基于参数化设计方法的城市公园植物景观布局设计——以天津市水西庄公园为例

祝薇雅

李鹏波*

1 背景

21世纪以来，全球城市化水平在经济社会快速发展的推动下进一步提升。截至2020年底，中国常住人口城镇化率已超过60%[1]，城市将成为未来经济产出与人民福祉创造的主战场[2]。然而快速与高强度的现代化建设也加剧了城市与自然的矛盾，资源、环境、生态与健康问题愈发尖锐，严重影响着生态系统的稳定与人居环境的品质[3]。如何缓解城市病带来的负面影响，营造绿色和谐的城市山林，将成为未来城市发展的重要议题。城市公园作为第二自然，以植被为主要存在形态，是改善人居环境的重要实施空间[4]。

目前，专家学者多从空间构成[5]、观赏效果[6]、生态效益[7]及使用行为[8]等方面展开植物造景的景观评价及配置设计相关研究，多为定性描述，缺乏对植物景观布局的宏观把控，往往重“设计”而轻“规划”，具有较强的主观性与偶然性。AHP、SBE及SD等定量研究方法[9]在原始数据的获取上高度依赖受访者的社会人口统计特征，难以摆脱主观因素的桎梏[10]。如何以科学、理性的方法分析植物景观的设计原理，并构建量化的设计方法，是指导城市公园植物景观设计向精细化迈进的关键环节。

数字时代的大发展带来了技术方法的革新，遥感与大数据[11]、GIS系统与建筑信息模型[12]、仿真模拟[13]等参数化方法被应用于数据的采集、分析，方案的模拟，数字化建造和绩效的测控五大环节[14]，设计工作不再是设计师个人意志的表达，而是科学计算模拟与多因素耦合的结果。有学者研究提出了风景园林数字化策略纲要[15]，总结了参数化在风景园林规划设计全流程中的应用方式及相关软件平台，并指出Grasshopper软件在逻辑设计方面的直观表达优势[16]。针对参数化生成设计，构建“逻辑-模型-结果”的设计流程以体现变量与输出之间的衍生关系[17]，借助Grasshopper平台进行参数化编程设计成为风景园林的热点方向。但受发展程度与研究深度所限，目前对于风景园林要素形态与生态相关的数字技术研究数量最多，以地理与测绘等方面的技术为主[18]，参数化在植物景观生成方面的应用集中在辅助种植制图方法研究[19]与前期分析应用[20]等，且种植设计局限于平面填充，仅以单株植物间的距离关系作为参数，缺乏设计逻辑的构建，且未对各植物景观的布局进行讨论，因此需作进一步探讨。

本研究的目的在于建立耦合设计场地及人群需求的布局生成模型，探讨更科学高效的城市公园植物景观设计方法。以天津市水西庄公园为例，将植物景观布局的设计逻辑与参数化方法相结合，通过梳理多因素之间的逻辑关系，依据“目标-规则-算法”的设计思路，探索植物景观的参数化布局，为植物景观参数化由制图与建模向生成设计的转变提供理论与实践基础。

2 研究方法

2.1 技术框架

参数化布局指的是基于设计要求，根据相关标准设定参数和规则，实现设计语言到算法语言的转换[21]，达到对各植物景观元素的参数化控制，并以图形语言显示，以供设计决策参考。参数化植物景观布局设计包含了3个关键阶段：目标解析、参数和规则提取，以及参数化设计模型构建(图1)。

图1 植物景观布局参数化设计基本思路

城市公园植物景观布局的参数化设计，首先在植物景观解析的基础上，结合各植物景观元素的形态特征总结植物景观的构成类型，分析其影响因子和影响机制。其次，从影响机制出发，结合不同类型植物景观的形态特征，以参数化的角度提炼出参数和规则，并运用Rhinoceros和Grasshopper软件进行算法编程，构建参数化生成模型[22]。最后通过叠图法形成总体布局参考方案。

2.2 植物景观解析

2.2.1 基于点线面的植物景观拓扑同构

将城市公园中常见的植物景观进行“点、线、面”的简化，构成城市公园的3级植物景观系统。基于拓扑同构的理论基础[23]，进行点线面的参数化布局设计，叠加后得到体现不同形态景观元素间关系的布局模式，即植物景观布局的点线面拓扑同构，在此基础上衍生出丰富的植物景观设计方案[24]，且能够保证其布局模式的科学性与合理性，为后期的景观设计提供指导。同时，基于形态的元素划分能够实现同类型算法的合并与简化，提高整体运算效率。

