面向城市设计的参数化三维建模方法初探

唐相桢

(重庆市勘测院，重庆 400020)

1 引言

城市设计贯穿于城市规划的全过程［1］，是对城市空间形态和环境所做的整体构思和安排。如何将规划设计师的设计意图在三维空间中直观形象地表达，同时提供高效、实时的评估分析及反馈机制，成为目前城市设计领域在传递设计意图、优化设计成果方面亟待解决的问题［2］。

目前城市设计三维模型多是采用3ds Max、Multigen Creator等三维建模软件制作。这种模式存在的问题是:①耗费大量的人力，并对人员对建模软件的熟悉度有要求，需要投入大量建模学习成本。②三维设计方案可调节性低，灵活性差，更新频率得不到保证。③功能较单一，未真正在城市设计过程中起辅助决策作用，这些问题大大制约了三维地理信息技术在城市设计的应用与发展。

Esri CityEngine［3，4］作为国际上优秀的三维城市建模软件平台，广泛应用于数字城市、城市规划、游戏开发和电影制作等多个领域。在城市设计中，CityEngine可以利用二维数据快速创建三维场景，并能实现“所见即所得”的交互式规划设计。本文以重庆市大渡口钓鱼嘴片区三维城市设计全过程为例，基于CityEngine实现了城市设计成果参数化三维建模，为大规模、高重复度的城市设计三维空间形态化提供了一种行之有效的新思路。

2 工作方法

2.1 前期调研

重庆市大渡口钓鱼嘴片区是重庆市主城区唯一尚未开发的江岸半岛，片区约 7.9 km2，将建设成为一个“生态文化之区，山水宜居之城”。规划中，按照南北把钓鱼嘴分成4个片区、7个中心，包括太阳城、中心广场、月亮湾广场、会议中心、白居寺公园、钓鱼嘴公园、滨江公园。

根据设计方提供的片区设计总平面图，对不同设计要素进行详细分析，了解片区设计理念与定位，为下一步的实现设计方案三维可视化打下基础。

2.2 建模流程

结合传统城市设计三维建模流程及方法，通过对道路、建筑、景观等对象的结构特点进行分析，制定相应的形状文法规则［5，6］，并将规则应用于点、线、面等场景形状，即可实现城市设计三维空间形态化。

将城市设计三维建模流程全过程分为6大步骤，详述如下:

第一步，提取出总平面图中道路中心线，通过道路中心线生成tin网格，经格式转换为地形tiff文件;导入tiff地形到CityEngine，为城市设计三维模型提供高程参考。

第二步，提取出总平面图中居民地、植被、水系，分层导出为shp文件。其中建筑底面的shp文件中属性字段需含有建筑高度。

第三步，通过道路中心线构建道路路网，同时生成街区地块。第四步，建立不同风格的建筑和景观、道路规则。第五步，分类导入shp文件到场景，确定片区建筑、景观平面位置。

第六步，将已建立的规则应用到对应的场景形状，即可实时生成建筑、道路和景观三维模型。

第七步，优化城市设计三维场景，包括场景整体色彩和谐度、街区地块形状优化。

三维规则建模流程如图1所示:

图1 全过程三维建模流程图

2.3 建模规则

实现城市设计三维空间形态化，关键在于建立城市空间三维模型，其落脚点在于制定城市空间对象规则。三维设计场景中任意一种空间对象都需对应到一个规则约束。将同一规则映射到同类对象上，即可实现批量建立复杂参数化驱动的精细三维模型。

通过对现实中的空间对象进行系统分析，总结出三大类对象规则，包括道路规则、建筑规则、景观规则。

道路由一系列要素组成，将其抽象为模型的整体，分别包括路基、边坡、附属设施等组件。针对不同的功能组件，编写形状文法，以参数化的方式驱动建立三维模型对象。

景观可分为点状景观、线状景观、面状景观。根据这种分类方式，建立三类景观小品规则，其特点是导入已建立的三维精细模型替换矢量要素，比如，点状要素提供位置信息、平移、缩放和旋转的属性，以建立好的模型代替点状要素，适用于城市塑像、古树、电话亭等点状小品。

建筑是影响城市空间形态的重要因素，针对建筑风格和特点，本文提炼出15种不同风格建筑规则，分门别类适用于居民区、商业区、休闲别墅区。

下面对建筑物建模规则详细阐述。

通过建筑物底面拉伸、表面拆分、屋顶几何变换等空间规则的组合迭代细化，将其分解为门、窗、墙体、屋顶等基本要素，通过参数化方式确定基本要素的几何尺寸，同时赋予各部件相应的纹理贴图，组合形成建筑物精细三维模型，其拆分过程如图2所示。

通过制定城市空间对象规则，在城市设计过程中，调整对象所关联的规则参数，即可实现三维形态的变换。建筑物规则参数，一般包括建筑物高度、每楼层高度、单户尺寸、窗户尺寸以及造型特征等。图3展示了调整建筑物高度和外墙色彩的效果。

图2 三维建筑模型几何拆分

图3 三维建筑模型几何拆分

2.4 建模成果

在城市设计中，将规则语法与三维建模方法相结合，建立了可实时动态调整的参数化三维模型，满足了用户对设计方案可不断调整及时反馈的要求。同时，与传统建模方式相比，基于规则的参数化三维建模方法具有灵活度高、复用性强等优势，节约了大量人力和时间成本。

重庆市大渡口钓鱼嘴片区三维城市设计项目耗时单人 70 d工时，共计完成 8 km2的三维城市设计模型，与传统手工建模方式相比，人力和时间成本方面优势明显，建模效果如图4所示。

通过参数化驱动三维建模技术，建立了不同建筑风格的城市设计建筑规则，包括居民区、商业区、休闲别墅区，总计15种不同类型设计风格建筑模型。图5展示了其中9种不同风格建筑模型。

图4 钓鱼嘴片区城市设计三维建模效果

图5 钓鱼嘴规则建筑三维模型

基于规划要素shp文件，利用规则建模技术，研究了道路参数化建模及树木的排布策略，实现了钓鱼嘴道路及景观三维批量建模，建模效果如图6所示。

3 结语

本文以重庆市大渡口钓鱼嘴片区城市设计为例，总结出一套基于规则的三维城市设计建模综合流程，建立了可交互调整的钓鱼嘴三维城市设计成果。与传统手工建模方式相比，基于规则的城市设计建模方法大幅提升了建模生产效率，满足了甲方对工期紧、模型可实时优化调整的需求，为大规模、高重复度的城市设计三维空间形态化提供了一种行之有效的新思路。

图6 钓鱼嘴三维景观与道路建模效果

［1］ 罗云.对城市设计的几点思考［J］.现代城市研究，2004 (11):30～33.

［2］ 高强.城市设计导则对空间形态的控制研究［D］.上海:同济大学，2008.

［3］ Watson B，Muller P，Wonka P，et al.Procedural urbanmodeling in practice［J］.Computer Graphics and Applications，IEEE，2008，28(3):18～26.

［4］ 谢年，向煜，徐艇伟.基于规则的快速三维建模技术研究［J］.城市勘测，2013(4):5～8.

［5］ Schirmer P，Kawagishi N.Using shape grammars as a rule based approach in urban planning－a report on practice［C］.29th eCAADe Conference Proceedings，September 21－24，2011，Ljubljana，Slovenia，2011:116～124.

［6］ March L.Forty years of shape and shape grammars，1971－2011［J］.Nexus Network，2011，13(1):5～13.