智慧BIM喬木模型：從設(shè)計(jì)圖紙到施工現(xiàn)場(chǎng)

(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(lǐng)域的一種標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)踐內(nèi)容。風(fēng)景園林行業(yè)對(duì)BIM軟件行業(yè)而言是一個(gè)相對(duì)較小的市場(chǎng)，其BIM解決方案的成熟度和質(zhì)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于建筑行業(yè)。市場(chǎng)上尚無一款軟件能全面涵蓋風(fēng)景園林設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心需求，如種植、豎向、灌溉和照明等[1]。根據(jù)Olmsted項(xiàng)目中Lindhurst和Sipes的觀點(diǎn)，基于Autodesk產(chǎn)品發(fā)展風(fēng)景園林專用工具的早期努力之所以嘗試失敗，就是因?yàn)槭袌?chǎng)太小[2]。

幾乎每種BIM 3D建模軟件都集成了基本的景觀設(shè)計(jì)工具，具有本地或云端的植物數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)BIM功能。它們或者是基于圖像的對(duì)象，如billboads或通過ArchVision制取的RPC(Rich Photorealistic Content)對(duì)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(shù)化方法建模而成，但是它們向BIM環(huán)境轉(zhuǎn)移過程中會(huì)喪失參數(shù)化能力。輪廓旋轉(zhuǎn)形成的實(shí)體則無法通過參數(shù)靈活地控制形狀變化，因此無法根據(jù)數(shù)據(jù)源建造區(qū)別樹種形態(tài)的模型。

上述種類的喬木模型都存在不足，大部分無法表現(xiàn)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(chǔ)上增加2m作為根系的區(qū)間范圍，但是無法提供樹冠的體積；該模型應(yīng)用了生長函數(shù)，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(rèn)的國際標(biāo)準(zhǔn)，分類和參數(shù)僅有國別標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)。沖突檢查功能的實(shí)現(xiàn)也受到限制，只有輪廓旋轉(zhuǎn)形成的實(shí)體模型能夠有限地實(shí)現(xiàn)此功能。績效分析功能由于模型參數(shù)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)集相結(jié)合。植物模型開發(fā)是一項(xiàng)具有難度的工作，正如Bryan Barth所說：“建筑師的BIM數(shù)據(jù)大多由指定的產(chǎn)品制造商提供。這種收集數(shù)據(jù)的方法在一定程度上可以適合風(fēng)景園林實(shí)踐，但是景觀遠(yuǎn)不止是一套零件。土壤類型、野生動(dòng)物活動(dòng)和本土植被的形態(tài)不僅是一套數(shù)字，而是所有景觀設(shè)計(jì)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(tài)和外觀隨樹齡、季節(jié)而變化，并且具有某種程度的不確定性，因?yàn)橹参锱c環(huán)境之間具有復(fù)雜的相互依存關(guān)系。現(xiàn)狀樹則形態(tài)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(jìn)行估測(cè)。

樹木模型的開發(fā)要應(yīng)對(duì)喬木、灌木及其苗圃規(guī)格所具有的巨大的差異性，因此需要LandFX、Landmark、Dataflor等專門的開發(fā)界面。模型的應(yīng)用則要求掌握若干知識(shí)作為基礎(chǔ)，如軟件開發(fā)、風(fēng)景園林設(shè)計(jì)實(shí)踐和栽培養(yǎng)護(hù)等方面的知識(shí)。

如果希望風(fēng)景園林行業(yè)在應(yīng)用BIM做專業(yè)設(shè)計(jì)工具方面獲得成功和認(rèn)可，克服這些困難就至關(guān)重要。基于以上問題，筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種BIM喬木模型，具有如下特點(diǎn)。

1)完善BIM標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)BIM功能(具有可用于沖突檢查的樹冠和根系實(shí)體/網(wǎng)面，用于性能分析的參數(shù)、LoD及分類)；2)用于自動(dòng)進(jìn)度安排的一致性分類和參數(shù)集；3)按樹齡動(dòng)態(tài)生長；4)反映具體樹種形狀和大小的參數(shù)；5)不依賴軟件(數(shù)據(jù)交換在參數(shù)層級(jí)而非幾何體層級(jí)實(shí)現(xiàn))。

