| 标题 | 参数化技术在建筑表现中应用的研究 |
| 范文 | 张开剑 摘要：建筑的可视化表现是设计方案落成之前最直观的展示方式，也是建筑设计过程中必不可少的一环。优秀的建筑表现作品往往需要耗费制作者大量的时间和精力来完成整体设计构思。本文旨在将建筑设计中常用的参数化技术引入到建筑表现作品的设计流程中，使用计算机辅助设计的方式，以此提高工作效率和作品质量。 关键词： 参数化；建筑表现；配景 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）11-0277-03 1 引言 近些年来，随着建筑市场的供需的日驱平衡与图形渲染引擎的发展，建筑的可視化已经从当初的一图难求到现在成了许多建筑师的基本技能之一。竞争日益激烈的当下，对目前仍在建筑可视化领域的从业人员提出了更高的要求：一方面是在观感上，业主对与美的要求有增无减；另一方面，大多数项目周期时间较短，并且需随方案变动多次修改。 实际上，在整个项目流程中，有相当一部分精力被繁复的机械劳动所占据，成为提高生产效率的极大的阻碍。而这正是参数化技术的切入点，本文将探究在建筑表现常用软件Rhino，Grasshopper，Lumion工作流下使用计算机程序代替人工完成部分机械劳动，并结合基本场景布置美学原则，快速生成植物配景模型的工作流程。 2 软件简介 Rhino全称为Rhinoceros，是一款功能强大的3D建模软件，具有易用性高，可拓展性强等优点，广泛地应用于建筑设计，工业设计，动画制作，机械加工等领域。 Grasshopper是一款Rhino的常用参数化插件。借助Grasshopper内置运算器设计师可以进行操作更友好的可视化编程，进而以计算机内部的指令取代机械性的重复劳动，生成复杂的形体模型。 Lumion是由荷兰Act-3D公司开发的著名建筑可视化软件，通过其优秀的GPU渲染技术，可以快速地生成影视级的高质量建筑效果图或漫游视频。 3 室外场景配景的布置要素 建筑表现作品（包括效果图，漫游动画，VR场景等）不同于建筑及景观专业的严谨，相较于平面图纸而言表现作品需要包含更多的信息，有时为追求表现的效果也会使用适当夸大的手法起到烘托主题和营造氛围的作用。建筑表现作品的好坏，除去建筑本身设计与模型质量外，配景的搭配布置对整体观感上的提升起了至关重要的作用，故优秀的建筑表现作品对配景的排布上有着极高的要求。 因室内外表现手法以及侧重点的不同，本文主要针对室外场景中的配景植物，结合建筑表现的布置原则对植物的参数化布置做出总结。 以树木为代表的植物在配景主要由两种类型构成： 1） 经过人工设计的出于景观目的，有规律性排布的植物 此种类型的植物多呈现出明显的人工介入的规律性，如相近的尺寸和长势，严格控制间距的线性排布，有一定几何形状的密集排布等，从而表现出艺术线条、图案等景观元素，因此在放置植物模型时，对边缘这个概念需着重强调否则将导致图案的连续性中断，影响成品观感。另外虽然所采用的植物种类，尺寸和长势均相近，却不可单纯地使用同种模型阵列生成，否则将导致大量的视觉符号重复，真实感大打折扣。 2） 自然生长或模拟自然生长的随机散布植物 此种类型的植物有两种常见用途：一为公园或城市绿地采用，虽多为人工种植且有人养护，却也遵从自然状态下的生长规律。二是用作建筑主体效果制作完毕之后，周边环境的填充。常见的漫游动画或是效果图（尤其是鸟瞰图）在没有相关建筑资料的情况下的多采用填充植物的方式进行处理。上述两种分布方式均无明显逻辑上的分布规律。布置原则首先应注重图面效果，植物之间不宜分布过与均匀，多以簇或者丛的形式存在，且簇的尺度不宜过大，否则会造成视觉上的失真感。同一簇植物内部植物的数量也无定数，但画面整体应做到分布均衡，层次清晰。其次是植物的生长规律，大型树木之间的分布应保持一定间距，而因树冠尺寸和高度的关系，周围紧密分布的植物往往会因为光照及养分的不足而相对矮小。周围相对空旷的树木较密集分布区域而言，高度倾向于树冠尺寸偏大。 以上细节部分在人工放置配景植物时因精力限制，多数难以照顾到，且初稿之后需要反复调整。