面向城市規(guī)劃的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)與系統(tǒng)（一）

【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，本文為第一部分，給出了參數(shù)管理與自動(dòng)化生成相分離的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)思路及基于屬性塊的城市圖元參數(shù)管理方法。第二、三部分分別給出了DXF-SHP文件格式自定義轉(zhuǎn)換、參數(shù)化三維建模技術(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。

【關(guān)鍵詞】參數(shù)化設(shè)計(jì)；城市規(guī)劃；CityEngine；系統(tǒng)架構(gòu)；參數(shù)管理

1 引言

目前，城市規(guī)劃行業(yè)普遍使用的輔助設(shè)計(jì)軟件是AutoDesk公司的AutoCAD，該軟件在規(guī)劃實(shí)踐中存在如下諸多問(wèn)題：（1）規(guī)劃方案由點(diǎn)、線(xiàn)、面等低層次幾何圖形拼湊而成的，缺乏高層次城市地物對(duì)象的概念，不符合人類(lèi)的認(rèn)知習(xí)慣；（2）幾何圖形之間缺乏關(guān)聯(lián)，呈離散分布，導(dǎo)致整個(gè)方案的設(shè)計(jì)、修改和維護(hù)成本異常龐大；（3）整個(gè)規(guī)劃方案中的任何細(xì)節(jié)均需人工確定，缺乏智能性和輔助決策能力。為了解決上述問(wèn)題，近年來(lái)不少學(xué)者將參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)引入建筑、規(guī)劃領(lǐng)域，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，如Esri公司的CityEngine[1-3]。然而該系統(tǒng)技術(shù)門(mén)檻較高，主要表現(xiàn)在：（1）方案的建立由形式化或結(jié)構(gòu)化的文法規(guī)則驅(qū)動(dòng)，因此用戶(hù)必須掌握計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和具備編程能力；（2）城市地物類(lèi)型豐富多樣，因此必須建立龐大的文法規(guī)則庫(kù)，才能表現(xiàn)真實(shí)世界的復(fù)雜空間形態(tài)；（3）軟件系統(tǒng)的操作方式、使用習(xí)慣完全不同于AutoCAD，對(duì)于規(guī)劃設(shè)計(jì)者而難度較大。這些問(wèn)題將嚴(yán)重制約參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)在城市規(guī)劃領(lǐng)域的發(fā)展和普及。

事實(shí)上，要將參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)引入城市規(guī)劃領(lǐng)域，需要考慮該領(lǐng)域的特殊性：（1）規(guī)劃對(duì)象的特殊性。規(guī)劃對(duì)象為城市地物，如道路、地塊、建筑等，且種類(lèi)風(fēng)格各異，因此參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須具有表現(xiàn)這些對(duì)象的能力；（2）規(guī)劃人員的特殊性。大部分的規(guī)劃人員不具備計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編程基礎(chǔ)，依舊習(xí)慣于使用熟悉的AutoCAD軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須考慮這些使用者的現(xiàn)實(shí)條件。為促進(jìn)參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)在城市規(guī)劃領(lǐng)域的普及和應(yīng)用，針對(duì)上述特殊性，本文提出了一套面向城市規(guī)劃的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)。

2 面向城市規(guī)劃的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)

在一般的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)里，參數(shù)管理和自動(dòng)化生成是緊密整合在一起的，因此用戶(hù)既須負(fù)責(zé)管理參數(shù)，又需編寫(xiě)參數(shù)化生成規(guī)則和建立模型庫(kù)等，這對(duì)于廣大規(guī)劃設(shè)計(jì)者而言門(mén)檻太高。為此，文本提出將參數(shù)管理與自動(dòng)化生成相分離的思路：前者，研究基于AutoCAD平臺(tái)的高效的參數(shù)管理方法及開(kāi)發(fā)相應(yīng)插件，形成一個(gè)面向規(guī)劃設(shè)計(jì)者的客戶(hù)端；后者，借助CityEngine Pro 2011平臺(tái)，研究文件格式轉(zhuǎn)換、規(guī)則庫(kù)構(gòu)建、自動(dòng)化生成腳本設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并封裝復(fù)雜技術(shù)細(xì)節(jié)，形成一個(gè)相對(duì)封閉的服務(wù)端。最后，研究并搭建服務(wù)網(wǎng)站，將上述兩者連接成一個(gè)整體。