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

這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的喬木對(duì)象若成功應(yīng)用將有助于形成以構(gòu)件為導(dǎo)向的模型構(gòu)建技術(shù)路線，以及針對(duì)數(shù)據(jù)的模型構(gòu)建。

圖1 在3D CAD中喬木的典型表達(dá)形式——RPC，輪廓旋轉(zhuǎn)所得的實(shí)體和高精細(xì)網(wǎng)面

2 基于BIM標(biāo)準(zhǔn)的BIM喬木對(duì)象應(yīng)滿足的要求

基于BIM對(duì)象的一般定義和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文專門針對(duì)喬木的BIM對(duì)象定義了其應(yīng)滿足的功能要求。相對(duì)于三維CAD模型，BIM對(duì)象是對(duì)產(chǎn)品或材料的數(shù)字化描述，在應(yīng)用中多個(gè)BIM對(duì)象結(jié)合時(shí)，可以創(chuàng)建BIM模型。一個(gè)典型的BIM對(duì)象具有描述其物理外觀的三維幾何圖形，以及描述其內(nèi)容、分類、性能、材料和預(yù)期壽命等數(shù)據(jù)。

BIM對(duì)象具有參數(shù)化特點(diǎn)，每個(gè)對(duì)象僅需要定義一次，然后可以根據(jù)需要將其放置在模型中的多個(gè)位置。如果隨后更改對(duì)象，則這些更改將出現(xiàn)在整個(gè)模型中。這樣可以使模型自動(dòng)保持一致并減少錯(cuò)誤[4]。

BIM對(duì)象可以構(gòu)建彼此之間的關(guān)聯(lián)與互動(dòng)，具有以數(shù)據(jù)為中心、以對(duì)象為導(dǎo)向的構(gòu)建方法。例如，喬木規(guī)格可以與樹坑規(guī)格相關(guān)聯(lián)，或者與其質(zhì)量相關(guān)聯(lián)用于地下停車場(chǎng)的結(jié)構(gòu)荷載。這種方法還可以讓相同的對(duì)象基于自身的屬性呈現(xiàn)很多不同的圖面可視化效果。

BIM對(duì)象與三維CAD模型具有本質(zhì)區(qū)別。CAD環(huán)境關(guān)注的是二維圖形或三維幾何體的外觀；分類通過復(fù)雜的圖層結(jié)構(gòu)和命名進(jìn)行歸檔；雖然數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)作為參數(shù)影響幾何體的能力非常有限。

BIM對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)保障使用者可以在所有工作平臺(tái)上兼容使用包含各種必需信息的BIM對(duì)象，例如澳大利亞和新西蘭的Open BIM對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)[5]或英國的NBS BIM對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)[6]等。

BIM對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)設(shè)計(jì)階段對(duì)信息層級(jí)、幾何形體、數(shù)據(jù)格式的一致性和結(jié)構(gòu)性進(jìn)行定義。

目前尚無風(fēng)景園林BIM對(duì)象的具體標(biāo)準(zhǔn)。buildingSMART風(fēng)景園林工作組[7]正在挪威方案[8]和英國景觀產(chǎn)品模板[9]的基礎(chǔ)上開展這方面的標(biāo)準(zhǔn)化努力。

從BIM對(duì)象的一般定義來看，BIM喬木模型必須具有以下特點(diǎn)：

1)在關(guān)鍵尺寸和數(shù)據(jù)方面完整準(zhǔn)確，以達(dá)到設(shè)計(jì)意圖和階段要求，細(xì)節(jié)層級(jí)(LoD)描述每個(gè)設(shè)計(jì)階段所需的數(shù)據(jù)和幾何形狀，在早期設(shè)計(jì)階段，具有可用的通用模型；

