一种基于BIM的高仿真植物族建立方法

文｜ 四川天艺生态园林集团股份有限公司 黄远祥 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领域出现的新技术，我国正积极推行BIM技术的发展，已发布了多项针对BIM应用的规范文件。然而近年来BIM技术的快速发展却并未带动起来BIM在风景园林行业的发展运用，尽管大家都对风景园林BIM抱有极大希望，但是从实际上看BIM相关技术应用在园林方面少之又少，所以当务之急是各相关专业人才齐心协力研究发展BIM技术在园林方面的实际应用，才能把BIM技术真正落地于风景园林行业。

图1 传统BIM植物族

1 参数化族库介绍

参数化建模一直是建筑信息模型的基本思想之一，笔者认为参数化建模就是BIM的框架，如果框架能搭好，BIM发展自然能水到渠成，而参数化建模在revit中最主要的体现就是族的建立。族是构成revit所有图元的基石，是图元信息的结构化表达，所以族的建立、收集和成库对整个BIM行业来说至关重要。BIM从业人员要想提高工作效率，建立一种甚至多种丰富的BIM族库是关键，然而在园林行业中，因为植物具有极强的不规则性，所以植物族库一直是风景园林行业在应用BIM过程中的薄弱点。

2 传统BIM植物族库在实际运用中的适用性

传统BIM的族库主要包括建筑、结构、给排水、暖通、电气、园林、施工等分类，植物属园林分类中的分支，本文以族库大师为例，族库大师中分享的各类植物族总数仅200个左右，占所有族的百分之二。

由此可见植物族在整个族库当中占比不高，且精度大多较低，主要原因有几点：一是植物族在revit中建模相对困难，revit对于这种不规则多面体的建模功能不强，导致从业人员很难通过revit的内建模型来满足植物的形态要求，且既费时又费力，所以对此积极性不高。二是由于植物本身的多样性，导致同种植物可能拥有多种不同形态，不仅为建模人员增加了很多工作量，而且很难去定义一株建好的植物模型，这也给植物族入库造成了一定的影响。

因此传统BIM的植物族库应用于实际项目中的效果显而易见，如果仅是应用于低精度BIM模型，传统的植物族库能够满足要求，但是在国家大力推广发展BIM的背景下，这样的植物族一定不能满足人们的需求。

3 在三维软件中建模导入revit制作族库

由于现有植物族库在实际项目应用中适用性不强，因此本文提供了一种高仿真的植物族建立方法以供参考。

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，首先我们需要得到植物各种有代表性的信息，如树高、胸径、冠幅、叶片及果实的形状大小颜色、净空等。获得这些信息的途径有两种，一是根据实地情况，现场测量树形优美，全枝全冠的树种，把采集的结果记录下来，再根据采集信息建立模型。此种途径缺点是耗时耗力，但更为贴近真实。二是通过查阅借鉴相关文献信息来确定树种信息，此种途径缺点是不具有代表性，使其仿真度有所下降。选用哪种途径来获得信息要根据实际情况来确定，也可二者相结合使用。

图2 传统植物族应用效果近景

本文以银杏在中国西南地区的生长状况为例，收集到了优良单株银杏的参数信息：川银：树龄55年 ，树高16.2 m，胸径42.0cm，冠幅8.2 m× 9.5 m,树形完整 ，树冠圆锥形，生长旺盛 ，分枝力强。叶片近扇形，互生，长枝上辐射状散生，短枝上3-5枚簇生状，叶柄细长，柄长3-10厘米，叶片宽5-15厘米，球果近圆形，熟时橙黄色 ，顶具小尖 ，外种皮皱缩，被薄白粉。蒂盘呈长椭圆形 ，明显下凹。果柄长约5cm，粗壮略弯曲。球果大小为 2.87 cm×2.76cm。种核为圆籽类，近圆形，顶具不明显之小尖 ，中部鼓起 ，具丰满状。基部圆阔 ，两束迹迹点小，间距约 1.0 mm。两侧棱线明显 ，多呈窄翼状边缘。种核大小为2.37cm×2.00cm× 1.61 cm，该树树龄较幼，种核粒大饱满，色白光洁，外形美观。

3.2 建立植物高仿真模型

3.2.1 软件介绍

图3 拍摄银杏树

3ds Max是由美国Autodesk公司基于PC系统开发的三维模型制作和动画渲染软件，其起源可追溯到DOS操作系统时代的3D Studio系列软件，在2009年名称正式更改为Autodesk 3ds Max。3ds Max在国内主要应用于建筑模型和效果图以及动画制作中，它以其强大的功能及极高的建模自由度在业界拥有数量庞大的使用人群。因此它也广泛应用于BIM族库的建立中。因植物的模型建立需要软件的自由度极高，现如今国内使用的主流植物建模软件有Speedtree，GrowFX，Maya等，而GrowFX是笔者认为三者中植物自由度最高的一款，所以笔者选用了GrowFX来快速建立高仿真植物模型，GrowFX是由ExLevel公司基于Autodesk 3ds Max平台创建的一个植物插件，它可以创建参数化的树木花草以及自然界的其他植物模型。它可以使用多样化的参数来创建植物，比如年龄、生长方向、风效以及动画效果等等。缺点是它本身的树库太少，且没有汉化，要学习软件有一定的难度。