系統(tǒng)的整體框架如圖

圖所示：（1）首先城市地圖以DWG或DXF文件格式導(dǎo)入客戶(hù)端，由規(guī)劃設(shè)計(jì)者利用插件，并參照服務(wù)網(wǎng)站風(fēng)格庫(kù)管理模塊，將相應(yīng)參數(shù)賦予各個(gè)城市地物圖元，并另存為帶參數(shù)的DXF文件；（2）規(guī)劃設(shè)計(jì)者將DXF文件經(jīng)過(guò)網(wǎng)站的項(xiàng)目管理模塊上傳到服務(wù)器，并立即被服務(wù)端獲取；（3）服務(wù)端執(zhí)行自動(dòng)生成腳本，調(diào)用文件格式轉(zhuǎn)換工具、材質(zhì)庫(kù)、CGA規(guī)則庫(kù)等快速、自動(dòng)地生成規(guī)劃方案；（4）服務(wù)端將方案文件傳入到服務(wù)網(wǎng)站供客戶(hù)端下載。整個(gè)過(guò)程，規(guī)劃設(shè)計(jì)者只需在客戶(hù)端內(nèi)（熟悉的AutoCAD平臺(tái)下）為圖元賦予適當(dāng)?shù)膮?shù)即可，無(wú)需編寫(xiě)任何規(guī)則腳本或建立模型庫(kù)，規(guī)劃方案會(huì)在服務(wù)網(wǎng)站后臺(tái)自動(dòng)生成并提供下載。

3 基于屬性塊的城市圖元參數(shù)管理技術(shù)

3.1 圖元與參數(shù)的綁定

參數(shù)化設(shè)計(jì)的首要條件是地理空間數(shù)據(jù)與非地理空間數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。AutoCAD平臺(tái)雖未直接提供實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)制，但借助屬性塊[4， 5]可以間接實(shí)現(xiàn)。然而，手工創(chuàng)建屬性塊的步驟缺非常繁瑣：1）繪制代表城市地物的幾何圖元；2）為每一個(gè)參數(shù)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的屬性定義（Attribute Definition）；3）同時(shí)選中幾何圖元與屬性定義，創(chuàng)建并插入塊。當(dāng)涉及到大量城市地物需綁定參數(shù)時(shí)，手工交互量將變得異常龐大。為此，本文采用Visual Lisp語(yǔ)言，整合上述步驟，提出了一種快速創(chuàng)建屬性塊的方法，其具體流程如圖所示：

該方法首先手動(dòng)將一個(gè)或者若干個(gè)需要相同參數(shù)集的圖元選入選擇集SS。其次，從指定的文件中導(dǎo)入?yún)?shù)集PAS，每個(gè)參數(shù)都包含“屬性”、“提示文字”、“默認(rèn)值”三個(gè)字段。接著，求出SS的中心點(diǎn)坐標(biāo)P，并為每個(gè)參數(shù)創(chuàng)建一個(gè)屬性定義ATTDEFS，以P點(diǎn)為中心自上而下依次排列。然后將ATTDEFS連同SS一起，創(chuàng)建一個(gè)塊BLOCK。當(dāng)然建立的塊并不會(huì)在繪圖區(qū)顯示，最后還需要按照原坐標(biāo)插入塊參照REF，至此整個(gè)流程結(jié)束。圖中實(shí)線(xiàn)框表示的是基本步驟，虛線(xiàn)框表示的是可選步驟。其中，更改和讀取注冊(cè)表內(nèi)的設(shè)置，主要用于讓用戶(hù)選擇不同的屬性塊創(chuàng)建方式，比如可以選擇為多個(gè)選中圖元?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)屬性塊，也可以選擇分別為每個(gè)圖元?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)屬性塊等；“插入提示文字”，便于規(guī)則設(shè)計(jì)者理解所創(chuàng)建的每個(gè)屬性定義的含義，方便后期的維護(hù)；“修改塊參照的顏色和圖層屬性”是為了便于識(shí)別和統(tǒng)一管理。由本方所述方法最終生成的屬性塊如圖所示。整個(gè)綁定流程中，除第一步“選擇圖元集”需要少量手動(dòng)交互外，其他步驟均由程序自動(dòng)完成，大大提高了創(chuàng)建屬性塊的效率，使規(guī)劃設(shè)計(jì)者得以從繁瑣的操作中解脫出來(lái)。

