【skywoolf论文】山地居住区道路系统的生成算法研究及其项目实践

skywoolf · 发表于 2013-10-16 15:15:26

发一个自己日前在清华DADA数字年会上参与演讲的一个论文，算是个人上半年做的一个研究性项目。项目日前纪要详见此贴：http://bbs.ncf-china.com/forum.php?mod=viewthread&tid=21672 也是因为日常项目比较多，周期短，所以最后这个论文只抽出了不到20个小时形成，表达语言上有些粗糙，但是说明内容是经过思考梳理的。这里放出来和大家分享一下，希望能增进一份交流。论文电子版下载：http://yunpan.cn/QbenPSk8ER2xe
演讲PPT下载：http://yunpan.cn/QbenE82EGqWi9

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2013-10-17 08:50 上传

题目：山地居住区道路系统的生成算法研究及其项目实践

摘要：本文阐述的是关于参数化生成设计理论及方法在一个山地居住区实际项目规划设计中的研究性实践。该研究课题的目的在于借助参数化生成设计工具，将地形地理信息充分整合形成数据库。并以此为设计指导依据，参考实际功能要求，让计算机自动生成功能合理的、顺应地理环境的分级路网体系。其中主要研究难点包括：对各级别道路不同生成逻辑的研究及算法实现；对通过实际项目参数筛选生成道路最优解算法的研究；对组团内地形参数、采光日照、景观朝向、单体产品模数等多因素综合考虑下探索最优解算法的研究。该项目目前已根据参数化生成设计技术手段研究形成了一套完整的山地居住区道路系统生成模式算法并理想的完成项目总体规划设计。
关键词：参数化设计；山地建筑；道路系统；生成算法；研究性项目。

The Research and Practice for Mountainous Residential District Road System Generation

Abstract: This paper presents the research practice about parametric generation design theory and method applied in an actual mountainous residential district project planning. This research aims to integrate the topography and geography information into a database by parametric generation design tools. Based on this database and the consideration of actual functional requirements, the computer automatically generates hierarchical road net which has reasonable functions and complies with the geographical environment. The main difficulties of this research include: the algorithm and implementation of various generation logics for different level roads, the algorithm to generate optimal road through actual project parameters, the study of exploring the optimal solution algorithm under the comprehensive consideration of terrain parameters, sunlight, landscape orientation, single product module, and so on. The project forms a complete set of mountain residential district road system generation algorithm based on the parametric generation design technology, and this project completes the overall planning design ideally.
Keywords: parametric design; mountainous buildings; road system; generation algorithm; research project.

项目研究背景
众所周知，我们当下的建筑设计市场正处于一个飞速发展的阶段。随着人们日常生活水平的不断提高，对居住空间、生活空间的需求量日益增多，房地产领域的各类产品开发项目也随之与日俱增。诚然，这种开发模式持续增长的态势顺应了我国目前经济发展的需求。但是，站在城市设计者的立场上来看，当下的房地产产品品相过于单一，大部分开发模式仅重视产品的资金周转链条，忽视了建筑产品本应具备的地域性和独特性。城市文化产业得不到重视，产品与城市地理环境缺少有机结合。导致种种这些社会问题产生的首要原因之一，便是目前的城市发展速度大于了城市设计思考速度，以至于出现了大量项目的盲目开发以及破坏型开发。参数化设计师们从城市设计的角度思考探求解决问题的契机，力求将高效、客观的计算机模型生成算法应用于当下的城市设计、建筑设计等领域。参数化设计师们可以通过对地理环境、城市空间、功能逻辑、产品参数等信息的整合和重组制定出一套满足一定功能要求的几何图形生成算法，并将其形成一套较为完善的参数生成模型。然后针对不同的项目条件，给这个之前制定好的几何图形生成算法输入个性化的指导性参数，并通过运算获得诸多空间雏形，最后通过设计师的主观筛选确定方案的最优解。本文所阐述的便是一次基于参数化生成设计理论及方法的新型建筑产品的开发与实践。

