智慧BIM喬木模型：從設計圖紙到施工現場

(德)安得烈亞斯·盧卡 郭 湧 撰文

高 昂 張 璐 譯

1 研究背景

BIM正在成為建筑和施工領域的一種標準化實踐內容。風景園林行業對BIM軟件行業而言是一個相對較小的市場，其BIM解決方案的成熟度和質量都遠遠落后于建筑行業。市場上尚無一款軟件能全面涵蓋風景園林設計領域的核心需求，如種植、豎向、灌溉和照明等[1]。根據Olmsted項目中Lindhurst和Sipes的觀點，基于Autodesk產品發展風景園林專用工具的早期努力之所以嘗試失敗，就是因為市場太小[2]。

幾乎每種BIM 3D建模軟件都集成了基本的景觀設計工具，具有本地或云端的植物數據庫和3D模型庫。然而，其中的模型仍然停留在3D CAD水平，仍未實現BIM功能。它們或者是基于圖像的對象，如billboads或通過ArchVision制取的RPC(Rich Photorealistic Content)對象；或者是用于渲染的高精度3D模型(圖1)。

高精度的3D喬木模型通常是用植物建模工具或3D建模軟件的插件通過參數化方法建模而成，但是它們向BIM環境轉移過程中會喪失參數化能力。輪廓旋轉形成的實體則無法通過參數靈活地控制形狀變化，因此無法根據數據源建造區別樹種形態的模型。

上述種類的喬木模型都存在不足，大部分無法表現樹冠或根系的體積。其中，CS ArtisanRV可在樹木的全部分枝范圍基礎上增加2m作為根系的區間范圍，但是無法提供樹冠的體積；該模型應用了生長函數，但是僅限于高度和分枝范圍的等比縮放。

模型的BIM功能缺失。由于目前尚無公認的國際標準，分類和參數僅有國別標準，因此模型庫中的模型來自不同的來源，且文件格式和分類也不盡相同，這不利于工程算量和施工組織等BIM功能的實現。沖突檢查功能的實現也受到限制，只有輪廓旋轉形成的實體模型能夠有限地實現此功能。績效分析功能由于模型參數不全及軟件功能缺失而受限，例如碳匯信息的缺失等。而且施工組織安排和工地管理方面的性能分析功能完全缺失。

因此，風景園林師開始建立自己的模型庫[2]。常用方法是將帶有簡單體積模型的RPC與符合BIM標準的參數集相結合。植物模型開發是一項具有難度的工作，正如Bryan Barth所說：“建筑師的BIM數據大多由指定的產品制造商提供。這種收集數據的方法在一定程度上可以適合風景園林實踐，但是景觀遠不止是一套零件。土壤類型、野生動物活動和本土植被的形態不僅是一套數字，而是所有景觀設計背后的思想過程中最為核心的力量。[3]”

植物，尤其是長壽的喬灌木，其建模的難度在于形態和外觀隨樹齡、季節而變化，并且具有某種程度的不確定性，因為植物與環境之間具有復雜的相互依存關系。現狀樹則形態各異，且有些部分遮擋不可見，需要通過方程式(異速生長方程)進行估測。

樹木模型的開發要應對喬木、灌木及其苗圃規格所具有的巨大的差異性，因此需要LandFX、Landmark、Dataflor等專門的開發界面。模型的應用則要求掌握若干知識作為基礎，如軟件開發、風景園林設計實踐和栽培養護等方面的知識。

如果希望風景園林行業在應用BIM做專業設計工具方面獲得成功和認可，克服這些困難就至關重要。基于以上問題，筆者團隊開發了一種BIM喬木模型，具有如下特點。

1)完善BIM標準，實現BIM功能(具有可用于沖突檢查的樹冠和根系實體/網面，用于性能分析的參數、LoD及分類)；2)用于自動進度安排的一致性分類和參數集；3)按樹齡動態生長；4)反映具體樹種形狀和大小的參數；5)不依賴軟件(數據交換在參數層級而非幾何體層級實現)。

