基于CityEngine的城市空间形态多情景模拟与方案评价——以长春市高新区为例

赵宏宇 王梦飞

规划设计 Planning and design

基于CityEngine的城市空间形态多情景模拟与方案评价——以长春市高新区为例

赵宏宇 王梦飞

（吉林建筑大学 建筑与规划学院，吉林 长春 130118）

随着社会经济的高速发展,城市化进程也在不断地加快,城市作为一个巨系统,城市的环境变得也越来越复杂,城市中的可变量因素也越来越多,城市的未来发展情景具有不确定性、多目标性、动态性等特征.计划的方案往往与实际开发的存在较大的偏差,然而传统刚性的规划难以对城市未来发展情景作出准确的模拟,与此同时,新版的城乡规划法更加注重规划过程的科学性和合理性,所以,目前亟需一种适应非确定条件模拟城市未来发展的方法.本文以长春市高新区某重点地块为例,借助CityEngine三维建模软件快速可视化等优势,形成多情景进行模拟与比对,这使得最终的方案更加具有科学性,同时也对提高公众参与度具有很大的意义,也对当地政府和城市管理者对于城市的信息化管理提供科学的决策与支持.

CityEngine；参数化设计；多情景模拟；方案评价

0 引言

随着城市化进程的快速推进,城市空间形态的质量情况得到大家愈来愈多的关注[1],大多数城市在进行规划的时候都会有一张很好的规划方案,但是在实际的开发实践中,往往会出现方案和实际的效果出现偏差,其中导致方案和实际开发出现偏差的主要原因就是传统的规划编制只考虑单一的变量因子,以一种刚性和单一的思维模式进行规划,在当前城市环境复杂的同时,城市作为一个巨系统,城市内部的变量越来越多,城市空间形态未来的发展模式存在不确定性、动态性、多目标性等,所以,传统刚性、单一的规划编制无法满足当前城市复杂情况[2],然而新版的城乡规划法也更加注重规划设计过程的科学性和合理性,基于此,当下亟需一种适应非确定条件下城市空间形态未来发展多情景模拟及方案评价的方法.

1 情景模拟与方案评价方法

1.1 城市空间形态情景模拟方法——CityEngine规则建模

传统的规划设计成果大多采用的是二维或者具有特定角度的效果图进行展示,展示的效果不够直观,随着数字城市技术的发展,一种更加直观、所见即所得的三维空间数据逐渐成为城市规划师青睐的表达方式,作为获取三维空间数据的一种重要手段,城市三维建模越来越受重视[4].城市三维模型是对城市环境中常见对象的三维几何和结构的数字化表达,以其直观性、客观性及真实性成为数字城市数据库中的重要组成部分[3].日本1998年、1999年两年举办了两次主题为“Urban Multi- Media/3D Mapping” 的国际性学术会,2000年国际摄影测量大会将城市三维模型的复杂操作与分析列为大会主题之一[4],NicolaiStein（2017）提出参数化设计与环境模拟技术相结合,不仅可以评估设计的定性方面,还可以评估与特定设计相关的环境模拟的定量方面[5],基于目前国内外研究现状,城市三维模型的研究也逐渐成为了一个热点.

1.2 三维建模软件的对比分析

传统的规划主要是通过图纸来展示设计者所设计的方案,该方法具有一定局限性,目前在三维数字城市建设和应用的背景下,自动化批量建模,这种高效、动态、参数化的建模方式尤其适合大规模的数字城市的三维建模的需求,因此也迅速成为当前城市三维建模的首选方法[6].以参数化建模的思想为指导,对当下参数化建模软件进行对比,具体如下：

（1）3Ds Max

3Ds Max是三维动画制作和渲染的软件,也是全球销量最大的三维建模软件、动画制作及渲染解决方案的软件,操作上：3Ds Max易上手,对硬件的配置要求低和可堆叠的建模步骤等优点,模型精度上：3Ds Max在建模精细程度上具有很大的优势：具有很强大的点、线、面几何体编辑功能,在建立复杂的模型时很有效,能够精确地确定模型的位置和尺寸,在模型建成后还可以对模型的高度、底面大小等参数进行修改,但是3Ds Max还是依赖于手工建模,耗费大量的人力和物力,尤其是在城市级大场景方面更是力不从心[7].