2.2.2 关键影响因子

影响城市公园植物景观布局的因子多且复杂，不同场地情况各异，规划设计定位各不相同，植物景观布局的侧重点有所差异，因而需要针对场地特点确定影响因子[25]。诺曼·布恩在《风景园林设计要素》中提出园林植物在建造、环境与观赏3个方面具有重要功能[26]，结合城市公园植被覆盖在美化人居环境、调节小气候、丰富居民生活中的重要作用[27]，以及植被生长与场地周边环境的密切关系，确定影响城市公园植物景观布局的三方面关键因子，即环境因子、景观因子和人群需求。

三方面关键因子包含诸多影响城市公园植物景观布局的因素。受软件和算法的限制，本文简化了设计的影响因素，选取景观设计中常见的影响因素进行研究探索。环境因子体现植物景观的生境特征，如日照条件、声环境和风环境；景观因子包括地形、水体、建筑和植物，四者相互影响、相互制约；人群需求因子指的是城市居民对植物景观的使用需求及审美需要，其中占主导地位的是观赏游线，除此之外还包括观赏点、观赏视距、空间氛围等，为植物景观参数化布局提供了主观限制因素。

2.3 参数与规则

参数与规则来源于植物景观的关键影响因子及其影响机制。针对不同景观元素，提取相应影响因子作为参数，通过影响机制确定景观效果与参数之间的关系，进行规则的提取。本文主要是从孤植树、植物组团、防护林、草坪与树群等方面进行植物景观参数化设计的探讨，从各植物景观的功能性出发，确定其在城市公园中的主导作用，与关键影响因子相关联，得到参数与规则如表1所示。孤植树与植物组团主要考虑观赏效果与游览体验，其选址以人群需求因子作为主导，以游览路线、观赏点及观赏视距作为参数，根据人在景观中的感受确定规则。防护林主要考虑防护效果，其选址以环境因子作为主导，受到场地内的风环境和声环境的影响，其中防风林以盛行风向、风速及活动场地位置作为参数，降噪林参数选定噪声来源及音量，二者均以防护效果作为规则。草坪空间主要考虑选地与场地特征的结合，选址以景观因子作为主导，以地形、坡度、坡向、水系岸线共同作为参数，根据用地适宜性与空间尺度作为规则。树群主要考虑空间变化与边界，体现在林缘线的形态，其布局与人群需求因子相关联，以游览路线、观赏点密度与观赏视距为参数，以游览体验与空间组合为规则。

表1 参数与规则汇总

2.4 参数化模型构建

植物景观布局的参数化设计模型通过设计逻辑的构建将设计问题抽象简化，并依据规则建立起参数间的关联[28]，依托Grasshopper软件进行运算集编制和数据计算，采用一系列算法对设计逻辑进行描述，进而利用计算机的运算寻求设计问题的解答[25]。依据植物景观元素的点线面拓扑同构，可将植物景观布局的参数化模型归纳为“点状植物景观布局模型”“线状植物景观布局模型”和“面状植物景观布局模型”(图2)。

图2 植物景观布局参数化设计模型构建

2.4.1 “点”状植物景观布局模型

“点”状植物景观布局参数化设计逻辑与其设计规则相对应，基于“游线-视线-观赏点”的动态逻辑关联，进行参数化模型构建。为实现“点”状植物景观布局设计，本文构建的参数化逻辑模型由“游线选取”“观赏点模拟”“距点生成”及“位置优选”4个部分构成。针对上述设计逻辑与模型组成部分，在Grasshopper中选取适宜的计算方式，编写了“游线-观赏点”“观赏点-距点”“观赏点间距-视觉体验”3项算法(图3)，并将其关联组合构建“点”状植物景观布局参数化设计模型。

图3 “点”状植物景观参数化布局算法模型

2.4.2 “线”状植物景观布局模型

“线”状植物景观布局模型可分为“防风林布局模型”和“降噪林布局模型”两部分，参数化设计逻辑均从环境条件入手，基于“气象条件+场地条件+防护效果-林带形态”的参数化逻辑，进行参数化模型构建，分别由“场地环境数据处理”“防护林位置确定”“防护林形态生成”3个部分构成。其中“场地环境数据处理”用以导入建筑环境模拟软件Ecotect中风环境分析的结果，作为Grasshopper中下一步运算的基础数据。

“防风林布局模型”中编写的算法为“风环境-防护区”“防护效果-防风林形态”“防护范围-防风林位置”算法(图4)。“降噪林布局模型”中算法的编写为“车流影响-降噪林布局”“人流影响-降噪林布局”算法，分别针对公园外围道路噪声与内部活动噪声。

