动动三维下载(动动三维交互)

作者:Flora Roumpani

如今,借助于城市建模应用程序,我们能够利用三维扫描和建模技术,在几个小时内通过虚拟方式来重建城市。然后,各种类型的信息可以被添加到所产生的模型中,以便能够有效地管理建筑环境。

尽管三维建模是在特定时间点上记录城市的有效工具,但城市从来不是静态的。联合国教科文组织2011年在《关于历史性城镇景观的建议书》中指出,城市是动态的实体,是催生创造力的实验室,并受到了特定文化和历史的影响。城市应被视为自适应系统,在发展的同时仍然保持着各自的特性。

为了能够采用更有效的建筑环境管理措施来体现这个特点,需要采用同样动态的三维建模方法。这样,我们就能够使用模拟结果来检验未来规划方案的有效性,并帮助制定适当的策略。

程序化建模

可以使用程序化建模技术,通过点击鼠标来生成三维城市。然后,信息流、分析工具、年代数据、建筑知识和数学建模可以被整合到这些虚拟城市中,以便在街区和更高层面上测试规划方案。

程序化建模是计算机科学中使用的方法,它会根据整套规则来创建几何图形。苏黎世Esri研发中心主任 Pascal Müller 在 2008 年运用该技术开发了CityEngine,这款应用程序用于构建3D城市环境,能够开发出基于规则的复杂模型并自动而快速地生成3D城市。可以使用简单的控件(如滑块和开关)来生成和编辑完全动态的三维场景。

因此,CityEngine不仅非常适合于制定城市规划方案,而且非常适合在电影中《银翼杀手2049》生成城市景观,以及使用记录和地图以数字化方式再现古代城市环境。这对规划者来说特别重要,因为它可以创建模拟情景,帮助他们了解其拟定的设计方案的后果,从而帮助他们做出更好的决策。

动态时期模型

CityEngine可以对特定的建筑类型进行程序化建模,并使用年代数据和建筑物占地面积在地图上为伦敦卡姆登等地区填充特定时期的动态模型。

维多利亚式房屋案例研究是我在读博期间从事的实验,它使用Colouring London提供的建筑年代数据来测试该方法,Colouring London是个创新举措,旨在利用众包技术着手绘制出伦敦的每栋建筑。通过这个过程,我们开发了系统,它能够程序化地生成卡姆登地区所有维多利亚式建筑的模型,这就创建了此类建筑的三维数据库,并可以随时调整和更新。

这种方法开启了在当代城市的宏观背景下审视历史建筑的先河,使用了基于规则的设计方案来直观地显示不同的方案,并可以使用不同的参数(如建筑高度、尺寸、扩建和拆除的百分比)来更改这些方案。虽然我们从维多利亚式房屋入手,但可以使用其他类型的房子来生成伦敦的对应模型。

在本案例研究中,我们将维多利亚式建筑样式拆分成了多个主要特征。当时,为指导各城镇制定自己的建筑条例,中央政府针对维多利亚式房屋起草了相关的建筑法规。因此,我们也讨论了能够如何利用该建筑法规来生成3D程序化建模的规则。如果法规是决定性的,也就是说,如果它们足够详细,因而可以确定可识别的建筑类型,那么就有可能生成重现建筑类型样式的规则。

维多利亚式房屋是1837年至1901年期间的主要住宅建筑类型。1801-1851年期间的人口增长促使人们出于投机目的建造了数以百万计房屋,它们现已成为伦敦和其他英国城市的鲜明特点。伴随着如此快速的扩张,新的建筑立法最终催生了维多利亚式排屋的大规模建造设计方案,以适应快速的人口增长,2011年,附则排屋占英国住房存量的15%以上。

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图1:1890年代典型的维多利亚式房屋。这类房产大多建于伦敦郊区,供低收入家庭居住。每栋住房都是联排式或半独立式结构,包括两个镜像住房单元,它们设计得很巧妙,都能通向壁炉,并能有效地与邻居共用烟囱 ? Flora Roumpani