项目研究目的
一是借助参数化设计技术，提高设计工作的生产力，将大量繁琐的人为计算劳动逐步通过参数模型转化成智能化的计算机运算。将设计师的思想从不同项目地块之间的重复设计工作中逐步解脱出来，转向去思考城市建筑产品的新类型。
二是从城市设计的角度提出创新型的、适合本土发展的建筑产品类型。通过理论联系实际，制定合理的计算机运算模块，让产品参数在满足一定性状的同时，有充分的可调节性和适应性，最终形成一套可推广的设计工作方法，使新产品能满足更多的市场需求。

项目研究概况
该研究实践项目是一个占地75.6公顷的山地居住产业园区开发策划项目，地表肌理属于沿海丘陵地貌，红线内整个基地中央有一条自东南向西北方向蔓延的谷地，周边地形以谷地为中心轴线向南北两侧向上生长成坡地，最大海拔高度差五十多米，属于标准的山体谷地地形。基地周边三面环绕茂密的松林资源，东南方向与城市配套生活资料接壤。目前基地内居住现状维持了村落式的山地人居生活地貌，山体地形优美、保持良好，部分松林被开垦变成耕地和果树园，但周边自然资源依然保持完好。
该项目的方案设计师们在方案构思的前期对基地及周边的概况进行了深入调研。经调查统计发现，此种现状的地块在周边丘陵区域中并不占少数，处于各种不同的原因，多处的山谷之中存在着放射状的耕地。从卫星云图中（如图1），我们不难看出这些放射状的耕地镶嵌于山体之中，已经对丘陵松林地貌构成了一定影响，这些人们日常的生活活动在不经意间缓慢侵蚀了自然松林的空间。于是，设计师针对此问题在与项目开发商共同协商之后，将该项目的规划核心目标定义
为低碳节能、绿色生态、自然生长、技术创新四大主题，目的是为了保护基地的自然地貌，找寻一种保护性的开发机制，还原山地自然景观，将新的生活空间以更加自然的生长规则植入到被开垦的地段之中，让建筑与周边松林缝合在一起，既保卫自然环境、又充分的利用自然环境，力求实现人与自然的和谐共处。

图1
从卫星云图中观测山地松林资源被开垦现状

地形数据整合
如前文所提到的，该项目地形关系十分复杂，红线内山岗、谷底、梯田、水洼应有尽有，设计师们在面临这样一个复杂的、多样化的地形的时候，第一步要做的便是地形设计。在方案设计之初，本着保护原始山体地貌的原则，设计师们通过参数化设计工具，对地形数据关系进行了全方位的数据整合，提取了地形上每一点的海拔、坡度、坡向等地形参数，并形成了完整的地形数据库。根据现场实际踏勘的分析，将局部特殊地形在地形数据库中重点定位，同时将部分细节上过于突兀的地形对其数据进行过滤。最终通过多方面的统筹和筛选得到了一个对山体形态破坏最小、土方量最少、不破坏植被、可以用作接下来执行方案设计施工的三维地形数据模型。该地形模型涵盖了绝大部分地形数据信息，是接下来设计工作展开的主要数据提取框架。
山体道路寻径
山地项目规划的道路系统设计一直是一个值得研究的课题，面对复杂多样的地形空间，既要让规划道路能够顺应地形又要使它能符合功能的使用要求，这部分工作通常需要耗费大量的精力和时间来反复修改调整方案。而在该项目的山地路网设计过程中，设计师另辟蹊径，通过参数化设计工具逻辑算法制定了一系列的山地路网生成规则，在计算机中演算道路的生成，使道路自动在山地模型中寻
找适宜的路径，在众多的生成结果之中，按照功能要求进行筛选，最终得到满足功能要求的最优解。在山地道路寻径的参数模型生成逻辑算法中，设计师选择了迭代算法作为参数逻辑雏形，即根据上一点的数据，经过一系列的运算寻找到合适的下一点，如此循环运算不断的寻找下一个合适点，最终将这些点连成一条多段线即为一条路径的参数雏形。也就是说，设计师只要指定不同功能道路在山地中的生长规则即可以让计算机在山地模型中自动生成不同功能和性状的路径。