（2）SkechUp

SkechUp是一种直接面向设计方案创造过程的设计工具,是一款非常便捷的应用于建筑领域的三维建模和设计软件,能够和Google Earth完美结合,方便免费利用其它地形和影像数据,表面上看,SkechUp工具简单,界面简洁,但实际上具有很丰富的功能,兼具传统的铅笔绘图及现代计算机辅助设计的双重优点,能够对三维模型进行快速的创建和修改.操作上：SkechUp的操作空间大,对于那些没有接触过SkechUp的新手来说也能快速结合构建模型,然而当模型数量达到一定量级后,SkechUp建模就会相当艰难,对于大范围（设计千万的模型）而言,SkechUp难以承担[8].

（3）CityEngine

近年来,一种新的建模技术CityEngine基于规则的批量建模技术逐渐崭露头角,利用参数化技术开发的建模系统,可以充分地发挥计算机强大的运算能力.另外,通过修改参数调整模型,并在这个过程中反复修改方案,我们可以直观地观察到不同方案的合理性,进一步完善规划设计方案,使最终的方案更加科学[8].

2 城市空间形态方案评价方法——层次分析法

近年来,围绕着多指标综合评价,其他领域的相关知识不断渗入,使得多指标综合评价方法不断丰富,目前国内外提出的大约有几十种,实际上大致可分为2大类：主观赋权评价法和客观赋权评价法[2].主观赋权法有层次分析法、模糊综合评判法等,客观赋权评价法主要包括灰色关联度法、TOPSIS法等.

层次分析法：即The Analytic Hierarchy Process（简称AHP）,它是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法.比较适合于目标结构复杂且数据缺乏的情况,算法过程比较简单,使决策的过程具有很强的条理性和科学性.

2.1 运用层次分析法进行多情景评价

为了能准确地判断各项功能之间的重要性程度,采用层次分析法来确定各类指标的权重.首先构建阶梯层次结构模型,然后构造判断矩阵A=[aij]对各指标进行两两比较.对判断矩阵的一致性检验,:计算判断矩阵的最大特征根λmax和一致性指标CI, 公式如下:

3 应用实例——以长春市高新区某重点地块为例

3.1 研究区概况

该地块位于长春市高新区内,东北濒永春河,西连硅谷大街,南邻超达大路,212.1公顷,全境地势平坦,地块周围被快速路和主干路环绕,2条地铁线围绕,地块内公共服务用地集聚.

3.2 城市空间形态多情景模拟

城市空间形态模拟就是根据城市未来发展战略,借助上文的参数化建模软件的支持,模拟生成每种指标极限值下对应的城市空间形态情景.

3.2.1评价指标的选取

由于控制性详细规划指标体系包含的指标很多,可谓是体系庞大,如果我们把所有的影响指标都考虑周全的话,那么演绎出来的情景可能多到规划人员束手无策,所以我们应该重点考虑设计地块未来发展情景的关键指标,找出能够明显区别不同情景模拟方案的关键变量,依据这个原则建立综合评价模型.本研究把研究区内的控制指标划分为容积率、建筑密度、建筑高度、绿地率等,设定每种指标极限值分别归纳出每种情景的三维空间形态.

3.2.2多情景归纳

根据对地块的区位特征,认为地块未来的发展有四种主要的战略选择,具体为：

情景一：在满足相应的指标规定的前提下,使容积率达到最优,即让开发商和居民同时满意.

情景二：在满足相应要求的条件下,将研究区内的每种地块的建筑密度达到最大,充分发挥土地使用性.

情景三：满足刚性指标的要求下,在硅谷大街这个城市界面形成一定的建筑高度.

