一种基于城市智能模型的辅助设计方法与流程

本发明涉及城市规划设计领域，尤其是涉及一种基于城市智能模型的辅助设计方法。

背景技术：

当前应用于城市规划建模计算的技术工具主要是基于计算机辅助设计工具(cad)在城市规划与建设管理领域的应用，基于现有的技术方法已经有可能对城市规划中各种特定方面进行模拟或评价，从而实现更加智能和可持续的城市规划设计。这些技术工具主要分为三类：

第一类技术方法是用于在计算机中绘制平面图形和三维模型。在这一阶段，依据经验和审美的传统城市设计思想占主导，这些工具的出现是为了满足设计师将其设计思想和方案图形化的需求，智能化程度较低。从手工绘制图纸到计算机辅助设计(cad)，规划效率得以提升。相应的技术工具包括：autocad，sketchup，3dsmax，等等。

第二类技术方法包括城市分析和模拟工具，是用于通过更加科学和量化的方法来评价方案或是预测未来情景。在这一阶段，规划师更加注重规划的客观性，通过对于多个方案进行科学分析或模拟来避免武断决策或是错误判断。这些工具的出现是为了满足理性分析的需求，智能化程度相比于单纯的建模工具有所提高。从依靠主观判断来进行方案设计到通过计算机进行评价或预测来帮助选择最优方案，规划的质量和科学性得以提升。相应的技术工具包括：ecotect，matlab，envimet，karalitcfd，arcgis，以及sketchup、autocad的一些插件等等。

第三类技术方法是将设计逻辑抽象，通过预设的算法和条件来自动生成方案，从而获得理性的设计结果，将人的主观因素影响降到最小。在这一阶段，设计逻辑的重要性得到重视，空间形态的重要性被削弱，设计过程由计算机自动完成，设计结果与预设目标具有高度的匹配度，智能化程度较高。从设计师控制形态到设计师控制算法的转变仍然处于试验期，相应的技术工具包括：rhino，pro/engineer，ugnx，catia，solidworks，cityengine等等。

这三类技术方法的主要问题是，即便已经应用计算机技术在城市规划设计和建设管理领域，仍然未能持续积累城市数据，仅仅是针对特定建设项目的辅助方法；无法对设计方案进行模拟优化，因此难以有效地辅助设计。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于城市智能模型的辅助设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于城市智能模型的辅助设计方法，包括以下步骤：

1)根据城市空间数据构建城市智能模型；

2)通过干预结合反馈的方式对城市建模进行评价，具体包括以下步骤：

21)确定城市管理领域设计的预期指标，包括交通状况指标、城市管理描述指标和空间质量指标，所述的交通状况指标包括可达性、交通流量和城市连接度，所述的城市管理描述指标包括容积率、人口数、人均住宅面积和绿地率，所述的空间质量指标包括开敞度、建筑能耗和日照小时数；

22)针对城市空间数据进行设计干预，即对城市智能模型数据进行修改，首先从初始状态的空间数据模型开始，对于空间模型进行干预得到干预方案，然后开始反馈过程，城市智能模型对干预方案进行快速评价和判断，并将结果反馈；

23)对每个城市管理领域的预期指标进行评价，并将评价的结果进行反馈，若干预方案的评价结果不符合设计指标，则继续进行干预得到新的干预方案，直到符合预期指标，若评价结果符合预期指标，则记录该干预方案；

3)对符合评价指标的干预方案模型进行输出并展现。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)建立城市智能模型的数据底板，所述的数据底板内容为统一坐标系的地形模型；

12)根据现状地形图及城市规划设计方案在地形模型中导入道路、建筑、绿化市政实施数据；

13)结合城市建设项目的设计图纸，对城市智能模型进行实时更新，进行城市智能模型数据的累积；

所述的步骤1)中，统一坐标系的地形模型包括山体和水体模型。

所述的步骤13)中，城市智能模型数据的累积包括建筑形态、建筑位置、建筑功能、建筑面积和建筑细节数据，所述的建筑形态数据包括长度、宽度和高度数据，所述的建筑细节数据包括建筑结构和建筑材料。

