多因素約束下的建筑高度三維控制方法

陳光，薛梅

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.智慧城市時空大數據重慶市工程研究中心，重慶 401121)

1 引 言

建筑高度控制是城市空間管控的主要內容。隨著城市服務產業的快速發展和土地價值的持續提升，城市高層建筑不斷累積和聚集，在形成現代都市景觀的同時，也對城市整體空間風貌造成了一定程度的破壞：高層建筑布局無序、城市密度和開發強度過高，視覺景觀紊亂、城市特色喪失等[1]。在城市總體層面的高度形態控制可追溯至19世紀以來西方國家先后興起的城市美化運動、Zoning法規制度[1]。目前，城市規劃領域采用較多的幾種高度控制方法有高度分區控制法[2]、眺望控制法[3]和天際線界面控制法[4]等，這些方法是控規體系內建設控制指標制定的重要依據。現有方法各有優劣，高度分區控制法能控制城市的整體空間，較為宏觀，但控制精度不夠；眺望控制法只研究城市重要的廊道空間，控制的區域有限；天際線界面控制法基于人行視角，控制精度較為精細，但其視點處于特殊的界面位置，難以對天際線以下的特殊景觀要素的控制約束，缺乏基于多視點的靈活動態控制。

隨著測繪技術手段的變革，三維空間信息技術的優勢日趨凸顯[5]，也越來越廣泛地服務于城市規劃[6，7]、建設和管理[8]等領域。因此，需要充分研究地形地貌特征和規劃管控要求，建立基于高程分析、視域分析、天際線分析等多因素約束的三維空間分析技術流程，強化對山系、水系、綠系的保護和利用[9]。

2 建筑高度三維控制技術框架

根據以上分析，為實現對建筑高度的精細化空間管控與落地，本文研究建立了一種多因素約束下的建筑高度三維控制方法，總體技術流程如圖1所示。首先，構建管控區域三維空間場景，包括三維數字地形和三維建筑模型；其次，根據規劃約束條件在三維空間場景中選擇觀察點、劃定三維控制線，同時對規劃管控區域進行格網化離散處理；最后，基于觀察點和三維控制線建立三維空間管控面，按照格網單元疊加多個管控面，以最小管控面高度和地形高差為建筑控制高度，生成建筑高度綜合控制三維空間。

圖1 總體技術路線

3 關鍵技術實現

3.1 三維空間場景構建

三維空間可精細化地表達管控區域的現狀，為建筑高度控制提供地形地貌、建構筑物、景觀生態等要素的支撐。本文設計構建的三維空間場景包括三維數字地形、三維建構筑物模型、實景三維模型以及等路網、地塊、風貌管控、高程控制、觀光點多源空間數據，在數據精確配準[10]的前提下，采用文獻[11]提出的新型三維測繪地理信息產品集成建庫方案對各類數據進行集成管理。以 1∶500地形圖要素為實體單元映射關聯多源空間數據，實現不同尺度數據管理的一致性；采用“二維空間索引+三維空間索引”的混合索引結構，宏觀尺度采用二維索引初級篩選，微觀尺度采用三維空間索引精確定位待檢索數據。

考慮到多源數據存在精度差異，如三維數字地形和實景三維模型在重疊位置存在接邊問題，本文采用文獻[12]的多精度DEM融合技術方法，以像素為單位按照權重系統進行數據融合，形成無縫的三維空間場景。

3.2 三維控制線定義

傳統的建筑高度控制方法通常以天際線或點狀對象的通視條件作為約束[13，14]，但在多因素條件疊加約束下的建筑高度控制應用中存在不足。例如，以多個觀察點能夠觀察到多條特色山腰植被帶和標志性建筑為約束條件，同時，最大化不同海拔地塊內建筑高度的控制值，傳統的建筑高度控制方法難以兼顧多個條件的約束。本研究實現在三維場景中以立體化的方式靈活表達約束條件，其核心是三維控制線，即以三維空間場景為載體，根據管控要求，以通視目標為參照繪制的三維折線對象(見圖4中白色線條對象)。

