基于CityEngine的規(guī)范可視化技術(shù)研究
——以福建省城市規(guī)劃容量指標(biāo)控制為例

陳航宇

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

福建省政府住建廳根據(jù)《中華人民共和國城鄉(xiāng)規(guī)劃法》第二十七條組織編制了《福建省城市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定》(以下簡稱“省規(guī)”)。省規(guī)是城市規(guī)劃管理重要的技術(shù)支撐，是城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門依法管理的重要依據(jù)，對推動城市規(guī)劃管理法制化、規(guī)范化和進(jìn)一步提高城市規(guī)劃建設(shè)水平具有重要作用。

1 城市規(guī)劃規(guī)范可視化的意義

城市規(guī)劃規(guī)范與街道輪廓、建筑形態(tài)具有很深的關(guān)聯(lián)性[1]。地塊指標(biāo)與地塊內(nèi)建筑群體組合形態(tài)特征緊密相連，控制了地塊用地開發(fā)強(qiáng)度、環(huán)境容量以及建筑群體間的位置關(guān)系，由此導(dǎo)致了地塊建筑本身屬性的變化，最終影響了城市建筑空間的形態(tài)特征。從城市空間和社會經(jīng)濟(jì)角度來看，城市規(guī)劃規(guī)范很大程度上不僅關(guān)系到規(guī)劃建筑相關(guān)業(yè)者，而且影響到每一個(gè)人或組織。

從土地、建筑、景觀、道路、設(shè)施等方面出發(fā)，省規(guī)圍繞著與城市相關(guān)的功能使用、文化形象、防災(zāi)保護(hù)等幾個(gè)重點(diǎn)對規(guī)劃建設(shè)活動進(jìn)行約束。其中第二、三章的規(guī)范條文對建筑設(shè)計(jì)影響重大，建筑的形態(tài)輪廓在土地功能與容量、建筑間距及退讓、日照與高度層高等方面受到省規(guī)嚴(yán)格控制。由此，規(guī)劃官員要評估規(guī)范影響城市建設(shè)的效果，建筑師要根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)建筑，企業(yè)要購買土地判斷經(jīng)濟(jì)效益，市民要監(jiān)督建設(shè)是否合規(guī)，這些離不開對城市規(guī)劃規(guī)范的理解和運(yùn)用。

對于業(yè)內(nèi)規(guī)劃師和設(shè)計(jì)師這些規(guī)范條文尚且需要花費(fèi)時(shí)間精力去一一解讀與綜合判斷，而對于非專業(yè)的企業(yè)和個(gè)人來說是難以理解的。因此，為了促進(jìn)各方對城市規(guī)劃規(guī)范的理解，直觀觀察規(guī)范對城市建設(shè)所起作用的效果，利用計(jì)算機(jī)輔助可視化是成熟可行的技術(shù)手段。根據(jù)規(guī)范，利用算法解析條文并且嚴(yán)格按照程序流程生成符合規(guī)范的模型，并通過與實(shí)際建筑對比即可判斷其是否合規(guī)，而這一切都可以交由計(jì)算機(jī)自動運(yùn)行。如前文所述，各方可以很直觀觀察模型效果，有力支持相關(guān)工作。另外，通過計(jì)算機(jī)生成量化的規(guī)范模型也可作為分析的基礎(chǔ)資料，推動相關(guān)研究。

本文針對自2017年3月1日起正式施行的現(xiàn)行規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行初步研究，從較有規(guī)律的建筑容量控制指標(biāo)入手，驗(yàn)證規(guī)范可視化技術(shù)的可行性。

