基于地理設計的三維建筑規劃方案設計

文／聶瀟 山東志合建筑設計院有限公司 山東濟南 250101

杜哲 濟南長清城市建設開發有限公司 山東濟南 250399

引言：

隨著數學規劃向智慧規劃的邁進，傳統的CAD 二維繪圖、3DMax 三維建模等設計工具無法滿足更深層次的應用和分析的需求。這些技術面臨一些挑戰，例如，它們不僅能夠將幾何面片集合轉化為可視化的圖像；設計流程必須在多個平臺上進行，而且還要應對用戶及其決策者的多次變更，這大大提高了溝通的難度，降低了設計的效率。因此必須尋找新的技術來支持這些轉變，實現真正的智能化規劃。

地理設計作為一種創新的設計和規劃方式已經被廣泛采用，它通過模擬、系統思考、數字技術等多種手段，有效地把握地理環境的影響，實現更加精準的設計。它不僅可以通過圖像、文本等表現形式，讓人們更加清晰地看到設計方案的實際情況，而且可以利用其強大的空間數據管理與分析功能，實現多次、快速的影響評估，從而持續改善設計方案的質量。以ESRI 公司Jack Dangermond、加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的M.F Good Child 教授、哈佛大學Carl Stein it z 教授、Geo

Design 科技公司總裁Michael Flax man 等一大批杰出的學術專家在地理、規劃設計領域的學術研究與實踐的推動下，取得了顯著的成果。近年來，地理設計的概念被廣泛應用于各種領域，如土地利用、生態環境和文化遺產的保護等領域。隨著技術的不斷改進，ESRI 公司的城市引擎軟件已經取得了長足的進步，它能夠以腳本引擎的形式實現規則的設計，并且可以迅速模擬出建筑物的外觀特征。因此，本文首先分析了三維建筑規劃方案中的設計流程，然后分析了建設的布局，接著進行了初步設計，最后對方案進行了優化。希望通過本文的研究，對今后的設計有一定的幫助意義[1]。

1.設計流程

地理設計注重以人的視角來探索和分析各種可能的因素，并通過綜合考慮各種數據和外部環境來實現最佳的設計效果。在此基礎上，將設計過程中最重要的設計靈感轉化為信息生成，提高了設計效率，豐富了語義信息的設計結果。這篇文章的目的是通過提供一個三維的解決方案，讓設計師能夠快速構思出一個有效的解決方案。將使用交互式設計來模擬一個三維地理空間環境，綜合考慮三維空間、規劃條件、自然和社會經濟條件等，根據地塊特征來制定最佳的布局。最后對這個解決方案進行詳細地設計分析與評估。經過精心的構思，在專業的建筑中進行更加精細的室內模型設計，最終建立內外融合，創造出具有語義和幾何的三維規劃作品。因此通過深入分析，提出一種新的三維建筑規劃方案設計流程和方法，以滿足當前的需求，并將其應用到實踐中。

2.建筑物自動布局

為了達到最優的使用效果，采取自動化的建筑布局設計，以便在不影響網站整體外觀的前提下，營造出協調而又美觀的視覺氛圍。在此過程中，綜合考量各種因素，從基礎結構到細節構思，都進行精心的調整[2]。通過對地塊的分析，可以確定建筑物的平面布局。這種布局需要考慮三個主要因素：排列方式、限制條件和布置算法。通過這些因素，可以確定建筑物的底部和整個空間的大小。

（1）地塊，為了實現最佳的空間布局，地塊的規劃必須包括多項指標，例如土地性質、容積率、綠化率等，以便更好地控制建筑物的分布。此外，還須充分考慮地塊的自然特征，例如坡度、坡向和高程、日照條件、風向等，促使空間合理利用。

（2）建筑布局可行域，在建筑布局的過程中，必須保障所有的空間都被納入規劃的范圍之內，以便實現最佳的空間利用效果。比如，當需要提高綠化率時，就應該在規劃的區域內設置中庭、草坪等綠化空間，以此來提升整體的景觀效果。

