一種基于BIM的高仿真植物族建立方法

文｜ 四川天藝生態園林集團股份有限公司 黃遠祥 沈江林 王昱凡

引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是近年在建筑信息化領域出現的新技術，我國正積極推行BIM技術的發展，已發布了多項針對BIM應用的規范文件。然而近年來BIM技術的快速發展卻并未帶動起來BIM在風景園林行業的發展運用，盡管大家都對風景園林BIM抱有極大希望，但是從實際上看BIM相關技術應用在園林方面少之又少，所以當務之急是各相關專業人才齊心協力研究發展BIM技術在園林方面的實際應用，才能把BIM技術真正落地于風景園林行業。

圖1 傳統BIM植物族

1 參數化族庫介紹

參數化建模一直是建筑信息模型的基本思想之一，筆者認為參數化建模就是BIM的框架，如果框架能搭好，BIM發展自然能水到渠成，而參數化建模在revit中最主要的體現就是族的建立。族是構成revit所有圖元的基石，是圖元信息的結構化表達，所以族的建立、收集和成庫對整個BIM行業來說至關重要。BIM從業人員要想提高工作效率，建立一種甚至多種豐富的BIM族庫是關鍵，然而在園林行業中，因為植物具有極強的不規則性，所以植物族庫一直是風景園林行業在應用BIM過程中的薄弱點。

2 傳統BIM植物族庫在實際運用中的適用性

傳統BIM的族庫主要包括建筑、結構、給排水、暖通、電氣、園林、施工等分類，植物屬園林分類中的分支，本文以族庫大師為例，族庫大師中分享的各類植物族總數僅200個左右，占所有族的百分之二。

由此可見植物族在整個族庫當中占比不高，且精度大多較低，主要原因有幾點：一是植物族在revit中建模相對困難，revit對于這種不規則多面體的建模功能不強，導致從業人員很難通過revit的內建模型來滿足植物的形態要求，且既費時又費力，所以對此積極性不高。二是由于植物本身的多樣性，導致同種植物可能擁有多種不同形態，不僅為建模人員增加了很多工作量，而且很難去定義一株建好的植物模型，這也給植物族入庫造成了一定的影響。

因此傳統BIM的植物族庫應用于實際項目中的效果顯而易見，如果僅是應用于低精度BIM模型，傳統的植物族庫能夠滿足要求，但是在國家大力推廣發展BIM的背景下，這樣的植物族一定不能滿足人們的需求。

3 在三維軟件中建模導入revit制作族庫

由于現有植物族庫在實際項目應用中適用性不強，因此本文提供了一種高仿真的植物族建立方法以供參考。

3.1 植物完整泛信息收集和整理

要建立一棵高仿真的植物，首先我們需要得到植物各種有代表性的信息，如樹高、胸徑、冠幅、葉片及果實的形狀大小顏色、凈空等。獲得這些信息的途徑有兩種，一是根據實地情況，現場測量樹形優美，全枝全冠的樹種，把采集的結果記錄下來，再根據采集信息建立模型。此種途徑缺點是耗時耗力，但更為貼近真實。二是通過查閱借鑒相關文獻信息來確定樹種信息，此種途徑缺點是不具有代表性，使其仿真度有所下降。選用哪種途徑來獲得信息要根據實際情況來確定，也可二者相結合使用。

圖2 傳統植物族應用效果近景

本文以銀杏在中國西南地區的生長狀況為例，收集到了優良單株銀杏的參數信息：川銀：樹齡55年 ，樹高16.2 m，胸徑42.0cm，冠幅8.2 m× 9.5 m,樹形完整 ，樹冠圓錐形，生長旺盛 ，分枝力強。葉片近扇形，互生，長枝上輻射狀散生，短枝上3-5枚簇生狀，葉柄細長，柄長3-10厘米，葉片寬5-15厘米，球果近圓形，熟時橙黃色 ，頂具小尖 ，外種皮皺縮，被薄白粉。蒂盤呈長橢圓形 ，明顯下凹。果柄長約5cm，粗壯略彎曲。球果大小為 2.87 cm×2.76cm。種核為圓籽類，近圓形，頂具不明顯之小尖 ，中部鼓起 ，具豐滿狀。基部圓闊 ，兩束跡跡點小，間距約 1.0 mm。兩側棱線明顯 ，多呈窄翼狀邊緣。種核大小為2.37cm×2.00cm× 1.61 cm，該樹樹齡較幼，種核粒大飽滿，色白光潔，外形美觀。

3.2 建立植物高仿真模型

3.2.1 軟件介紹

圖3 拍攝銀杏樹

3ds Max是由美國Autodesk公司基于PC系統開發的三維模型制作和動畫渲染軟件，其起源可追溯到DOS操作系統時代的3D Studio系列軟件，在2009年名稱正式更改為Autodesk 3ds Max。3ds Max在國內主要應用于建筑模型和效果圖以及動畫制作中，它以其強大的功能及極高的建模自由度在業界擁有數量龐大的使用人群。因此它也廣泛應用于BIM族庫的建立中。因植物的模型建立需要軟件的自由度極高，現如今國內使用的主流植物建模軟件有Speedtree，GrowFX，Maya等，而GrowFX是筆者認為三者中植物自由度最高的一款，所以筆者選用了GrowFX來快速建立高仿真植物模型，GrowFX是由ExLevel公司基于Autodesk 3ds Max平臺創建的一個植物插件，它可以創建參數化的樹木花草以及自然界的其他植物模型。它可以使用多樣化的參數來創建植物，比如年齡、生長方向、風效以及動畫效果等等。缺點是它本身的樹庫太少，且沒有漢化，要學習軟件有一定的難度。

