基于参数化设计的风景园林设计工具的制作方法

1.本发明涉及园林设计领域，特别是基于参数化设计的风景园林设计工具。


背景技术：

2.参数化设计是将工程本身编写为函数与过程，通过修改初始条件并经计算机计算得到工程结果的设计过程，实现设计过程的自动化。grasshopper(简称gh)是一款可视化编程语言，它基于rhino平台运行，与传统设计方法相比，gh的最大的特点有两个：一是可以通过输入指令，使计算机根据拟定的算法自动生成结果；二是通过编写算法程序，那些机械性的重复操作及大量具有逻辑的演化过程可被计算机的循环运算取代，方案调整也可通过参数的修改直接得到修改结果，这些方式可以有效的提升设计人员的工作效率。
3.grasshopper的基本单元为“电池”，通过连接多个“电池”形成“电池组”(即编程语言)完成一系列与设计计算。
4.现有的设计师在进行风景园林相关设计工作时，存在如下问题：
5.1、设计师使用grasshopper需要学习大量“电池”，充分掌握“电池”之间的运算逻辑，才能完成设计所需的“电池组”搭建，这就极大的提高了设计师使用grasshopper参数化设计软件进行设计的难度；
6.2、风景园林现有设计工作输入输出文件都是二维空间的文件，以测绘院提供的cad底图为工作基础，进行平面、立面和剖面的制作，从而完成规划设计工作，其对于场地空间特征的提取和解读、并提出针对性的设计方案依赖设计师本身的经验实现；
7.3、对于设计中大量使用的简单且重复率高的模型如“栏杆”、“格栅”等，需要耗费设计师大量的工作时间，其工作效率低。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于，提供基于参数化设计的风景园林设计工具。本发明具有能降低设计师设计难度、设计更具针对性和科学性且工作效率更高的优点。
9.本发明的技术方案：基于参数化设计的风景园林设计工具，所述风景园林设计工具是从基于rhino软件平台运行的grasshopper软件中根据风景园林设计的需要筛选出多个电池，并搭建成电池组后封装为单一的新电池，然后将封装后的新电池进行归类集成所形成的包括多个栏目的工具栏；所述电池为grasshopper的基本单元。
10.前述的基于参数化设计的风景园林设计工具中，所述风景园林设计工具包括地形生成栏目、地形分析栏目、场地分析栏目、模型工具栏目和辅助工具栏目。
11.前述的基于参数化设计的风景园林设计工具中，所述地形生成栏目包括主要电池和辅助电池；
12.所述主要电池包括测绘cad生成地形电池、测绘等高值生成地形电池和等高线生成地形电池；
13.所述辅助电池包括地形网格转曲面电池、建筑落地形电池和提取等高线电池；
14.所述测绘cad生成地形电池用于将cad测绘图生成三维地形模型；所述测绘等高值生成地形电池用于在测绘图没有等高线或等高线没有z轴方向高度时生成三维地形模型；所述等高线生成地形电池用于将等高线生成三维地形模型；
15.所述地形网格转曲面电池用于将生成的三维地形模型mesh面转换成surface面；所述建筑落地形电池用于将建筑模型贴合至地形模型；所述提取等高线电池用于以三维地形模型为基础生成等高线。
16.前述的基于参数化设计的风景园林设计工具中，所述地形分析栏目包括用于获取地形坡向信息的坡向分析电池、用于获取地形坡度信息的坡度分析电池、用于生成地形高程分析图的高度分析电池、基于三维地形表面生成地表汇水模拟分析的汇水分析电池和用于分析图生成图例的图例生成电池。
17.前述的基于参数化设计的风景园林设计工具中，所述场地分析栏目包括建筑高度分析电池、山地视野分析电池和光日照分析电池；
18.所述建筑高度分析电池基于建筑测绘图或开源数据进行建筑高度分析，可提供建筑高度的体块分析及相关信息；
19.所述山地视野分析电池基于三维地形网格选取任意观察点进行山地丘陵的视线分析；
20.所述光日照分析电池基于当地气象文件以及建筑物和地表三维地形网格计算光日照时长，生成太阳轨迹，可提供三维气象图表。
21.前述的基于参数化设计的风景园林设计工具中，所述模型工具栏目包括表皮建模电池和栏杆建模电池。
22.前述的基于参数化设计的风景园林设计工具中，所述辅助工具栏目包括统计工具电池、制图工具电池和标注工具电池。
23.与现有技术相比，本发明设计了基于参数化设计的风景园林设计工具，采用本设计工具(基于参数化设计的风景园林设计工具)进行园林设计工作，设计师无需再花大量精力学习大量的“电池”并掌握“电池”之间的运算逻辑，只需学习本设计工具已经提前封装好的“电池”就能很好的完成设计所需的模型搭建和分析工作，极大的降低了设计师的设计难度；
24.本设计工具可以让设计师依托cad测绘底图轻松获取场地的各种分析结果，如“坡度”、“日照”等分析，之后设计师就能依据这些分析结果进行更有针对性的设计，相比原先设计更为科学；
