基于逻辑构建与算法实现的拟自然水景参数化设计

袁旸洋 陈宇龙 成玉宁

“拟自然”就是模拟自然，指通过人工营造有如自然一样的景观环境。这里的“模拟”有着双重意义，不仅是“形态”的相似，更强调“规律”的解读。“拟自然”水景设计从解读自然水景生成规律出发，结合现状地形条件模拟自然形态与生态过程，生成拟自然的水景观系统[1]。自然水景顺应地形地貌呈现不同的形态，是自然水网系统的组成部分，具有一套完整的水生态系统[2]。 人工营造的水景耦合于自然的系统，有助于维持区域水系的完整性和系统性。“拟自然”水景的设计强调“理”水：就现有的山之形，水之势，因势利导，最小化对场地的扰动，通过梳理形成新的水景观或优化既有水系统。

水景观往往是风景环境中最吸引人的节点，也是风景园林规划设计的重要内容。人工干预下生成的拟自然水景“源于自然，高于自然”，不仅是对自然水景的艺术抽象与加工，而且能够将合乎自然规律的多种水景形态集中呈现，生成优美的景观，满足人们游憩的需求。水景观除了具有审美与文化方面的意义，还有着重要的生态价值：一方面能够减缓瞬时降水产生的地表径流对土壤的冲刷以及对下游的冲击，另一方面可以储存降水并缓释，合理调配、利用水资源；同时，水陆交接带也是生物多样性最丰富的区域，有助于良好生境的营造。

拟自然水景的设计是一项系统工程，要求动态平衡与综合调节多个设计要素[3]。传统的设计方法大多依靠设计师的经验，具有较强的主观性、模糊性与或然性，而参数化的设计方法借助计算机技术更为理性、客观与精准。将参数化的设计方法运用于拟自然水景设计，其关键技术是以“形态—坝高—水量”的拟自然水景参数化设计逻辑为核心，构建参数化的模型，提取关键设计参数，通过调控参数生成设计结果。本文运用Grasshopper软件采用Python语言进行算法编写，能够实现多要素的统筹设计与动态调控，并实时呈现与反馈设计结果，得到综合最优的拟自然水景设计方案。

1 天然水景的形成

天然水景由降水汇集而成，其形成必须满足2个必要条件：降水与洼地。到达地面的降水主要由4部分组成：一部分被植被表面拦截，这个过程称为截留；一部分直接被土壤吸收，这个过程被称为渗透；另外有部分被储存在地表一些小的凹地及洼地内，这一过程称为洼地蓄水；剩余部分雨水沿地表流动，生成地表径流，最后汇集到沟道、河流和池塘等水体之中[4]。某一汇水区的水量由汇水区面积与单位面积降水量以及地表截留量共同决定。依据径流的分级，上一次富余的水量会汇集至下一级，不同标高的水体通过溪流串联构成了一个“水网系统”。因此，自然状态下水体不是单一存在的，而是在水网系统中根据所处地形的情况表现为湖、池、河、溪、潭、汀、瀑等多种形式。集水区顾名思义是收集水的区域，又可称之为集水盆地、流域，同样与地形有着密切的关联。降水会在重力的作用下向低洼处汇集。地形中最为高耸的山脊自然成为“分水岭”（图1）。集水区依据径流的分级呈现嵌套的等级体系，高等级集水区由一系列低一级的集水区构成，其汇水量是上一层级汇水量之和，面积也是次一级的集水区面积总和。对于“水网系统”而言，位于某一等级集水区的水景，其水量为上一层级水景截留的水量与汇水量的差值[5]（图2）。以上对水网系统与集水区的分析，是拟自然水景设计中单一水体与水网的水量计算依据。

