基于CityEngine的规范可视化技术研究——以福建省城市规划容量指标控制为例

陈航宇

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

福建省政府住建厅根据《中华人民共和国城乡规划法》第二十七条组织编制了《福建省城市规划管理技术规定》(以下简称“省规”)。省规是城市规划管理重要的技术支撑，是城乡规划主管部门依法管理的重要依据，对推动城市规划管理法制化、规范化和进一步提高城市规划建设水平具有重要作用。

1 城市规划规范可视化的意义

城市规划规范与街道轮廓、建筑形态具有很深的关联性[1]。地块指标与地块内建筑群体组合形态特征紧密相连，控制了地块用地开发强度、环境容量以及建筑群体间的位置关系，由此导致了地块建筑本身属性的变化，最终影响了城市建筑空间的形态特征。从城市空间和社会经济角度来看，城市规划规范很大程度上不仅关系到规划建筑相关业者，而且影响到每一个人或组织。

从土地、建筑、景观、道路、设施等方面出发，省规围绕着与城市相关的功能使用、文化形象、防灾保护等几个重点对规划建设活动进行约束。其中第二、三章的规范条文对建筑设计影响重大，建筑的形态轮廓在土地功能与容量、建筑间距及退让、日照与高度层高等方面受到省规严格控制。由此，规划官员要评估规范影响城市建设的效果，建筑师要根据规范设计建筑，企业要购买土地判断经济效益，市民要监督建设是否合规，这些离不开对城市规划规范的理解和运用。

对于业内规划师和设计师这些规范条文尚且需要花费时间精力去一一解读与综合判断，而对于非专业的企业和个人来说是难以理解的。因此，为了促进各方对城市规划规范的理解，直观观察规范对城市建设所起作用的效果，利用计算机辅助可视化是成熟可行的技术手段。根据规范，利用算法解析条文并且严格按照程序流程生成符合规范的模型，并通过与实际建筑对比即可判断其是否合规，而这一切都可以交由计算机自动运行。如前文所述，各方可以很直观观察模型效果，有力支持相关工作。另外，通过计算机生成量化的规范模型也可作为分析的基础资料，推动相关研究。

本文针对自2017年3月1日起正式施行的现行规定内容进行初步研究，从较有规律的建筑容量控制指标入手，验证规范可视化技术的可行性。

2 研究方法

2012年日本国立金泽大学的都市计画研究室已经着手规范可视化技术的研究，在日本建筑基本法约束下可以建设的空间被定义为“建筑利用可能空间”。研究室尝试利用开源的Unity平台可视化建筑形态规范[2]，通过手动调整参数可以实时地看到“建筑利用可能空间”的生成效果。同样是针对该建筑形态规范，基于CityEngine的可视化方法更能从城市角度来整体观察规范的作用效果[3]，并且其即时生成速度以及输入输出端的自动化脚本保证了工作效率。因此，本研究以CityEngine为平台对省规的容量指标控制进行可视化，生成的模型定义为建筑容量控制模型，简单解释为符合省规可建设的最大可能的建筑体量。

本研究思路主要分为解析-参数化-可视化-自动化四个步骤，如图1所示。根据城市规划规范条文，从算法角度来说规范是从条件到对应结果的逻辑执行，不同地块的条件适用于不同条文，受到不同程度的规制。按照计算机语言，不同地块的条件可以定义为参数，选择不同参数会计算出不同结果，根据这些结果生成模型，即是所需要的规范可视化模型。为了加强效率，未来可利用CityEngine平台的Python脚本实现全自动化处理。本文将研究范围框定在可视化范畴，初步验证可视化技术的潜力。

图1 研究思路

3 可视化技术研究运用——以容量指标控制为例

作为初步研究，本文将研究范围控制在四种民用建筑类型的容量指标控制上，旨在集中研究规范可视化技术的核心流程，验证其可行性，为之后横向拓展套用其它城市规划规范搭建基础框架，为纵向钻研进一步可视化运用创造可能。本文暂不考虑土地混合使用的情形。

这四种民用建筑类型容量指标控制的规范条文出自省规第二章第一节第四条，主要是根据建筑功能、层数高度、用地面积的不同对容积率和建筑密度进行不同程度的上限控制。另外在第六条中规定了地块最小建设用地面积的指标，对不同层数的住宅和不同高度的公共建筑进行不同程度的用地面积下限控制。相关条文摘录于下表1。如前文所述，需将这些相关地块条件进行解析并参数化导入到平台中，然后根据规范规则提取算法，根据参数计算未生成模型。

表1 住宅、商业、办公、旅馆建筑容量控制上限指标及其建设用地面积下限指标

根据规范特征和可视化的必要条件，按照CityEngine平台的CGA编码规则设置参数。针对容量指标规范，需要定义和输入的参数包含地块的用地面积、建筑类型、建筑层数、建筑高度。其中建筑高度=层高x建筑层数，本研究采用建筑高度和层高作为输入端参数，而建筑层数采取计算|建筑高度/层高|的方式得出，有助于提高输入端操作的效率。由于省规在第三章第四节对这四种建筑类型的层高有详细规定，因此在输入端对应建筑类型直接输入层高更加高效。除了以上生成规范模型的必要参数，另外考虑设置地块长宽参数以便观察利用，由平台自动获取。其次设置可视化的开关参数用于CityEngine平台是否可视化建筑或城市规范以便于操作。所有的参数数据列于表2，通过CGA规则编码即可在Inspector工具栏上显示以供操作，如图2所示。细节上，可以给予参数一些限制和范围，例如建筑类型仅用于选择，范围限定在住宅商业办公旅馆；建筑层数被限定为整数；而建筑高度目前最高限制在150 m；层高根据省规，这四种建筑类型范围设置在2.8 m～6 m比较合适，超过层高规定则通过算法无法生成模型。