2 研究方法

2012年日本國立金澤大學(xué)的都市計(jì)畫研究室已經(jīng)著手規(guī)范可視化技術(shù)的研究，在日本建筑基本法約束下可以建設(shè)的空間被定義為“建筑利用可能空間”。研究室嘗試?yán)瞄_源的Unity平臺可視化建筑形態(tài)規(guī)范[2]，通過手動調(diào)整參數(shù)可以實(shí)時(shí)地看到“建筑利用可能空間”的生成效果。同樣是針對該建筑形態(tài)規(guī)范，基于CityEngine的可視化方法更能從城市角度來整體觀察規(guī)范的作用效果[3]，并且其即時(shí)生成速度以及輸入輸出端的自動化腳本保證了工作效率。因此，本研究以CityEngine為平臺對省規(guī)的容量指標(biāo)控制進(jìn)行可視化，生成的模型定義為建筑容量控制模型，簡單解釋為符合省規(guī)可建設(shè)的最大可能的建筑體量。

本研究思路主要分為解析-參數(shù)化-可視化-自動化四個(gè)步驟，如圖1所示。根據(jù)城市規(guī)劃規(guī)范條文，從算法角度來說規(guī)范是從條件到對應(yīng)結(jié)果的邏輯執(zhí)行，不同地塊的條件適用于不同條文，受到不同程度的規(guī)制。按照計(jì)算機(jī)語言，不同地塊的條件可以定義為參數(shù)，選擇不同參數(shù)會計(jì)算出不同結(jié)果，根據(jù)這些結(jié)果生成模型，即是所需要的規(guī)范可視化模型。為了加強(qiáng)效率，未來可利用CityEngine平臺的Python腳本實(shí)現(xiàn)全自動化處理。本文將研究范圍框定在可視化范疇，初步驗(yàn)證可視化技術(shù)的潛力。

圖1 研究思路

3 可視化技術(shù)研究運(yùn)用——以容量指標(biāo)控制為例

作為初步研究，本文將研究范圍控制在四種民用建筑類型的容量指標(biāo)控制上，旨在集中研究規(guī)范可視化技術(shù)的核心流程，驗(yàn)證其可行性，為之后橫向拓展套用其它城市規(guī)劃規(guī)范搭建基礎(chǔ)框架，為縱向鉆研進(jìn)一步可視化運(yùn)用創(chuàng)造可能。本文暫不考慮土地混合使用的情形。

這四種民用建筑類型容量指標(biāo)控制的規(guī)范條文出自省規(guī)第二章第一節(jié)第四條，主要是根據(jù)建筑功能、層數(shù)高度、用地面積的不同對容積率和建筑密度進(jìn)行不同程度的上限控制。另外在第六條中規(guī)定了地塊最小建設(shè)用地面積的指標(biāo)，對不同層數(shù)的住宅和不同高度的公共建筑進(jìn)行不同程度的用地面積下限控制。相關(guān)條文摘錄于下表1。如前文所述，需將這些相關(guān)地塊條件進(jìn)行解析并參數(shù)化導(dǎo)入到平臺中，然后根據(jù)規(guī)范規(guī)則提取算法，根據(jù)參數(shù)計(jì)算未生成模型。

表1 住宅、商業(yè)、辦公、旅館建筑容量控制上限指標(biāo)及其建設(shè)用地面積下限指標(biāo)

根據(jù)規(guī)范特征和可視化的必要條件，按照CityEngine平臺的CGA編碼規(guī)則設(shè)置參數(shù)。針對容量指標(biāo)規(guī)范，需要定義和輸入的參數(shù)包含地塊的用地面積、建筑類型、建筑層數(shù)、建筑高度。其中建筑高度=層高x建筑層數(shù)，本研究采用建筑高度和層高作為輸入端參數(shù)，而建筑層數(shù)采取計(jì)算|建筑高度/層高|的方式得出，有助于提高輸入端操作的效率。由于省規(guī)在第三章第四節(jié)對這四種建筑類型的層高有詳細(xì)規(guī)定，因此在輸入端對應(yīng)建筑類型直接輸入層高更加高效。除了以上生成規(guī)范模型的必要參數(shù)，另外考慮設(shè)置地塊長寬參數(shù)以便觀察利用，由平臺自動獲取。其次設(shè)置可視化的開關(guān)參數(shù)用于CityEngine平臺是否可視化建筑或城市規(guī)范以便于操作。所有的參數(shù)數(shù)據(jù)列于表2，通過CGA規(guī)則編碼即可在Inspector工具欄上顯示以供操作，如圖2所示。細(xì)節(jié)上，可以給予參數(shù)一些限制和范圍，例如建筑類型僅用于選擇，范圍限定在住宅商業(yè)辦公旅館；建筑層數(shù)被限定為整數(shù)；而建筑高度目前最高限制在150 m；層高根據(jù)省規(guī)，這四種建筑類型范圍設(shè)置在2.8 m～6 m比較合適，超過層高規(guī)定則通過算法無法生成模型。