1 集水区的组成Composition of a Water Catchment Area

2 集水区嵌套等级体系示意图Schematic Diagram of the Nesting System in Water Catchment Area

2 拟自然水景的设计及其参数化

2.1 拟自然水景设计的关键要素

充足的汇水与地表的洼地是人工营造拟自然水景的必要条件。汇水来源于自然的降水，而洼地则是通过人工筑坝或挖掘形成地表的凹陷区域。为了最小化对自然环境的扰动并控制工程量，通常结合水文分析选取具有适宜地形的区域，采取合理筑坝与局部地形梳理的方式营造洼地。洼地所能容纳的水量即库容，也就是水体的体积。库容一方面与洼地的容积有直接关联，另一方面受到坝高的制约。由“木桶效应”可知，水位由坝高决定，故而水量与坝高呈正相关。此外，水景的形态也是拟自然水景设计的重点。水景的二维形态即水面形态，是水体与地形相交的水平切面。水面的形态受地形与水量共同影响，由于自然地形的起伏多变，水位不同则水面形态各异。从自然水体的生成规律可知，“水量、水体形态与坝高”三者之间存在着一种动态的关联，是拟自然水景参数化设计的关键要素，也是参数化设计逻辑的生成基础。

2.2 参数化设计逻辑的构建

拟自然水景参数化设计逻辑与自然式水景生成规律相对应，从系统角度出发，基于“形态—坝高—水量”的动态关联，进行参数化模型构建。为实现拟自然水景设计，本团队构建的参数化逻辑模型由“坝数据处理模块”“地形数据处理模块”“水体生成与水量计算模块”“土方数据计算模块”以及“水体形态评价模块”5个子模块构成，功能分别为：确定坝址、优化地形、生成水体、水量及土方量计算以及水体形态优选（图3）。其中，“坝数据处理模块”与“地形数据处理模块”用以处理外部输入的地形等基础数据，并将数据转化为Grasshopper软件可以使用的数据类型；“水体生成与水量计算模块”“土方数据计算模块”以及“水体形态评价模块”3个模块将得到的数据进行计算与可视化表达，进行水体形态的评价与人机互动优化设计；“水体生成与水量计算模块”是“形态—坝高—水量”逻辑关联的直接表达，也是拟自然水景设计的核心。

拟自然水景的参数化设计的实现需完成以下2项前期工作：水景的选址与水体形态数据库的建立。第1项工作，水景的选址基于ArcGIS软件平台构建参数化选址流程，首先，对风景环境中的径流、汇流累积量、集水区等进行水文分析；其次，根据设计诉求筛选出具有汇水潜力的区域并确定水系的位置，依据该区域的地形、径流与集水区条件设计水面的数量与位置；再次，依据设计场地的年降水量、下垫面径流系数和径流折减系数计算汇水潜力区的汇水量。第2项工作，建立水体形态数据库。水体形态的数据库包含了数十个公众认可度高的风景环境湖泊类水景的水体形态数据（图4），具体形态指标有：面积、最长轴、近圆率、形状率、紧凑度、岸线发育系数等。拟自然水景参数化设计逻辑模型中的“水体形态评价模块”与该数据库相关联。该数据库构建的目的在于为水体形态的评价提供依据，即以数据库中的指标区间值作为拟自然水景参数化设计得到的水体形态优美与否的判定标准，是水景观设计的重要参数。

此外，拟自然水景参数化设计逻辑模型针对单一水体，对于由多个水体构成的水网系统而言，在单一水体参数化设计模型的基础上，依据同一集水区中各等级水体的水量关系将单一水体的参数化设计模型关联，进一步生成整个水网系统的参数化设计模型。

