标到模型的自动 生成方法，这里进行详细介绍。 2.1 基于当地情况的自动生成方法 面向规划实践的城市三维模型自动生成 方法，在具体实施上，针对实践工作“任务 明确、时间紧”的特点，一方面，针对“街 坊、组团、建筑单体”3 个层面的问题分别 应用上述范式，以建立相对独立的原型 ( 可 在算法中以参数控制的数学模型 )，以便日 后在其他项目中重复使用，不断提高工作效 率 ； 另一方面，并不追求对于多解问题进行 无计算时间限制的最优解搜索，而是强调在 实际工作可接受的计算时间范围内，对一般 可行方案的快速生成。这里所介绍的北海市 项目，仅作为这一构想的起点，展开探索。 1) 街坊边界原型调研与选择 在时间有限的设计实践中，不能对自动 生成算法求全责备，所以首先需要通过对当 地情况的调研，抓住问题的主要方面，即挑 选出若干最具代表性的街坊边界原型。如在 北海市市域范围内的 334 个街坊中，选择了 最主要的矩形、梯形 ( 含平行四边形 )、L 形 3 种街坊边界原型 ( 图 1)，作为自动生成算 法的攻克目标。 2) 街坊内组团的分区情况调研与参数原 型建立 通过调研还可以发现，上述 3 种街坊边 界原型中，每个都包含了多种内部建筑组团 的分区组合形式。这里定义街坊内的一个建 筑组团占用一个“分区” ，其中的建筑单体 排布符合同一组参数设定。而这样的分区在 北海调研中存在 6 种原型，每种原型的边界 定义都由一组参数控制 ( 图 2)。他们独自或 者通过各种排列组合，就可以组成上述所选 择的 3 种街坊，如 L 形街坊边界可以由多种 分区原型组合而成 ( 图 3)。 3) 典型建筑单体调研与原型库构建 由于年代较新的当地建筑一般会符合所 在城市管理中的各种技术规定与隐性偏好， 所以在调研中，团队还按建筑类型搜集了大 量新建建筑单体底部轮廓，这里主要针对自 动生成应用中常用的住宅与办公，为其构建 了单体原型数据库，关联记录了建筑类型、 高度、层数、标准层面积、单体轮廓的面宽 与进深 ( 图 4)、在该包络矩形内的实际建筑 面积占比等信息。 4) 城市相关法规取值调研 国内城市的规划管理部门一般都编有 城市规划技术管理规定 ， 北海市也不例外， 其中的大量定量化条款都成为了自动生成算 法中的约束条件。例如，几乎所有此类文件 都规定有 ： 各类建筑在不同相对位置关系与 朝向夹角下的建筑高度与间距公式，就可以 直接转换为生成建筑群时的约束条件。 5) 街坊边界与指标获取 强度分区规划的工作载体是标有强度开 发指标的用地图，里面包含了所有需要生成 的街坊边界与强度控制指标 ( 图 5)。团队在 Rhino 平台中，对导入的 dwg 图纸进行自 动处理 ： 针对特定图层上的街坊边界，完成 3 分区原型的多种组合 1 北海街坊原型占比 2 北海街坊 6 种分区原型 ( 在各个原型中，参数 a 指面宽方向 的长度， 参数 b 指进深方向长度， 参数 与 都是相邻边的 夹角 ) 矩形地块 48% 梯形地块 18% L 形地块 9% 凸五边形 4% 其他形状 17% 凹六边形 2% 凹五边形 2% 4 单体原型库举例 矩形分区 (, a, b) 凹形分区 (, a0, a1, a2, b1, b2) 凸形分区 (, a0, a1, a2, b1, b2) 梯形分区 (, , a1, a2) L 形分区 (, a1, a2, b1, b2) 回形分区 (, a0, a1, a2, b0, b1, b2) b a a1 a1 a1 a1 a1a0 a0 a0 a2 a2a2 a2 a2 b2 b2b2 b2 b0 b1 b1b1 b1 d d d w w w 自动封闭多段线整理、边界范围内指标标注 对象的自动拾取、多段线唯一标识与指标数 据的关联储存于 Excel 表中 ( 表 1)这样 就可以为后续自动生成准备好基本的输入数 据。