基于CityEngine的城市空間形態(tài)多情景模擬與方案評價——以長春市高新區(qū)為例

趙宏宇 王夢飛

規(guī)劃設(shè)計 Planning and design

基于CityEngine的城市空間形態(tài)多情景模擬與方案評價——以長春市高新區(qū)為例

趙宏宇 王夢飛

（吉林建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，吉林 長春 130118）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,城市化進(jìn)程也在不斷地加快,城市作為一個巨系統(tǒng),城市的環(huán)境變得也越來越復(fù)雜,城市中的可變量因素也越來越多,城市的未來發(fā)展情景具有不確定性、多目標(biāo)性、動態(tài)性等特征.計劃的方案往往與實際開發(fā)的存在較大的偏差,然而傳統(tǒng)剛性的規(guī)劃難以對城市未來發(fā)展情景作出準(zhǔn)確的模擬,與此同時,新版的城鄉(xiāng)規(guī)劃法更加注重規(guī)劃過程的科學(xué)性和合理性,所以,目前亟需一種適應(yīng)非確定條件模擬城市未來發(fā)展的方法.本文以長春市高新區(qū)某重點地塊為例,借助CityEngine三維建模軟件快速可視化等優(yōu)勢,形成多情景進(jìn)行模擬與比對,這使得最終的方案更加具有科學(xué)性,同時也對提高公眾參與度具有很大的意義,也對當(dāng)?shù)卣统鞘泄芾碚邔τ诔鞘械男畔⒒芾硖峁┛茖W(xué)的決策與支持.

CityEngine；參數(shù)化設(shè)計；多情景模擬；方案評價

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn),城市空間形態(tài)的質(zhì)量情況得到大家愈來愈多的關(guān)注[1],大多數(shù)城市在進(jìn)行規(guī)劃的時候都會有一張很好的規(guī)劃方案,但是在實際的開發(fā)實踐中,往往會出現(xiàn)方案和實際的效果出現(xiàn)偏差,其中導(dǎo)致方案和實際開發(fā)出現(xiàn)偏差的主要原因就是傳統(tǒng)的規(guī)劃編制只考慮單一的變量因子,以一種剛性和單一的思維模式進(jìn)行規(guī)劃,在當(dāng)前城市環(huán)境復(fù)雜的同時,城市作為一個巨系統(tǒng),城市內(nèi)部的變量越來越多,城市空間形態(tài)未來的發(fā)展模式存在不確定性、動態(tài)性、多目標(biāo)性等,所以,傳統(tǒng)剛性、單一的規(guī)劃編制無法滿足當(dāng)前城市復(fù)雜情況[2],然而新版的城鄉(xiāng)規(guī)劃法也更加注重規(guī)劃設(shè)計過程的科學(xué)性和合理性,基于此,當(dāng)下亟需一種適應(yīng)非確定條件下城市空間形態(tài)未來發(fā)展多情景模擬及方案評價的方法.

1 情景模擬與方案評價方法

1.1 城市空間形態(tài)情景模擬方法——CityEngine規(guī)則建模

傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計成果大多采用的是二維或者具有特定角度的效果圖進(jìn)行展示,展示的效果不夠直觀,隨著數(shù)字城市技術(shù)的發(fā)展,一種更加直觀、所見即所得的三維空間數(shù)據(jù)逐漸成為城市規(guī)劃師青睞的表達(dá)方式,作為獲取三維空間數(shù)據(jù)的一種重要手段,城市三維建模越來越受重視[4].城市三維模型是對城市環(huán)境中常見對象的三維幾何和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化表達(dá),以其直觀性、客觀性及真實性成為數(shù)字城市數(shù)據(jù)庫中的重要組成部分[3].日本1998年、1999年兩年舉辦了兩次主題為“Urban Multi- Media/3D Mapping” 的國際性學(xué)術(shù)會,2000年國際攝影測量大會將城市三維模型的復(fù)雜操作與分析列為大會主題之一[4],NicolaiStein（2017）提出參數(shù)化設(shè)計與環(huán)境模擬技術(shù)相結(jié)合,不僅可以評估設(shè)計的定性方面,還可以評估與特定設(shè)計相關(guān)的環(huán)境模擬的定量方面[5],基于目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,城市三維模型的研究也逐漸成為了一個熱點.