該模型基于參數和異速生長方程描述現狀樹、新植樹和特定樹種喬木的形態和生長過程。

這種數據驅動的喬木對象若成功應用將有助于形成以構件為導向的模型構建技術路線，以及針對數據的模型構建。

圖1 在3D CAD中喬木的典型表達形式——RPC，輪廓旋轉所得的實體和高精細網面

2 基于BIM標準的BIM喬木對象應滿足的要求

基于BIM對象的一般定義和相關標準，本文專門針對喬木的BIM對象定義了其應滿足的功能要求。相對于三維CAD模型，BIM對象是對產品或材料的數字化描述，在應用中多個BIM對象結合時，可以創建BIM模型。一個典型的BIM對象具有描述其物理外觀的三維幾何圖形，以及描述其內容、分類、性能、材料和預期壽命等數據。

BIM對象具有參數化特點，每個對象僅需要定義一次，然后可以根據需要將其放置在模型中的多個位置。如果隨后更改對象，則這些更改將出現在整個模型中。這樣可以使模型自動保持一致并減少錯誤[4]。

BIM對象可以構建彼此之間的關聯與互動，具有以數據為中心、以對象為導向的構建方法。例如，喬木規格可以與樹坑規格相關聯，或者與其質量相關聯用于地下停車場的結構荷載。這種方法還可以讓相同的對象基于自身的屬性呈現很多不同的圖面可視化效果。

BIM對象與三維CAD模型具有本質區別。CAD環境關注的是二維圖形或三維幾何體的外觀；分類通過復雜的圖層結構和命名進行歸檔；雖然數據可以與幾何信息共同添加、分配和提取，但是CAD利用這些附加數據作為參數影響幾何體的能力非常有限。

BIM對象標準保障使用者可以在所有工作平臺上兼容使用包含各種必需信息的BIM對象，例如澳大利亞和新西蘭的Open BIM對象標準[5]或英國的NBS BIM對象標準[6]等。

BIM對象標準根據設計階段對信息層級、幾何形體、數據格式的一致性和結構性進行定義。

目前尚無風景園林BIM對象的具體標準。buildingSMART風景園林工作組[7]正在挪威方案[8]和英國景觀產品模板[9]的基礎上開展這方面的標準化努力。

從BIM對象的一般定義來看，BIM喬木模型必須具有以下特點：

1)在關鍵尺寸和數據方面完整準確，以達到設計意圖和階段要求，細節層級(LoD)描述每個設計階段所需的數據和幾何形狀，在早期設計階段，具有可用的通用模型；

2)與通用對象兼容，解決通用對象和專有對象區分不清的問題；

3)模型內建于用于優化性能的軟件之中；

4)繼承自高階對象的模型信息歸類正確，從而可在對象存儲和過濾中加以搜索，實現工期安排和模型對比等功能；

5)實現正確托管，解決與其他對象的關聯位置問題及上級托管對象與對象本身不能同時顯示的問題；

6)具有獨一性，可避免模型的混淆、不一致和數據量冗余；解決單一模型多次應用影響圖紙輸出、工期安排和分析結果正確率的問題；

7)聚焦于BIM功能，而不是逼真的圖像可視化或與BIM不相關的數據和幾何形體。

從BIM喬木模型的具體要求來看，模型還需要能夠反映喬木的生長、分布區域、苗木存圃量和規格等。因此，模型對象需要滿足以下要求：

1)參數化的要求，即在單一模型中反映植物隨樹齡、季節動態變化的自然屬性，受修剪整形等養護管理的影響，受限于資源和氣候的環境屬性；

2)本地化的要求，即與所在國苗圃組織認可的行業標準對應；

3)信息化的要求，即可以與其他植物數據庫連接，對非BIM相關信息使用高級查詢功能進行查詢；用戶從而可以根據特定生態、功能、美學要求縮小植物的搜索范圍，在信息支持下作出決策。

當前風景園林常用軟件中的喬木對象，諸如Revit、Vectorworks或ArchiCAD等BIM軟件中自帶的喬木庫和植物工具，能實現一定的BIM功能[10-11]，但仍然無法完全達到BIM對象的一般功能要求和喬木模型的專門應用要求。

