基于地理设计的三维建筑规划方案设计
时间：2023-06-29 19:55:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
文／聂潇 山东志合建筑设计院有限公司 山东济南 250101
杜哲 济南长清城市建设开发有限公司 山东济南 250399
随着数学规划向智慧规划的迈进，传统的CAD 二维绘图、3DMax 三维建模等设计工具无法满足更深层次的应用和分析的需求。这些技术面临一些挑战，例如，它们不仅能够将几何面片集合转化为可视化的图像；
设计流程必须在多个平台上进行，而且还要应对用户及其决策者的多次变更，这大大提高了沟通的难度，降低了设计的效率。因此必须寻找新的技术来支持这些转变，实现真正的智能化规划。
地理设计作为一种创新的设计和规划方式已经被广泛采用，它通过模拟、系统思考、数字技术等多种手段，有效地把握地理环境的影响，实现更加精准的设计。它不仅可以通过图像、文本等表现形式，让人们更加清晰地看到设计方案的实际情况，而且可以利用其强大的空间数据管理与分析功能，实现多次、快速的影响评估，从而持续改善设计方案的质量。以ESRI 公司Jack Dangermond、加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的M.F Good Child 教授、哈佛大学Carl Stein it z 教授、Geo
Design 科技公司总裁Michael Flax man 等一大批杰出的学术专家在地理、规划设计领域的学术研究与实践的推动下，取得了显著的成果。近年来，地理设计的概念被广泛应用于各种领域，如土地利用、生态环境和文化遗产的保护等领域。随着技术的不断改进，ESRI 公司的城市引擎软件已经取得了长足的进步，它能够以脚本引擎的形式实现规则的设计，并且可以迅速模拟出建筑物的外观特征。因此，本文首先分析了三维建筑规划方案中的设计流程，然后分析了建设的布局，接着进行了初步设计，最后对方案进行了优化。希望通过本文的研究，对今后的设计有一定的帮助意义[1]。
地理设计注重以人的视角来探索和分析各种可能的因素，并通过综合考虑各种数据和外部环境来实现最佳的设计效果。在此基础上，将设计过程中最重要的设计灵感转化为信息生成，提高了设计效率，丰富了语义信息的设计结果。这篇文章的目的是通过提供一个三维的解决方案，让设计师能够快速构思出一个有效的解决方案。将使用交互式设计来模拟一个三维地理空间环境，综合考虑三维空间、规划条件、自然和社会经济条件等，根据地块特征来制定最佳的布局。最后对这个解决方案进行详细地设计分析与评估。经过精心的构思，在专业的建筑中进行更加精细的室内模型设计，最终建立内外融合，创造出具有语义和几何的三维规划作品。因此通过深入分析，提出一种新的三维建筑规划方案设计流程和方法，以满足当前的需求，并将其应用到实践中。
为了达到最优的使用效果，采取自动化的建筑布局设计，以便在不影响网站整体外观的前提下，营造出协调而又美观的视觉氛围。在此过程中，综合考量各种因素，从基础结构到细节构思，都进行精心的调整[2]。通过对地块的分析，可以确定建筑物的平面布局。这种布局需要考虑三个主要因素：排列方式、限制条件和布置算法。通过这些因素，可以确定建筑物的底部和整个空间的大小。
（1）地块，为了实现最佳的空间布局，地块的规划必须包括多项指标，例如土地性质、容积率、绿化率等，以便更好地控制建筑物的分布。此外，还须充分考虑地块的自然特征，例如坡度、坡向和高程、日照条件、风向等，促使空间合理利用。
（2）建筑布局可行域，在建筑布局的过程中，必须保障所有的空间都被纳入规划的范围之内，以便实现最佳的空间利用效果。比如，当需要提高绿化率时，就应该在规划的区域内设置中庭、草坪等绿化空间，以此来提升整体的景观效果。
（3）排布方式，建筑空间的排布方式是一个重要的考虑因素，它不仅要考虑美观、日照和通风，还要考虑约束指标，包括自然环境因素，如地形地貌、日照、风向、视线和水源等。此外，还需要考虑经济人文因素，如建筑物的规模、建筑材料的使用寿命、建筑结构的稳定性、建筑物的安全性、建筑物的抗震性、建筑物的耐久性等。规划要求和其他辅助因素，如区域经济状况、人口密度、开发难度等，都是影响项目成败的重要因素。
（4）布局算法，研究表明，当前，许多算法都能够自动地根据建筑的可行性，在一定的区间范围内构建出合理的建筑布局。其中：①镶嵌式算法，它把建筑物抽象为一系列的点，并且根据它们的尺寸大小，采用Voronoi图，以最接近的原则来划分出平面；