同时，由于可以直接自动识别设计实践 079ARCHITECTURAL JOURNAL 5 输入边界与指标的图纸 6 理想边界与基本退界7 L 形的 3 种分区方案 照城市规划技术管理规定中对相应地块 的建筑密度上限 Dmax，能够生成出结果的建 筑密度 D 需要符合公式 1。 D 可以变化的范围越大，生成结果就越 丰富，反之解的数量就越少。在实践中，可 以根据这一范围的大小，来为后续自动生成 采取不同策略，如进一步分区等。 DmaxDFARmaxH层高Hmax (式1) 8) 街坊分区方案的选项生成 如果通过上述估算，D 具有较大的变化 空间，且街坊面积较大，算法就会根据调研 得到的案例统计值，在街坊边界内生成多个 自动分区方案 ( 图 7)。否则，整个街坊就作 为一个分区处理。 9) 分区方案的选定 针对上述自动分区方案中的每个分区， 根据其类型所对应的不同参数，分别实行标 准行列式下的最大开发强度预生成 ( 图 8)， 建筑单体则从单体原型数据库中按符合分区 要求下的最大总建筑面积原则进行选取。各 分区汇总后的街坊最大总开发量与指标所要 求的总开发量之间的差距，作为判定该自动 分区方案合理性的指标。算法被设计成在前 者大于后者的多个方案中，取最接近平均值 所对应的自动分区方案。由于该方案已包含 对各分区的预生成，因此各分区的最高指标 也已确定，算法会以此为上限，按比例向下 表 1 自动生成的 Excel 表 边界代码用地 面积 (m2) FARmax Dmax Hmax d16d5ab5-45dc-4ec4-bcb7-f9567d56dd34 R21 153923.50.2660 3e9264dd-36da-4516-a18e-b30bb7daf958 R21 175863.50.2660 baa1d874-05e5-4b94-989c-a3493ecd97aaR21 165433.50.2680 a6bb0515-7e6c-4153-838a-4fb6edd8f67dR21 682133.50.2480 8 各分区的行列式排布 9 4 种基本排布原型 标准行列式 纵向错位行列式 横向错位行列式 周边式 10 单街坊自动生成结果 为 L 形。如图 6 上图，一个实际街坊边界的 封闭多段线 PEDCBA，具有六条边，且在给 定容差范围内有边界 PE、DC、BA 为一组 平行边，边界 ED、CB、AP 为另一组平行边， 就可以将其自动识别为 L 形街坊。 然后，对于识别出的边界类型，需要求 出一个不超出其范围，且面积最大的理想 边界。如图 6 中图，多边形 PED C B A。同 时，根据每个街坊的用地类型、最大容积率 指标、限高指标，可以初步推断出其建筑的 基本退界要求，用来进一步限定该街坊内可 用于自动生成的几何范围为后续的自 动生成做好了准备。如图 6 下图，多边形 P0E0D0C0B0A0定义的虚线范围。 7) 指标估算与自动生成的策略选择 在街坊可用于自动生成的几何范围内， 针对指定的开发强度指标，需要在自动生成 前做一次指标估算， 以采取不同的生成策略。 强度分区规划实践中，开发强度指标只提供 了街坊的最大容积率 Fmax与限高 Hmax，再参 中的常见成果， 无需设计人员进行额外操作， 所以也就将自动生成流程无缝地嵌入到了设 计实践中。 6) 街坊边界的识别与准备 由于在上述自动获取的实际设计数据 中，既包含了矩形、梯形、L 形，及其他各 种街坊边界类型，还普遍存在着实际边界类 型与理想参数形状有偏差的情况，所以需要 先后进行边界类型的自动识别、边界类型的 理想化准备两项工作。 