3 拟自然水景参数化设计逻辑Logic for Naturalistic Waterscapes’ Parametric Design

表1 拟自然水景参数化设计参数Tab. 1 Parameters for Naturalistic Waterscape Parametric Design

3 基于Grasshopper软件的算法编写

本研究依托Rhino环境下运行的Grasshopper软件进行运算集编制和数据计算。一方面，通过算法编写Grasshopper运算集，能够实现数据的精准与高效计算；另一方面，Grasshopper可以准确地对多类型数据进行运算和输出，使数据有效衔接，避免了人工计算过程中的误差；此外，借助Rhino软件，Grasshopper的运算结果可实时呈现与反馈，便于调控与优化。以前文所述的设计逻辑为基础，根据水景选址、汇水量、场地地形、水体形态指标等前期分析及评价研究成果进行参数筛选（表1），并将前期研究数据作为初始常量输入模型。本文采用Python语言基于Grasshopper软件平台对拟自然水景参数化设计逻辑的5个子模块进行算法编写与模型构建，针对设计逻辑的特点与水景设计的实际情况，选取了适宜计算方式，编写了“坝高—水量”算法、“水体—地形”算法、“水量—土方量”算法、“水体形态”算法（图5）5项算法，并将其关联组合构建拟自然水景参数化设计模型。限于篇幅，本文以“坝高—水量”算法的编写为例进一步说明运用Grasshopper软件的拟自然水景参数化设计模型算法编写：基于水景的选址与计算能够获得的汇水量数据，该数据需要与地形数据关联以确定水坝的高度，但由于“体积—高度”类型算法过于复杂且限制条件较多，难以由单一算法涵盖；因此，针对“坝高—水量”的关系，采用了Grasshopper软件中的实体差集算法，将水体生成所需的水量与场地汇水量相比较，调整输入坝高数据，使水体需水量与场地汇水量基本持平并保持于误差范围之内，由此反向推演确定坝高。具体的算法规则为：从预设的水体立方中切去地形曲面得到水体（实体），用以体积计算和水体二维形态的轮廓线提取；根据水体选址与倾泻点分析结果可得筑坝点（点集），结合等高线并以此为基点绘制坝体基准线，并进一步将基准线顺应地形方向扩展，获得水体基准面，即水面高程位置；将基准面以基准线中心进行缩放来保证与地形的契合，得到水体的计算面（水面）；基于前期计算模块中已经获取的地形相关数据（地形曲面），输入坝标高（绝对高度）参数，将水体计算面向上延展即可得到所需要的水体计算体（水体体积）（图6）。

拟自然水景由一系列“单一”水体构成，因此在完成单一水体设计的基础上还需进行水系统的构建。基于单一水体的参数化设计模型，通过水量关联位于同一集水区中的多个水体，搭建水系的参数化设计模型。在算法编写中需要使用Grasshopper软件中的树型数据结构来实现多个单一水体的同步处理，即将单一水体数据调整为树型数据结构，通过水量参数的调整生成多个水体数据。借助Rhino软件可对参数化调控生成的拟自然水景设计结果实时呈现，水量、坝高以及水体形态共同形成了一套参数修改方案，从而反馈到坝体数据模块与地形处理模块，经过多次参数调整和形态优化后，最终输出水系景观的设计结果。

4 湖泊类水景水体形态数据的计算Calculation of morphological data of lake waterscape

5“坝高—水量”算法、“水体—地形”算法、“水量—土方量”算法及水体形态算法“Dam Height-Water Quantity” algorithm,“Water Body-Landform” algorithm,“Water Quantity–Earthwork Quantity”algorithm,“Water Body Shape” algorithm

4 以南京花卉公园美人冲片区设计为例

花卉公园位于江苏省南京市主城区北部，总面积78.3hm2。场地呈现典型的低山缓岗丘陵地貌，总体地势东北高、西南低。场地东部为自然山体，是农场山的组成部分，海拔最高处123.00m，最低处22.50m，最大高差100.50m。该场地原为苗圃基地，2016年南京市政府计划将其打造成为一个以花卉为主题的公园（图7）。花卉公园的场地内部现状有多处零散小型水面，未能较好地形成水网体系。花卉公园的规划设计提出充分勾连场地现有水体形成水系，并优化水体形态，生成可持续的水环境，在塑造多样水景的同时，为植物生长提供良好的小气候环境。本文选取花卉公园美人冲片区为案例，论述拟自然水景的参数化设计过程。

设计的第一步需要进行水景的选址研究，分析场地的水文情况，研究所得数据将作为下一步参数化设计的基础数值。首先，设计运用ArcGIS软件对花卉公园场地进行径流、河网、集水区、倾泻点等水文分析（图8），并根据分析结果确定在美人冲片区进行拟自然水景的营造。在此基础上，进一步对美人冲片区进行水文分析，结合地形对具有水景营造潜力的场地进行筛选，确定集水区的范围、水系的位置及其中每个单一水体对应的筑坝位置。其次，依据南京地区的年降水量及花卉公园场地的径流折减系数计算得出该集水区的年汇水量为16828m³，该数值即为设计水系的总水量。