②砌砖式算法，它模拟工匠砌砖的过程，通过设定最低水平线和最高轮廓线，来实现对建筑物的精确规划，从而达到优化空间结构的目的③利用遗传算法模拟生物进化的自然选择原理，通过反复迭代和优化，可以有效地实现对齐基准底面的布局，从而达到最佳的结果[3]。
（5）建筑底面，建筑物的底部是空间布局信息模型的重要组成部分，它反映出建筑物的位置、大小、方向和基础高度，并且可以用来决定建筑物的外观。
（6）建筑体量，建筑空间布局还反映出建筑物的体积，因此，它也可以用来决定建筑物的总重量。通过测量建筑物的尺寸，并结合容积率、其他空间参数，可以评估出该建筑物的布局是否符合规划要求[4]。
在这篇文章中将建筑规划方案的设计分为两个阶段：首先，将使用建筑规则引擎来确定建筑的初始形态和风格。然后，将使用BIM 模型来对建筑进行深入的设计。充分利用三维数字城市和测绘地理信息技术的优势，重点关注外立面的整体效果和景观设计。最后，让专业的建筑师来对内部的精细结构进行深度设计，并将其转换为 BIM 成果实现建筑物的内外一体化集成应用。
3.1 城市引擎规则制定
建筑规划方案初步设计的主要目的是整合相应的数据信息，形成建筑物的外观和三维形状。通过cad、3dmax 等现代化的三维建模技术，可以有效地将研究对象的三维空间信息构造及模型转化为可操作的实体，从而提高了规划设计的精度，同时也减少了人为操作的需求，使得规划设计更加便捷、可靠[5]。通过ESRI 公司的城市引擎平台和二次开发包，可以实现对建筑外立面形态的创新性构想，并且可以实现实时的交互式调整。城市引擎平台是支持先进的三维建模技术，它利用规则和属性来构建出高效、精确的建筑物外观，它不仅可以根据用户的需求，快速、自动、大规模地创建出建筑物外立面三维模型，而且还具有灵活的可变性，它的关键步骤是设计出一套完善的建筑物形态规则，以便更好地满足用户的需求。
3.2 建筑规则制定
通过对建筑规划设计方案的研究，制定了一套完善的规则，旨在帮助建筑师更好地实现其设计目标，同时也使规划具备良好的可操作性。此外，还需要根据不同类型的建筑，如城市发动机，对其进行有效的分割，并利用先进的软件技术，创造出精准、高效的模型。规则的概念其实很简单，只需要关注两个方面即可。首先，建筑的基本形态是能通过多种空间规律，可以有效地利用季节变化的特点，并且，建筑物的附属设施，如屋顶、烟囱和百叶窗，也具有极高的复杂性，无法仅凭系统提供的规则就可以完成。针对这种情况，可以使用专业的建模软件来一个一个地创建模型，并将它们按照一定的标准格式导出，还可以使用平面几何来代替传统的脚本实体提升模型的逼真度。此外可以使用纹理映射来处理建筑物的表现，它的基本原理是利用建筑物的树状层次结构，为每个叶子节点设定适当的 UV 值和纹理路径。通过三维建模技术，可以获得完整的三维建筑图像[6]。因此，建筑规则能够被重复利用,为其他建筑的规划设计提供指导。因此,建筑规则制定为设计人员进行设计过程提供强有力的理论支撑，经验的过程,意义重大。
3.3 建筑规则库的建立
在城市引擎的过程中，生成规则的结果不是单一的建筑物三维模型，最重要的是规则脚本语言CGA 文件，CGA 文件具有极高的实用价值，它能够根据特定的规则参数，创造出各种各样的建筑风格。此外，CGA 文件还具有可重复使用的特性，能够满足各种场合的需求，使得城市建筑物的设计更加灵活多变。通过构建一个完善的建筑规则库，不仅能够帮助积累丰富的设计经验，而且还能够为交互式设计提供多种可调整的参数，以满足不同的需求。构建一个完善的城市建筑规则分类体系，以满足不同类别和风格的要求，实现多种形式的建筑规则，并且通过相应的参数来实现交互式设计更好地满足各种需求。
随着现代信息技术的飞速发展，知识经济时代的到来给建筑规划设计带来了前所未有的挑战。传统的建筑规划设计方法已无法满足当今社会的需求，因此，许多新的、复杂的空间数据载体需要被开发，以满足现代社会的需求。地理设计的发展可以让人们更好地利用地理环境的特征、数据和系统的思维来制定有效的建筑规划。它可以直接显示设计的视觉效果，并依赖于良好的空间数据分析管理功能，为最终的方案提出优化建议[7]。
4.1 评价体系
具体而言，建筑规划方案评价体系包括多个方面。在建筑规划方案设计中，需要设计人员、决策者和用户之间进行有效的沟通，以保障模型的可靠性、可操作性和可持续性。为此，必须建立一套完善的评估体系，以便从空间、经济、安全等多个角度对方案进行全面地评估和分析。一般来说，建筑规划方案评估体系涵盖了多个维度。
（1）空间评价，利用GIS 分析技术，实现二维层面的常规分析，如拓扑分析、叠加分析等，以及三维层面的视域、日照、天际线等分析，在三维地理环境下直观获得效果反馈；
（2）安全评价，基于地上地下一体化的地质、工程数据集成，可以进行进一步完成地质灾害和工程安全性评估；