1.2 三維建模軟件的對比分析

傳統(tǒng)的規(guī)劃主要是通過圖紙來展示設(shè)計者所設(shè)計的方案,該方法具有一定局限性,目前在三維數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)用的背景下,自動化批量建模,這種高效、動態(tài)、參數(shù)化的建模方式尤其適合大規(guī)模的數(shù)字城市的三維建模的需求,因此也迅速成為當(dāng)前城市三維建模的首選方法[6].以參數(shù)化建模的思想為指導(dǎo),對當(dāng)下參數(shù)化建模軟件進(jìn)行對比,具體如下：

（1）3Ds Max

3Ds Max是三維動畫制作和渲染的軟件,也是全球銷量最大的三維建模軟件、動畫制作及渲染解決方案的軟件,操作上：3Ds Max易上手,對硬件的配置要求低和可堆疊的建模步驟等優(yōu)點,模型精度上：3Ds Max在建模精細(xì)程度上具有很大的優(yōu)勢：具有很強(qiáng)大的點、線、面幾何體編輯功能,在建立復(fù)雜的模型時很有效,能夠精確地確定模型的位置和尺寸,在模型建成后還可以對模型的高度、底面大小等參數(shù)進(jìn)行修改,但是3Ds Max還是依賴于手工建模,耗費大量的人力和物力,尤其是在城市級大場景方面更是力不從心[7].

（2）SkechUp

SkechUp是一種直接面向設(shè)計方案創(chuàng)造過程的設(shè)計工具,是一款非常便捷的應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的三維建模和設(shè)計軟件,能夠和Google Earth完美結(jié)合,方便免費利用其它地形和影像數(shù)據(jù),表面上看,SkechUp工具簡單,界面簡潔,但實際上具有很豐富的功能,兼具傳統(tǒng)的鉛筆繪圖及現(xiàn)代計算機(jī)輔助設(shè)計的雙重優(yōu)點,能夠?qū)θS模型進(jìn)行快速的創(chuàng)建和修改.操作上：SkechUp的操作空間大,對于那些沒有接觸過SkechUp的新手來說也能快速結(jié)合構(gòu)建模型,然而當(dāng)模型數(shù)量達(dá)到一定量級后,SkechUp建模就會相當(dāng)艱難,對于大范圍（設(shè)計千萬的模型）而言,SkechUp難以承擔(dān)[8].

（3）CityEngine

近年來,一種新的建模技術(shù)CityEngine基于規(guī)則的批量建模技術(shù)逐漸嶄露頭角,利用參數(shù)化技術(shù)開發(fā)的建模系統(tǒng),可以充分地發(fā)揮計算機(jī)強(qiáng)大的運算能力.另外,通過修改參數(shù)調(diào)整模型,并在這個過程中反復(fù)修改方案,我們可以直觀地觀察到不同方案的合理性,進(jìn)一步完善規(guī)劃設(shè)計方案,使最終的方案更加科學(xué)[8].

2 城市空間形態(tài)方案評價方法——層次分析法

近年來,圍繞著多指標(biāo)綜合評價,其他領(lǐng)域的相關(guān)知識不斷滲入,使得多指標(biāo)綜合評價方法不斷豐富,目前國內(nèi)外提出的大約有幾十種,實際上大致可分為2大類：主觀賦權(quán)評價法和客觀賦權(quán)評價法[2].主觀賦權(quán)法有層次分析法、模糊綜合評判法等,客觀賦權(quán)評價法主要包括灰色關(guān)聯(lián)度法、TOPSIS法等.