在CityEngine中,我们创建了计算机生成的建筑(CGA)规则,只要立法决定了样式,规则中就会包含这类立法。例如,要确定维多利亚式房屋的体量参数,常见的做法就是将前院定义为相对于街道宽度的缩进比例,这将生成受街道宽度限制的主建筑体量。

建筑也被分成两个体量:主建筑和后面的扩建部分。根据其所处的地段,扩建部分可以有不同的深度。结合建筑年代数据集中关于每个街区的容积率统计数据,我们也能够为生成的建筑模型创建大致准确的体量。图2显示了我们随后也可以如何整合立面规则集,它融入了维多利亚式房屋形态的基本规则。

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图 2:程序化建模CGA根据用户输入的两个变量(即地块尺寸和高度)自动生成了维多利亚式房屋的形态结构? Flora Roumpani

这种方法创建了各种不同的模型,而不是复制品,所以可以根据不同的参数重新配置已生成的建筑模型。例如,你只需调整建筑物的高度即可创建不同的模型,而不需要对整个房子重新建模。图2显示了在三个不同地段运用相同的维多利亚规则的例子,最大建筑高度由单个滑块予以控制。

然而,创建了程序化类型以后,每个不同模型必须是一致的。除了根据相关法规限制它以外,我们还需要找到方法来评估每次生成的模型,以确保一致性。为此,我们实施了蓝图系统,该系统最初由Hello Games开发,用于评估2016年游戏《无人深空》中生成的程序化模型。

可行的模型

该系统通过自动修改参数和拍摄每个不同模型的快照,根据规则生成了无限的模型。利用这些模型,我们可以确定在现实生活中不会遇到的排列组合。然后,目测评估导出的模型,分为可行或不可行。然后,我们完善了规则,以防止在未来生成这些模型。例如,维多利亚式房屋的楼层高度必须介于2.8米和5.5米之间,飘窗的角度介于35°和66°之间。

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图 3:使用蓝图法和屏幕截图自动生成的合理和不合理的维多利亚式房屋排列组合。从左到右,合理的排列组合是:第一排:2、3;第二排:2、3、4;第三排:2;第四排:1、5 ? Flora Roumpani

我们使用了“公开地图” (Open Street Map)中的道路网络来生成街道和人行道,然后就能够根据程序为如今的伦敦卡姆登区生成建有维多利亚式房屋的区域。该应用程序会自动从Colouring London的年代数据中识别出标为维多利亚式排屋的位置,并将被标记房屋的体量替换成程序化生成的属性。

我们将多边形地块组成的卡姆登街区地图从HM土地注册处导入到了CityEngine,并使用Colouring London中的占地面积和高度数据获得了拉伸体量。该程序产生了大致准确的可视化区域,其尺寸与实际房产相同,房屋数量、每个地块或街区的覆盖范围以及容积率也都相同。

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图 4:程序化生成的成排的维多利亚式房屋。相关规则被运用到多个地块上,而另一套规则则生成了街道和交通数据 ? Flora Roumpani

这种方法可用于大面积地区建模。例如,我们可以使用密度滑块来控制维多利亚式房屋在卡姆登地区的总体比例,看看如果按照同样的规格开发新住宅,或者如果所有的维多利亚式房屋都被拆除,该行政区会变成什么样子。图5显示了卡姆登地区全部兴建成维多利亚式房屋或全部拆除维多利亚式房屋以后的面貌。

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图 5:在卡姆登新建或拆除维多利亚式房屋的方案。从左到右:10% 维多利亚式房屋,目前的维多利亚式房屋(占存量房的 55%);以及 90%的维多利亚式房屋 ? Flora Roumpani

这种程序化规划的优势在于,它能够快速地制定三维总体规划和城市设计方案,并可以使用简单的控件直接进行编辑。由于能够使用滑块和开关来改变生成的要素(如建筑围护结构或最大高度),这意味着可以生成各种不同的方案来检验规划政策和法规。

这些应用可能会大大地影响城市遗产政策和做法,因为它们在未来的改造方案中提供了受保护城市环境的综合视图。例如,这可以用来快速并低成本地展示潜在拆迁对于规划的影响,突出城市历史景观受到的影响以及特定类型的存量房的具体改造方案,或者阐明新规划法规出台之前特定地区的最差方案。