（3）经济评价，通过实时的数据分析，可以准确估算出地形因素、容积率、绿化率等经济指标，并将其与城市和农村的规划要求相比较，从而更好地满足市场需求。
（4）环境影响评价，利用GIS 叠加分析技术，综合评估建筑规划方案建成后可能带来的生态影响，包括但不限于水系、湿地、道路、气候等，并进行相应的生态敏感性评估，从而获得客观准确的评价结果，为建筑规划的优化提供有力的依据。
（5）景观评估，旨在根据不同的环境条件，如尺寸、颜色、外观等，以及其他可能的因素，综合考虑后，最终确定最佳的方案[8]。
4.2 实时优化
通过采用交互式设计方法，可以实时调整和动态构建建筑规划方案，从而使其具有更高的效率和准确性。这种方法不仅可以保证设计结果的几何形态和对象语义的一致性，而且还可以有效地支持实时调整，从而使得建筑规划方案的前期环节更加高效、精准。当设计规则脚本时，会为建筑物设置一系列的参数，例如建筑高度、建筑层高、屋顶样式和建筑外墙颜色。可以通过调节这些参数来实现建筑的三维形态的实时变化，通过调节这些参数来达到三维形态实时效果。
在建筑工程领域，深化设计是一个关键环节，要求设计师具有综合的素质、和工作经验。对于传统的建筑室内设计要具有创新精神，及时找到其中需要优化的问题和缺陷，充分利用地理信息数据、工具和方法，并且以人的主观能动性为核心，来完成建筑室内外一体设计。以下体现了深化设计及建筑室内外一体化的部分内容。
5.1 基于BIM 的建筑物室内深化设计
建筑深化设计是指通过深入的设计，可以更好地理解和利用建筑空间，为人们提供舒适的生活环境。这一过程包括了场地规划、布局和外观设计等步骤。BIM技术的出现，使得建筑设计的效率和质量大大提高。它是一种用于建筑物的三维数字化技术，可以帮助建筑师更好地理解建筑结构，并且能够更快地完成建筑设计。随着数字城市的发展，BIM技术正在逐渐取代传统的二维建筑设计图纸。根据前期的规划，对建筑的外观、高度和楼层进行了详细的分析，并在此基础上进行了更加精细的设计。这些细节涵盖了建筑的基本尺寸、入口、阳台和屋顶的布局，从而实现了整个建筑的美观和舒适。通过分析现有的数据和场地情况，可以制定出一个完整的建筑方案。在设计过程中，会考虑到建筑物的采光和通风情况，并对方案进行优化[9]。因此，基于地理设计的三维建筑规划设计不仅丰富了设计成果的语义信息，而且有效地提高了设计效率，促进了建筑业的发展。
5.2 建筑室内外一体化展现
在深度设计的过程中，将建筑的空间信息转换成构件信息模型，并从中提取出它们的位置坐标、形状。这些信息会被转换成三角面片的结构，并使用唯一的ID 编码来连接它们。这样，就能够在三维地理环境下，让建筑的室内外都能够得到完美的呈现。通过将室外表面模型和室内建筑构件模型完美结合，使得它们的几何特征和语义信息完全一致，从而实现三维数字城市的微观、精细的应用，也为实现基于室内空间的智慧城市的发展提供了可行的解决方案。
通过对传统的三维地理环境下的建筑规划方案交互式设计模型的改良，创建了一个新的平台，其结构由四层组成，其中（1）数据层，负责收集和处理基础空间信息、建筑规范、建筑结构部件等，以及其他相关的数据。（2）引擎层，由三种不同的引擎组成：一种是专为三维数字城市而设计的，另一种是二次开发的，以满足不同的需求。（3）服务组件层，由多种服务组件组成，它们可以实现数据的读写、交互、三维展示以及指标的计算，为应用层提供更加完善的服务。（4）应用层，是一个完整的三维数据库，它包含多种功能，如浏览、分析、查询、布局、设计、评估，以及各种界面和功能，可以满足不同的需求。它可以帮助规划设计人员在三维地理环境中进行交互式的建筑规划，包括但不限于：建筑的布局、形态设计、实时的评估以及交互式的调整，还可以将室内外的元素融合在一起，并且可以对室内构件进行信息的查询和分析。通过改变传统的设计流程，能够更加直观地展示信息，避免语义信息的遗漏，并能够快速地进行方案调整。
总而言之，在建筑规划方案设计中设计者需要充分利用他们的专业技能、丰富的经验、敏锐的洞察力以及丰富的想象力，以便更好地实现其独特的设计目标。相比于传统的草图绘制或CAD 图形的绘制，会花费大量的时间与精力进行多种设计思路的融合，地理设计的核心思想强调了人的主观能动性，并且通过地理信息数据、技术手段以及其他相关资源，努力构建一套将科学知识与实际应用相结合的空间规划模型。通过将设计灵感和思维与信息的派生相结合，利用虚拟三维地理环境来实现交互式设计，从而大大提升设计效率，丰富设计成果，并且为未来的智能化应用奠定坚实的基础。
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