智慧BIM乔木模型：从设计图纸到施工现场

(德)安得烈亚斯·卢卡 郭 湧 撰文

高 昂 张 璐 译

1 研究背景

BIM正在成为建筑和施工领域的一种标准化实践内容。风景园林行业对BIM软件行业而言是一个相对较小的市场，其BIM解决方案的成熟度和质量都远远落后于建筑行业。市场上尚无一款软件能全面涵盖风景园林设计领域的核心需求，如种植、竖向、灌溉和照明等[1]。根据Olmsted项目中Lindhurst和Sipes的观点，基于Autodesk产品发展风景园林专用工具的早期努力之所以尝试失败，就是因为市场太小[2]。

几乎每种BIM 3D建模软件都集成了基本的景观设计工具，具有本地或云端的植物数据库和3D模型库。然而，其中的模型仍然停留在3D CAD水平，仍未实现BIM功能。它们或者是基于图像的对象，如billboads或通过ArchVision制取的RPC(Rich Photorealistic Content)对象；或者是用于渲染的高精度3D模型(图1)。

高精度的3D乔木模型通常是用植物建模工具或3D建模软件的插件通过参数化方法建模而成，但是它们向BIM环境转移过程中会丧失参数化能力。轮廓旋转形成的实体则无法通过参数灵活地控制形状变化，因此无法根据数据源建造区别树种形态的模型。

上述种类的乔木模型都存在不足，大部分无法表现树冠或根系的体积。其中，CS ArtisanRV可在树木的全部分枝范围基础上增加2m作为根系的区间范围，但是无法提供树冠的体积；该模型应用了生长函数，但是仅限于高度和分枝范围的等比缩放。

模型的BIM功能缺失。由于目前尚无公认的国际标准，分类和参数仅有国别标准，因此模型库中的模型来自不同的来源，且文件格式和分类也不尽相同，这不利于工程算量和施工组织等BIM功能的实现。冲突检查功能的实现也受到限制，只有轮廓旋转形成的实体模型能够有限地实现此功能。绩效分析功能由于模型参数不全及软件功能缺失而受限，例如碳汇信息的缺失等。而且施工组织安排和工地管理方面的性能分析功能完全缺失。

因此，风景园林师开始建立自己的模型库[2]。常用方法是将带有简单体积模型的RPC与符合BIM标准的参数集相结合。植物模型开发是一项具有难度的工作，正如Bryan Barth所说：“建筑师的BIM数据大多由指定的产品制造商提供。这种收集数据的方法在一定程度上可以适合风景园林实践，但是景观远不止是一套零件。土壤类型、野生动物活动和本土植被的形态不仅是一套数字，而是所有景观设计背后的思想过程中最为核心的力量。[3]”

植物，尤其是长寿的乔灌木，其建模的难度在于形态和外观随树龄、季节而变化，并且具有某种程度的不确定性，因为植物与环境之间具有复杂的相互依存关系。现状树则形态各异，且有些部分遮挡不可见，需要通过方程式(异速生长方程)进行估测。

树木模型的开发要应对乔木、灌木及其苗圃规格所具有的巨大的差异性，因此需要LandFX、Landmark、Dataflor等专门的开发界面。模型的应用则要求掌握若干知识作为基础，如软件开发、风景园林设计实践和栽培养护等方面的知识。

如果希望风景园林行业在应用BIM做专业设计工具方面获得成功和认可，克服这些困难就至关重要。基于以上问题，笔者团队开发了一种BIM乔木模型，具有如下特点。

1)完善BIM标准，实现BIM功能(具有可用于冲突检查的树冠和根系实体/网面，用于性能分析的参数、LoD及分类)；2)用于自动进度安排的一致性分类和参数集；3)按树龄动态生长；4)反映具体树种形状和大小的参数；5)不依赖软件(数据交换在参数层级而非几何体层级实现)。