表2 與容量指標(biāo)控制相關(guān)的地塊條件進(jìn)行參數(shù)化

圖2 CityEngine平臺Inspector工具欄，參數(shù)化效果

在參數(shù)化完成之后，需要構(gòu)思算法將這些參數(shù)聯(lián)系起來。算法主要分成兩個(gè)階段，首先是判斷建筑類型，地塊面積以及建筑高度或?qū)訑?shù)，確定其對應(yīng)的容量控制指標(biāo)，即容積率和建筑密度；在獲得其容量控制指標(biāo)之后，算法將按照容量控制指標(biāo)去生成一個(gè)符合規(guī)范的模型，具體流程如圖3所示。

圖3 容量指標(biāo)控制的可視化流程圖

第一階段，首先由外部輸入/選擇參數(shù)，輸入類的參數(shù)不僅可以人工選擇、拖動、鍵入來改變數(shù)值，還能通過平臺內(nèi)的Python腳本做二次開發(fā)，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行識別和讀取，對應(yīng)每個(gè)地塊自動輸入?yún)?shù)。數(shù)據(jù)庫只需要遵循某一種規(guī)則的格式，可以是excel表格，GIS數(shù)據(jù)等等，可以極大提高工作效率。讀取參數(shù)后，算法就開始運(yùn)作，針對容量控制指標(biāo)第一步是判斷建筑類型為哪一種就進(jìn)入相應(yīng)類型的步驟中，由此提取用地面積判斷是否符合最小建設(shè)用地面積的要求，如不符合則直接把地塊變?yōu)榧t色并且提示原因后終止步驟。如果用地面積滿足規(guī)定則再根據(jù)建筑層數(shù)(住宅)或建筑高度(公共建筑)參數(shù)得出其容積率指標(biāo)和建筑密度指標(biāo)的上限數(shù)值。

而后進(jìn)入第二階段，本文采用建筑容量控制模型概念生成規(guī)范模型，為了達(dá)到最大可能的建筑體量，優(yōu)先將容積率指標(biāo)用滿，本文按照只有標(biāo)準(zhǔn)層的最簡單建筑生成，占地即等同于標(biāo)準(zhǔn)層面積，可以根據(jù)公式：

建筑面積=建筑層數(shù)×占地面積

建筑面積=容積率×用地面積

建筑密度=占地面積/用地面積

經(jīng)過推導(dǎo)可得：

建筑密度=容積率上限/|建筑高度/層高|

接著將計(jì)算出的占地面積與基于建筑密度上限計(jì)算出的占地面積對比，如果占地面積超出上限則直接采用上限占地面積，由此生成的建筑容量控制模型容積率不會做滿，但這解釋為在該建筑高度和層高的條件下符合規(guī)范的最大建設(shè)體量；如果占地面積滿足規(guī)范要求則采用計(jì)算出的占地面積生成建筑容量控制模型，由此生成的建筑容量控制模型的建筑密度不會做滿，同樣也是該條件下的最大可建設(shè)建筑體量。

建筑容量控制模型在CityEngine中的生成原理可以參考(圖4)，首先將地塊等比縮小成占地面積的大小改為藍(lán)色，并復(fù)制一個(gè)對應(yīng)建筑密度指標(biāo)面積大小的面改成綠色表示占地面積的上限。藍(lán)色面按照建筑高度拉升后再按層高層數(shù)分層，即可視化完成，效果如圖5所示。地面淺藍(lán)色部分是當(dāng)前選擇的地塊，右側(cè)參數(shù)表已顯示其地塊面積和長寬等等，該地塊為住宅建筑，限高80 m，層高3 m，由此生成的規(guī)范模型為藍(lán)色體量，被該體量包裹的同條件建筑即為合規(guī)，否則違規(guī)。

