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

趙宏宇 王夢飛

規劃設計 Planning and design

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

趙宏宇 王夢飛

（吉林建筑大學 建筑與規劃學院，吉林 長春 130118）

隨著社會經濟的高速發展,城市化進程也在不斷地加快,城市作為一個巨系統,城市的環境變得也越來越復雜,城市中的可變量因素也越來越多,城市的未來發展情景具有不確定性、多目標性、動態性等特征.計劃的方案往往與實際開發的存在較大的偏差,然而傳統剛性的規劃難以對城市未來發展情景作出準確的模擬,與此同時,新版的城鄉規劃法更加注重規劃過程的科學性和合理性,所以,目前亟需一種適應非確定條件模擬城市未來發展的方法.本文以長春市高新區某重點地塊為例,借助CityEngine三維建模軟件快速可視化等優勢,形成多情景進行模擬與比對,這使得最終的方案更加具有科學性,同時也對提高公眾參與度具有很大的意義,也對當地政府和城市管理者對于城市的信息化管理提供科學的決策與支持.

CityEngine；參數化設計；多情景模擬；方案評價

0 引言

隨著城市化進程的快速推進,城市空間形態的質量情況得到大家愈來愈多的關注[1],大多數城市在進行規劃的時候都會有一張很好的規劃方案,但是在實際的開發實踐中,往往會出現方案和實際的效果出現偏差,其中導致方案和實際開發出現偏差的主要原因就是傳統的規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行規劃,在當前城市環境復雜的同時,城市作為一個巨系統,城市內部的變量越來越多,城市空間形態未來的發展模式存在不確定性、動態性、多目標性等,所以,傳統剛性、單一的規劃編制無法滿足當前城市復雜情況[2],然而新版的城鄉規劃法也更加注重規劃設計過程的科學性和合理性,基于此,當下亟需一種適應非確定條件下城市空間形態未來發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 城市空間形態情景模擬方法——CityEngine規則建模

傳統的規劃設計成果大多采用的是二維或者具有特定角度的效果圖進行展示,展示的效果不夠直觀,隨著數字城市技術的發展,一種更加直觀、所見即所得的三維空間數據逐漸成為城市規劃師青睞的表達方式,作為獲取三維空間數據的一種重要手段,城市三維建模越來越受重視[4].城市三維模型是對城市環境中常見對象的三維幾何和結構的數字化表達,以其直觀性、客觀性及真實性成為數字城市數據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” 的國際性學術會,2000年國際攝影測量大會將城市三維模型的復雜操作與分析列為大會主題之一[4],NicolaiStein（2017）提出參數化設計與環境模擬技術相結合,不僅可以評估設計的定性方面,還可以評估與特定設計相關的環境模擬的定量方面[5],基于目前國內外研究現狀,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

傳統的規劃主要是通過圖紙來展示設計者所設計的方案,該方法具有一定局限性,目前在三維數字城市建設和應用的背景下,自動化批量建模,這種高效、動態、參數化的建模方式尤其適合大規模的數字城市的三維建模的需求,因此也迅速成為當前城市三維建模的首選方法[6].以參數化建模的思想為指導,對當下參數化建模軟件進行對比,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點,模型精度上：3Ds Max在建模精細程度上具有很大的優勢：具有很強大的點、線、面幾何體編輯功能,在建立復雜的模型時很有效,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、底面大小等參數進行修改,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是一種直接面向設計方案創造過程的設計工具,是一款非常便捷的應用于建筑領域的三維建模和設計軟件,能夠和Google Earth完美結合,方便免費利用其它地形和影像數據,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,兼具傳統的鉛筆繪圖及現代計算機輔助設計的雙重優點,能夠對三維模型進行快速的創建和修改.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合構建模型,然而當模型數量達到一定量級后,SkechUp建模就會相當艱難,對于大范圍（設計千萬的模型）而言,SkechUp難以承擔[8].

（3）CityEngine

近年來,一種新的建模技術CityEngine基于規則的批量建模技術逐漸嶄露頭角,利用參數化技術開發的建模系統,可以充分地發揮計算機強大的運算能力.另外,通過修改參數調整模型,并在這個過程中反復修改方案,我們可以直觀地觀察到不同方案的合理性,進一步完善規劃設計方案,使最終的方案更加科學[8].