6“坝高—水量”的算法规则Rule for the“Dam Height-Water Quantity” algorithm

7 南京花卉公园区位及现状地形的数字高程模型Location of Nanjing Flower Park and digital elevation model of the current terrain

8 南京花卉公园的水文分析Hydrological Analysis of Nanjing Flower Park

9 水体形态根据坝高值改变而变化Changes in Water Body Shape corresponding to Changes in Dam Height Value

在水景选址研究的基础上，运用Grasshopper软件平台构建美人冲片区的拟自然水景参数化设计模型。第1阶段，根据水景的选址结果，就单一水体进行设计。将坝高参数值输入模型，即可由“坝高—水量”模块生成初步水体设计方案，借助Rhino软件将运算生成的水体结果实时呈现，提供比较。第2阶段，设置一组坝高值，对应于不同的值，生成的一组水体方案，包括水量、土方量与水体形态的参数值。如图8所示，坝标高为21.3m时，该水体的水量为396.8m³，坝体的坡度为0.248，筑坝所需土方量为3.5m³；当坝标高增加为24.5m时，水体的水量增加为1911.6m³，坝体的坡度变化不明显，为0.224，土方量则增加至28.4m³；由于淹没位置根据坝高的改变，水体的形态也发生了变化（图9）。

在初步水体设计方案生成后，运用水体形态评价模块对水体形态展开评价，依据水体形态数据库，当最长轴、近圆率、形状率、紧凑度、岸线发育系数等多项形态参数值均位于指标区间，便可认定该水体形态符合设计要求。如果水体形态指标不符合要求，可通过人机交互操作，在Rhino软件中调整地形控制点，优化水体形态；同时水体形态评价模块可对优化后的水体形态进行实时评价与反馈，如此经过多次迭代最终得到满足设计要求的水体方案。通过坝高值的调整与地形的控制，借助参数化的设计模型可生成多个拟自然水景设计方案。此外，基于水系的树型数据结构模型，水网系统中的单一水体互相关联，其水量之和为设计水系的总水量，通过总水量的调控与二次分配可实现对拟自然水系的设计（图10）。

10 南京花卉公园的拟自然水景参数化设计实践—水系设计平面图Water system design plan—naturalistic waterscape parametric design of China Nanjing Flower Park

5 结语

拟自然水景的参数化设计在解读自然规律的基础上，借助计算机等技术方法与手段辅助，科学化实现对自然水景的模拟，是对中国传统水景设计方法的传承与创新。由于运用参数化的方法，能够在动态调控中实现统筹设计：设计方案的数据与形态能够实时呈现与反馈，并通过与水体形态等数据库相关联，可以达到对水体形态的调控与工程量的精细化控制，在多个设计方案中寻求综合最优，兼顾了美观与经济[9]。本文对采用Grasshopper软件的拟自然水景参数化设计方法进行了探讨，基于设计逻辑构建与算法编写，在实际工作中可由多种软件平台实现参数化的设计。

水景设计是一项系统工程，需要兼顾“形态”优美与“生态”健康。面积、最长轴、近圆率、形状率、紧凑度、岸线发育系数、分形维数等为水生态学研究中常用指标，用于讨论湖泊等水体的生态情况[6-8]。为确保拟自然水景的生态功能，本文的研究引入了上述指标作为表述水体形态的参数，构建了包含数十个湖泊类水景形态的数据库，用于参数化设计方案的评价。在今后可将水体岸线缓冲带以及水体深度等影响水体生态功能的因素纳入研究范畴，构建相应的指标，并作为参数进一步优化拟自然水景参数化设计模型。此外，库容与水面面积一定的情况下，水体的连续性是检验水体形态丰富度及水岸发育系数的重要因素，其不仅与底部坡度线的长度有关，还受水体复杂程度影响，相关专题有待在日后的研究中进一步探讨。

注释：

图2引自参考文献[4],其余图表为作者自绘。