2)與通用對(duì)象兼容，解決通用對(duì)象和專有對(duì)象區(qū)分不清的問題；

3)模型內(nèi)建于用于優(yōu)化性能的軟件之中；

4)繼承自高階對(duì)象的模型信息歸類正確，從而可在對(duì)象存儲(chǔ)和過濾中加以搜索，實(shí)現(xiàn)工期安排和模型對(duì)比等功能；

5)實(shí)現(xiàn)正確托管，解決與其他對(duì)象的關(guān)聯(lián)位置問題及上級(jí)托管對(duì)象與對(duì)象本身不能同時(shí)顯示的問題；

6)具有獨(dú)一性，可避免模型的混淆、不一致和數(shù)據(jù)量冗余；解決單一模型多次應(yīng)用影響圖紙輸出、工期安排和分析結(jié)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(guān)的數(shù)據(jù)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(qū)域、苗木存圃量和規(guī)格等。因此，模型對(duì)象需要滿足以下要求：

1)參數(shù)化的要求，即在單一模型中反映植物隨樹齡、季節(jié)動(dòng)態(tài)變化的自然屬性，受修剪整形等養(yǎng)護(hù)管理的影響，受限于資源和氣候的環(huán)境屬性；

2)本地化的要求，即與所在國苗圃組織認(rèn)可的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)；

3)信息化的要求，即可以與其他植物數(shù)據(jù)庫連接，對(duì)非BIM相關(guān)信息使用高級(jí)查詢功能進(jìn)行查詢；用戶從而可以根據(jù)特定生態(tài)、功能、美學(xué)要求縮小植物的搜索范圍，在信息支持下作出決策。

當(dāng)前風(fēng)景園林常用軟件中的喬木對(duì)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(shí)現(xiàn)一定的BIM功能[10-11]，但仍然無法完全達(dá)到BIM對(duì)象的一般功能要求和喬木模型的專門應(yīng)用要求。

3 BIM喬木模型構(gòu)建的方法

3.1 BIM喬木模型構(gòu)建的技術(shù)路線

本文提出一種參數(shù)化方法，可在不同LoD(細(xì)節(jié)層級(jí)/開發(fā)層級(jí))的BIM環(huán)境表現(xiàn)喬木的形態(tài)和生長動(dòng)態(tài)。該方法可通過清晰的主干、樹冠的封裝和根系系統(tǒng)表達(dá)BIM模型中喬木最為關(guān)鍵的空間要求。

1)選擇一種可以描述現(xiàn)有喬木非對(duì)稱形態(tài)的封裝形式，也可以使用便于理解的參數(shù)和通用的生長函數(shù)，為不同品種的規(guī)劃喬木提供封裝形式，并應(yīng)用便于理解的參數(shù)和通用的異速生長函數(shù)來構(gòu)建模型。

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

3)定義每個(gè)設(shè)計(jì)階段所需的信息，即LoD。這部分內(nèi)容基于本文提出的模型構(gòu)建方法和尚在醞釀的風(fēng)景園林BIM元素標(biāo)準(zhǔn)而制定。

4)在Dynamo的可視化編程環(huán)境中測(cè)試所提出的建模方法，并導(dǎo)出Revit族，在風(fēng)景園林工程BIM應(yīng)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(chuàng)建樹冠體積的基礎(chǔ)，只有完成樹冠封裝才能進(jìn)行正確的可視化和進(jìn)行與樹冠相關(guān)的性能分析，在林業(yè)測(cè)繪和蓄材量測(cè)算中多有應(yīng)用[12]。

采用由Horn[13]和Koop[14]最先提出，后由Cescatti[15]發(fā)展完善的非對(duì)稱殼狀模型進(jìn)行樹冠封裝[16](圖2)，使用6個(gè)方向上的6個(gè)控制點(diǎn)和2個(gè)控制其線型曲度的形狀因子進(jìn)行定義(圖3)。模型采用易于控制的參數(shù)，可以生成各種樹冠的真實(shí)形狀。其中4個(gè)控制點(diǎn)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(diǎn)在XY平面中由4個(gè)1/4橢圓和內(nèi)插高度(Z)連接。L上的點(diǎn)由角度為cT和cB的超橢圓曲線與上下頂點(diǎn)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(guān)聯(lián)的蒙皮殼狀模型，這種6個(gè)控制點(diǎn)加2個(gè)形狀因子的參數(shù)更易于獲取和組織。