2 城市空間形態方案評價方法——層次分析法

近年來,圍繞著多指標綜合評價,其他領域的相關知識不斷滲入,使得多指標綜合評價方法不斷豐富,目前國內外提出的大約有幾十種,實際上大致可分為2大類：主觀賦權評價法和客觀賦權評價法[2].主觀賦權法有層次分析法、模糊綜合評判法等,客觀賦權評價法主要包括灰色關聯度法、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合的、系統化、層次化的分析方法.比較適合于目標結構復雜且數據缺乏的情況,算法過程比較簡單,使決策的過程具有很強的條理性和科學性.

2.1 運用層次分析法進行多情景評價

為了能準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的權重.首先構建階梯層次結構模型,然后構造判斷矩陣A=[aij]對各指標進行兩兩比較.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CI, 公式如下:

3 應用實例——以長春市高新區某重點地塊為例

3.1 研究區概況

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

3.2 城市空間形態多情景模擬

城市空間形態模擬就是根據城市未來發展戰略,借助上文的參數化建模軟件的支持,模擬生成每種指標極限值下對應的城市空間形態情景.

3.2.1評價指標的選取

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

3.2.2多情景歸納

根據對地塊的區位特征,認為地塊未來的發展有四種主要的戰略選擇,具體為：

情景一：在滿足相應的指標規定的前提下,使容積率達到最優,即讓開發商和居民同時滿意.

情景二：在滿足相應要求的條件下,將研究區內的每種地塊的建筑密度達到最大,充分發揮土地使用性.

情景三：滿足剛性指標的要求下,在硅谷大街這個城市界面形成一定的建筑高度.

情景四：在滿足開發商利益的前提下,使綠地率達到最大.

3.3 研究區空間形態多方案評價

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

3.3.1約束分析（現場的調研問題）

交通的可達性.基于地塊周邊的軌道交通的可達性,發現硅谷大街有兩個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勢.

產學研用.在研究地塊的右上角依托吉林大學形成科創園區,如何將高校的科創園區輻射研究地塊內,在這空間組織上要避免產業鏈條的脫節.

3.3.2評價結果

根據上述戰略歸納下的研究區的多情景,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。針對研究地塊,其評價的四個方面設定四個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。結合CityEngine快速可視化技術對四種情景進行快速模擬及評價,四種情景中,在綜合考慮交通的可達性及產學研用的全鏈條同時,容積率相同的情況下,綠地率越大,居民喜好度越高.根據統計分析的結果,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 結論

傳統的規劃設計手段并非無法沿用,在如今大數據時代,讓新數據和傳統的數據進行了結合,使以往單一,以偏概全的工作方式轉變為有理可依、有綜合數據結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,探討了長春市高新區某研究地塊多情景分析及方案評價的方法,可以最大程度地發揮CityEngine動態規劃和及時的數據反饋的優勢,本方法大大提高了規劃設計方案制定的科學性和合理性 ,提高了公眾的參與意識.最后,利用CityEngine快速可視化的技術優勢進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規劃——以上海市為例[J].城市規劃匯刊,2001(06):16-18+51-79.

[2]趙民,林華.居住區公共服務設施配建指標體系研究[J].城市規劃,2002(12):72-75.

[3]關麗,丁燕杰,張輝,馮學兵,譚向農,趙金玲.面向數字城市建設的三維建模關鍵技術研究與應用[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狀評述[J].遙感學報,2002(02):155-160+168.

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

[6]趙雨琪,牟乃夏,張靈先.利用CityEngine進行三維校園參數化精細建模[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的數字城市三維建模[D].昆明理工大學,2015.

趙宏宇 （1977.01- ），男，吉林省長春市，漢族，職稱：教授，學歷：博士，研究方向：主要從事寒地城市設計與生態規劃研究，重點開展生態智慧城鎮規劃、再生城市設計理論及方法研究。

王夢飛（1994.02- ），男，河南省周口市，漢族，學歷：碩士，單位：吉林建筑大學，研究方向：城鄉規劃與設計。

吉林省科技發展計劃項目（編號：20170101080JC）。

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1007-6344（2021）01-0284-02