图2
根据计算机生成算法得到的路径
举例如图2中白色的点折线部分，这条多段线的生长原则是让路径从起始点O出发向着某一目标点P生长，其生长路径的每一小段都能做到坡度最小，这样生成的一条路径便是O、P两点之间所能找到的坡度最平缓的路径。其路径的几何运算法则为：以标高为h的起点O为圆心，在xy平面参考系中绘制一个半径为参数a的平面圆柱形空间曲面，设定理想的行车道路坡度不大于参数b%，那么该圆柱的标高参数为从h-a*b%到h+a*b%的这个区间。这样的圆柱与山地地形网格面相交的部分将绘制出一条或若干条圆柱曲面的表面曲线，在这些曲线上抽取到达起点O距离最近的点，那么这些被抽取的点，便是山地网格中从起点O出发经过半径a的距离所能到达的坡度最小的点。然后给这个算法加上一个目标点P，让计算机在这些点中筛选出一个距离P点距离最近的点作为最终结果即生长路径上的下一点。这样在每一点上运算坡度最小的下一点，即可得到一条生长坡度始终为最小的山地路径。在这个过程中值得重点提出的是变量a的取值范围，a决定上一点与下一点间的距离，也决定了路径计算的精确程度。由于地形原始数据十分复杂，小体量的凹凸关系很多，a值过小容易让路径生长进地形有突变的地方形成“死路”。因此在运算的过程中，需要反复测算a值的理想值，过小路径很难生成，过大路径不够精确。图2中黄色的点折线部分则为另一种功能类型的路径，如果将白线理解为区域内主干路，那么这些黄线则是区域内组团级路或者说是上山路，功能上讲是为了确保红线内海拔较高的区域能有正常的车行流线。生长原则是以主干路上的每一点为起点，向着360度每个方向生长，寻找坡度等于b%的爬坡点，这样生成的路径集合便可以理解为是所有上山路的可能性集合，然后根据地块不同功能的划分，筛选最优解。其几何算法为以标高为h的起点O为圆心，在xy平面参考系中绘制一个半径为参数a的平面圆，将其平面圆向z轴方向移动至高度h+a*b%，此圆将与地形网格面相交于一点或多点，其中每点均为从O点出发以b%为指定坡度的爬坡点，然后通过目标点P对这些点进行筛选，最后得到生长路径上的下一点。这样将逐一算好的点集依次连线便可以得到一条上山路的参数模型，给这个参数模型输入O点的数据库和P点的数据库便可以得出所有上山路生长的可能性，最终从中筛选出最优解。

通过上述这样让计算机逻辑算法来辅助方案初期的道路规划工作，设计师们发现这种方法提出了一种山地居住区道路规划方法的新模式。同一个逻辑的算法输入不同的地形数据库便可以迅速的获得理想的结论。这将大幅度的节约设计师面对山地地形路网设计时所要花费的精力和时间，并能得到一个尊重原始地貌的、节省土方工程造价的、符合本土地理特征的设计结果，使得设计工作的效率和成果取得双方面的进展。