3.2 參數(shù)的組織與管理

從綁定的流程可見(jiàn)，需要從外部文件導(dǎo)入一個(gè)參數(shù)集。這種依賴(lài)外部文件的管理方式不夠直觀、操作繁瑣、難以保證外部文件格式的正確性。因此需將參數(shù)集的組織與管理整合到AutoCAD平臺(tái)中來(lái)，并提供友好的交互對(duì)話(huà)框。目前，可以設(shè)計(jì)AutoCAD對(duì)話(huà)框的語(yǔ)言有：DCL、VBA、ObjectDCL和OpenDCL[6]。DCL并不是一個(gè)可視化的編程環(huán)境；VBA雖是可視化的，但在與Lisp/VisualLisp進(jìn)行大量數(shù)據(jù)通信時(shí)，速度和穩(wěn)定性難以保證[7]；ObjectDCL與OpenDCL均是可視化的對(duì)話(huà)框制作工具，提供了類(lèi)似于MFC的消息響應(yīng)機(jī)制，且能打包成獨(dú)立的VLX可執(zhí)行文件。但ObjectDCL是商業(yè)化產(chǎn)品，因此功能類(lèi)似的開(kāi)源免費(fèi)語(yǔ)言O(shè)penDCL是本文合適的選擇。

（a）原始圖元

（b）整體模式的屬性塊

（c）獨(dú)立模式的屬性塊

圖3 屬性塊效果示意

本文利用OpenDCL開(kāi)發(fā)的對(duì)話(huà)框界面如圖所示。在屬性定義選項(xiàng)面板下，設(shè)置了一個(gè)GRID屬性列表，用于顯示整個(gè)參數(shù)集。表中一行代表一個(gè)參數(shù)，包含“屬性”、“提示”、“默認(rèn)值”三個(gè)字段，分別對(duì)應(yīng)屬性定義（Attribute Definition）的三個(gè)要素。對(duì)話(huà)框提供了三種導(dǎo)入?yún)?shù)集的方式：（1）從外部文件導(dǎo)入，界面提供了“打開(kāi)”、“保存”、“另存”、“關(guān)閉”等操作外部文件的按鈕；（2）手動(dòng)輸入，界面提供了手動(dòng)創(chuàng)建一條參數(shù)的按鈕，同時(shí)還可以直接在界面上對(duì)參數(shù)進(jìn)行排序、刪除、修改等操作；（3）從系統(tǒng)剪切面板粘貼，當(dāng)用戶(hù)從外部復(fù)制了一組參數(shù)集到系統(tǒng)剪切面板后，單擊“粘貼”按鈕即可使其快速輸入列表；（4）從AutoCAD繪圖區(qū)屬性塊實(shí)體上吸取，通過(guò)該功能用戶(hù)可以直接從圖上得到想要的參數(shù)集。

4 總結(jié)

本文針對(duì)現(xiàn)有規(guī)劃技術(shù)手段落后、已有參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)門(mén)檻又較高的問(wèn)題，提出將參數(shù)管理與自動(dòng)化生成相分離的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)思路，重點(diǎn)研究了圖元與參數(shù)的綁定、參數(shù)的組織與管理技術(shù)。該部分的作用是使規(guī)劃設(shè)計(jì)人員能夠在熟悉的AutoCAD平臺(tái)下快速地為各城市圖元添加屬性，為后面的參數(shù)化三維建模提供條件。

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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。

*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