3.2.2 構建模型

本文以西南地區秋季的銀杏為例，模型的建立主要分為三個部分：樹干，葉柄及樹葉，而樹干又分為主干和分支，分支下有一級分支和二級分支。

（1）基本設置

圖4 3ds Max銀杏模型

模型的基本設置主要是在3ds Max中進行，基本設置主要是單位的統一，一般情況下單位統一設置為米或者毫米，主要由項目決定，還有就是渲染器的設置，因為本文并不涉及渲染，所以就不再贅述。

（2）主干構建

樹干是一顆樹的起始建模位置，需要用到的植物信息有植物高度，半徑和樹干的凹凸結疤等。根據采集的數據，我們把樹干的高度設置為16.2米，接下來是半徑數據，我們把半徑設置為0.42米，再略微調整一下樹干的不規則凹凸，使其更為貼近真實。

（3）枝條構建

枝條是一顆植物的重要組成部分，根據采集的信息，枝條分為一級枝條和二級枝條，一級枝條所需的主要控制參數有：枝條長度，與主干的夾角，半徑，枝條起始位置，結束位置，二級枝條的個數，而因植物生長的不確定性，植物的參數也有很強的無序性，我們只有盡可能的多采集一些數據來做平均值以達到更為接近真實效果，或者以在一定范圍內波動的二次函數曲線來控制參數。二級枝條與一級枝條的設置近似，本文就不再贅述。

（4）葉柄及樹葉構建

銀杏的葉柄細長，顏色也和葉片不同，略微偏黃綠色，葉片呈扇形，且葉片以3-5枝簇生的方式長在二級枝條上，生長位置分布在枝條長度的三分之一到尖端處，柄長我們設置為0.06米，葉片寬度設置為0.08米，再略微調整一下葉片的朝向和彎曲，因樹的無序性，可根據需要調整葉片數量及分布位置的混亂度，使其在人的視覺感官上不會呈現出規律和有序的感覺。

（5）樹根的構建

可根據需要建立根系的模型，以獲得更為真實的植物模型。根系的數據信息可從互聯網以及相關文獻上獲取。

圖3為真實拍攝的銀杏樹，圖4為在3ds Max中建立的模型，兩相比較下可以看出制作的模型基本還原了真實植物的形態，特征和神韻。使用同樣的方法理論上可以完成任何植物的高仿真模型建立。

（6）導入revit

因revit無法兼容合并3ds Max文件，所以我們需要將3ds Max中的植物模型導出成DWG文件，再將植物的DWG文件導入revit，如圖5所示。

圖5 高仿真銀杏族與傳統銀杏族對比

3.3 添加植物參數

族的參數是做參數化族庫的核心，族不止擁有幾何信息，還有大量的數據可以添加運用。植物有其特有的參數信息，我們需要將這些信息設置為族的參數，首先需要收集到自身需要的植物信息，再在revit族中添加各項參數，添加好之后的族屬性如圖6。

3.4 測試及存入族庫

最后將構建好的銀杏族載入項目當中測試，測試效果如圖7。

由于族庫需要統一進行管理和維護更新，所以族在存入族庫時的命名需要統一格式，族的命名遵循標準不應該遵循項目標準的命名方式，而應該簡潔和具有代表性。因此植物族按照“專業-品種-名稱-樹齡”來劃分，例如銀杏就命名為：“園林-喬木-銀杏-40年”。

圖6 族屬性表

圖7 項目測試效果

4 結語

本文通過對傳統BIM植物族的優缺點分析，并結合3ds Max，CAD，revit等BIM軟件的應用完成了一株銀杏的高仿真族建立，同時將族應用于項目中取得了不錯的效果。雖然有一定的研究成果，但是仍然有一些方面可以完善和改進。在接下來的工作中，主要需要攻克的難點有：

（1）植物族在revit中面數過大，所占用內存過多，可能會在導入及使用中造成電腦卡頓的情況。

（2）葉片花紋過于復雜的植物構建困難，CAD文件導入revit中會造成貼圖和材質丟失，導致基本無法實現復雜花紋類植物族的建立，后期需尋找模擬植物花紋的方法。

（3）基于真實感的模型永遠都沒有最真實，只有更真實，如何高效率地利用我們現有的技術來達到更好的模擬效果，并且降低占用內存是今后研究的重點。

植物族庫的建設不僅需要滿足精度和分類，它最終的目的是為了提高BIM風景園林團隊的工作效率，以及分享項目經驗，所以管理者需要思考如何激勵從業人員能更為高效、高精度的建好每一個族，讓它成為一種知識財富，推動植物族庫的建設更加良性的發展。