道路系统深化
在主干路与组团级路网确定之后，设计师开始通过更深入一级的参数模型对组团内的路网系统进行深化设计，并逐步形成前期控制性规划。在这一环节中，设计师们优先考虑的是组团内的生活空间意向和建筑山体之间的融合关系等因素给道路提出的参数要求。在多方面构思与尝试之后，设计师们将“叶脉上的水滴”定义为整体控制性规划的设计理念，强调路网如同叶脉一样在山谷之中生长，建筑如同水滴一般散落在叶脉之上。整体建筑空间布置呈现出一幅与自然和谐共生的山地居住聚落的生活画面。
通过多次分析和测试，设计师选择了voronoi2D网格图形算法[1]作为整个控制性规划的规划肌理，其主要原因有三点，一是考虑到voronoi2D属于一类控制性比较成熟的二维网格经典算法。设计师可以通过控制点阵的排列规则来生成目的性较强的网格肌理；二是处于对空间模拟山地自然地貌的思考，从山地地形数据中提取出来的点阵通过设计师的调控之后可以生成顺应等高线的、满足道路功能要求的细胞晶格，这种自然排列的不规则几何多边形晶格更有利于满足设计师的设计需求，即将聚落空间打造得更加灵动、自然；三是从概念规划理念出发，voronoi2D的细胞晶格本身即模拟了生物细胞生长组合的生理状态，与叶脉表皮细胞肌理同出一辙。因此，设计师将voronoi2D网格图形算法定义为整个控制性规划的肌理算法，并对其点阵的摆列规则进行了深入的控制和设计工作。
首先让我们回顾一下voronoi2D的几何算法原理，即以平面点阵中的每个点为圆心，绘制若干个半径相等的圆，当这些圆随着半径的增长而逐渐变大时，部分圆与其他圆之间将出现相互挤压并生成的中分线，这条线即为这两个圆圆心连线的垂直平分线。当所有的圆都大到足以完成相互挤压之后，就生成了一个由不规则多边形组成的平面网格图形，这便是我们所提及的voronoi2D图形。因为它的运算过程很好的描述了细胞生长过程中相互挤压组合的自然肌理，所以这种图形算法经常被用作一些仿生图形的计算机拟态算法。
如上文提到，voronoi2D本身是一种比较成熟的几何图形算法，但若想将其肌理在实际项目中发挥设计指导作用，就有必要让其图形网格满足一定的功能性。设计师们在这一环节中将主要研究精力集中于点阵的排列规则算法上，并提出了一个有效的点阵控制参数模型，用于控制最终的网格生成结果：
首先，设计师在地形等高线上按照一定的距离均匀的布置点集，点间距以及等高线的间距控制通过动态的参数模型反复测试取得，尽量将每个生成的多边形单位面积大小控制在一个小庭院或者一个住宅单元的基本尺度，并保持平衡的水平标高。
然后根据建筑体量和日照间距等参数将一定间距的等高线抽离出来形成道路曲线集合A，再根据建筑的理想摆布朝向绘制另一组线性排列的道路曲线形成集合B。这样的两组曲线，集合A代表最符合山体地形的道路布局，集合B代表满足最大容积率的道路布局。在二者之间建立一个动态的参数模型，使曲线集合A可以逐渐变化为曲线集合B，并设定描述变化进度的参数g。这样在关联出一套建筑功能模块之后，设计师便得到了一个道路布局的参数模型作为方案推敲工具，每给定g一个变量，参数模型将运算出一个不同程度兼顾地形与容积率的道路布局结果，这个结果可以直接通过参数模型的计算得到对应的经济技术指标。设计师可以通过对这个g值的调节得到多种测算结果。最后通过多次反复比较确定一个二者兼顾的理想值。
最后，将第一步中生成的点阵通过曲线干扰的参数算法对第二步中确定的道路曲线集合进行一定程度的退让。点阵的退让将使得生成的网格在有道路经过的部分自然的让开，最终形成各个地块清晰的分割线即我们最终生成的路网（如图3）。

图3
通过对voronoi2D算法的控制生成的道路系统
当然，通过参数模型来控制整个道路系统的规划，并不仅仅是得到了一个科学的、合理的结果，更是为了形成一种可以不断通过参数调节来实现方案再优化的控制体系。参数模型的存在，使得路网初步确定完成进入到每个组团深化设计之后，仍然可以对初始路网进行方便快捷的调节，并即时的获取各项经济技术指标，以此来使得整个设计环节更加连动、高效。
单体可行性研究
在各级路网形态基本确定之后，设计师更加关心的是建筑单体的空间形式问题。如何将标准化、模块化的住宅产品镶嵌于不规则的几何网格之中，成为了这个阶段设计所必须关注的重点。因此，设计师们针对其中一块被定义为联排别墅区域的组团进行了地块深化设计和单体可行性研究设计。
在该类型产品的深化设计过程中，设计师将山地住宅功能空间重新拆分，根据实际的功能布局和所需要的外界环境因素的差异将住宅空间拆解成三个部分。
Part A：半地下庭院：将该部分空间与基地叶脉机理相吻合的合院空间嵌入山体地形之中，形成半地下庭院。空间特色可分可合，中央有公共围合庭院，与自然环境相互融合。功能上适合设置娱乐活动室，家庭式办公空间，情景休憩空间等。
Part B：一层会客空间：该部分空间与道路紧密相连，以跟随山地等高线走势的道路作为空间生成的主要参照，使建筑体量依山就势，更自然的与山地和道路相互融合。空间特色是车库与道路紧密结合，功能明确，地下庭院与一层之间的错台为此层空间提供了理想的绿化露台，适合做中央起居空间。
Part C：二层卧室空间：该部分设计原则强调良好的采光日照和景观对景等住宅设计要素。是住宅内主要的卧室空间，体型上与一层空间形成几何形衔接，更容易形成各种不同类型的户型产品。空间特色上有理想的采光和景观，体量独立，对自然压迫感小，居住者归属感更强。
通过这样三段式的功能分解之后，半地下庭院部分与地形结合，从单体形象上看可以和地上部分脱开，而一二层部分则可以定制各种类型的产品，形式上可以更加自由。设计师通过参数模型对地形网格中的晶格进行一定比例的筛选，最后将部分晶格定义为庭院空间，并按照上述规则生成了建筑体量，其聚落空间体量生成如图4所示。