層次分析法：即The Analytic Hierarchy Process（簡稱AHP）,它是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法.比較適合于目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且數(shù)據(jù)缺乏的情況,算法過程比較簡單,使決策的過程具有很強(qiáng)的條理性和科學(xué)性.

2.1 運用層次分析法進(jìn)行多情景評價

為了能準(zhǔn)確地判斷各項功能之間的重要性程度,采用層次分析法來確定各類指標(biāo)的權(quán)重.首先構(gòu)建階梯層次結(jié)構(gòu)模型,然后構(gòu)造判斷矩陣A=[aij]對各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較.對判斷矩陣的一致性檢驗,:計算判斷矩陣的最大特征根λmax和一致性指標(biāo)CI, 公式如下:

3 應(yīng)用實例——以長春市高新區(qū)某重點地塊為例

3.1 研究區(qū)概況

該地塊位于長春市高新區(qū)內(nèi),東北瀕永春河,西連硅谷大街,南鄰超達(dá)大路,212.1公頃,全境地勢平坦,地塊周圍被快速路和主干路環(huán)繞,2條地鐵線圍繞,地塊內(nèi)公共服務(wù)用地集聚.

3.2 城市空間形態(tài)多情景模擬

城市空間形態(tài)模擬就是根據(jù)城市未來發(fā)展戰(zhàn)略,借助上文的參數(shù)化建模軟件的支持,模擬生成每種指標(biāo)極限值下對應(yīng)的城市空間形態(tài)情景.

3.2.1評價指標(biāo)的選取

由于控制性詳細(xì)規(guī)劃指標(biāo)體系包含的指標(biāo)很多,可謂是體系龐大,如果我們把所有的影響指標(biāo)都考慮周全的話,那么演繹出來的情景可能多到規(guī)劃人員束手無策,所以我們應(yīng)該重點考慮設(shè)計地塊未來發(fā)展情景的關(guān)鍵指標(biāo),找出能夠明顯區(qū)別不同情景模擬方案的關(guān)鍵變量,依據(jù)這個原則建立綜合評價模型.本研究把研究區(qū)內(nèi)的控制指標(biāo)劃分為容積率、建筑密度、建筑高度、綠地率等,設(shè)定每種指標(biāo)極限值分別歸納出每種情景的三維空間形態(tài).

3.2.2多情景歸納

根據(jù)對地塊的區(qū)位特征,認(rèn)為地塊未來的發(fā)展有四種主要的戰(zhàn)略選擇,具體為：

情景一：在滿足相應(yīng)的指標(biāo)規(guī)定的前提下,使容積率達(dá)到最優(yōu),即讓開發(fā)商和居民同時滿意.

情景二：在滿足相應(yīng)要求的條件下,將研究區(qū)內(nèi)的每種地塊的建筑密度達(dá)到最大,充分發(fā)揮土地使用性.

情景三：滿足剛性指標(biāo)的要求下,在硅谷大街這個城市界面形成一定的建筑高度.

情景四：在滿足開發(fā)商利益的前提下,使綠地率達(dá)到最大.

3.3 研究區(qū)空間形態(tài)多方案評價

本研究在上文的城市空間形態(tài)的模擬方案生成過程中,已經(jīng)充分考慮了各指標(biāo)間的差異但是由于地塊內(nèi)的問題比較復(fù)雜,還需要對各情景方案約束條件進(jìn)行分析.

3.3.1約束分析（現(xiàn)場的調(diào)研問題）

交通的可達(dá)性.基于地塊周邊的軌道交通的可達(dá)性,發(fā)現(xiàn)硅谷大街有兩個TOD站點,也是未來人流比較集聚的地點,因此在黃金三角地來說,交通的可達(dá)性在給人帶來便利的同時也會帶來以下障礙,所以處于高新之眼這個黃金三角的位置,尤其要慎重的處理好交通優(yōu)勢.

產(chǎn)學(xué)研用.在研究地塊的右上角依托吉林大學(xué)形成科創(chuàng)園區(qū),如何將高校的科創(chuàng)園區(qū)輻射研究地塊內(nèi),在這空間組織上要避免產(chǎn)業(yè)鏈條的脫節(jié).