對(duì)于對(duì)稱性的理想樹形，該參數(shù)集可以用林業(yè)和苗圃中使用的參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。可以認(rèn)為形狀參數(shù)在喬木的生命周期中是一致的，且根據(jù)樹種具遺傳性。因此樹木特定年齡下的樹冠形狀可通過計(jì)算獲得，可以看作為一種沿法線旋轉(zhuǎn)輪廓生成的對(duì)象，其高度和分枝范圍隨時(shí)間按函數(shù)變化。這種模型可以拓展到根系系統(tǒng)，從而基于典型根系形態(tài)和生長公式的信息表述樹冠與根系的關(guān)系[14](圖4)。

圖2 根據(jù)Cescatti形態(tài)制作的非對(duì)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(shù)、樹冠半徑與根系半徑之比，以及1個(gè)獨(dú)立形式參數(shù)生成的典型根系形態(tài)

3.3 描述喬木生長的算法與參數(shù)的選擇

總體上，生長函數(shù)[19]可以描繪變量隨時(shí)間變化的增長情況。這種增長常常以Von Bertalanffy[20]的假說為依據(jù)，也就是把一個(gè)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(shù)呈現(xiàn)“S”形，由初始規(guī)格和最終規(guī)格(上下漸近線)、遲滯期、達(dá)到最大數(shù)量前的加速增長期和達(dá)到最終數(shù)量前的減速增長期構(gòu)成。

選擇Chapman-Richards生長函數(shù)，它是森林生長模擬中使用最為廣泛的函數(shù)，在場(chǎng)地索引建模過程中具有很高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和實(shí)操性[19，21]。

Chapman-Richards[22-23]生長函數(shù)最簡潔的形式是：

h(t)=hmax＊(1-exp(-k＊t))^p

該函數(shù)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(gè)參數(shù)(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(jìn)。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(shù)據(jù)組中獲得。參數(shù)hmax、k和ti也可以根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知確定。

3.4 BIM細(xì)節(jié)層級(jí)/發(fā)展層級(jí)(LoD)中的信息選擇

LoD是BIM中的一個(gè)重要概念，決定了一個(gè)BIM模型中所需置入的信息或數(shù)據(jù)的量。稱BIM中的LoD為開發(fā)層級(jí)，以避免與描述快速三維可視化效果的細(xì)節(jié)層級(jí)(粗略、一般、精細(xì))相混淆。

表2展示了在挪威數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方案[8]和英國植物產(chǎn)品模板[9]基礎(chǔ)上，根據(jù)AIA E202-2008/G202-2013 BIM協(xié)議[25]的模型元素要求，以及轉(zhuǎn)譯該要求形成的BIM喬木模型信息。

預(yù)期隨著BIM軟件景觀設(shè)計(jì)功能的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)需要添加，尤其是用于績效分析、協(xié)作方信息共享、施工組織管理等。這將給模型的性能、數(shù)據(jù)的互通和存儲(chǔ)都帶來嚴(yán)重的問題和挑戰(zhàn)[26]。對(duì)此，Tobin提出了BI(m)或原子BIM的未來BIM發(fā)展方法，即數(shù)據(jù)不再置入模型而是僅參照到模型，并存儲(chǔ)在一個(gè)中心數(shù)據(jù)源。在BI(m)中，模型只是數(shù)據(jù)的眾多可視化形式之一。中心數(shù)據(jù)源與三維建模環(huán)境脫離，可以實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)處理、操作和可視化[27]。

對(duì)于BIM喬木模型來說，這意味著不僅需要開發(fā)3D對(duì)象，還需要提供工具將數(shù)據(jù)導(dǎo)出不依賴任何軟件的數(shù)據(jù)格式，例如IFC數(shù)據(jù)。