25.本设计工具不仅能快速生成“地形模型”、“建筑模型”等，还可以快速、便捷的进行简单却重复率极高的模型建模，如“栏杆”、“格栅”等，其工作效率远高于原先的设计工作；
26.综上所述，采用本发明进行园林设计可降低参数化技术在风景园林专业中的应用门槛，提高设计成果的科学性，大幅提高企业工作效率。
27.因此，本发明具有能降低设计师设计难度、设计更具针对性且工作效率更高的优点。
附图说明
28.图1是本发明的技术流程图；
29.图2是本发明的结构图；
30.图3是本发明实施例中主要电池的示例图；
31.图4是本发明实施例中坡向分析的示例图；
32.图5是本发明实施例中坡度分析的示例图；
33.图6是本发明实施例中场地分析栏目的示例图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
35.实施例。基于参数化设计的风景园林设计工具，如图1-2所示，所述风景园林设计工具是从基于rhino软件平台运行的grasshopper软件中根据风景园林设计的需要筛选出多个电池，并搭建成电池组后封装为单一的新电池，然后将封装后的新电池进行归类集成所形成的包括多个栏目的工具栏；所述电池为grasshopper的基本单元。
36.所述风景园林设计工具包括地形生成栏目、地形分析栏目、场地分析栏目、模型工具栏目和辅助工具栏目。
37.所述地形生成栏目包括主要电池和辅助电池；所述主要电池包括测绘cad生成地形电池、测绘等高值生成地形电池和等高线生成地形电池，示例见图3；所述辅助电池包括地形网格转曲面电池、建筑落地形电池和提取等高线电池；
38.所述测绘cad生成地形电池用于将cad测绘图生成三维地形模型；所述测绘等高值生成地形电池用于在测绘图没有等高线或等高线没有z轴方向高度时生成三维地形模型；所述等高线生成地形电池用于将等高线(设计等高线、gis技术提取等高线电池)生成三维地形模型；
39.所述地形网格转曲面电池用于将生成的三维地形模型mesh面转换成surface面，便于后续分析使用及设计模型载入；所述建筑落地形电池用于将建筑模型贴合至地形模型，特别适用于地形复杂地区，如重庆等；所述提取等高线电池用于以三维地形模型为基础生成等高线。
40.所述地形分析栏目包括用于获取地形坡向信息的坡向分析电池、用于获取地形坡度信息的坡度分析电池、用于生成地形高程分析图的高度分析电池、基于三维地形表面生成地表汇水模拟分析的汇水分析电池和用于分析图生成图例的图例生成电池。
41.所述坡向分析电池包括坡向分析(常规)、坡向分析(阴阳)和坡向筛选(阴阳)，示例见图4；
42.所述坡度分析电池包括坡度分析(常规)、坡度分析(按角度)和坡度筛选(按角度)，示例见图5；
43.所述高程分析电池包括能基于三维地形网格生成高程分析三维网格的高程分析(地形网格)和能基于等高线进行高程分析生成染色的等高线分析图的高程分析(等高线)；
44.所述汇水分析电池与hoopsnake插件相结合实现基于三维地形表面生成地表汇水模拟分析。
45.所述坡向分析(常规)能基于三维地形网格进行坡向分析；所述坡向分析(阴阳)能基于三维地形网格进行阴影坡向分析；所述坡度筛选(按角度)能基于三维地形网格和坡向
序号筛选设计所需坡向范围；
46.所述坡度分析(常规)能基于三维地形网格进行坡度分析；所述坡度分析(按角度)能基于三维地形网格对坡度进行分级；所述坡度筛选(按角度)能基于三维地形网格和坡度数值筛选设计所需坡度范围。
47.所述场地分析栏目包括建筑高度分析电池、山地视野分析电池和光日照分析电池，示例见图6；
48.所述建筑高度分析电池基于建筑测绘图或开源数据进行建筑高度分析，可提供建筑高度的体块分析及相关信息；
49.所述山地视野分析电池基于三维地形网格选取任意观察点进行山地丘陵的视线分析，分为详细参数版及数据简化版；
50.所述光日照分析电池基于当地气象文件以及建筑物和地表三维地形网格计算光日照时长，生成太阳轨迹，可提供三维气象图表。
51.所述模型工具栏目包括表皮建模电池和栏杆建模电池；所述表皮建模电池包含4个电池组，可满足图像干扰、基础干扰、圆形孔洞干扰、多边形孔洞干扰的表皮建模；所述栏杆建模电池包括多种栏杆，可用于栈道、桥等快速生成栏杆。
52.所述辅助工具栏目包括统计工具电池、制图工具电池和标注工具电池；所述统计工具电池包含三个电池组，可提供模型内填充面积、形状面积及长度统计；所述制图工具电池包含两个电池组，单元铺展可将一组构件迅速展开，便于施工图出图；曲面铺展可获取曲面表面的展开图并对非标构件进行编号；所述标注工具电池包含三个电池组，小数位数可对标注数值精度进行规定，批量边长标注适用于杆件类标注，批量长宽标注适用于板材类标注。
53.以等高线生成地形电池为例，本发明设计工具的集成过程如下
54.a)编程：本发明依据等高线(无论是设计等高线还是现状等高线)生成三维地形模型的电池组搭建逻辑为：