本文所述的三維控制線是由一系列連續的三維點串構成，其控制效果為保證三維控制線高度以上的空間為可視空間。在繪制三維控制線時需要在重要可視保護位置增加節點，可根據地物要素的分布特征適當調整三維控制線節點間隔。

3.3 多因素聯合約束方法

研究以觀察點和三維控制線的通視為控制因素，多因素是指多個觀察點與多個三維控制線組合的通視約束，同時，兼顧控制區域內不同地塊的地形高度。

假設以某一地塊單元為控制對象，其地形海拔高為H；有多條視線從該地塊對應的豎向立體空間穿過，各視線對應的海拔高分別為h1，h2，…，hn(如圖2所示)，則多因素約束下的建筑高度控制結果為式(1)。

Hcontrol=min(h1，h2，…，hn)-H

(1)

圖2 多因素聯合約束原理圖示

3.4 建筑高度三維控制過程

根據區域概念性策劃和總體規劃方案抽取管控要素和條件，并將其轉換為三維空間場景中的三維控制線，根據本文多因素聯合約束方法開展建筑高度三維控制實施，具體操作步驟如下：

(2)離散化規劃管控區域，生成控制格網單元：對整個管控范圍以lgrid為單元格邊長生成規則控制格網，考慮到山地城市地形高度變化較大，單元格邊長的設置與控制精度密切相關，lgrid宜小于建筑底面外接矩形的邊長；

本文建筑高度三維控制分析結果可在規劃建筑方案審核環節提供分析支撐，將總體設計方案中的三維建筑體塊和建筑高度三維控制盒子進行疊加，通過三維可視化檢查可直觀發現建筑高度超限的建筑對象；也可以以建筑方案不超過三維控制盒子作為審核要求，利用三維空間拓撲分析自動檢查超出控制盒子的建筑對象，從而實現對建筑高度的精細控制。

4 技術應用實踐

為了驗證方法的有效性，本文選擇重慶市廣陽島重點策劃和規劃項目為應用對象，核心規劃區面積為 51.4 km2，以區域整體概念性策劃和總體規劃要求為基礎，利用本文技術方法開展了三維建筑高度控制分析和方案檢驗工作。規劃區三維實景數據如圖3所示。

圖3 廣陽島三維空間管控數據場景

根據景觀要素通視條件的控制要求，利用本項目多因素約束下的建筑高度控制方法，在三維空間場景中，根據控制要求手工繪制三維控制線(如圖4所示)，即在三維控制線位置，應保持控制線以上空間的可視條件。選擇眺望點，分別連接不同眺望點和三維控制線，形成三維視線。

圖4 三維視線與三維控制線俯視圖(紅色為三維視線，白色為三維控制線)

通過三維視線的側視圖(圖5)可以看到三維視線在三維空間中形成一張控制網，三維視線覆蓋區域的建筑高度控制要求為：建筑高度不超過三維視線在對應位置的高度。結合精細的三維數字地形，即可得到每個地塊的絕對建筑高度限值。

圖5 三維視線側視圖

圖6 建筑高度三維控制盒子示意圖

對三維視線進行插值，形成三維控制面，以 5 m為控制尺度繪制管控區域內的規則格網，疊加格網、三維控制面和三維地形，獲得每個格網對應的建筑控制高度。將格網按照控制高度拉伸為體塊，并與地形貼合，形成對整個區域的三維空間的高程控制模型(如圖6所示)，其中，同時以顏色表達建筑高度控制值的大小，藍色到紅色表示高程控制值逐漸升高。

5 結 論

本文以三維空間場景和規劃設計中建筑高度管控要求為基礎，通過三維管控要素的劃定和三維空間分析手段，計算得到管控區域內每個位置的建筑高度量化控制結果，充分顧及了地形地貌特征、天際線界面和景觀眺望等控制因素，讓建筑高度控制有據可依，提升建筑高度控制的科學性和系統性，為城市規劃設計的指標落地提供有效支撐，同時，基于新型的三維測繪數據產品，建立了與規劃設計團隊的合作機制，更好地發揮了新型基礎測繪的服務保障作用。