该模型基于参数和异速生长方程描述现状树、新植树和特定树种乔木的形态和生长过程。

这种数据驱动的乔木对象若成功应用将有助于形成以构件为导向的模型构建技术路线，以及针对数据的模型构建。

图1 在3D CAD中乔木的典型表达形式——RPC，轮廓旋转所得的实体和高精细网面

2 基于BIM标准的BIM乔木对象应满足的要求

基于BIM对象的一般定义和相关标准，本文专门针对乔木的BIM对象定义了其应满足的功能要求。相对于三维CAD模型，BIM对象是对产品或材料的数字化描述，在应用中多个BIM对象结合时，可以创建BIM模型。一个典型的BIM对象具有描述其物理外观的三维几何图形，以及描述其内容、分类、性能、材料和预期寿命等数据。

BIM对象具有参数化特点，每个对象仅需要定义一次，然后可以根据需要将其放置在模型中的多个位置。如果随后更改对象，则这些更改将出现在整个模型中。这样可以使模型自动保持一致并减少错误[4]。

BIM对象可以构建彼此之间的关联与互动，具有以数据为中心、以对象为导向的构建方法。例如，乔木规格可以与树坑规格相关联，或者与其质量相关联用于地下停车场的结构荷载。这种方法还可以让相同的对象基于自身的属性呈现很多不同的图面可视化效果。

BIM对象与三维CAD模型具有本质区别。CAD环境关注的是二维图形或三维几何体的外观；分类通过复杂的图层结构和命名进行归档；虽然数据可以与几何信息共同添加、分配和提取，但是CAD利用这些附加数据作为参数影响几何体的能力非常有限。

BIM对象标准保障使用者可以在所有工作平台上兼容使用包含各种必需信息的BIM对象，例如澳大利亚和新西兰的Open BIM对象标准[5]或英国的NBS BIM对象标准[6]等。

BIM对象标准根据设计阶段对信息层级、几何形体、数据格式的一致性和结构性进行定义。

目前尚无风景园林BIM对象的具体标准。buildingSMART风景园林工作组[7]正在挪威方案[8]和英国景观产品模板[9]的基础上开展这方面的标准化努力。

从BIM对象的一般定义来看，BIM乔木模型必须具有以下特点：

1)在关键尺寸和数据方面完整准确，以达到设计意图和阶段要求，细节层级(LoD)描述每个设计阶段所需的数据和几何形状，在早期设计阶段，具有可用的通用模型；

2)与通用对象兼容，解决通用对象和专有对象区分不清的问题；

3)模型内建于用于优化性能的软件之中；

4)继承自高阶对象的模型信息归类正确，从而可在对象存储和过滤中加以搜索，实现工期安排和模型对比等功能；

5)实现正确托管，解决与其他对象的关联位置问题及上级托管对象与对象本身不能同时显示的问题；

6)具有独一性，可避免模型的混淆、不一致和数据量冗余；解决单一模型多次应用影响图纸输出、工期安排和分析结果正确率的问题；

7)聚焦于BIM功能，而不是逼真的图像可视化或与BIM不相关的数据和几何形体。

从BIM乔木模型的具体要求来看，模型还需要能够反映乔木的生长、分布区域、苗木存圃量和规格等。因此，模型对象需要满足以下要求：

1)参数化的要求，即在单一模型中反映植物随树龄、季节动态变化的自然属性，受修剪整形等养护管理的影响，受限于资源和气候的环境属性；

2)本地化的要求，即与所在国苗圃组织认可的行业标准对应；

3)信息化的要求，即可以与其他植物数据库连接，对非BIM相关信息使用高级查询功能进行查询；用户从而可以根据特定生态、功能、美学要求缩小植物的搜索范围，在信息支持下作出决策。

当前风景园林常用软件中的乔木对象，诸如Revit、Vectorworks或ArchiCAD等BIM软件中自带的乔木库和植物工具，能实现一定的BIM功能[10-11]，但仍然无法完全达到BIM对象的一般功能要求和乔木模型的专门应用要求。