（3）排布方式，建筑空間的排布方式是一個重要的考慮因素，它不僅要考慮美觀、日照和通風，還要考慮約束指標，包括自然環境因素，如地形地貌、日照、風向、視線和水源等。此外，還需要考慮經濟人文因素，如建筑物的規模、建筑材料的使用壽命、建筑結構的穩定性、建筑物的安全性、建筑物的抗震性、建筑物的耐久性等。規劃要求和其他輔助因素，如區域經濟狀況、人口密度、開發難度等，都是影響項目成敗的重要因素。

（4）布局算法，研究表明，當前，許多算法都能夠自動地根據建筑的可行性，在一定的區間范圍內構建出合理的建筑布局。其中：①鑲嵌式算法，它把建筑物抽象為一系列的點，并且根據它們的尺寸大小，采用Voronoi圖，以最接近的原則來劃分出平面；②砌磚式算法，它模擬工匠砌磚的過程，通過設定最低水平線和最高輪廓線，來實現對建筑物的精確規劃，從而達到優化空間結構的目的③利用遺傳算法模擬生物進化的自然選擇原理，通過反復迭代和優化，可以有效地實現對齊基準底面的布局，從而達到最佳的結果[3]。

（5）建筑底面，建筑物的底部是空間布局信息模型的重要組成部分，它反映出建筑物的位置、大小、方向和基礎高度，并且可以用來決定建筑物的外觀。

（6）建筑體量，建筑空間布局還反映出建筑物的體積，因此，它也可以用來決定建筑物的總重量。通過測量建筑物的尺寸，并結合容積率、其他空間參數，可以評估出該建筑物的布局是否符合規劃要求[4]。

3.初步設計

在這篇文章中將建筑規劃方案的設計分為兩個階段：首先，將使用建筑規則引擎來確定建筑的初始形態和風格。然后，將使用BIM 模型來對建筑進行深入的設計。充分利用三維數字城市和測繪地理信息技術的優勢，重點關注外立面的整體效果和景觀設計。最后，讓專業的建筑師來對內部的精細結構進行深度設計，并將其轉換為 BIM 成果實現建筑物的內外一體化集成應用。

3.1 城市引擎規則制定

建筑規劃方案初步設計的主要目的是整合相應的數據信息，形成建筑物的外觀和三維形狀。通過cad、3dmax 等現代化的三維建模技術，可以有效地將研究對象的三維空間信息構造及模型轉化為可操作的實體，從而提高了規劃設計的精度，同時也減少了人為操作的需求，使得規劃設計更加便捷、可靠[5]。通過ESRI 公司的城市引擎平臺和二次開發包，可以實現對建筑外立面形態的創新性構想，并且可以實現實時的交互式調整。城市引擎平臺是支持先進的三維建模技術，它利用規則和屬性來構建出高效、精確的建筑物外觀，它不僅可以根據用戶的需求，快速、自動、大規模地創建出建筑物外立面三維模型，而且還具有靈活的可變性，它的關鍵步驟是設計出一套完善的建筑物形態規則，以便更好地滿足用戶的需求。

3.2 建筑規則制定

通過對建筑規劃設計方案的研究，制定了一套完善的規則，旨在幫助建筑師更好地實現其設計目標，同時也使規劃具備良好的可操作性。此外，還需要根據不同類型的建筑，如城市發動機，對其進行有效的分割，并利用先進的軟件技術，創造出精準、高效的模型。規則的概念其實很簡單，只需要關注兩個方面即可。首先，建筑的基本形態是能通過多種空間規律，可以有效地利用季節變化的特點，并且，建筑物的附屬設施，如屋頂、煙囪和百葉窗，也具有極高的復雜性，無法僅憑系統提供的規則就可以完成。針對這種情況，可以使用專業的建模軟件來一個一個地創建模型，并將它們按照一定的標準格式導出，還可以使用平面幾何來代替傳統的腳本實體提升模型的逼真度。此外可以使用紋理映射來處理建筑物的表現，它的基本原理是利用建筑物的樹狀層次結構，為每個葉子節點設定適當的 UV 值和紋理路徑。通過三維建模技術，可以獲得完整的三維建筑圖像[6]。因此，建筑規則能夠被重復利用,為其他建筑的規劃設計提供指導。因此,建筑規則制定為設計人員進行設計過程提供強有力的理論支撐，經驗的過程,意義重大。