3 BIM喬木模型構建的方法

3.1 BIM喬木模型構建的技術路線

本文提出一種參數化方法，可在不同LoD(細節層級/開發層級)的BIM環境表現喬木的形態和生長動態。該方法可通過清晰的主干、樹冠的封裝和根系系統表達BIM模型中喬木最為關鍵的空間要求。

1)選擇一種可以描述現有喬木非對稱形態的封裝形式，也可以使用便于理解的參數和通用的生長函數，為不同品種的規劃喬木提供封裝形式，并應用便于理解的參數和通用的異速生長函數來構建模型。

2)選擇和定義若干生長公式以計算隨樹齡變化而變化的樹木形態和體積，反映特定喬木樹種的基本形態特點。

3)定義每個設計階段所需的信息，即LoD。這部分內容基于本文提出的模型構建方法和尚在醞釀的風景園林BIM元素標準而制定。

4)在Dynamo的可視化編程環境中測試所提出的建模方法，并導出Revit族，在風景園林工程BIM應用工作營中試用。

3.2 樹冠和根系封裝模型的選擇

樹冠封裝是創建樹冠體積的基礎，只有完成樹冠封裝才能進行正確的可視化和進行與樹冠相關的性能分析，在林業測繪和蓄材量測算中多有應用[12]。

采用由Horn[13]和Koop[14]最先提出，后由Cescatti[15]發展完善的非對稱殼狀模型進行樹冠封裝[16](圖2)，使用6個方向上的6個控制點和2個控制其線型曲度的形狀因子進行定義(圖3)。模型采用易于控制的參數，可以生成各種樹冠的真實形狀。其中4個控制點在樹冠的最大寬度處定義了一條圓周線L，將樹冠分成上冠(受光的)和下冠(蔭蔽的)。該點在XY平面中由4個1/4橢圓和內插高度(Z)連接。L上的點由角度為cT和cB的超橢圓曲線與上下頂點相連。

相較于由一組輪廓線定義的擠壓殼狀模型[17]，如不可變的樹冠輪廓方程[18]或與樣條曲線關聯的蒙皮殼狀模型，這種6個控制點加2個形狀因子的參數更易于獲取和組織。

對于對稱性的理想樹形，該參數集可以用林業和苗圃中使用的參數和數據進行校準。可以認為形狀參數在喬木的生命周期中是一致的，且根據樹種具遺傳性。因此樹木特定年齡下的樹冠形狀可通過計算獲得，可以看作為一種沿法線旋轉輪廓生成的對象，其高度和分枝范圍隨時間按函數變化。這種模型可以拓展到根系系統，從而基于典型根系形態和生長公式的信息表述樹冠與根系的關系[14](圖4)。

圖2 根據Cescatti形態制作的非對稱殼狀模型[16]

圖3 用來定義單體喬木樹形特征的變量[12]

圖4 基于最大深度參數、樹冠半徑與根系半徑之比，以及1個獨立形式參數生成的典型根系形態

3.3 描述喬木生長的算法與參數的選擇

總體上，生長函數[19]可以描繪變量隨時間變化的增長情況。這種增長常常以Von Bertalanffy[20]的假說為依據，也就是把一個生物體的增長率表示為合成代謝率(組成代謝)和分解代謝率(分解代謝)的差異。大部分生長函數呈現“S”形，由初始規格和最終規格(上下漸近線)、遲滯期、達到最大數量前的加速增長期和達到最終數量前的減速增長期構成。

選擇Chapman-Richards生長函數，它是森林生長模擬中使用最為廣泛的函數，在場地索引建模過程中具有很高的預測準確率和實操性[19，21]。

Chapman-Richards[22-23]生長函數最簡潔的形式是：

h(t)=hmax＊(1-exp(-k＊t))^p

該函數也可以寫作如下形式，用以直接解釋觀察到的生長模式的重要特征[24]：

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

其中每個參數(hmax，k，ti，d)只影響曲線的某一特征(表1)。這是一種額外的算法改進。生長曲線可通過已知值的迭代非線性回歸擬合生成。已知值可以從那些已被完善地加以記錄的R數據組中獲得。參數hmax、k和ti也可以根據實際經驗認知確定。