3.3.2評價結(jié)果

根據(jù)上述戰(zhàn)略歸納下的研究區(qū)的多情景,本研究從綜合容積率、建筑密度、綠地率、建筑面積等四個方面作為模擬方案的評價目標(biāo)。針對研究地塊,其評價的四個方面設(shè)定四個4個重要等級,分別用A、B、C、D來表示,其中A等級是最重要的,B等級次之,C等級微重要,D等級是不重要。結(jié)合CityEngine快速可視化技術(shù)對四種情景進(jìn)行快速模擬及評價,四種情景中,在綜合考慮交通的可達(dá)性及產(chǎn)學(xué)研用的全鏈條同時,容積率相同的情況下,綠地率越大,居民喜好度越高.根據(jù)統(tǒng)計分析的結(jié)果,我們可以看出情景三的綠地率是31.2%,在綜合對比中,很顯然情景三是最佳參考方案。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計手段并非無法沿用,在如今大數(shù)據(jù)時代,讓新數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了結(jié)合,使以往單一,以偏概全的工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣砜梢馈⒂芯C合數(shù)據(jù)結(jié)論可依且可宏觀把控的工作方式,本研究依托CityEngine快速可視化技術(shù),探討了長春市高新區(qū)某研究地塊多情景分析及方案評價的方法,可以最大程度地發(fā)揮CityEngine動態(tài)規(guī)劃和及時的數(shù)據(jù)反饋的優(yōu)勢,本方法大大提高了規(guī)劃設(shè)計方案制定的科學(xué)性和合理性 ,提高了公眾的參與意識.最后,利用CityEngine快速可視化的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行多情景的模擬與評價,將這種視野引入多情景的模擬與評價中,便于未來可以高效精準(zhǔn)地為政府或城市管理部門提供決策與支持.

[1]孫施文,鄧永成.開展具有中國特色的社區(qū)規(guī)劃——以上海市為例[J].城市規(guī)劃匯刊,2001(06):16-18+51-79.

[2]趙民,林華.居住區(qū)公共服務(wù)設(shè)施配建指標(biāo)體系研究[J].城市規(guī)劃,2002(12):72-75.

[3]關(guān)麗,丁燕杰,張輝,馮學(xué)兵,譚向農(nóng),趙金玲.面向數(shù)字城市建設(shè)的三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].測繪通報,2017(02):90-94.

[4]孫敏,馬藹乃,陳軍.三維城市模型的研究現(xiàn)狀評述[J].遙感學(xué)報,2002(02):155-160+168.

[5]劉興權(quán),董淼,劉晶晶.基于Skyline的三維城市規(guī)劃方案對比功能研究[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2014,31(06) -223+243.

[6]趙雨琪,牟乃夏,張靈先.利用CityEngine進(jìn)行三維校園參數(shù)化精細(xì)建模[J].測繪通報,2017(01):83-86+111.

[7]牟乃夏,趙雨琪,孫久虎,張靈先.CityEngine城市三維建模[M] .北京:測繪出版社, 2016.

[8]肖永東. 基于SketchUp和CityEngine的數(shù)字城市三維建模[D].昆明理工大學(xué),2015.

趙宏宇 （1977.01- ），男，吉林省長春市，漢族，職稱：教授，學(xué)歷：博士，研究方向：主要從事寒地城市設(shè)計與生態(tài)規(guī)劃研究，重點開展生態(tài)智慧城鎮(zhèn)規(guī)劃、再生城市設(shè)計理論及方法研究。

王夢飛（1994.02- ），男，河南省周口市，漢族，學(xué)歷：碩士，單位：吉林建筑大學(xué)，研究方向：城鄉(xiāng)規(guī)劃與設(shè)計。

吉林省科技發(fā)展計劃項目（編號：20170101080JC）。

TU7

A

1007-6344（2021）01-0284-02