4 BIM喬木模型在Dynamo和Revit族中的實(shí)現(xiàn)

第一階段開發(fā)在Dynamo可視化編程環(huán)境中對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試，并開發(fā)Civil3D的.Net應(yīng)用，以驗(yàn)證開發(fā)概念的可行性。第二階段開發(fā)聚焦于面向風(fēng)景園林師的Revit應(yīng)用。第三階段開發(fā)創(chuàng)建了2種全功能的通用族，以及多個(gè)常用樹種的族和參數(shù)集。隨著參數(shù)集增加，將會(huì)對(duì)這些信息加以組織、構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，并將其與現(xiàn)有的植物數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

4.1 Dynamo環(huán)境中針對(duì)算法和參數(shù)的測(cè)試

開發(fā)了一套用于測(cè)試非對(duì)稱殼體模型和Chapman-Richards生長函數(shù)的Dynamo腳本。Dynamo環(huán)境允許對(duì)結(jié)果進(jìn)行即時(shí)可視化控制，允許使用不同的參數(shù)和算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，非對(duì)稱殼體和Chapman-Richards生長函數(shù)可以在Autodesk的設(shè)計(jì)軟件中應(yīng)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(shù)下的樹種類型

表1 Chapman-Richards模型參數(shù)特征對(duì)照

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高度、分枝和根深需要不同的生長公式。可以通過設(shè)置三者之間不同的異速生長關(guān)系實(shí)現(xiàn)樹木生長的模擬(圖5)。

4.2 Revit族的開發(fā)

根據(jù)開發(fā)層級(jí)(表3)，開發(fā)了3個(gè)族：非對(duì)稱殼體現(xiàn)狀喬木族、帶基礎(chǔ)樹形和基本生長特點(diǎn)的對(duì)稱通用喬木、樹種類型喬木。

1)非對(duì)稱殼體現(xiàn)狀喬木族。

該模型基于6個(gè)可進(jìn)行互動(dòng)調(diào)整的控制點(diǎn)和2個(gè)形狀參數(shù)及胸徑值來描述樹冠、主干和關(guān)鍵根系范圍。另附樹木學(xué)專家提供的資料，以便編制樹木保護(hù)計(jì)劃、樹木調(diào)查表、移植計(jì)劃等，相關(guān)信息包括：編號(hào)、常用名和拉丁名、防護(hù)等級(jí)、健康狀況、移除/保留/預(yù)留。

2)帶基礎(chǔ)樹形和基本生長特點(diǎn)的對(duì)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(shù)的對(duì)稱樹冠，參數(shù)包括：最大直徑的相對(duì)位置、高度/胸徑、根/冠、冠的2個(gè)形狀參數(shù)、1個(gè)根的形狀參數(shù)。這個(gè)族具有植物的通用類型及相關(guān)的參數(shù)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(jù)實(shí)際情況分別調(diào)整。

3)樹種類型喬木。

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

喬木在城市環(huán)境中通常無法達(dá)到他們潛在的最終高度和分枝量，這是因?yàn)榭缮耐寥朗芟蓿M(jìn)而獲得的資源，尤其是水資源也受限。例如在地下停車場(chǎng)、壓實(shí)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(gè)問題，利用與場(chǎng)地條件關(guān)聯(lián)的產(chǎn)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(chuàng)建參數(shù)集