图4 防风林植物景观参数化布局算法模型

2.4.3 “面”状植物景观布局模型

“面状植物景观布局模型”包含“树群布局模型”和“草坪布局模型”两部分。

树群布局参数化设计逻辑以观赏者的视线与空间体验感为依据，构建“视线-空间-边界”的逻辑关系，进行参数化模型构建，其中空间边界即为林缘线。模型由“距点位置信息提取”“林缘线生成”“水系干扰”“形态优选”4个部分构成，“距点位置信息提取”与“点”状植物景观布局模型相关联，形成和谐的主配景关系。在Grasshopper中编写了“距点-林缘线”“水系-林缘线”“面积-形态”3项算法(图5)，构成树群布局参数化设计模型。

图5 树群植物景观参数化布局算法模型

草坪布局模型设计逻辑为“地形+水系+空间尺度-用地适宜性”，以此为依据进行参数化模型构建。模型采用逐级筛选的思路，由“地形筛选”“水系距离筛选”“空间尺度筛选”3个部分构成，每一步筛选结果作为基础数据导入下一步进行叠加运算。对应算法为“高程-用地范围”“坡度-用地范围”“坡向-用地范围”“水系-用地范围”“空间尺度-场地边界”5项算法(图6)，并将其关联组合构建草坪布局参数化设计模型。

图6 草坪植物景观参数化布局算法模型

3 实例研究

3.1 研究区概况

水西庄公园规划为天津市红桥区的一个区级公园，位于南运河南岸、芥园一带，占地面积25.6hm2。场地呈现山环水抱的山水格局，中部为开阔水面，整体地势较为平缓。场地内现状种植以树群为主，中心活动区点缀有梨花，整体植物布局较为凌乱，没有形成明确的空间关系，与场地内活动场地结合度有待提高。

3.2 植物景观布局方案生成

3.2.1 点状植物景观布局设计

为确保景观品质，体现整体风貌，沿水西庄公园主要观赏游线两侧布置点状植物景观，作为道路两侧主景。选取水西庄公园一级园路及公园出入口与主路衔接的园路，作为公园的主要观赏游线。以成年人正常步幅0.65m为参数，模拟观赏点的分布，并以正常人明确看到景物细部的视野30～50m作为区间，确保主景的观赏效果，随机生成对应的距点，即点状植物景观的初步位置。依据“外部模数理论”，以25m的视觉疲劳距离为条件[29]，排除间距过近的距点，得到点状植物景观布局(图7)。

图7 水西庄公园点状植物空间布局生成示意图

3.2.2 线状植物景观布局设计

为构建绿色人居环境，在水西庄公园中设置防风降噪林，以改善公园内部活动场地小气候条件，营造静谧舒适的休闲空间。防风林设计首先在Ecotect中导入水西庄内部和周边建筑分布模型及天津市气候文件进行盛行风速及风向的分析。借助geco插件将分析结果导入Grasshopper，选取场地内距地面高度1.5m的分析结果作为目标数据，体现大多数游人的体感风速[30]。基于行人体感舒适风速筛选出水西庄公园内体感风速超过5m/s的区域。为达到理想防护效果，设定水西庄防风林的布局应确保目标活动场地位于林带迎风面10H-背风面30H的范围，林带宽高比为5，林带与风向夹角为90°，形成符合城市综合公园风环境要求的林带布局[31](图8)。

图8 水西庄公园防风林布局参数化生成图

水西庄公园的主要噪声来源为周边道路及场地内活动广场，属社会及交通噪声，其中噪声污染的强弱序列为：咸阳路＞纪念馆路＞公园内活动广场。以此为依据，对这几处道路和场地相对应的降噪林宽度进行权重分配，通过OFFSET运算器模拟形成林带范围(图9)，满足城市公园一类声环境功能区昼间不超过50dB、夜间不超过40dB的要求。

图9 水西庄公园降噪林布局参数化生成图

3.2.3 面状植物景观布局设计

化解信访矛盾的关键在于抓好源头治理。习近平总书记指出：“要切实依法及时就地解决群众合理诉求，注重源头预防，夯实基层基础。”信访评议坚持防治结合，通过构建市镇村三级信访矛盾纠纷终结机制、延伸评议层级、困难群众帮扶救助等举措，预防和化解了矛盾，降低了信访工作成本，真正实现了“小事不出镇、矛盾不上交”，促进了社会稳定与发展。

水西庄公园的树群与草坪共同构成植物空间的虚实结构，二者对比调和，空间体量以亲切感为主调。针对水西庄基地现状条件进行不同尺度草坪空间的营造，丰富游人的观赏体验；结合现状植被营造树群景观，构成曲折有致的林缘线景观。