3 BIM乔木模型构建的方法

3.1 BIM乔木模型构建的技术路线

本文提出一种参数化方法，可在不同LoD(细节层级/开发层级)的BIM环境表现乔木的形态和生长动态。该方法可通过清晰的主干、树冠的封装和根系系统表达BIM模型中乔木最为关键的空间要求。

1)选择一种可以描述现有乔木非对称形态的封装形式，也可以使用便于理解的参数和通用的生长函数，为不同品种的规划乔木提供封装形式，并应用便于理解的参数和通用的异速生长函数来构建模型。

2)选择和定义若干生长公式以计算随树龄变化而变化的树木形态和体积，反映特定乔木树种的基本形态特点。

3)定义每个设计阶段所需的信息，即LoD。这部分内容基于本文提出的模型构建方法和尚在酝酿的风景园林BIM元素标准而制定。

4)在Dynamo的可视化编程环境中测试所提出的建模方法，并导出Revit族，在风景园林工程BIM应用工作营中试用。

3.2 树冠和根系封装模型的选择

树冠封装是创建树冠体积的基础，只有完成树冠封装才能进行正确的可视化和进行与树冠相关的性能分析，在林业测绘和蓄材量测算中多有应用[12]。

采用由Horn[13]和Koop[14]最先提出，后由Cescatti[15]发展完善的非对称壳状模型进行树冠封装[16](图2)，使用6个方向上的6个控制点和2个控制其线型曲度的形状因子进行定义(图3)。模型采用易于控制的参数，可以生成各种树冠的真实形状。其中4个控制点在树冠的最大宽度处定义了一条圆周线L，将树冠分成上冠(受光的)和下冠(荫蔽的)。该点在XY平面中由4个1/4椭圆和内插高度(Z)连接。L上的点由角度为cT和cB的超椭圆曲线与上下顶点相连。

相较于由一组轮廓线定义的挤压壳状模型[17]，如不可变的树冠轮廓方程[18]或与样条曲线关联的蒙皮壳状模型，这种6个控制点加2个形状因子的参数更易于获取和组织。

对于对称性的理想树形，该参数集可以用林业和苗圃中使用的参数和数据进行校准。可以认为形状参数在乔木的生命周期中是一致的，且根据树种具遗传性。因此树木特定年龄下的树冠形状可通过计算获得，可以看作为一种沿法线旋转轮廓生成的对象，其高度和分枝范围随时间按函数变化。这种模型可以拓展到根系系统，从而基于典型根系形态和生长公式的信息表述树冠与根系的关系[14](图4)。

图2 根据Cescatti形态制作的非对称壳状模型[16]

图3 用来定义单体乔木树形特征的变量[12]

图4 基于最大深度参数、树冠半径与根系半径之比，以及1个独立形式参数生成的典型根系形态

3.3 描述乔木生长的算法与参数的选择

总体上，生长函数[19]可以描绘变量随时间变化的增长情况。这种增长常常以Von Bertalanffy[20]的假说为依据，也就是把一个生物体的增长率表示为合成代谢率(组成代谢)和分解代谢率(分解代谢)的差异。大部分生长函数呈现“S”形，由初始规格和最终规格(上下渐近线)、迟滞期、达到最大数量前的加速增长期和达到最终数量前的减速增长期构成。

选择Chapman-Richards生长函数，它是森林生长模拟中使用最为广泛的函数，在场地索引建模过程中具有很高的预测准确率和实操性[19，21]。

Chapman-Richards[22-23]生长函数最简洁的形式是：

h(t)=hmax＊(1-exp(-k＊t))^p

该函数也可以写作如下形式，用以直接解释观察到的生长模式的重要特征[24]：

h(t)=hmax＊(1-exp(-k/t/(d^(d/(d-1)))^(1/(1-d))

其中每个参数(hmax，k，ti，d)只影响曲线的某一特征(表1)。这是一种额外的算法改进。生长曲线可通过已知值的迭代非线性回归拟合生成。已知值可以从那些已被完善地加以记录的R数据组中获得。参数hmax、k和ti也可以根据实际经验认知确定。