而此过程若引入参数化技术，机械劳动得以被计算机所取代，设计者将拥更多有精力与时间思考设计细部的布置，对作品的质量将有的相当大的促进作用。 接下来对该工作流的具体操作步骤要点进行说明。 4 图纸与模型的前期处理 在实际项目中，收到的提资多为*.dwg图纸与*.skp模型两种，针对不同类型的提资均需要进行前期的预先处理，下面将对两种类型的文件在Rhino软件中的前期处理方法分别做出介绍。 1） 二维图纸 在获取到场地图纸之后，应当首先对其进行适当简化处理，如去除填充，标注等元素，根据需要保留待生成区域的轮廓线并使用Join命令将其组合成为封闭曲线，或所需要放置模型的路径（单线）。 根据所需要生成的内容，将图纸内容进行图层归类，如草地，树木等。 2） 三维模型 三维模型同样需要按类别进行图层划分，将所需要进行处理的面放置于单独的图层，其余部分则进行删除，需要注意的是，因不同三维建模软件成面方式的差异，导入的模型（尤其是Mesh）有可能会因为三角面的排布方式而对后续生成结果造成影响，导致分布不均。可预先对网格面进行优化处理，提取出网格面的边缘，对其执行Join命令组合之后，使用Simplify Curve命令，通过Toerance参数的调整适当减少曲线的控制点，之后执行Join命令，将边缘合并。经测试，步骤处理之后可以有效地降低分布不均的情况出现。 5 参数化构建 原始资料处理完毕后将图纸或模型输入到Grasshopper并按照下述要点进行运算器的连接： 根据分布规律和工作平面不同，将置物分为水平方向和垂直方向两种。（本文中提到的关于植物的垂直方向上的分布，指小范围内的局部垂直分布，并非不同海拔高度下的分布状态。） 5.1水平方向 水平方向的置物又可细分为多种类型，如草地，树林等物体需区域化批量生成，而行道树则需要线性生成。 5.1.1区域化生成 简单采用生成随机点的方法是较为方便的，但是实际情况下，此种方法生成的树木种类单一大小一致，自然界中的树木即使是人工种植在生长过程中也会因为光线水分营养等因素，形成长势上的差异，在最终成果输出中观感较差，且实际项目中并不会只采用单一树种。 所以在指定区域中随机分布点后，逻辑仍需加入一定优化处理，生成结果才能够更加自然和美观，如下： 1） 设定树木最小间距，根据期望种植的树木的基本信息（如直径高度等），当两点过于接近时，剔除其中一点； 2） 设定树木种类，并将其随机分配给其中的随机点。 3） 设定树种尺寸，若某一区域树木分布密集，因涉及养分竞争等问题，树木的发育会受到制约，则程序需要对该区域的树木尺寸进行二次处理，使其相对整个区域较为矮小，相反，若某区域树木较为稀疏，则将树木尺寸适当加大，使其最终效果更加粗壮。 此过程中所使用的是根据上述逻辑编写的Grasshopper运算器，除去基本的生成方式和树木大小的控制方式以外，加入了不同尺寸比例的控制，可以人为的通过参数去影响树木的高度。如果将大型树木的比例调高，那么相应的在随机分布的过程中，将会更倾向于生成高度更高的树。 但是此方法仍然有一定局限性，如果将输入条件设置过多，比如树木种类较多，同时又设置了人为的树木倾向的尺寸，树种较多的同时每种树又会产生不同尺寸的分支，各成一类，最终将会生成大量种类的树木，给后续Lumion中的处理带来巨大的工作量。故在实际应用过程中应当按需要进行考量，合理的设置参数。 5.1.2线性生成 按照线性规律进行分布的物体较少，多数需要线性生成的模型均为人工放置＼种植。此类模型规律并不仅限于空间位置程线性排列，往往还会具有“间距”这一属性。根据“间距”的有无，同样可以将线性生成分为两类： 1） 規律性分布。对于有“间距”属性的物件来说（如上文中提到的路灯、行道树。），现实中人工介入的成分较大，路灯为严格阵列错位排布，而树木也因为有相应的养护修剪，不同个体之间差异较小。此类模型只需拾取期望放置位置的线段，并且设置“间距”参数即可，按给定数值分割曲线之后，在断点处放置图块。 2） 随机分布。对规律性较弱的模型又呈线性排列的物件，则可以通过生成随机数的方式，在曲线上定位并生成相应的点。同样的，和区域化生成一样，针对间距过小的点可以设置规则进行剔除，使排布更加自然。 