面向城市規(guī)劃的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)與系統(tǒng)（三）

【摘 要】針對(duì)城市規(guī)劃行業(yè)目前普遍使用的AutoCAD軟件所繪制的圖形層次較低且缺乏關(guān)聯(lián)、智能性不足、方案修改維護(hù)成本高，以及現(xiàn)有參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)門(mén)檻較高等問(wèn)題，提出一套面向城市規(guī)劃的參數(shù)化設(shè)計(jì)新技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)。文章共分三部分，本文為第三部分，重點(diǎn)介紹了參數(shù)化三維建模技術(shù)，其中包括CGA規(guī)則庫(kù)的構(gòu)建策略和自動(dòng)化生成腳本的設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)實(shí)際規(guī)劃案例，證明了所述技術(shù)和系統(tǒng)的可行性和高效性。第一、二部分分別給出了系統(tǒng)整體架構(gòu)思路及基于屬性塊的城市圖元參數(shù)管理方法、DXF-SHP文件格式自定義轉(zhuǎn)換方法等。

【關(guān)鍵詞】參數(shù)化設(shè)計(jì)；城市規(guī)劃；CityEngine；三維建模

1 引言

目前城市規(guī)劃行業(yè)普遍使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件為AutoCAD，它所繪制的圖形存在著層次較低且缺乏關(guān)聯(lián)、智能性不足、方案修改維護(hù)成本高，以及現(xiàn)有參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)門(mén)檻較高等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了城市規(guī)劃設(shè)計(jì)工作的效率。為此，提出一套面向城市規(guī)劃的參數(shù)化設(shè)計(jì)新技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)。文章共分三部分：第一部分介紹了系統(tǒng)的整體架構(gòu)思路和基于屬性塊的城市圖元參數(shù)管理方法；第二部分介紹了DXF-SHP文件格式自定義轉(zhuǎn)換方法；本文為第三部分，重點(diǎn)介紹了參數(shù)化三維建模技術(shù)，其中包括CGA規(guī)則庫(kù)的構(gòu)建策略和自動(dòng)化生成腳本的設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)實(shí)際規(guī)劃案例，證明了所述技術(shù)和系統(tǒng)的可行性和高效性。

2 參數(shù)化三維建模技術(shù)

2.1 CGA規(guī)則庫(kù)的構(gòu)建策略

CGA（Computer Generated Architecture）是CityEngine平臺(tái)為三維城市設(shè)計(jì)的一種形狀語(yǔ)法。由它定義的文法規(guī)則可以驅(qū)動(dòng)二維平面生成復(fù)雜三維形體。CityEngine平臺(tái)提供了大量的CGA命令來(lái)組裝不同的流水線（即不同的文法規(guī)則）。從理論上講，只要參數(shù)足夠多、文法規(guī)則足夠復(fù)雜，單個(gè)文法規(guī)則也可以描述一個(gè)復(fù)雜城市的構(gòu)造過(guò)程。然而這將會(huì)使文法規(guī)則過(guò)于復(fù)雜、難以維護(hù)，且不利于共享。為此本文提出“一事物一規(guī)則”的思路，建立一個(gè)種類(lèi)豐富、數(shù)量龐大的規(guī)則庫(kù)，便于規(guī)則的共享和靈活調(diào)用。本文根據(jù)城市地物類(lèi)型不同，將規(guī)則庫(kù)中的CGA文法規(guī)則劃分為“建筑”、“道路”、“地塊”三大類(lèi)，并且制定命名規(guī)則，以便于管理和調(diào)用。其中建筑類(lèi)文法規(guī)則文件以“B+唯一編號(hào)”的形式命名（表示Building），而道路類(lèi)以“S”開(kāi)頭（表示Street），地塊類(lèi)以“L”開(kāi)頭（表示Lot）。文法規(guī)則庫(kù)的整體框架如圖所示。