選擇中等生長速度的歐洲小葉椴進(jìn)行模型構(gòu)建示例，這種喬木在歐洲和北美作為苗圃產(chǎn)品有廣泛應(yīng)用。

形狀參數(shù)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(gè)控制向量且轉(zhuǎn)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(diǎn)控制向量直接與超橢圓的形狀因子關(guān)聯(lián)。2個(gè)端點(diǎn)的權(quán)重設(shè)為1.0，中點(diǎn)權(quán)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(jù)2012年巴伐利亞林業(yè)蓄材量數(shù)據(jù)(表3)生成的曲線，從文獻(xiàn)和植物數(shù)據(jù)庫(如瑞士園林?jǐn)?shù)據(jù)庫)搜集的植物標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格數(shù)據(jù)，以及苗圃所出售的喬木規(guī)格與樹齡(圖8)。最大生長速率和達(dá)到極值的時(shí)間(k=0.6m)可以從喬木苗圃的產(chǎn)品中獲得，同時(shí)將最終高度(40m)乘以產(chǎn)出因子(0.625)降低到25m。從kmax和d的值可根據(jù)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(chǔ)上獲得(表4)。其中根系因其生長過程較早達(dá)到適宜發(fā)根的深度，需相應(yīng)調(diào)節(jié)曲線拐點(diǎn)位置(圖9)。

小葉椴樹的外置信息和苗木信息是模型運(yùn)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(shù)據(jù)庫中獲得這些信息(本文采用數(shù)據(jù)來自瑞士園林?jǐn)?shù)據(jù)庫)，并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)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(duì)照

由于這些喬木模型為滿足BIM能力和進(jìn)行快速處理而設(shè)計(jì)，不適用于可視化。因此，將渲染資源與Revit族相關(guān)聯(lián)，可以在渲染環(huán)境中使用高分辨率喬木渲染模型自動(dòng)覆蓋或替換BIM喬木模型(圖11)，而不會(huì)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(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論和展望

本文所報(bào)告的BIM喬木模型研發(fā)，目前完成了主干清晰的單體喬木的參數(shù)集，在此基礎(chǔ)上未來可進(jìn)一步開發(fā)多主干叢生狀的喬木，并用類似參數(shù)開發(fā)灌木的單體模型，從而逐步豐富BIM植物模型的數(shù)據(jù)資源。本文所完成的BIM喬木模型與現(xiàn)成的植物數(shù)據(jù)庫及其選擇工具相關(guān)聯(lián)，與可視化渲染資源相連接，就可以將參數(shù)化喬木模型集成到風(fēng)景園林師的設(shè)計(jì)工作流。設(shè)計(jì)師應(yīng)用該模型時(shí)只需根據(jù)喬木的類型和形態(tài)、樹種、規(guī)格等設(shè)計(jì)要求在軟件界面進(jìn)行選擇，而無需對(duì)復(fù)雜的參數(shù)和控制因子進(jìn)行操作。該BIM喬木模型與高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)和自動(dòng)控制機(jī)械相關(guān)聯(lián)，便可集成到風(fēng)景園林工程建造工作流，實(shí)現(xiàn)苗木儲(chǔ)運(yùn)、假植、轉(zhuǎn)運(yùn)的精細(xì)化管理和免放線種植施工。將該模型的參數(shù)集通過二維碼和手持終端連接，便可集成到養(yǎng)護(hù)管理工作流，通過物聯(lián)網(wǎng)控制喬木與灌溉、施肥、病蟲害檢測(cè)等內(nèi)容的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信息化植物養(yǎng)護(hù)管理。

表3 小葉椴樹高度生長參數(shù)

圖9 小葉椴樹的相對(duì)生長曲線

表4 小葉椴樹的相對(duì)生長參數(shù)

圖10 喬木根系和管道的沖突檢查

總之，隨著參數(shù)化的喬木模型發(fā)展，風(fēng)景園林師可以從BIM中獲得更多益處。它保證了設(shè)計(jì)師、施工方、供應(yīng)商和業(yè)主在整個(gè)項(xiàng)目的壽命周期中應(yīng)用統(tǒng)一的模型對(duì)象。更加優(yōu)化的喬木模型會(huì)讓工作更為高效并改善與建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)的協(xié)作。參數(shù)化的喬木模型將創(chuàng)建BIM模型與建成環(huán)境之間更有效地鏈接，為我們提供了可能性，進(jìn)一步創(chuàng)建智慧設(shè)施管理模型即數(shù)字孿生體。

圖11 Revit中的族和En scape中經(jīng)過渲染的關(guān)聯(lián)資源

注：文中圖片均由作者繪制。