草坪空间的选择为逐级叠加筛选，第1阶段以栽植地表的最小坡度0.5%作为下限，自然式草坪设计坡度的最大值15%作为上限，进行坡度筛选，满足场地排水的要求；第2阶段在Grasshopper中测算出水西庄场地高程变化为7m，为营造富有起伏变化的审美体验，设定高程限制范围为4～6m，并通过坡向筛选出场地内阳坡，保证阳光充足；第3阶段提取出水西庄内的水系岸线，设定草坪空间与水系相距不超过50m，满足禾本科植物的养护需求，初步完成草坪空间选址。在此基础上，借助MetaBall运算器整合破碎场地，选取最小3.5m的小尺度草坪空间和最大100m的草坪空间作为选择区间[32]，最终得出多样且符合标准的草坪空间(图10)。

图10 水西庄公园草坪空间参数化生成图

树群空间作为植物景观背景，应与点状植物景观的分布相呼应，因此在拾取水西庄公园的道路中线后，观赏点模拟的参数选择应与点状植物空间相同。以1～25m为参数区间随机生成相对应的距点，将模拟生成的每组距点作为拟合点，形成沿游线两侧分布的林缘线，营造亲切的空间感受[33]。将生成的林缘线与水西庄内水系进行位置判断，筛除位于水系范围内的部分，并沿道路进行分组，同组相交初步产生树群范围(图11)。

图11 水西庄公园树群空间参数化生成图

3.3 植物景观布局总体模式图

经过参数化运算过程得到的各类型空间布局示意图，可作为各自独立的图层，将图层进行叠加，最终得到水西庄公园总体植物空间布局模式图。在图层叠加过程中，依据项目特征和设计需求设定重要层级，确定主导元素以进行布局上的调整。在水西庄公园植物空间布局的最终生成过程中，首先将功能性林带进行整合，之后确定重要层级为：防护林＞草坪空间＞点状空间＞树群空间。调整后的植物空间布局如图12。

图12 水西庄公园植物景观参数化布局总体模式图

4 讨论

4.1 探索耦合设计场地及人群需求等多因素的精细化布局方法

研究设置的生成模型反映植物景观布局系统性、精细化与多因素综合分析的目标取向。通过植物景观解析对植物景观元素进行形态分类，对植物景观的影响因子进行量化解析，得到参数与规则，在Grasshopper软件平台上进行点线面模型算法的编写。在此基础上，依据水西庄公园的建设需求，代入相关参数进行总体布局模式图的生成，从而为设计方案提供科学指导。

与传统设计方法更多依赖设计者主观经验判断不同[34]，参数化的设计方法以算法体现设计原理，将传统设计流程转化为计算机的多步运算，对设计要素的参数调控进行实时反馈；将场地条件与设计目标量化，在模型中实现了各形态类型下、多影响因素间的独立运算与组合搭接，能够表达耦合设计场地及人群需求的多因素设计逻辑，设计结果与场地结合更为精准，有效提高植物景观设计工作的效率与精准度。该方法是参数化在城市公园植物景观布局上的一次初步探索，提高了植物景观设计的工作效率与设计精度，有助于系统整合植物布局，建立稳健的设计决策，符合当下“数字景观理论与方法”对园林事业创新与进步的引领[14]。

4.2 丰富风景园林参数化规划设计体系

4.3 研究局限与展望

由于参数化设计平台与算法的限制，本研究仅选取较有代表性的影响因子进行初步探索，然而城市公园植物景观布局设计涉及生态学、美学、植物学、工程建设等多学科交叉，影响因素多且复杂，随着软件升级和学科研究的深入，应扩展影响因子，从景观、生态、经济等方面优化算法，结合美景度、生态效益及建设可行性等方面完善植物景观参数化布局的方法[35]，为公园植物景观布局提供更为科学的依据。

5 结语

在城镇化发展更快更好的今天，城市公园建设顺应自然生态环境，更加注重对于植被环境的塑造。“完美的植物景观，必须具备科学性与艺术性的高度统一”[36]，本文基于植物景观的形态特征与关键影响因子，构建了“点线面”的城市公园植物景观参数化设计模型，探讨了设计逻辑主导下的参数与规则，通过参数的设定得到植物景观布局模式图，实现设计方案的动态调整，为参数化方法在风景园林中的应用提供参考，有助于提升植物景观设计的科学性，为城市公园的植物景观布局设计提供了精细化的技术手段，助力人居环境高质量发展。

注：文中图片均由作者绘制。