3.3 建筑規則庫的建立

在城市引擎的過程中，生成規則的結果不是單一的建筑物三維模型，最重要的是規則腳本語言CGA 文件，CGA 文件具有極高的實用價值，它能夠根據特定的規則參數，創造出各種各樣的建筑風格。此外，CGA 文件還具有可重復使用的特性，能夠滿足各種場合的需求，使得城市建筑物的設計更加靈活多變。通過構建一個完善的建筑規則庫，不僅能夠幫助積累豐富的設計經驗，而且還能夠為交互式設計提供多種可調整的參數，以滿足不同的需求。構建一個完善的城市建筑規則分類體系，以滿足不同類別和風格的要求，實現多種形式的建筑規則，并且通過相應的參數來實現交互式設計更好地滿足各種需求。

4.方案優化

隨著現代信息技術的飛速發展，知識經濟時代的到來給建筑規劃設計帶來了前所未有的挑戰。傳統的建筑規劃設計方法已無法滿足當今社會的需求，因此，許多新的、復雜的空間數據載體需要被開發，以滿足現代社會的需求。地理設計的發展可以讓人們更好地利用地理環境的特征、數據和系統的思維來制定有效的建筑規劃。它可以直接顯示設計的視覺效果，并依賴于良好的空間數據分析管理功能，為最終的方案提出優化建議[7]。

4.1 評價體系

具體而言，建筑規劃方案評價體系包括多個方面。在建筑規劃方案設計中，需要設計人員、決策者和用戶之間進行有效的溝通，以保障模型的可靠性、可操作性和可持續性。為此，必須建立一套完善的評估體系，以便從空間、經濟、安全等多個角度對方案進行全面地評估和分析。一般來說，建筑規劃方案評估體系涵蓋了多個維度。

（1）空間評價，利用GIS 分析技術，實現二維層面的常規分析，如拓撲分析、疊加分析等，以及三維層面的視域、日照、天際線等分析，在三維地理環境下直觀獲得效果反饋；

（2）安全評價，基于地上地下一體化的地質、工程數據集成，可以進行進一步完成地質災害和工程安全性評估；

（3）經濟評價，通過實時的數據分析，可以準確估算出地形因素、容積率、綠化率等經濟指標，并將其與城市和農村的規劃要求相比較，從而更好地滿足市場需求。

（4）環境影響評價，利用GIS 疊加分析技術，綜合評估建筑規劃方案建成后可能帶來的生態影響，包括但不限于水系、濕地、道路、氣候等，并進行相應的生態敏感性評估，從而獲得客觀準確的評價結果，為建筑規劃的優化提供有力的依據。

（5）景觀評估，旨在根據不同的環境條件，如尺寸、顏色、外觀等，以及其他可能的因素，綜合考慮后，最終確定最佳的方案[8]。

4.2 實時優化

通過采用交互式設計方法，可以實時調整和動態構建建筑規劃方案，從而使其具有更高的效率和準確性。這種方法不僅可以保證設計結果的幾何形態和對象語義的一致性，而且還可以有效地支持實時調整，從而使得建筑規劃方案的前期環節更加高效、精準。當設計規則腳本時，會為建筑物設置一系列的參數，例如建筑高度、建筑層高、屋頂樣式和建筑外墻顏色。可以通過調節這些參數來實現建筑的三維形態的實時變化，通過調節這些參數來達到三維形態實時效果。