3.4 BIM细节层级/发展层级(LoD)中的信息选择

LoD是BIM中的一个重要概念，决定了一个BIM模型中所需置入的信息或数据的量。称BIM中的LoD为开发层级，以避免与描述快速三维可视化效果的细节层级(粗略、一般、精细)相混淆。

表2展示了在挪威数据标准方案[8]和英国植物产品模板[9]基础上，根据AIA E202-2008/G202-2013 BIM协议[25]的模型元素要求，以及转译该要求形成的BIM乔木模型信息。

预期随着BIM软件景观设计功能的发展，越来越多的数据需要添加，尤其是用于绩效分析、协作方信息共享、施工组织管理等。这将给模型的性能、数据的互通和存储都带来严重的问题和挑战[26]。对此，Tobin提出了BI(m)或原子BIM的未来BIM发展方法，即数据不再置入模型而是仅参照到模型，并存储在一个中心数据源。在BI(m)中，模型只是数据的众多可视化形式之一。中心数据源与三维建模环境脱离，可以实现更快速的数据处理、操作和可视化[27]。

对于BIM乔木模型来说，这意味着不仅需要开发3D对象，还需要提供工具将数据导出不依赖任何软件的数据格式，例如IFC数据。

4 BIM乔木模型在Dynamo和Revit族中的实现

第一阶段开发在Dynamo可视化编程环境中对算法进行测试，并开发Civil3D的.Net应用，以验证开发概念的可行性。第二阶段开发聚焦于面向风景园林师的Revit应用。第三阶段开发创建了2种全功能的通用族，以及多个常用树种的族和参数集。随着参数集增加，将会对这些信息加以组织、构建数据库，并将其与现有的植物数据库进行关联。

4.1 Dynamo环境中针对算法和参数的测试

开发了一套用于测试非对称壳体模型和Chapman-Richards生长函数的Dynamo脚本。Dynamo环境允许对结果进行即时可视化控制，允许使用不同的参数和算法进行实验。结果表明，非对称壳体和Chapman-Richards生长函数可以在Autodesk的设计软件中应用。

图5 Dynamo图像中的树高、分枝范围和根系

图6 Revit中不同年龄参数下的树种类型

表1 Chapman-Richards模型参数特征对照

实验发现，高度、分枝和根深需要不同的生长公式。可以通过设置三者之间不同的异速生长关系实现树木生长的模拟(图5)。

4.2 Revit族的开发

根据开发层级(表3)，开发了3个族：非对称壳体现状乔木族、带基础树形和基本生长特点的对称通用乔木、树种类型乔木。

1)非对称壳体现状乔木族。

该模型基于6个可进行互动调整的控制点和2个形状参数及胸径值来描述树冠、主干和关键根系范围。另附树木学专家提供的资料，以便编制树木保护计划、树木调查表、移植计划等，相关信息包括：编号、常用名和拉丁名、防护等级、健康状况、移除/保留/预留。

2)带基础树形和基本生长特点的对称通用乔木。

该族具有基于乔木高度、直径、枝下高、根深和异速生长系数的对称树冠，参数包括：最大直径的相对位置、高度/胸径、根/冠、冠的2个形状参数、1个根的形状参数。这个族具有植物的通用类型及相关的参数集，例如慢生、中等高度、窄圆锥形和常绿阔叶树。其夏季和秋季的叶色外观和枝下高可以根据实际情况分别调整。

3)树种类型乔木。

在通用模型的基础上，该族的信息包括常用名、拉丁名、链接到植物数据库的规格特征和生长变化特征，即25年生树木的参考规格、最终规格、生长速率、形状因子和异速生长系数等；还包括苗圃可供货的苗木规格，产出因子(yield factor)等(图6)。