3.2.2 构建模型

本文以西南地区秋季的银杏为例，模型的建立主要分为三个部分：树干，叶柄及树叶，而树干又分为主干和分支，分支下有一级分支和二级分支。

（1）基本设置

图4 3ds Max银杏模型

模型的基本设置主要是在3ds Max中进行，基本设置主要是单位的统一，一般情况下单位统一设置为米或者毫米，主要由项目决定，还有就是渲染器的设置，因为本文并不涉及渲染，所以就不再赘述。

（2）主干构建

树干是一颗树的起始建模位置，需要用到的植物信息有植物高度，半径和树干的凹凸结疤等。根据采集的数据，我们把树干的高度设置为16.2米，接下来是半径数据，我们把半径设置为0.42米，再略微调整一下树干的不规则凹凸，使其更为贴近真实。

（3）枝条构建

枝条是一颗植物的重要组成部分，根据采集的信息，枝条分为一级枝条和二级枝条，一级枝条所需的主要控制参数有：枝条长度，与主干的夹角，半径，枝条起始位置，结束位置，二级枝条的个数，而因植物生长的不确定性，植物的参数也有很强的无序性，我们只有尽可能的多采集一些数据来做平均值以达到更为接近真实效果，或者以在一定范围内波动的二次函数曲线来控制参数。二级枝条与一级枝条的设置近似，本文就不再赘述。

（4）叶柄及树叶构建

银杏的叶柄细长，颜色也和叶片不同，略微偏黄绿色，叶片呈扇形，且叶片以3-5枝簇生的方式长在二级枝条上，生长位置分布在枝条长度的三分之一到尖端处，柄长我们设置为0.06米，叶片宽度设置为0.08米，再略微调整一下叶片的朝向和弯曲，因树的无序性，可根据需要调整叶片数量及分布位置的混乱度，使其在人的视觉感官上不会呈现出规律和有序的感觉。

（5）树根的构建

可根据需要建立根系的模型，以获得更为真实的植物模型。根系的数据信息可从互联网以及相关文献上获取。

图3为真实拍摄的银杏树，图4为在3ds Max中建立的模型，两相比较下可以看出制作的模型基本还原了真实植物的形态，特征和神韵。使用同样的方法理论上可以完成任何植物的高仿真模型建立。

（6）导入revit

因revit无法兼容合并3ds Max文件，所以我们需要将3ds Max中的植物模型导出成DWG文件，再将植物的DWG文件导入revit，如图5所示。

图5 高仿真银杏族与传统银杏族对比

3.3 添加植物参数

族的参数是做参数化族库的核心，族不止拥有几何信息，还有大量的数据可以添加运用。植物有其特有的参数信息，我们需要将这些信息设置为族的参数，首先需要收集到自身需要的植物信息，再在revit族中添加各项参数，添加好之后的族属性如图6。

3.4 测试及存入族库

最后将构建好的银杏族载入项目当中测试，测试效果如图7。

由于族库需要统一进行管理和维护更新，所以族在存入族库时的命名需要统一格式，族的命名遵循标准不应该遵循项目标准的命名方式，而应该简洁和具有代表性。因此植物族按照“专业-品种-名称-树龄”来划分，例如银杏就命名为：“园林-乔木-银杏-40年”。

图6 族属性表

图7 项目测试效果

4 结语

本文通过对传统BIM植物族的优缺点分析，并结合3ds Max，CAD，revit等BIM软件的应用完成了一株银杏的高仿真族建立，同时将族应用于项目中取得了不错的效果。虽然有一定的研究成果，但是仍然有一些方面可以完善和改进。在接下来的工作中，主要需要攻克的难点有：

（1）植物族在revit中面数过大，所占用内存过多，可能会在导入及使用中造成电脑卡顿的情况。

（2）叶片花纹过于复杂的植物构建困难，CAD文件导入revit中会造成贴图和材质丢失，导致基本无法实现复杂花纹类植物族的建立，后期需寻找模拟植物花纹的方法。

（3）基于真实感的模型永远都没有最真实，只有更真实，如何高效率地利用我们现有的技术来达到更好的模拟效果，并且降低占用内存是今后研究的重点。

植物族库的建设不仅需要满足精度和分类，它最终的目的是为了提高BIM风景园林团队的工作效率，以及分享项目经验，所以管理者需要思考如何激励从业人员能更为高效、高精度的建好每一个族，让它成为一种知识财富，推动植物族库的建设更加良性的发展。