情景四：在满足开发商利益的前提下,使绿地率达到最大.

3.3 研究区空间形态多方案评价

本研究在上文的城市空间形态的模拟方案生成过程中,已经充分考虑了各指标间的差异但是由于地块内的问题比较复杂,还需要对各情景方案约束条件进行分析.

3.3.1约束分析（现场的调研问题）

交通的可达性.基于地块周边的轨道交通的可达性,发现硅谷大街有两个TOD站点,也是未来人流比较集聚的地点,因此在黄金三角地来说,交通的可达性在给人带来便利的同时也会带来以下障碍,所以处于高新之眼这个黄金三角的位置,尤其要慎重的处理好交通优势.

产学研用.在研究地块的右上角依托吉林大学形成科创园区,如何将高校的科创园区辐射研究地块内,在这空间组织上要避免产业链条的脱节.

3.3.2评价结果

根据上述战略归纳下的研究区的多情景,本研究从综合容积率、建筑密度、绿地率、建筑面积等四个方面作为模拟方案的评价目标。针对研究地块,其评价的四个方面设定四个4个重要等级,分别用A、B、C、D来表示,其中A等级是最重要的,B等级次之,C等级微重要,D等级是不重要。结合CityEngine快速可视化技术对四种情景进行快速模拟及评价,四种情景中,在综合考虑交通的可达性及产学研用的全链条同时,容积率相同的情况下,绿地率越大,居民喜好度越高.根据统计分析的结果,我们可以看出情景三的绿地率是31.2%,在综合对比中,很显然情景三是最佳参考方案。

4 结论

传统的规划设计手段并非无法沿用,在如今大数据时代,让新数据和传统的数据进行了结合,使以往单一,以偏概全的工作方式转变为有理可依、有综合数据结论可依且可宏观把控的工作方式,本研究依托CityEngine快速可视化技术,探讨了长春市高新区某研究地块多情景分析及方案评价的方法,可以最大程度地发挥CityEngine动态规划和及时的数据反馈的优势,本方法大大提高了规划设计方案制定的科学性和合理性 ,提高了公众的参与意识.最后,利用CityEngine快速可视化的技术优势进行多情景的模拟与评价,将这种视野引入多情景的模拟与评价中,便于未来可以高效精准地为政府或城市管理部门提供决策与支持.

[1]孙施文,邓永成.开展具有中国特色的社区规划——以上海市为例[J].城市规划汇刊,2001(06):16-18+51-79.

[2]赵民,林华.居住区公共服务设施配建指标体系研究[J].城市规划,2002(12):72-75.

[3]关丽,丁燕杰,张辉,冯学兵,谭向农,赵金玲.面向数字城市建设的三维建模关键技术研究与应用[J].测绘通报,2017(02):90-94.

[4]孙敏,马蔼乃,陈军.三维城市模型的研究现状评述[J].遥感学报,2002(02):155-160+168.

[5]刘兴权,董淼,刘晶晶.基于Skyline的三维城市规划方案对比功能研究[J].计算机应用与软件,2014,31(06) -223+243.

[6]赵雨琪,牟乃夏,张灵先.利用CityEngine进行三维校园参数化精细建模[J].测绘通报,2017(01):83-86+111.

[7]牟乃夏,赵雨琪,孙久虎,张灵先.CityEngine城市三维建模[M] .北京:测绘出版社, 2016.

[8]肖永东. 基于SketchUp和CityEngine的数字城市三维建模[D].昆明理工大学,2015.

赵宏宇 （1977.01- ），男，吉林省长春市，汉族，职称：教授，学历：博士，研究方向：主要从事寒地城市设计与生态规划研究，重点开展生态智慧城镇规划、再生城市设计理论及方法研究。

王梦飞（1994.02- ），男，河南省周口市，汉族，学历：硕士，单位：吉林建筑大学，研究方向：城乡规划与设计。

吉林省科技发展计划项目（编号：20170101080JC）。

TU7

A

1007-6344（2021）01-0284-02