3.4 BIM細節層級/發展層級(LoD)中的信息選擇

LoD是BIM中的一個重要概念，決定了一個BIM模型中所需置入的信息或數據的量。稱BIM中的LoD為開發層級，以避免與描述快速三維可視化效果的細節層級(粗略、一般、精細)相混淆。

表2展示了在挪威數據標準方案[8]和英國植物產品模板[9]基礎上，根據AIA E202-2008/G202-2013 BIM協議[25]的模型元素要求，以及轉譯該要求形成的BIM喬木模型信息。

預期隨著BIM軟件景觀設計功能的發展，越來越多的數據需要添加，尤其是用于績效分析、協作方信息共享、施工組織管理等。這將給模型的性能、數據的互通和存儲都帶來嚴重的問題和挑戰[26]。對此，Tobin提出了BI(m)或原子BIM的未來BIM發展方法，即數據不再置入模型而是僅參照到模型，并存儲在一個中心數據源。在BI(m)中，模型只是數據的眾多可視化形式之一。中心數據源與三維建模環境脫離，可以實現更快速的數據處理、操作和可視化[27]。

對于BIM喬木模型來說，這意味著不僅需要開發3D對象，還需要提供工具將數據導出不依賴任何軟件的數據格式，例如IFC數據。

4 BIM喬木模型在Dynamo和Revit族中的實現

第一階段開發在Dynamo可視化編程環境中對算法進行測試，并開發Civil3D的.Net應用，以驗證開發概念的可行性。第二階段開發聚焦于面向風景園林師的Revit應用。第三階段開發創建了2種全功能的通用族，以及多個常用樹種的族和參數集。隨著參數集增加，將會對這些信息加以組織、構建數據庫，并將其與現有的植物數據庫進行關聯。

4.1 Dynamo環境中針對算法和參數的測試

開發了一套用于測試非對稱殼體模型和Chapman-Richards生長函數的Dynamo腳本。Dynamo環境允許對結果進行即時可視化控制，允許使用不同的參數和算法進行實驗。結果表明，非對稱殼體和Chapman-Richards生長函數可以在Autodesk的設計軟件中應用。

圖5 Dynamo圖像中的樹高、分枝范圍和根系

圖6 Revit中不同年齡參數下的樹種類型

表1 Chapman-Richards模型參數特征對照

實驗發現，高度、分枝和根深需要不同的生長公式。可以通過設置三者之間不同的異速生長關系實現樹木生長的模擬(圖5)。

4.2 Revit族的開發

根據開發層級(表3)，開發了3個族：非對稱殼體現狀喬木族、帶基礎樹形和基本生長特點的對稱通用喬木、樹種類型喬木。

1)非對稱殼體現狀喬木族。

該模型基于6個可進行互動調整的控制點和2個形狀參數及胸徑值來描述樹冠、主干和關鍵根系范圍。另附樹木學專家提供的資料，以便編制樹木保護計劃、樹木調查表、移植計劃等，相關信息包括：編號、常用名和拉丁名、防護等級、健康狀況、移除/保留/預留。

2)帶基礎樹形和基本生長特點的對稱通用喬木。

該族具有基于喬木高度、直徑、枝下高、根深和異速生長系數的對稱樹冠，參數包括：最大直徑的相對位置、高度/胸徑、根/冠、冠的2個形狀參數、1個根的形狀參數。這個族具有植物的通用類型及相關的參數集，例如慢生、中等高度、窄圓錐形和常綠闊葉樹。其夏季和秋季的葉色外觀和枝下高可以根據實際情況分別調整。

3)樹種類型喬木。

在通用模型的基礎上，該族的信息包括常用名、拉丁名、鏈接到植物數據庫的規格特征和生長變化特征，即25年生樹木的參考規格、最終規格、生長速率、形狀因子和異速生長系數等；還包括苗圃可供貨的苗木規格，產出因子(yield factor)等(圖6)。