就业环境

此外,也可以将实时模拟的结果融入到程序化生成的模型中。在第二个案例研究中,我们将生成的规则集与模拟结果结合起来,根据就业预测来计算出住房需求。

通过对生成的三维城市环境全面应用数学函数,就可以确定经济和建筑密度之间的空间关系。采取这种方式对城市方案进行三维建模,就能够通过空间分析直观地显示、分析、探讨并最终评估未来计划,这指明了将城市的形式和功能联系起来的新方法。

此处的第二个案例研究为整个南约克郡建立了模型,包括谢菲尔德市和唐卡斯特镇。除了采用多个规则来确定城市环境之外,我们也将就业和住房指标标记到了新建成的建筑上。

先进的城市模拟结果预测了南约克郡的土地使用模式和人口流动,根据就业预测计算出了住房需求和服务,这些预测结果已被整合到程序化系统中,以便制定住房方案。

该模型根据不同的就业情况,模拟并直观地展示了南约克郡的人口和土地使用在未来20 年、30年甚至50年内可能的演变过程,因而能够帮助规划者们。

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图 6:该应用程序将南约克郡划分为9平方公里的网格,从而形成了212个被标记的方形区域,其中包含汇总的就业和住房数据。黑色的区域是建筑物,来自于2011年的Ordnance Survey数据,谢菲尔德在地图的下方,唐卡斯特在右上方。3D条表示每个方形区域的基本就业水平。因此,在谢菲尔德的中心区域,就业率显得更高 ? Flora Roumpani

我们使用程序化生成的建筑体量和土地使用情况来计算住宅区的大致居住容量,并根据模拟结果中的预测数字来安置人口。

借助于这种方法,可以将初步设计的建筑体量和区域面积与人口和住房供应等模型指标直接联系起来,这样,模拟结果就能够评估目标地区的就业和住房规划方案。

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图 7:将数学动态模型中的模型指标与建筑占地面积和土地使用情况联系起来。教育服务的提供情况——即学校——包括了低端区域 ? Flora Roumpani

结果形成了具有设计控制功能的交互式三维总体规划,以及可以随时计算居住容量和需求的模拟结果。图8显示了唐卡斯特的情景,红色区域表示潜在的住房需求,这基于预测中该地区大学扩张以后所带来的就业增加。

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图 8:在南约克郡唐卡斯特运行模型的结果。如果周边地区的就业增加,对于地图中心地带的住房需求就显示为红色。

这种动态可视化和城市分析的双重功能可以为制定总体规划提供新的范式,科学方法和设计方案可以被融入到单个平台上,以模拟多种可能的方案。

分析和模拟能够有助于规划工作吗?

在这些案例研究中,程序化生成的模型已经有助于规划工作了。这门学科无疑会受益于数据分析和建模。最近Buro Happold和HOK等大型规划咨询公司表现出了浓厚的兴趣,而在区域规划中,人们也转而使用定制的内部应用程序来进行城市建模,所有这些事实都是极好的证明。但它是否有能力改变规划过程呢?

程序化的方案制定方法能够产生数量无限(而非有限)的提案,这对规划过程提出了挑战。目前,这仅仅被规划公司当做草图方案,因为CityEngine始终是个很实用的工具,可以快速生成早期设计方案,同时评估它们并将其提交给客户。

然而,这种方法的潜力远远不止于此。如果我们假定规划问题不存在单个解决方案,那么肯定就可以生成许多不同的最佳解决方案,并能更好地适应社区的需求。有鉴于此,该程序可能会挑战总体规划的权威性,因为它提供了动态的在线系统,并可以随着用户(包括公众)的输入以及多年来的新的发展建设而不时更改该系统。

借助于这种方法,规划者可以更广泛地考虑特性或质量、容量和参数,而不是有限的设计产出。这是在实践中实施城市规划的不同方法,它更适用于政策制定。

然后,利用这些工具,我们能够更快地了解在已确定的边界内使用土地使用和人口指标所带来的影响,同时承认现有的场地限制因素,并向更多的人传达交互式方案。

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