5.深化設計及建筑室內外一體化展現

在建筑工程領域，深化設計是一個關鍵環節，要求設計師具有綜合的素質、和工作經驗。對于傳統的建筑室內設計要具有創新精神，及時找到其中需要優化的問題和缺陷，充分利用地理信息數據、工具和方法，并且以人的主觀能動性為核心，來完成建筑室內外一體設計。以下體現了深化設計及建筑室內外一體化的部分內容。

5.1 基于BIM 的建筑物室內深化設計

建筑深化設計是指通過深入的設計，可以更好地理解和利用建筑空間，為人們提供舒適的生活環境。這一過程包括了場地規劃、布局和外觀設計等步驟。BIM技術的出現，使得建筑設計的效率和質量大大提高。它是一種用于建筑物的三維數字化技術，可以幫助建筑師更好地理解建筑結構，并且能夠更快地完成建筑設計。隨著數字城市的發展，BIM技術正在逐漸取代傳統的二維建筑設計圖紙。根據前期的規劃，對建筑的外觀、高度和樓層進行了詳細的分析，并在此基礎上進行了更加精細的設計。這些細節涵蓋了建筑的基本尺寸、入口、陽臺和屋頂的布局，從而實現了整個建筑的美觀和舒適。通過分析現有的數據和場地情況，可以制定出一個完整的建筑方案。在設計過程中，會考慮到建筑物的采光和通風情況，并對方案進行優化[9]。因此，基于地理設計的三維建筑規劃設計不僅豐富了設計成果的語義信息，而且有效地提高了設計效率，促進了建筑業的發展。

5.2 建筑室內外一體化展現

在深度設計的過程中，將建筑的空間信息轉換成構件信息模型，并從中提取出它們的位置坐標、形狀。這些信息會被轉換成三角面片的結構，并使用唯一的ID 編碼來連接它們。這樣，就能夠在三維地理環境下，讓建筑的室內外都能夠得到完美的呈現。通過將室外表面模型和室內建筑構件模型完美結合，使得它們的幾何特征和語義信息完全一致，從而實現三維數字城市的微觀、精細的應用，也為實現基于室內空間的智慧城市的發展提供了可行的解決方案。

6.平臺研發

通過對傳統的三維地理環境下的建筑規劃方案交互式設計模型的改良，創建了一個新的平臺，其結構由四層組成，其中（1）數據層，負責收集和處理基礎空間信息、建筑規范、建筑結構部件等，以及其他相關的數據。（2）引擎層，由三種不同的引擎組成：一種是專為三維數字城市而設計的，另一種是二次開發的，以滿足不同的需求。（3）服務組件層，由多種服務組件組成，它們可以實現數據的讀寫、交互、三維展示以及指標的計算，為應用層提供更加完善的服務。（4）應用層，是一個完整的三維數據庫，它包含多種功能，如瀏覽、分析、查詢、布局、設計、評估，以及各種界面和功能，可以滿足不同的需求。它可以幫助規劃設計人員在三維地理環境中進行交互式的建筑規劃，包括但不限于：建筑的布局、形態設計、實時的評估以及交互式的調整，還可以將室內外的元素融合在一起，并且可以對室內構件進行信息的查詢和分析。通過改變傳統的設計流程，能夠更加直觀地展示信息，避免語義信息的遺漏，并能夠快速地進行方案調整。

結語：

總而言之，在建筑規劃方案設計中設計者需要充分利用他們的專業技能、豐富的經驗、敏銳的洞察力以及豐富的想象力，以便更好地實現其獨特的設計目標。相比于傳統的草圖繪制或CAD 圖形的繪制，會花費大量的時間與精力進行多種設計思路的融合，地理設計的核心思想強調了人的主觀能動性，并且通過地理信息數據、技術手段以及其他相關資源，努力構建一套將科學知識與實際應用相結合的空間規劃模型。通過將設計靈感和思維與信息的派生相結合，利用虛擬三維地理環境來實現交互式設計，從而大大提升設計效率，豐富設計成果，并且為未來的智能化應用奠定堅實的基礎。