三维城市规划与设计实现技术初探吴剑平马强郑通昊摘要：三维技术作为一种新型的空间表现技术，近年来在城市规划管理领域应用广泛，且日渐成熟，而较高的人力与技术成本一直是其在城市规划编制领域运用的门槛，对于规划师而言，一张漂亮的规划方案鸟瞰效果图已经是三维技术运用的“典范”。

随着数字城市、智慧城市的建设以及“大数据”时代的来临，城市规划师所面临、处理、分析的城市空间信息更加纷繁复杂，一张仅仅漂亮的效果图已经远远满足不了三维空间信息存储、分析与表达的要求。

本文试图从规划师的角度探索三维城市规划与设计的内涵以及特征，并依托地理信息、计算机等领域的三维空间分析、程序建模、三维表现等分析与建模技术，结合规划编制实例，初步提出三维城市规划与设计实现的技术路径。

关键词：三维技术、城市规划与设计、地理信息系统、程序建模、三维空间分析1 引言：三维城市规划与设计背景三维技术在城市规划领域运用趋势。

三维模拟技术作为一种新型的虚拟现实技术，广泛应用于游戏开发、电影制作、电视广告、国防和教育等领域，近年来，随着地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）的兴起，两者结合产生的三维地理信息系统（3DGIS）在十分依赖空间数据的房地产、国土资源以及城市规划管理等行业应用广泛。

特别是在城市规划管理部门，通过重建城市的道路、建筑以及市政管线，整合城市设计和建设项目的三维模型，可以以动态的、形象的、多视角的方式展示城市的现在和未来，为城市管理者提供具有真实感和空间参考的决策支持信息。

如深圳市城市仿真系统（如图1），通过提供全市域三维场景以及重点地区建筑和道路精细模型，可对建筑设计效果图进行全方位审核，辅助重要建设工程的审批管理。

图1 深圳市城市仿真系统目前城市规划师所运用的三维技术以及优缺点。

而在城市规划编制领域，三维技术的运用较为滞后。

一般而言，规划师在规划方案的设计中，一般只会运用AutoCAD二维平台；在涉及到城市设计等内容时，才会选择三维建模平台（如SketchUp、3Ds Max等，这些均为建筑设计行业所使用的软件）；当需要真实的效果时，规划师往往需要求助于效果图建模师（大多使用3Ds Max等三维建模平台）。

这种传统的三维建模方式的优缺点在于：（1）以单体建模为主，建模较为复杂。

3Ds Max、Sketchup等三维建模软件提供交互式、所见即所得的建模方式，对于建筑单体的细部设计而言十分的便捷，可以完全满足建筑师的建模需求。

但对于规划师而言，通常面对的是地块、片区甚至城市级别的巨大范围，涉及的地物建模量数以千万计，且规划师建模关注的重点并非在单个建筑细节上，而是建筑组群的关系，运用传统的建模方式往往让规划师陷入“只见树木，不见森林”的局面。

（2）缺乏动态更新，修改耗时耗力。

3Ds Max、Sketchup等三维建模软件由于针对建筑单体，提供了众多建筑部件的参数，如门、窗、墙体的尺寸、色彩、纹理等，可通过修改参数改变建筑部件的属性，但针对于建筑整体的参数却十分有限。

而对于规划师而言，建筑个体已经是其关注到的最小尺度，如需要对城市整体建筑的样式（如建筑体量、建筑形式）进行反复修改时，则会耗费规划师大量的时间和精力。

（3）表现效果虽好，但“中看不中用”。

通过3Ds Max等渲染后的效果图，表现效果直观、真实，特别是对小尺度范围的模拟可以做到十分的逼真，在最终设计方案的展示上可以取得很好的效果。

但对于规划师而言，面对更多的是设计方案的过程，关注多种设计方案的分析比较，特别是各种三维参数的调校论证（天际线、建筑密度、容积率、日照阴影等），而通过传统方式制作的效果图无法提供参数的分析比较。

发展适合于城市规划编制的三维技术。

三维空间因更接近于人的视觉习惯，其直观性和真实性远超二维空间，同时可以为规划师提供更多隐性的空间关系。

随着数字城市、智慧城市的建设以及“大数据”时代的来临，城市规划师所面临、处理、分析的城市空间信息将更加纷繁复杂，如何简单直观、客观真实的展现这些信息，三维空间给我们提供了平台，但如何在三维空间开展我们的规划设计工作，探索适合于规划师运用的三维技术手段是其中的关键。

2 三维城市规划与设计内涵与特征2.1 三维城市规划与设计内涵三维城市规划与设计是指利用三维空间信息技术，使规划设计的全过程处于三维空间，并实现对方案的实时互动评估、分析与调校，为城市规划师提供直观与科学依据的“所见即所得”的全新设计方式。

它既区别于传统的二维城市规划与设计，也区别于传统三维技术的应用，它是真正意义上的“在三维空间做设计”，一是对城市空间形态、景观风貌的实时展现，二是对规划方案的空间分析与辅助决策。

2.2 三维城市规划与设计的特征三维城市规划与设计主要服务对象为城市规划师，为便于城市规划师运用，它应具备以下四个特点：（1）技术门槛较低，建模简单方便较高的人力与技术成本一直是城市规划师运用三维技术的门槛，因此三维城市规划与设计所依托的平台与技术应该是规划师所能接受的，并且可以独自驾驭的，而不需其他人员如效果图建模师的参与，一方面可以减少人力成本，另一方面避免低效率的沟通。

（2）参数化修改，适合于方案的变更传统的建筑方案模型的变更以图形化修改为主，参数化修改为辅；但三维城市规划与设计设计到的模型量十分可观，且更注重各类指标的比较，因此大部分模型的修改应以参数化批量修改为主，重点部分的模型可图形化修改，这种方式更适合于方案的多次变更，快速且工作量小。

