基于Rhino-Grasshopper的三维城市模型构建方法探究.pdf

090摘要：在双碳目标的大背景下，城市、建筑相关方面的节能减排研究广泛开展。城市三维模型作为建成环境信息的重要载体，在建筑设计、建筑物理环境模拟分析、城市气候研究等方面都是不可或缺的前期准备。但是，针对国内城市，目前缺少基于 Rhino 平台的城市建模完整流程的探究。文章比较了现有方法的优缺点，并构建了一套在数据源上完整、实时，在操作上简易、方便，且生成速度快，生成模型图层明确，能够完全与后期分析衔接的流程，并以杭州市西湖区为例进行演示，对在此平台上展开的相关研究提供一定便利和启发。Abstract：In the context of the dual carbon goal,research on energy conservation and emission reduction in cities and buildings has been widely carried out.As an important carrier of built environment information,three-dimensional urban models are indispensable preliminary preparations in architectural design,physical environment simulation and analysis of buildings,and urban climate research.However,for domestic cities,there is currently a lack of exploration of the complete process of 3D urban modeling based on the Rhino platform.This paper compares the advantages and disadvantages of existing methods,and constructs a set of processes that are complete and real-time in data sources,simple and convenient in operation,fast in generation,clear in generation model layers,and can fully connect with later analysis.A demonstration is conducted using West Lake District of Hangzhou City as an example,Provide certain convenience and inspiration for relevant research conducted on this platform.关键词：Grasshopper；python；城市三维模型；模拟分析Keywords：Grasshopper；python；3D urban model；simulation analysis文张钧涵浙江大学建筑工程学院浙江大学平衡建筑研究中心硕士研究生杨毅浙江大学建筑设计研究院有限公司 浙江大学平衡建筑研究中心院 长博士生导师（通讯作者）邢浩威浙江大学建筑设计研究院有限公司博 士DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.12.029引言习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出，在 2030年之前力争实现碳达峰，2060 年实现碳中和1。在总能源消耗中，建筑业能耗占比 30%，且相比其他产业，其节能潜力更大2。自 2000 年以来，由参数化设计和智能优化算法相结合的“运算设计优化”得到建筑设计领域研究者越来越多的关注，并被认为是一种能够帮助设计师高效解决复杂问题的手段3。Grasshopper（简称 GH）平台整合了认可度较高的模拟内核，通过参数控制建筑形态，自动实现模拟优化和形态生成，在一个平台上实现数据的输入、传输以及可视化表达，极大提高了工作效率、减少了数据丢失4。由于GH平台在建筑设计、模拟分析等方面的优势，在 GH 平台上构建完整的工作流也受到了越来越多人的关注和探讨。其中，城市模型的获取是很多相关前期分析、模拟优化、数据表达研究工作开展的第一步，模型的质量也会影响后续研究能否顺利开展。通过对以往方法的总结，目前基于 Rhino 平台的三维城市模型获取方法主要有以下两种思路：一种是由网站下载或其他软件生成导入Rhino中；另外一种是在 Rhino 平台借助相关插件生成。本文对常用各种模型生成方法进行了比较（表 1），可以发现，在现有常用的方法中，第一种思路的方法存在的主要问题是转换后的模型质量较低，导出、导入速度慢，模型多数以网格形式存在，导入后图层混乱，无法与之后的研究分析进行衔接，且需要掌握新软件的基本操作，学习成本较高；第二种思路虽然是基于 Rhino 平台运行，但是存在的主要问题是国内数据严重缺失，与国内数据源形式不匹配，在操作上也较为复杂。