在实际工作中极少存在完全符合几何定 义的矩形、梯形、L 形街坊边界，所以自动 生成算法会首先根据用地图中的封闭多段线 的边界数量、其中平行边检验的结果、相邻 平行边组之间的夹角等信息，来自动识别出 3 种边界类型 ： 在算法设定的平行与直角容 差范围内，四条边中存在两组两条平行边界 且相互之间成直角的为矩形、四条边虽不符 合矩形标准但存在至少一组两条平行边界的 为梯形、六条边中存在两组三条平行边界的 矩形 L 形 凸形 I 梯形 I 凹形 I 凸形 II 梯形 II 凹形 II 回形 建筑学报 2017 08 设计研究 Research on Design 080080 微调各分区分配到的子指标，最终确定自动 分区方案。 10) 建筑单体高度的削减与排布调整 对于上述已确定的自动分区方案中的每 一个分区，算法根据其子指标，选用最基础 的排布原型 ( 标准行列式、横向错位行列式、 纵向错位行列式、周边式，图 9) 之一，开 始从建筑单体原型库自动试用不同选项，获 取一组符合分区子指标的自动生成结果。这 样，就逐个分区完成了从指标到三维形态的 生成任务 ( 图 10)。算法被设计成可以对单 体作一定范围内的减层调整，以在设定容差 范围内贴近子指标。最终调整结果所对应的 生成参数和实际指标被存回 Excel 表的对应 数据行。 2.2 生成成果的使用 上述自动生成过程，始于在用地图上对 特定图层的选定，而终于三维城市模型 ( 图 11)，以及同时被保存在 Excel 表中的相应参 数与指标记录。这可以用来校验最终生成的 建筑开发总量与设定指标之间的吻合程度 ； 还可以随时通过修改表格中的自动生成控制 参数取值， 对一个或多个街坊进行更新生成， 便于规划实践中的推敲与调整 ； 此外，在异 地协同工作时，也仅需要传递表格，而非巨 大的三维模型文件即可。 2.3 基于生成模型的风廊道性能计算应用 正因为此次北海规划采用了上述自动生 成方法，原来需要几天才能完成的从指标到 模型的手动生成工作，现在可以在 1 小时内 完成。这为此次强度分区规划，能够抓住北 海市“弱日照、强通风”的特点，开展多轮 风廊道性能计算，提供了强有力的支撑。谢 俊民教授的“风廊道”快速算法 17，可以 以生成的模型为载体，迅速在几小时内完成 对市域范围的风廊道计算 ( 图 12)，然后针 对多个季节的风向交汇关键区域，采取多指 标方案的比选 ( 图 13)。 3 结语和展望 研究展示了一种在实际强度分区规划工 作中明确可行的，从抽象指标到具象形态的 自动生成方法，经过北海项目的实际检验， 确实大大提高了工作效率，为谋求对城市形 态的把控与风环境性能的优化提供了有力的 支撑。这一探索为国内城市开展强度分区规 划，甚或是大规模的控制性详细规划，提供 了有力的技术方法支撑，更是为现有的城市 规划引入各种基于三维模型的分析应用提供 了途径。 当然，由于北海的地理位置原因，目前 的自动生成方法中，并未针对高层居住建筑 的日照进行精确的约束，而是通过满足当地 技术规定中的建筑间距控制来间接达成。这 虽然不影响北海项目的科学性，但对于国内 其他城市的应用是一个不可回避的问题，所 以在后续研究中将逐步予以解决。 参考文献 1 薄力之 , 宋小冬 . 建设强度分区决策支持 研究以杭州市为例 J. 城市规划学刊 , 2016(5): 19-27. 2 黄蔚欣 , 徐卫国 . 非线性建筑设计中的“找 形”J. 建筑学报 , 2009(11): 96-99. 3 孙澄宇 . 数字化建筑设计方法入门 M. 上海 : 同济大学出版社 , 2012. 4 王文栋 . 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