由于本系統(tǒng)的客戶(hù)端和服務(wù)端是分離的，這就存在一個(gè)規(guī)則庫(kù)中文件如何調(diào)用的問(wèn)題。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以“STYLEID”為核心的調(diào)用機(jī)制，具體方法如下：首先，定義一個(gè)CGA文法規(guī)則，并以“STYLEID”（例如“B201209171121001”）作為該文法規(guī)則的文件名（不包含后綴，文法規(guī)則的后綴為“.cga”）。其次，在服務(wù)網(wǎng)站的風(fēng)格庫(kù)中新建一個(gè)風(fēng)格，在該風(fēng)格的參數(shù)列表中增加一個(gè)名為“STYLEID”、值為“B2012091 71121001”的參數(shù)。然后，規(guī)劃設(shè)計(jì)者從服務(wù)網(wǎng)站的風(fēng)格庫(kù)中獲得該新建風(fēng)格的參數(shù)列表，并將其作為屬性與城市地物圖元綁定，構(gòu)成帶屬性的塊參照。此時(shí)塊參照包含一個(gè)名為“STYLEID”、值為“B201209 171121001”的屬性。接著，設(shè)計(jì)人員將編輯并保存好的DXF文件經(jīng)過(guò)服務(wù)網(wǎng)站上傳到服務(wù)器，服務(wù)端獲得DXF文件后啟動(dòng)自動(dòng)生成腳本，腳本在處理到上述塊參照時(shí)，先將讀取“STYLEID”參數(shù)的值“B201209171121001”，再到從規(guī)則庫(kù)中找到對(duì)應(yīng)的規(guī)則文件——即“B201209171121 001.cga”文件，將該CGA文件指定給該圖元，完成其他參數(shù)的讀取和映射，即可建立三維實(shí)體。

2.2 自動(dòng)化生成腳本的設(shè)計(jì)

CityEngine平臺(tái)提供了一個(gè)Python腳本編輯窗口和一個(gè)基于Python語(yǔ)言的“CE”模塊，借此用戶(hù)可以使用Python命令自動(dòng)實(shí)現(xiàn)許多自定義的功能，大大擴(kuò)展CityEngine的功能，自動(dòng)化生成主要也是基于此實(shí)現(xiàn)的。這里的“CE”模塊類(lèi)似于Python語(yǔ)言自帶的“os”、“random”等模塊，封裝了大量對(duì)CityEngine內(nèi)部空間、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)、編輯的API函數(shù)，是自動(dòng)化生成的核心。當(dāng)然，整個(gè)自動(dòng)化生成腳本還包括許多輔助功能，具體如圖所示：

圖2 自動(dòng)化生成腳本工作流程

首先，由于用戶(hù)上傳的項(xiàng)目文件組織難以預(yù)料，因此必須對(duì)原始文件進(jìn)行整理，本文設(shè)計(jì)的Python函數(shù)整理流程如下：（1）獲取項(xiàng)目壓縮包，并將其解壓到當(dāng)前目錄下的同名文件夾（根文件夾）中；（2）將所有根文件夾下各層級(jí)的壓縮包，分別解壓到它們的同目錄下的同名文件夾中；（3）將根文件夾下所有子文件夾中的文件全部轉(zhuǎn)移到根文件夾下；（4）將根文件夾下所有空子文件夾刪除。其次，在獲取DXF文件后，需要調(diào)用DXF-SHP程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。為了確保該程序能夠被Python腳本調(diào)用，我們?cè)谠O(shè)計(jì)DXF-SHP轉(zhuǎn)換程序，提供了一個(gè)含參命令行調(diào)用的接口。當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，先獲取2個(gè)命令行參數(shù)，如果參數(shù)存在并且一個(gè)是DXF文件目錄，另一個(gè)是SHP文件保存路徑，那么就隱藏程序窗口并進(jìn)行處理，處理完畢后自動(dòng)結(jié)束程序。接著需要清理工程，我們?cè)诿總€(gè)規(guī)劃方案生成前后，都安排了該步驟，這是為了保證每個(gè)項(xiàng)目的獨(dú)立性，避免項(xiàng)目之間相互影響和產(chǎn)生不發(fā)預(yù)見(jiàn)的錯(cuò)誤。這里的清理包括三維數(shù)字場(chǎng)景清理和文件系統(tǒng)清理兩方面。工程清理完畢后，即可開(kāi)始導(dǎo)入SHP文件，并開(kāi)始生成方案（道路、建筑）模型。

對(duì)于這里以建筑為例，簡(jiǎn)要介紹一下模型生成的方法。首先需要獲取一個(gè)初始shape圖形，設(shè)置圖元名稱(chēng)（平臺(tái)稱(chēng)為“StartRule”）為“Lot”；然后根據(jù)“STYLEID”屬性值從規(guī)則庫(kù)中找到相應(yīng)文法規(guī)則，賦予該圖元（的“RuleFile”參數(shù)）；接著系統(tǒng)自動(dòng)完成shape自帶屬性與文法規(guī)則定義參數(shù)的匹配；最后自動(dòng)生成建筑實(shí)體。其對(duì)應(yīng)的Python代碼如下：