圖4 建筑容量控制模型生成原理圖

圖5 建筑容量控制模型效果

接著，本文簡單建立一個(gè)街區(qū)范圍大小的城市，對其地塊進(jìn)行賦值模擬實(shí)際規(guī)劃數(shù)據(jù)的輸入，所有約154個(gè)地塊在2s內(nèi)全部生成，建設(shè)用地面積過小的就會顯示紅色，可以非常直觀地看到在省規(guī)的約束下城市的空間形態(tài)如圖6所示。可視化技術(shù)在利用計(jì)算機(jī)輔助量化的優(yōu)勢更是非常明顯，(圖6)中右下角的Report一欄，對所選擇的地塊群會有一個(gè)總體統(tǒng)計(jì)，例如總量、平均數(shù)等，這部分?jǐn)?shù)值能夠被提取出來，為進(jìn)一步的分析研究打下基礎(chǔ)。

圖6 城市尺度的建筑容量控制模型效果

4 應(yīng)用拓展探究

未來研究期在本文建立建筑容量控制模型的基礎(chǔ)上拓展能夠自動化地檢查現(xiàn)有建筑是否合規(guī)，這是規(guī)范可視化最直接的一個(gè)運(yùn)用。建筑合規(guī)性即指地塊上的建筑必須符合規(guī)范要求，在本文中指的是滿足容量指標(biāo)控制的規(guī)定。在如今城市規(guī)劃領(lǐng)域推進(jìn)結(jié)合大數(shù)據(jù)、采取多規(guī)合一等等舉措的情況下，可視化、自動化給城市規(guī)劃提供有力的支持，可視化幫助各方充分地理解規(guī)范和觀察規(guī)劃效果，自動化能更好地提高分析、審查等工作的效率。

我國城市具有規(guī)模較大的顯著特征，每一條規(guī)劃的規(guī)范性都會產(chǎn)生極大影響，因此在修改調(diào)整時(shí)都會深思熟慮后再做決策。可視化技術(shù)將幫助決策者較好地把握修改前后的影響，甚至能量化影響，作為可靠的決策依據(jù)。這也只是可視化技術(shù)應(yīng)用于規(guī)劃領(lǐng)域的其中一個(gè)方面。

5 結(jié)論

本研究旨在通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)自動高效地生成可視化規(guī)范模型。本文作為一個(gè)初步研究，針對省規(guī)的容量指標(biāo)控制，利用CityEngine平臺及其CGA規(guī)則，在參數(shù)(地塊條件)-生成模型(適用規(guī)范)的邏輯框架下，證明了可視化技術(shù)在城市規(guī)劃領(lǐng)域中運(yùn)用的潛力。而根據(jù)《中華人民共和國城鄉(xiāng)規(guī)劃法》第二十七條，省規(guī)在全國各省范圍都具有普遍性，因此對其研究是極具代表性的。

目前本文研究內(nèi)容還屬于較為簡單具有規(guī)律的容量指標(biāo)控制上，下一步研究在橫向上，可以將研究范圍囊括建筑間距、建筑退距等部分，圍繞著建筑設(shè)計(jì)與省規(guī)的相關(guān)條文繼續(xù)拓展，最終能實(shí)現(xiàn)可視化技術(shù)在省規(guī)所有相關(guān)條文上的應(yīng)用；在縱向上，在成功可視化規(guī)范模型的基礎(chǔ)上對現(xiàn)有城市進(jìn)行研究分析，根據(jù)課題對國內(nèi)典型城市甚至是國外城市進(jìn)行對照分析，找出其中的規(guī)律點(diǎn)，推進(jìn)城市規(guī)劃規(guī)范和建筑設(shè)計(jì)關(guān)系等相關(guān)的理論研究，也是未來的研究興趣點(diǎn)。