同时，以上方法都很难生成与建筑、道路精确结合的地形。目前，针对国内城市没有相对完整的 Rhino 平台的城市模型构建方法。针对以上不足，本文基于 Rhino 平台构建了一套在数据源上能够读取完整的、实时更新的国内城市数据。其在操作上简易方便，生成速度快，生成模型图层明确、质量较高，且其流程能够完全与后期分析衔接。1 整体流程流程框架介绍：打包整理后的流程（图 1），包括数据获取与预处理、Research on 3d Urban Model Construction Method based on Rhino-Grasshopper基于 Rhino-Grasshopper 的三维城市模型构建方法探究文件选取与筛选、数据读取与匹配、模型生成与转化、图层建立与分类五大块。首先，通过百度地图或高德地图下载 shapefile 格式的数据文件，输入建筑高度 Excel 文件和所有下载数据，调用 GHPython 对文件进行自动筛选分类，借助能够读取 shapefile 格式的 it 插件读取各类别文件生成图形，在 GHPython辅助下调用 Rhino 命令自动生成各类别图层并将图形 bake 到 Rhino 界面。此方法具有数据全面准确、生成快速便捷、便于与后期分析对接的优点。2 实例演示2.1 数据获取与预处理针对国内城市，本案例使用百度地图数据进行演示。百度地图是百度旗下自 2005 年起提供的一项网络地图搜索服务，其采集数据范围已覆盖全国所有城市。据统计，2016年百度地图月活跃用户数已达3.48亿，与多家交通部门、图 1流程框架（图片来源：作者自绘）注：数据获取与预处理；文件选取与筛选；数据读取与匹配；模型生成与转化；图层建立与分类。表 1现存主要方法比较（表格来源：作者自绘）091237|2023|12城市设计规划院等单位达成大数据共享及联合信息发布平台，其数据有较高的权威性5。数据下载（图 2）采用水经注下载器，数据源为百度地图，坐标投影类型为 WGS84 经纬度投影，下载内容包括建筑、各级道路、绿地、水系，下载区域面积 20 平方公里（图 3）。2.2 文件选取与筛选借助 GH 自带的文件选取命令，选取数据文件所在文件夹。由于文件种类繁多、数量庞大，手动分类别选取、筛选文件的工作量非常大。本流程借助GHPython对文件进行文件格式、文件大小、文件名称三个层次的筛选，得到生成模型所用的 shapefile 格式文件，筛除其中的空文件，并将其分为建筑、道路、绿地水系、地形四部分，为后续的数据读取做准备。代码如下：2.3 数据读取与处理此部分为读取 shapefile 文件和 Excel 建筑高程文件，去除重复数据，并对数据结构进行匹配（图 4）。2.4 模型生成与转化在处理好数据的基础上，根据城市模型各个部分的类别生成模型。其中，建筑部分、地形部分可根据模型数量和后续模型用途选择是否转化为占用内存更少的 Mesh 格式。道路部分以线的形式存在，绿地、水系等部分以区域面的形式存在（图 5、图 6）。2.5 图层建立与分类由于城市模型是在GH当中生成的，一般情况需要bake到Rhino界面，但是由于建筑、各级道路、绿地、水系等众多类别，给此项工作带来困难，因此在这个环节通过 ghpython 调用 Rhinoscriptsyntax、scriptcontext 等命令包，自动建立图层并将所属数据归属到图层（图 7），避免了分类别处理图层带来的繁琐工作。代码如下：结语本文构建的城市模型生成方法能够方便、快捷地在 Rhino 平台生成城市模型，且模型质量高，能够与在此平台上进行的后续分析衔接，弥补了在 Rhino 平台上，针对国内城市进行研究分析中高质量城市模型难以获取的缺陷。同时，在一个平台上进行全过程的模型生成，减少了模型数据的丢失，对于构建基于同一平台的完整研究分析流程提供一定启发。当然，本流程还存在操作界面不够清晰、整体流程较为复杂的缺陷，这是后续研究需要进行改进和完善的地方。参考文献：1江亿,胡姗.中国建筑部门实现碳中和的路径J.暖通空调,2021,51(05):1-13.2孙澄,韩昀松.绿色性能导向下的建筑数字化节能设计理论研究J.建筑学报,2016(11):89-93.3毕晓健,刘丛红.未来设计：基于Ladybug+Honeybee的参数化性能设计方法J.建筑师,2018(01):131-136.4王力凯,吉国华,童滋雨,等.面向建筑性能的设计优化及设计探索EvoMass工具简介J.新建筑,2022(03):84-89.5宋沿.基于百度地图数据的武汉市主城区活动空间特征及结构优化研究D.武汉:华中科技大学,2018.图 2数据下载界面（图片来源：作者自绘）图 4数据读取与处理电池图（图片来源：作者自绘）图 5模型平面效果（图片来源：作者自绘）图 6模型三维效果（图片来源：作者自绘）图 3部分建筑的高度数据（图片来源：作者自绘）图 7图层界面（图片来源：作者自绘）