5.2垂直方向 城市绿化中的景观植物的垂直分布，因设计差异可能稍许不同，但整体上仍遵循着乔木-灌木-地被-草坪的多层次布局规律。 虽然植物的呈现垂直分布的层次感，但其仍以地面土壤为基础生长，以图形化的语言可以将其解释为，此类物体可以具有相同或者相近的图块插入点。该插入点可以根据设计指定排布规律或者随机生成，生成完毕之后即可以此点为基础进行该点位其他高度的植被生成。 在此过程中，有以下事项需要注意： 1） 所有的植物，虽然具有相同的插入点，但是在实际的操作过程中要尽量避免点位的完全重合，否则后续在Lumion中会因为误选择而降低工作效率。 2） 若需要生成的区域范围较大或者数量过多，上述方法在计算效率上有可能会出现生成较为缓慢的情况，所以在实际应用过程中如有需要建议采用图块嵌套的方式。即预先生成好某一处的植物或配景模型的图块组合，然后将这些模型合并为一个图块。之后将此图块作为分布的基本元素，并且给予随机的范围内的位置偏移来做出差异化的效果。 5.3 文件输出 经测试Lumion对于同一文件内包含多个不同图块的情况并不支持，会导致所有树种均被统一化。此时有两种解决方案： 1） 树木种类较少的情况，可以将做好的图块按图层或群组的方式分类，按类别依次手动导出为独立的文件。 2） 树木种类较多的情况，建议使用插件Elefront和TTbox中的功能，（连接次序如下图所示），在File Extension端输入“.skp”，之后点击下方的Active之后即可自动输出为独立文件。 6 Lumion中的创建 将前序步骤结果按类别导出至Lumion打开，（测试格式为*.skp，可正常使用）。此时Lumion将会识别Rhino中的图块为Nodes，而Nodes在Lumion是可以替换为自带素材库中的树木的。这样就达到了我们以参数化的方式生成植物配景的目的。 此外Lumion本身对树木也具有一定的模拟自然分布的功能，例如在一定范围内随机缩放树木尺寸，更改树木的旋转方向等，此功能的短板在于过程不可控，修改的结果几乎是完全随机化的，倘若完全采用其自带功能来进行植物的差异化布置，其结果仍旧需要人工干预，对树木进行手动的框选移动，才能达到理想中聚、散状态。 7总结 技术与艺术之间并没有不可逾越的界限，依靠常规的人工建模与景观排布固然可以保证作品质量，但是在项目周期短修改频繁的情况下，如果仅仅依靠增加人力或者延长工作时间的方式，不仅会对项目整体进度造成影响，且由于建筑表现作品设计者的个人审美以及技术能力不同，成品的质量也难以把控。 适时的引入参数化及编程技术，结合个人设计经验总结与合理的逻辑设置，采用人工设计，计算机辅助实施的方式可以有效地提升工作效率，保证成品质量。 其主要特点如下： 1） 计算机可以以极快的速度处理不同树种的大小尺寸随机位置的偏移等，极端情况下甚至可以保证每一个树木的尺寸大小各异，这一点是人工无论如何也无法达到的。 2）退一步讲，在设置逻辑并不完善的情况下，可以在参数化生成的基础上，由设计师对生成结果进行把关，不合理处进行少量的人工修饰即可。这样也大大降低了从零起步的工作量，提高实际生产效率。 本文因篇幅所限仅就配景中的树木部分的参数化配置进行思路与流程总结，除去搭配实时渲染引擎Lumion之外，参数化技术与知名游戏引擎Unreal Engine4、最近在建筑表现领域大火的插件Enscape也有相当好的配合切入点。 望后续参数化技术可以更好地服务于建筑行业的美术设计师，减少机械劳动在工作中时间占比，从而将精力从繁重的体力劳动抽出投入到设计本身中来。 参考文献： [1] 刘麦瑞.Rhino辅助制作建筑模型应用浅析[J].自动化技术与应用，2018，37（8）：149-152. [2] 覃丽琼.基于Lumion的虚拟现实景观仿真设计与实现[J].现代电子技术，2019（2）：1-8. [3] 沈宝珍.草坪中园林植物的选择及其配植[J].绿色环保建材，2018（7）：248-249. [4] 李丹阳.浅析Sketchup与Lumion软件的特点与应用[J].大众文艺，2018（5）：87. 【通联编辑：唐一东】 |
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