喬木在城市環境中通常無法達到他們潛在的最終高度和分枝量，這是因為可生根的土壤受限，進而獲得的資源，尤其是水資源也受限。例如在地下停車場、壓實土壤和不透水表面上的土壤的厚度都受到限制。為了解決這個問題，利用與場地條件關聯的產出因子來減少最終高度和分枝量。

4.3 以歐洲小葉椴為例創建參數集

選擇中等生長速度的歐洲小葉椴進行模型構建示例，這種喬木在歐洲和北美作為苗圃產品有廣泛應用。

形狀參數可以很方便地從喬木的剪影圖片中估算出來。用2條各帶3個控制向量且轉角位置以矩形封閉的樣條曲線替代超橢圓曲線將樹冠輪廓勾出。中點控制向量直接與超橢圓的形狀因子關聯。2個端點的權重設為1.0，中點權重隨曲率變化，例如0.5是直線，1.0是橢圓(圖7)。

小葉椴樹的生長曲線參考了根據2012年巴伐利亞林業蓄材量數據(表3)生成的曲線，從文獻和植物數據庫(如瑞士園林數據庫)搜集的植物標準規格數據，以及苗圃所出售的喬木規格與樹齡(圖8)。最大生長速率和達到極值的時間(k=0.6m)可以從喬木苗圃的產品中獲得，同時將最終高度(40m)乘以產出因子(0.625)降低到25m。從kmax和d的值可根據算法獲得k和p的值。樹冠分枝與根系的生長曲線在高度生長曲線的基礎上獲得(表4)。其中根系因其生長過程較早達到適宜發根的深度，需相應調節曲線拐點位置(圖9)。

小葉椴樹的外置信息和苗木信息是模型運行沖突檢查、績效分析、工程算量和施工組織所必須的。從已有的植物數據庫中獲得這些信息(本文采用數據來自瑞士園林數據庫)，并實現了針對喬木的沖突檢查功能(圖10)。

表2 BIM模型元素要求與BIM喬木模型LoD對照

由于這些喬木模型為滿足BIM能力和進行快速處理而設計，不適用于可視化。因此，將渲染資源與Revit族相關聯，可以在渲染環境中使用高分辨率喬木渲染模型自動覆蓋或替換BIM喬木模型(圖11)，而不會使BIM模型過于冗余。

圖7 用AutoCAD繪制的小葉椴樹形控制線

圖8 小葉椴樹生長(高度)曲線與巴伐利亞州數據對比

5 結論和展望

本文所報告的BIM喬木模型研發，目前完成了主干清晰的單體喬木的參數集，在此基礎上未來可進一步開發多主干叢生狀的喬木，并用類似參數開發灌木的單體模型，從而逐步豐富BIM植物模型的數據資源。本文所完成的BIM喬木模型與現成的植物數據庫及其選擇工具相關聯，與可視化渲染資源相連接，就可以將參數化喬木模型集成到風景園林師的設計工作流。設計師應用該模型時只需根據喬木的類型和形態、樹種、規格等設計要求在軟件界面進行選擇，而無需對復雜的參數和控制因子進行操作。該BIM喬木模型與高精度衛星定位系統和自動控制機械相關聯，便可集成到風景園林工程建造工作流，實現苗木儲運、假植、轉運的精細化管理和免放線種植施工。將該模型的參數集通過二維碼和手持終端連接，便可集成到養護管理工作流，通過物聯網控制喬木與灌溉、施肥、病蟲害檢測等內容的關系，實現信息化植物養護管理。

表3 小葉椴樹高度生長參數

圖9 小葉椴樹的相對生長曲線

表4 小葉椴樹的相對生長參數

圖10 喬木根系和管道的沖突檢查

總之，隨著參數化的喬木模型發展，風景園林師可以從BIM中獲得更多益處。它保證了設計師、施工方、供應商和業主在整個項目的壽命周期中應用統一的模型對象。更加優化的喬木模型會讓工作更為高效并改善與建筑、結構等專業的協作。參數化的喬木模型將創建BIM模型與建成環境之間更有效地鏈接，為我們提供了可能性，進一步創建智慧設施管理模型即數字孿生體。

圖11 Revit中的族和En scape中經過渲染的關聯資源

注：文中圖片均由作者繪制。