图4
山地居住聚落空间体量生成

经济技术指标宏观测算
在方案规划的最终，设计师将各类不同性能的产品分地块研究，形成了统一的经济技术指标测算模型，用来统一控制不同地块之间的指标梯度，并深入研究容积率分配、各类型产品配比及布局、项目分期开发等实际问题。
综上所述，该山地居住区规划项目是参数化生成设计理论及方法的一次成功的研究性实践。在整个设计规划过程中，由参数化设计技术实现的参数模型，不但高效的解决了复杂、繁琐的山地道路系统设计问题，同时也通过深入研究提出了山地路网规划的新模式。这使得设计效率在得到大幅度提高的同时，也启发的设计师去研究产品的新形式、设计的新方法。笔者相信，随着参数化设计技术的不断发展和日益成熟，越来越多的这样的研究实践将持续涌现，更多带有我国本土化设计思维的各类项目作品也将层出不穷、蓬勃发展。

参考文献
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Voronoi

skywoolf · 发表于 2013-10-18 08:24:19

Je_t’aime_pass 发表于 2013-10-17 20:25

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那比如说影响方案的各种因素。。就算是着重于解决其中一项更需要解决的比如日照，绿化，风向等等那么是否 ...

前期对自然因素的分析是有好处的，但是不能用于决定方案，因为大部分实习项目还是所到经济文化环境制约的，设计初期要正确的判断自然衍生所带来的优劣势，把技术方法用在恰当好处的地方才是最重要的。包括vor图形也需要用在合适的地方。至于你说的方案初期怎么着手，我能说的就是，每个方案都不一样，需要我们尽力去针对具体问题思考，有个方法可以刺激我们思考这些问题，就是在方案最初的时候，尝试去尽可能多的我们能想到的东西，然后反思，选择，融合，调整，这个过程没有通法，只能保持一个稳定的心态。

理论上总结，前期构思需要大量尝试性工作，这些工作能潜移默化的促进我们的构思，运气好的时候，这种劳动可以带来方案灵感。

skywoolf · 发表于 2013-10-18 08:25:31

禁忌发表于 2013-10-17 12:03

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帖子很好，获益匪浅。谈到具体问题，问一下关于参数化无论是表皮等

或者更深入的参数化设计，如果想要真 ...

这个话题挺意味深长了，出来这两年多也遇到很多事情，应该说如果人想拼搏的话还是会找到途径的，更多的时候还是看自己愿不愿意为了心愿做些苦逼的事情。到时候选择会很重要的。过两天发个贴聊聊去年做的一个要建成了的项目，也许能涉及到更多关于毕业生的成长。但是就说学生进入社会后发展的通法而言，自己很难下结论，因为遇到过太多活法不同的人。去为了实现理想而日夜操劳的人已经少之又少了，何况又增加了技术这个赋予难度的标签。针对自己而言，每次我都尽量选择多吃一些苦，然后让工作变得有意义一些，反反复复，仅是这样……随感

skywoolf · 发表于 2015-11-25 13:43:45

xjb2015 发表于 2015-11-24 17:07

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skywoolf前辈是大连院的么，崔岩老师来学校讲座的时候提过这个额。。。

哈哈，没错，在哪里的讲座？

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