乔木在城市环境中通常无法达到他们潜在的最终高度和分枝量，这是因为可生根的土壤受限，进而获得的资源，尤其是水资源也受限。例如在地下停车场、压实土壤和不透水表面上的土壤的厚度都受到限制。为了解决这个问题，利用与场地条件关联的产出因子来减少最终高度和分枝量。

4.3 以欧洲小叶椴为例创建参数集

选择中等生长速度的欧洲小叶椴进行模型构建示例，这种乔木在欧洲和北美作为苗圃产品有广泛应用。

形状参数可以很方便地从乔木的剪影图片中估算出来。用2条各带3个控制向量且转角位置以矩形封闭的样条曲线替代超椭圆曲线将树冠轮廓勾出。中点控制向量直接与超椭圆的形状因子关联。2个端点的权重设为1.0，中点权重随曲率变化，例如0.5是直线，1.0是椭圆(图7)。

小叶椴树的生长曲线参考了根据2012年巴伐利亚林业蓄材量数据(表3)生成的曲线，从文献和植物数据库(如瑞士园林数据库)搜集的植物标准规格数据，以及苗圃所出售的乔木规格与树龄(图8)。最大生长速率和达到极值的时间(k=0.6m)可以从乔木苗圃的产品中获得，同时将最终高度(40m)乘以产出因子(0.625)降低到25m。从kmax和d的值可根据算法获得k和p的值。树冠分枝与根系的生长曲线在高度生长曲线的基础上获得(表4)。其中根系因其生长过程较早达到适宜发根的深度，需相应调节曲线拐点位置(图9)。

小叶椴树的外置信息和苗木信息是模型运行冲突检查、绩效分析、工程算量和施工组织所必须的。从已有的植物数据库中获得这些信息(本文采用数据来自瑞士园林数据库)，并实现了针对乔木的冲突检查功能(图10)。

表2 BIM模型元素要求与BIM乔木模型LoD对照

由于这些乔木模型为满足BIM能力和进行快速处理而设计，不适用于可视化。因此，将渲染资源与Revit族相关联，可以在渲染环境中使用高分辨率乔木渲染模型自动覆盖或替换BIM乔木模型(图11)，而不会使BIM模型过于冗余。

图7 用AutoCAD绘制的小叶椴树形控制线

图8 小叶椴树生长(高度)曲线与巴伐利亚州数据对比

5 结论和展望

本文所报告的BIM乔木模型研发，目前完成了主干清晰的单体乔木的参数集，在此基础上未来可进一步开发多主干丛生状的乔木，并用类似参数开发灌木的单体模型，从而逐步丰富BIM植物模型的数据资源。本文所完成的BIM乔木模型与现成的植物数据库及其选择工具相关联，与可视化渲染资源相连接，就可以将参数化乔木模型集成到风景园林师的设计工作流。设计师应用该模型时只需根据乔木的类型和形态、树种、规格等设计要求在软件界面进行选择，而无需对复杂的参数和控制因子进行操作。该BIM乔木模型与高精度卫星定位系统和自动控制机械相关联，便可集成到风景园林工程建造工作流，实现苗木储运、假植、转运的精细化管理和免放线种植施工。将该模型的参数集通过二维码和手持终端连接，便可集成到养护管理工作流，通过物联网控制乔木与灌溉、施肥、病虫害检测等内容的关系，实现信息化植物养护管理。

表3 小叶椴树高度生长参数

图9 小叶椴树的相对生长曲线

表4 小叶椴树的相对生长参数

图10 乔木根系和管道的冲突检查

总之，随着参数化的乔木模型发展，风景园林师可以从BIM中获得更多益处。它保证了设计师、施工方、供应商和业主在整个项目的寿命周期中应用统一的模型对象。更加优化的乔木模型会让工作更为高效并改善与建筑、结构等专业的协作。参数化的乔木模型将创建BIM模型与建成环境之间更有效地链接，为我们提供了可能性，进一步创建智慧设施管理模型即数字孪生体。

图11 Revit中的族和En scape中经过渲染的关联资源

注：文中图片均由作者绘制。