多因素约束下的建筑高度三维控制方法

陈光，薛梅

(1.重庆市勘测院，重庆 401121； 2.智慧城市时空大数据重庆市工程研究中心，重庆 401121)

1 引 言

建筑高度控制是城市空间管控的主要内容。随着城市服务产业的快速发展和土地价值的持续提升，城市高层建筑不断累积和聚集，在形成现代都市景观的同时，也对城市整体空间风貌造成了一定程度的破坏：高层建筑布局无序、城市密度和开发强度过高，视觉景观紊乱、城市特色丧失等[1]。在城市总体层面的高度形态控制可追溯至19世纪以来西方国家先后兴起的城市美化运动、Zoning法规制度[1]。目前，城市规划领域采用较多的几种高度控制方法有高度分区控制法[2]、眺望控制法[3]和天际线界面控制法[4]等，这些方法是控规体系内建设控制指标制定的重要依据。现有方法各有优劣，高度分区控制法能控制城市的整体空间，较为宏观，但控制精度不够；眺望控制法只研究城市重要的廊道空间，控制的区域有限；天际线界面控制法基于人行视角，控制精度较为精细，但其视点处于特殊的界面位置，难以对天际线以下的特殊景观要素的控制约束，缺乏基于多视点的灵活动态控制。

随着测绘技术手段的变革，三维空间信息技术的优势日趋凸显[5]，也越来越广泛地服务于城市规划[6，7]、建设和管理[8]等领域。因此，需要充分研究地形地貌特征和规划管控要求，建立基于高程分析、视域分析、天际线分析等多因素约束的三维空间分析技术流程，强化对山系、水系、绿系的保护和利用[9]。

2 建筑高度三维控制技术框架

根据以上分析，为实现对建筑高度的精细化空间管控与落地，本文研究建立了一种多因素约束下的建筑高度三维控制方法，总体技术流程如图1所示。首先，构建管控区域三维空间场景，包括三维数字地形和三维建筑模型；其次，根据规划约束条件在三维空间场景中选择观察点、划定三维控制线，同时对规划管控区域进行格网化离散处理；最后，基于观察点和三维控制线建立三维空间管控面，按照格网单元叠加多个管控面，以最小管控面高度和地形高差为建筑控制高度，生成建筑高度综合控制三维空间。

图1 总体技术路线

3 关键技术实现

3.1 三维空间场景构建

三维空间可精细化地表达管控区域的现状，为建筑高度控制提供地形地貌、建构筑物、景观生态等要素的支撑。本文设计构建的三维空间场景包括三维数字地形、三维建构筑物模型、实景三维模型以及等路网、地块、风貌管控、高程控制、观光点多源空间数据，在数据精确配准[10]的前提下，采用文献[11]提出的新型三维测绘地理信息产品集成建库方案对各类数据进行集成管理。以 1∶500地形图要素为实体单元映射关联多源空间数据，实现不同尺度数据管理的一致性；采用“二维空间索引+三维空间索引”的混合索引结构，宏观尺度采用二维索引初级筛选，微观尺度采用三维空间索引精确定位待检索数据。

考虑到多源数据存在精度差异，如三维数字地形和实景三维模型在重叠位置存在接边问题，本文采用文献[12]的多精度DEM融合技术方法，以像素为单位按照权重系统进行数据融合，形成无缝的三维空间场景。

3.2 三维控制线定义

传统的建筑高度控制方法通常以天际线或点状对象的通视条件作为约束[13，14]，但在多因素条件叠加约束下的建筑高度控制应用中存在不足。例如，以多个观察点能够观察到多条特色山腰植被带和标志性建筑为约束条件，同时，最大化不同海拔地块内建筑高度的控制值，传统的建筑高度控制方法难以兼顾多个条件的约束。本研究实现在三维场景中以立体化的方式灵活表达约束条件，其核心是三维控制线，即以三维空间场景为载体，根据管控要求，以通视目标为参照绘制的三维折线对象(见图4中白色线条对象)。