（3）专注表达规划理念，更好地展示方案效果三维城市规划与设计所依托的平台和技术，应能方便地表达城市规划师的规划理念和意图，除此之外，易打动甲方和公众的真实表现效果也十分重要。

（4）适用于不同层次规划设计的需求城市规划主要有总体规划与详细规划两个层次，详细规划又分为控制性详细规划和修建性详细规划，不同层次的城市设计对三维模拟尺度的要求差别较大，因此三维城市规划与设计所依托的平台应能涵盖从宏观到微观尺度的地物建模。

3 三维城市规划与设计的核心技术程序建模技术的兴起。

在建筑和城市规划行业，自动化的3D模型优势越来越明显，与传统的手动的3D模型对比，自动化更能体现低成本、快速、节约资源的特点。

近年来，在计算机领域兴起、代表最新技术水平的程序建模技术（Procedual modelling），在自动化的3D模型建立上表现突出，目前依托程序建模技术的软件主要有CityEngine、Citygen、L-system 等。

程序建模技术介绍。

程序建模通过全自动和半自动、参数化、交互式的方式快速和简单的构建城市地理环境和要素，包括依据道路网自动划分街区、由街区分割产生地块、由地块自动生成建筑。

这种至上而下的城市构建方式，非常契合城市规划的设计思路。

程序建模技术运用于三维城市规划设计的主要思路有：基于规则的批量建模、动态城市空间布局、实时规划指标分析等。

3.1 基于规则的批量建模基于规则的建模思想是定义规则，通过规则驱动地物模型的生成与修改，反复优化和深化设计。

规则定义了一系列地物的几何和纹理属性，如道路宽度、纹理；建筑的高度、样式、层高等。

规则建模的优势：由于基于规则的建模可以批量生成建筑，与传统建模方式相比，随着模型数量的增加，规则建模所需的成本远远少于手工建模，建模数量越大，这种优势体现得越明显。

图2 规则建模与手工建模对比3.1.1 道路自动划分街区基于规则的批量建模提供了自动生成城市道路网的工具，规划师只需指定一条道路，通过设定相关的参数即可生成道路网络。

但一般而言，城市道路网会在方案设计时由规划师手动绘制，因此更多的情况是规划师绘制了道路主干网，则次干路、支路可以由建模工具依据规范参数自动加密，同时通过规则给予道路若干属性（如道路纹理、道路上的设施等）。

城市道路网是定位建筑和其他要素的参照，在道路网形成后，相邻道路围合的区域自动形成街区。

广州教育城地物三维模拟注：采用CityEngine程序建模软件（下同）3.1.2 街区自动分割为地块街区形成之后，可利用街区分割工具将大尺度的街区划分为小尺度的地块，使城市模型更加的真实与细致。

分割过程中可设定各种参数控制地块的形状，如分割后地块的最大面积、最小面积、是否均临街等等。

3.1.3 地块自动生成建筑地块作为建筑的基底，在分割完之后，则可通过相应的规则产生建筑，真正让设计具备三维特征。

在规则中，可以设定建筑后退用地红线距离，建筑的层数、高度、样式、色彩和纹理等参数。

3.2 动态的城市空间布局道路、街区、地块和建筑在“程序建模”中是一组相互联动、互相继承和包含的整体。

道路的变化会直接影响街区，街区的变动会影响地块，进而影响到建筑，因此“牵一发而动全身”的这种特性十分利于方案的动态修改。

3.2.1 地物的自适应调整通过参数化方式修改道路的宽度，或者通过图形化方式移动道路交叉口的位置，均可引起街区、地块、建筑的自适应调整，这种调整包括街区变小、地块变小或消失、建筑的消失与位置的移动等。

城市规划师不用担心调整后的空间布局是否背离了规范的要求，或者调整后的要素之间是否产生空间逻辑错误（如重叠、交叉等）。

3.2.2 建筑的批量调整不同于手工建模的图形化修改，程序建模针对建筑的修改采用参数化的方式，修改建筑规则中的高度、层数等参数，便可改变所有利用该规则建筑的对应属性。

所见即所得的方式让建筑群组属性的调整更加方便。

3.3 实时的规划指标分析“程序建模”技术注重各种指标参数的统计与分析，由于各类模型均包含属性，通过自定义统计报表，可用于统计形成各种城市规划指标，如建筑面积、容积率、绿地率、建筑高度等，随着设计方案的变化，报表的内容也会自动更新。

4 各规划层次的三维设计重点城市规划主要分为总体规划与详细规划两个层次，详细规划又分为控制性详细规划和修建性详细规划，不同层次的城市设计对三维模拟尺度的要求差异较大。

4.1 总体规划层次应关注的设计重点长久以来，城市总体规划给人们一种执著于解决二维空间问题的感觉，三维空间设计往往被认为是详细规划考虑的问题，处在相对“弱势”地位的详细规划往往会空有营造良好城市空间品质的“一腔热血”，但处处受到总体规划的限制，由于三维空间观缺失，总体规划往往在空间塑造上犯下错误，而这些往往成为下位规划的“依据”。

在三维城市规划设计中，总体规划应注重对整个城市空间特色的识别与判断，目的并非规划一个三维空间的终极蓝图，而是保证城市整体空间特色的完整性。

总体规划层次三维设计应重点关注城市与自然景观的关系。

城市的空间特色往往与城市所处的地理环境关系密切，受地理环境影响，城市整体空间往往存在地势高低关系，充分利用已有山体视线、开敞水面、生态景观廊道等三维空间资源，对塑造特色的城市空间布局（形态）十分重要。