表2 与容量指标控制相关的地块条件进行参数化

图2 CityEngine平台Inspector工具栏，参数化效果

在参数化完成之后，需要构思算法将这些参数联系起来。算法主要分成两个阶段，首先是判断建筑类型，地块面积以及建筑高度或层数，确定其对应的容量控制指标，即容积率和建筑密度；在获得其容量控制指标之后，算法将按照容量控制指标去生成一个符合规范的模型，具体流程如图3所示。

图3 容量指标控制的可视化流程图

第一阶段，首先由外部输入/选择参数，输入类的参数不仅可以人工选择、拖动、键入来改变数值，还能通过平台内的Python脚本做二次开发，对数据库进行识别和读取，对应每个地块自动输入参数。数据库只需要遵循某一种规则的格式，可以是excel表格，GIS数据等等，可以极大提高工作效率。读取参数后，算法就开始运作，针对容量控制指标第一步是判断建筑类型为哪一种就进入相应类型的步骤中，由此提取用地面积判断是否符合最小建设用地面积的要求，如不符合则直接把地块变为红色并且提示原因后终止步骤。如果用地面积满足规定则再根据建筑层数(住宅)或建筑高度(公共建筑)参数得出其容积率指标和建筑密度指标的上限数值。

而后进入第二阶段，本文采用建筑容量控制模型概念生成规范模型，为了达到最大可能的建筑体量，优先将容积率指标用满，本文按照只有标准层的最简单建筑生成，占地即等同于标准层面积，可以根据公式：

建筑面积=建筑层数×占地面积

建筑面积=容积率×用地面积

建筑密度=占地面积/用地面积

经过推导可得：

建筑密度=容积率上限/|建筑高度/层高|

接着将计算出的占地面积与基于建筑密度上限计算出的占地面积对比，如果占地面积超出上限则直接采用上限占地面积，由此生成的建筑容量控制模型容积率不会做满，但这解释为在该建筑高度和层高的条件下符合规范的最大建设体量；如果占地面积满足规范要求则采用计算出的占地面积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会做满，同样也是该条件下的最大可建设建筑体量。

建筑容量控制模型在CityEngine中的生成原理可以参考(图4)，首先将地块等比缩小成占地面积的大小改为蓝色，并复制一个对应建筑密度指标面积大小的面改成绿色表示占地面积的上限。蓝色面按照建筑高度拉升后再按层高层数分层，即可视化完成，效果如图5所示。地面浅蓝色部分是当前选择的地块，右侧参数表已显示其地块面积和长宽等等，该地块为住宅建筑，限高80 m，层高3 m，由此生成的规范模型为蓝色体量，被该体量包裹的同条件建筑即为合规，否则违规。

图4 建筑容量控制模型生成原理图

图5 建筑容量控制模型效果

接着，本文简单建立一个街区范围大小的城市，对其地块进行赋值模拟实际规划数据的输入，所有约154个地块在2s内全部生成，建设用地面积过小的就会显示红色，可以非常直观地看到在省规的约束下城市的空间形态如图6所示。可视化技术在利用计算机辅助量化的优势更是非常明显，(图6)中右下角的Report一栏，对所选择的地块群会有一个总体统计，例如总量、平均数等，这部分数值能够被提取出来，为进一步的分析研究打下基础。

图6 城市尺度的建筑容量控制模型效果

4 应用拓展探究

未来研究期在本文建立建筑容量控制模型的基础上拓展能够自动化地检查现有建筑是否合规，这是规范可视化最直接的一个运用。建筑合规性即指地块上的建筑必须符合规范要求，在本文中指的是满足容量指标控制的规定。在如今城市规划领域推进结合大数据、采取多规合一等等举措的情况下，可视化、自动化给城市规划提供有力的支持，可视化帮助各方充分地理解规范和观察规划效果，自动化能更好地提高分析、审查等工作的效率。

我国城市具有规模较大的显著特征，每一条规划的规范性都会产生极大影响，因此在修改调整时都会深思熟虑后再做决策。可视化技术将帮助决策者较好地把握修改前后的影响，甚至能量化影响，作为可靠的决策依据。这也只是可视化技术应用于规划领域的其中一个方面。

5 结论

本研究旨在通过计算机辅助技术自动高效地生成可视化规范模型。本文作为一个初步研究，针对省规的容量指标控制，利用CityEngine平台及其CGA规则，在参数(地块条件)-生成模型(适用规范)的逻辑框架下，证明了可视化技术在城市规划领域中运用的潜力。而根据《中华人民共和国城乡规划法》第二十七条，省规在全国各省范围都具有普遍性，因此对其研究是极具代表性的。

目前本文研究内容还属于较为简单具有规律的容量指标控制上，下一步研究在横向上，可以将研究范围囊括建筑间距、建筑退距等部分，围绕着建筑设计与省规的相关条文继续拓展，最终能实现可视化技术在省规所有相关条文上的应用；在纵向上，在成功可视化规范模型的基础上对现有城市进行研究分析，根据课题对国内典型城市甚至是国外城市进行对照分析，找出其中的规律点，推进城市规划规范和建筑设计关系等相关的理论研究，也是未来的研究兴趣点。