所述的步骤13)中，更新的依据为该城市建设项目是否通过审批。

所述的步骤23)中，具体包括以下步骤：

对于可达性：以选定的住宅区对象为主体，根据通过寻径获取的沿着城市道路网络向外延伸，对不同的出行方式形成分层化的覆盖范围，并以可视化的方式将各层的覆盖范围呈现在城市智能模型中，并且统计各层覆盖范围内的公共服务设施类型；

对于开敞度：以选定的观察点为中心向各个方向的视线投影在半径为r的球状表面上，根据每个方向的仰角所产生的遮挡范围，获取该选定观察点的开敞度，从而统计城市智能模型中各个主要公共空间的开敞度；

对于容积率：所述的容积率far为单位面积用地上的建筑总面积，其计算公式为：

其中，gfa为总建筑面积，s(plot)为地块总面积。

所述的可达性的指标参数值为：任意住宅区步行5min能达到商业服务设施，开敞度的指标参数值为：开敞度为0.5以上的空间区域至少达到30％，容积率的指标参数值为：住宅地块容积率不高于2。

所述的步骤3)中，干预方案模型的输出和展现形式包括干预方案模型的三维可视化视图和评价结果的可视化视图。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明提供城市的全信息建模，在现有的方法中，城市信息仅仅局限于建设项目自身的信息，其作用仅仅体现在论证规划方案的优劣，但是在本发明的方法中，城市信息是全过程的，并且不断续学习，随着整个设计过程中的每一次方案调整产生作用，因此有助于城市空间数据的持续累积。

二、本发明将城市设计转变成为一个迭代的过程，沿着可控的方向循序渐进的达到设计目标，因此，本发明可以用于针对城市规划方案进行模拟优化，因此可以应用于辅助设计。

三、本发明弥补城市设计的局限性，现有技术方法已经应用部分计算机辅助技术来帮助设计师进行判断，设计方案仍然受到设计师有限的知识和经验的限制。应用城市智能模型的方法，则存在更多的可能性，可以任意调整方案进行尝试，直到出现符合预期的设计结果就可以结束迭代。

附图说明

图1为智能化反馈的基本模型。

图2为对城市建模进行评价的流程图。

图3为符合评价指标的设计模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

城市智能模型(cim)用于城市建模的方法：本发明提供的方法可以有效的积累城市数据。本发明提供城市智能模型的统一建模标准，从模型精度、建模范围、模型体块、模型细节、模型数据、层级结构、命名方式、材质贴图、渲染规程9个方面提出建模细节。由于各建设项目采用统一的建模标准，可以在同一个平台中持续加载数据，因而可以实现城市数据的不断累积，城市智能模型的数据结构具体见附表。工具使用为autocad/3dsmax/cityengine，方法是单体或群组建模后导入cim，模型数据可在cityengine或是cim平台中。

cim用于城市计算的方法：本发明提供的方法可以基于空间数据进行有效计算，因此可以辅助设计。反馈作为城市智能模型的基本计算模块，其本质是人与计算机的智能交互。在智能模型平台中，用户对城市规划进行干预，计算机对于用户的干预行为可以做出智能反应，对调整后的设计方案进行快速评价和判断，并将分析结果反馈给用户。从而完成一个基本循环。从方案步骤n到下一个方案步骤n+1之间，可能会完成大量的基本循环，如果评价结果得到改善，用户可以继续调整方案，反之用户可以选择回到之前的方案步骤重新进行尝试。可这个基本模型反映设计过程中的一个反馈环节，在设计过程中通过反复的智能化反馈，不断对方案进行评价和干预，从而确保每一个方案步骤比上一个步骤进步，因此随着迭代次数的增加，方案将逐步提升、接近规划目标。方案干预的结果以三维模型的形式表达。智能化反馈的基本模型如图1所示。

本发明具体的设计流程为：

1、根据城市空间数据进行城市建模，具体包括以下步骤：

(1)建立城市智能模型的数据底板，数据内容包括：统一坐标系的地形模型(含山体、水体)