55.等高线生成地形-将等高线进行等分，获取等分点(重点是等高线从底标高到顶标高具有长度从长到短特性)-提取等分点生成地形表面(重点是反复测试确定运算稳定性)-地形表面匹配项目范围(重点是范围线投影地形表面保证z轴方向正确剪切)。
56.步骤一获取适宜风景园林专业的等高线等分点的电池组
57.本发明在divide curve电池的基础上加入了测量等高线长度的length电池，保证了等分点均匀性的同时将等高线的长度因素加入计算逻辑中，使得每一根等高线都可以根据各自长度确定等分数量。
58.因为，风景园林设计中的等高线不是同等长度的闭合曲线，具有从底标高到顶标高由长逐渐变短的特点，在搭建电池组时，重点是将不同高度(即不同长短)的等高线同时进行同等分计算。
59.而在研发过程中发现：
60.使用divide curve电池进行等分计算(divide curve电池通过指定采样数量对curve曲线进行等分)，由于等高线从低到高长度不同，造成采样点不理想，等高线越长采样点越稀疏，等高线越短采样点越密集；
61.使用divide length电池进行计算(divide curve电池通过指定采样长度对curve
曲线进行等分)，计算结果虽改善了采样点分布不均的问题，但在等高线末端会出现不等分现象。
62.因此，对比两个电池的运算结果，本发明才会在divide curve电池的基础上加入了测量等高线长度的length电池。
63.步骤二生成初始地形网格
64.获取采样点后，顺利生成地形表面是该电池组的核心目标，本发明依托delaunay mesh电池建立地形曲面并加入cull duplicates电池来修正距离过近的采样点。
65.因为在多次实验过程中发现：
66.如果依托surface from points电池建立地形曲面，则步骤一生成的采样点不能被电池识别为网格点，使得u端输入值无效，地形无法建立；
67.如果依托4point surface电池建立地形曲面，则步骤一生成的采样点有时不能满足其abcd四个端口的输入要求，导致地形无法建立。
68.而如果是依托delaunay mesh电池建立地形曲面，那电池组不仅可以正确计算且地形生成速度极快，该电池组可在几秒钟内计算数万个采样点数据，其生成的网格地形导入sketchup、lumion等常用风景园林设计软件中也表现出高度的兼容性。
69.本发明加入了cull duplicates电池的目的是为了降低无效地形的出现几率。
70.步骤三完成边界切割
71.本发明在得到初始地形网格后，进一步将项目的红线(边界线)导入电池组(此时的红线为z值为零的平面闭合曲线)，并确定运算逻辑为：将红线挤出为实体，利用该实体对初始地形进行切割，得到红线内地形网格。
72.完成边界切割是三维地形的必要运算。在二维空间内设计红线仅仅是一条闭合线段，等高线超出红线范围并不影响等高线的正确性。而在三维空间内，需要把设计红线看成“一堵围墙”，“围墙”在z轴方向与地形表面存在交点，交点值即为红线高度值。正确获取红线在地形表面的高度值，将决定地形运算的正确性。
73.而经过各种实验发现：
74.若以地形网格为参考对象，使用固定值接入z向量电池，借助bounding box为主的一组电池来计算地形的高度范围；发现风景园林项目的尺度变化范围较大(从
㎡
为单位的游园级到公顷甚至是平方公里为单位的综合公园)，同时，不同地域的地形网格z轴方向的变化范围也很大，输入固定值实际完全无法满足各个尺度项目要求；
75.若以红线为参考对象，利用shape in brep电池来判定地形是否位于红线范围内；发现红线的偏移方向并不固定，需要对红线的内外两个方向同时偏移后，对红线长度进行排序计算，得到向外偏移的红线，在此基础上，才能从dispatch的a端得到红线范围内的地形网格。
76.b)封装：本发明封装“等高线生成地形电池”电池组的步骤如下：
77.封装电池组-确认必要的输入数据(重点是命名需符合风景园林专业常规用语)-确认必需的输出数据(重点是依据实际需求确定输出数据)-优化(重点是添加必要的确认按钮)
78.本发明封装电池组能降低电池组的适用门槛，协助不理解电池组计算逻辑的设计师顺利完成数据计算。
79.本发明在对主体电池组进行封装时将其中的等高线、采样点间距和边界线作为必要输入数据，并把名称赋予curve输入端。
80.本发明保留了步骤一获得的采样点和步骤二获得的原始地形两个输出数据，并将原电池中的“points”、“mesh”和“list a”命名为“采样点”、“地形网格”和“界内地形”，便于实际应用时检查运算过程修正运算结果。
81.本发明增加了一组布尔运算作为整个电池组的运算开关，在前期数据的输入和调整阶段可以优先进行采样点计算，确认采样点无误后再进行面及剪切计算，从而避免无效运算，减少卡顿；提高电池组的运算稳定性和流畅性。
82.c)集成：本发明的集成充分依据了风景园林的工作顺序，贴合了设计师查找、使用习惯。
83.例如，获取地表模型是风景园林设计的工作基础，本发明将该电池组集成第一个模块-地形生成栏目中。