本文所述的三维控制线是由一系列连续的三维点串构成，其控制效果为保证三维控制线高度以上的空间为可视空间。在绘制三维控制线时需要在重要可视保护位置增加节点，可根据地物要素的分布特征适当调整三维控制线节点间隔。

3.3 多因素联合约束方法

研究以观察点和三维控制线的通视为控制因素，多因素是指多个观察点与多个三维控制线组合的通视约束，同时，兼顾控制区域内不同地块的地形高度。

假设以某一地块单元为控制对象，其地形海拔高为H；有多条视线从该地块对应的竖向立体空间穿过，各视线对应的海拔高分别为h1，h2，…，hn(如图2所示)，则多因素约束下的建筑高度控制结果为式(1)。

Hcontrol=min(h1，h2，…，hn)-H

(1)

图2 多因素联合约束原理图示

3.4 建筑高度三维控制过程

根据区域概念性策划和总体规划方案抽取管控要素和条件，并将其转换为三维空间场景中的三维控制线，根据本文多因素联合约束方法开展建筑高度三维控制实施，具体操作步骤如下：

(2)离散化规划管控区域，生成控制格网单元：对整个管控范围以lgrid为单元格边长生成规则控制格网，考虑到山地城市地形高度变化较大，单元格边长的设置与控制精度密切相关，lgrid宜小于建筑底面外接矩形的边长；

本文建筑高度三维控制分析结果可在规划建筑方案审核环节提供分析支撑，将总体设计方案中的三维建筑体块和建筑高度三维控制盒子进行叠加，通过三维可视化检查可直观发现建筑高度超限的建筑对象；也可以以建筑方案不超过三维控制盒子作为审核要求，利用三维空间拓扑分析自动检查超出控制盒子的建筑对象，从而实现对建筑高度的精细控制。

4 技术应用实践

为了验证方法的有效性，本文选择重庆市广阳岛重点策划和规划项目为应用对象，核心规划区面积为 51.4 km2，以区域整体概念性策划和总体规划要求为基础，利用本文技术方法开展了三维建筑高度控制分析和方案检验工作。规划区三维实景数据如图3所示。

图3 广阳岛三维空间管控数据场景

根据景观要素通视条件的控制要求，利用本项目多因素约束下的建筑高度控制方法，在三维空间场景中，根据控制要求手工绘制三维控制线(如图4所示)，即在三维控制线位置，应保持控制线以上空间的可视条件。选择眺望点，分别连接不同眺望点和三维控制线，形成三维视线。

图4 三维视线与三维控制线俯视图(红色为三维视线，白色为三维控制线)

通过三维视线的侧视图(图5)可以看到三维视线在三维空间中形成一张控制网，三维视线覆盖区域的建筑高度控制要求为：建筑高度不超过三维视线在对应位置的高度。结合精细的三维数字地形，即可得到每个地块的绝对建筑高度限值。

图5 三维视线侧视图

图6 建筑高度三维控制盒子示意图

对三维视线进行插值，形成三维控制面，以 5 m为控制尺度绘制管控区域内的规则格网，叠加格网、三维控制面和三维地形，获得每个格网对应的建筑控制高度。将格网按照控制高度拉伸为体块，并与地形贴合，形成对整个区域的三维空间的高程控制模型(如图6所示)，其中，同时以颜色表达建筑高度控制值的大小，蓝色到红色表示高程控制值逐渐升高。

5 结 论

本文以三维空间场景和规划设计中建筑高度管控要求为基础，通过三维管控要素的划定和三维空间分析手段，计算得到管控区域内每个位置的建筑高度量化控制结果，充分顾及了地形地貌特征、天际线界面和景观眺望等控制因素，让建筑高度控制有据可依，提升建筑高度控制的科学性和系统性，为城市规划设计的指标落地提供有效支撑，同时，基于新型的三维测绘数据产品，建立了与规划设计团队的合作机制，更好地发挥了新型基础测绘的服务保障作用。