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所述技術(shù)及系統(tǒng)的可行性和高效性，這里以浙江省余姚市陸埠鎮(zhèn)的村莊整治規(guī)劃為例，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的已知數(shù)據(jù)為該村莊的規(guī)劃構(gòu)思局部平面圖，包含道路中心線和建筑封閉輪廓線，如圖所示。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是由本文所述系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建三維化的詳細(xì)規(guī)劃方案。

首先利用參數(shù)管理插件，在AutoCAD平臺(tái)上將合適的參數(shù)與每條道路中心線和每個(gè)建筑輪廓線綁定，特征相同的元素可以一起綁定，效果如圖 4所示。在此，我們對(duì)建筑對(duì)象設(shè)計(jì)的參數(shù)有層數(shù)FLR_NBR、首層層高FST_HEIGHT、其他層高F_HEIGHT，對(duì)道路設(shè)計(jì)的參數(shù)有左側(cè)人行道寬度L_WIDHT、車(chē)行路面寬度M_WIDTH、右側(cè)人行道寬度R_WIDTH，此外兩者共有的參數(shù)有精細(xì)等級(jí)LOD（用于控制生成模型的精細(xì)程度）、風(fēng)格編碼STYLEID。

最后，將文件另存為DXF格式，通過(guò)服務(wù)網(wǎng)站上傳到服務(wù)器。服務(wù)端后臺(tái)隨即啟動(dòng)自動(dòng)化生成腳本，按照上文介紹的流程自動(dòng)生成三維化的、詳細(xì)的規(guī)劃方案，并提供下載，最方案終效果如圖 5所示。圖中我們可以看到，由該系統(tǒng)生成的規(guī)劃方案具有非常豐富的細(xì)節(jié)、逼真的紋理和三維空間形態(tài)。更重要的是，如此詳細(xì)的規(guī)劃方案從參數(shù)管理到上傳、再到獲得最終結(jié)果，總耗時(shí)僅20分鐘左右。如果使用傳統(tǒng)的3DMax、Sketchup等三維輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行手工制作，要達(dá)到相同的效果可能需要花費(fèi)數(shù)天時(shí)間。

當(dāng)然，本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)除了處理速度快，更重要的還在于使規(guī)劃方案的調(diào)整變得異常方便。例如當(dāng)需要調(diào)整圖 -a中局部建筑的層數(shù)和風(fēng)格時(shí)，只需將DXF文件中的對(duì)應(yīng)建筑輪廓圖元（屬性塊）的屬性數(shù)值稍作調(diào)整，重新上傳到服務(wù)器，數(shù)分鐘后即可得到成果（如圖 -b所示）。

a. 調(diào)整前

b. 調(diào)整后

4 總結(jié)與展望

本文作為面向城市規(guī)劃的參數(shù)化技術(shù)與系統(tǒng)的組成部分之一，研究了參數(shù)化三維建模技術(shù)，其中包括CGA規(guī)則庫(kù)的構(gòu)建策略和自動(dòng)化生成腳本的設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。至此，三個(gè)部分構(gòu)成了一個(gè)完整的面向城市規(guī)劃的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)與系統(tǒng)。最后的實(shí)際規(guī)劃案例證明了系列技術(shù)與系統(tǒng)的有效性和高效性。然而目前該系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)既有的規(guī)劃構(gòu)思圖，自動(dòng)、快速得生成詳細(xì)的規(guī)劃方案，即方案的設(shè)計(jì)部分其實(shí)還是由人工完成的。對(duì)該套技術(shù)和系統(tǒng)進(jìn)行拓展，使其能模擬人工構(gòu)思設(shè)計(jì)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)部分的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化，將是未來(lái)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

基金項(xiàng)目：“國(guó)家國(guó)際科技合作計(jì)劃”項(xiàng)目（2010DFA92720） 及\"863\"項(xiàng)目（2009AA12Z121）資助

作者簡(jiǎn)介：

吳寧（1984-），男，博士，研究方向?yàn)槌鞘幸?guī)劃新技術(shù)應(yīng)用研究；

陳秋曉**（1972-），通訊作者，男，博士、副教授。