(2)根据现状地形图及规划设计方案在模型中导入建筑、道路、绿化、市政设施数据

(3)结合工程项目的设计图纸，对城市模型进行持续更新，更新的标准为通过项目审批流程，在这一过程中持续累积城市数据，具体包括建筑形态数据(长、宽、高)、建筑位置、建筑功能、建筑面积、建筑细节(结构、材料等)。

2、通过人为判断结合反馈的方式对城市建模进行评价，如图2所示，具体方法包括以下步骤：

(1)明确设计预期，即分析参数的目标值，以可达性和开敞度为例，可以设置可达性的目标为：任意住宅区步行5min能达到商业服务设施、开敞度为0.5以上的空间区域至少达到30％。

(2)针对城市空间模型进行设计干预，从初始状态的空间模型(方案1)开始，用户对于空间模型进行干预得到方案1.n(n＝1,2,3…)

(3)反馈的过程开始，计算机对于方案1.n进行快速评价计算，并将结果反馈给用户。

(4)评价计算的内容是城市管理领域的指标，以可达性和开敞度为例：

可达性。其计算方法为：以特定的对象为主体，采用寻径算法，计算沿着城市道路网络向外延伸300m(3min步行)，500m(5min步行)，2.5km(出租车)的最远范围，形成分层的各类出行方式覆盖范围，并以可视化的方式呈现在三维模型中。基于统计可达性范围内的公共服务设施类型，可以评价特定对象的公共服务便利性。

开敞度。地面上任意一观察点能看见的天空(ω)的比例，该指标可以反映建筑的密集以及对于地面的视线遮挡程度。其计算方法为：通过观察点向各个方向的视线投影在半径为r的球状表面上，可以计算得出每个方向的仰角di所产生的遮挡范围γi，进而计算ω的比例，svf＝s(ω)/s(whole)。基于统计城市中各个主要公共空间的开敞程度，可以评价城市建设中开敞空间的程度。

(5)用户根据计算反馈的结果进行判断。

a.若分析结果仍然不符合设计预期，用户可以选择继续对设计方案进行干预得到新的方案1.n+1，新的反馈过程开始，以此类推；

b.若分析结果符合预期，则可记录为方案2(较方案1优)，开始新的一轮循环迭代。

(5)经过循环演进得到符合预期的设计方案。

(6)在实际项目中，计算的内容可以由用户根据需要自行设定。

3、对符合评价指标的模型进行输出并展现。如图3所示，包含以下内容：

(1)三维城市模型的可视化视图；

(2)计算结果的可视化展现。

展现形式包括三种可能性：

第一类是完全通过计算机软件实现的。在软件中整合城市数据，建立虚拟的方案模型，并且在建模的过程中由计算机同步完成分析、模拟并实现反馈。这种智能平台软件可以采用虚拟的二维或三维模型作为输入端，其关键突破点是对城市分析、模拟的软件技术的优化和集成，以及具有反馈功能的交互平台的研发。

第二类是将虚拟模型转变为实体模型，相比于第一类产品更加人性化。现代科技的应用可以进一步改善这种基于实体模型的设计方法，一项试验性的研究产品被称为“模拟桌(simulationdesk)”。其的工作原理是：在一个真实的桌面上放置着设计方案的实体模型，当模型中一个或多个体块被改变或是旋转，通过可移动光源、小型风机以及其他微环境模拟装置，可以直观的反馈视觉可达性、阴影覆盖范围及其他环境指标的变化，并通过可视化的效果反馈给设计师，因此设计师可以根据反馈信息更准确的优化方案。通过感应装置将真实模型的数据转变为虚拟信息，并传输到计算机软件中作为输入参数来激活反馈过程。

第三类是将物理模型进一步转变成全息投影模型，通过虚拟影像在现实空间中创造模型，用户以通过相应的手势或肢体动作来调整虚拟影像，相比于第二类产品，这种“智能全息投影平台”更加节省材料、空间，可以随时随地的进行设计，并且可以在影像模型中反映更多的数据信息。依靠两项关键技术实现：第一个技术是三维全息投影技术(holographic3d)，该技术可以通过真实和虚拟信息的相互转换实现人机交互，城市模型通过虚拟投影的方式呈现出来。第二个技术是体感技术，该技术使得用户可以做出手势或肢体动作对虚拟模型进行调整。