基于小生境遺傳算法的綠色建筑景觀空間環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)*

吳家煒， 黃華明

(1.廣東省綠色建材與裝配式建筑工程技術(shù)研究中心，廣東 茂名 525000;2.廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 茂名 525000;3.廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510090)

建筑景觀的環(huán)保以及建筑空間的美觀是設(shè)計(jì)人員所要達(dá)到的理想目標(biāo)[1].近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，同時(shí)對(duì)建筑藝術(shù)的審美也有了和以往不同的理念，建筑景觀空間優(yōu)化的方向逐漸向立體綠化發(fā)展[2].立體綠化就是指使建筑物的屋頂以及墻面部分的綠化能夠和景觀相互協(xié)調(diào).傳統(tǒng)的建筑空間優(yōu)化設(shè)計(jì)往往存在直視效果差、居民滿(mǎn)意度較低等問(wèn)題，其原因是建筑空間分布不合理.因此，本文提出一種基于小生境遺傳算法的綠色建筑景觀空間環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從建筑成本、綠化帶等方面優(yōu)化建筑空間，使建筑景觀空間的分布更合理[3].

1 建筑景觀空間設(shè)計(jì)的立體綠化

1.1 建筑的立體綠化

近幾年的建筑普遍具有一個(gè)相同的特性，即開(kāi)放性.建筑景觀并不僅僅是從某一個(gè)方面單獨(dú)呈現(xiàn)出來(lái)，而是與其他建筑組成一個(gè)協(xié)調(diào)的整體，不同的建筑以及自然景觀共同組成大的建筑景觀空間[4].因此，可以在不同的建筑中使用立體綠化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和建筑的協(xié)調(diào)一致性.以圖1為例，該圖是一個(gè)大型藝術(shù)教學(xué)樓，該樓共有七層，但是從遠(yuǎn)處看的話(huà)，并不能分辨其樓層框架，原因就是該樓的設(shè)計(jì)與周?chē)h(huán)境融為一體.在整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)中，通過(guò)在玻璃上添加幕墻裝飾以確保陽(yáng)光的照射；在建筑物頂層的設(shè)計(jì)中，使用雨水收集器將雨水收集起來(lái)，以便實(shí)現(xiàn)植物的灌溉.

1.2 基于立體綠化的建筑景觀空間評(píng)價(jià)

本文以華強(qiáng)北的建筑空間為例實(shí)施調(diào)研評(píng)價(jià)分析.通過(guò)隨機(jī)調(diào)查的方式整理評(píng)價(jià)因子，并對(duì)建筑空間做出分類(lèi)，選取廣場(chǎng)、步行街作為建筑景觀空間人群的主要匯集處.由調(diào)研可知，可以將開(kāi)放性、多元化、便利性等作為評(píng)價(jià)指標(biāo).開(kāi)放性即指建筑空間視野的開(kāi)闊感；多元化即指活動(dòng)的多樣化；便利性即指公共設(shè)施的便利程度.

本文通過(guò)模糊評(píng)價(jià)法[5]評(píng)價(jià)居民對(duì)廣場(chǎng)、步行街兩類(lèi)空間的滿(mǎn)意程度.評(píng)價(jià)因子集包括活動(dòng)的多樣性、便利性等14個(gè)部分，針對(duì)上述評(píng)價(jià)因子進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分等級(jí)從很滿(mǎn)意到很不滿(mǎn)意分為5個(gè)不同級(jí)別.構(gòu)建評(píng)價(jià)因子集和評(píng)分等級(jí)間的模糊關(guān)系，并計(jì)算評(píng)價(jià)因子的隸屬度，利用權(quán)重值計(jì)算最終的評(píng)價(jià)結(jié)果.本文中，使用對(duì)比排序法[6]在評(píng)價(jià)因子集中選出最重要的10個(gè)因子進(jìn)行排序并評(píng)分(按照重要性程度從10到1依次給分).利用每個(gè)因子占所有因子得分的比重確定自身的權(quán)重：

式中：n代表評(píng)價(jià)的個(gè)數(shù)，m代表評(píng)價(jià)因子的個(gè)數(shù)，wj代表第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重.

2 基于小生境遺傳算法的綠色建筑景觀空間環(huán)境優(yōu)化

根據(jù)研究的結(jié)果，利用小生境遺傳算法對(duì)建筑景觀的空間環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化.

2.1 優(yōu)化模型構(gòu)建

本文以建筑景觀的出入口及停車(chē)位等公共設(shè)施為考察點(diǎn)，以居民對(duì)景觀空間的滿(mǎn)意度為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑景觀的空間及尺寸進(jìn)行優(yōu)化.利用層次分析法得到建筑景觀的種類(lèi)構(gòu)建指標(biāo)層的判斷矩陣，并計(jì)算權(quán)重值[7].指標(biāo)層的權(quán)重判斷矩陣可表示為：

W=(0.381,0.016,0.035,0.018,0.207,0.121,0.170,0.038,0.044).

綜合分析建筑景觀空間中的公共設(shè)施，如綠化帶、座椅、停車(chē)位的權(quán)重值，可以得到最終的權(quán)重分別為0.419，0.120，0.235.

2.2 目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

通過(guò)對(duì)綠化帶、座椅、停車(chē)位等和建筑景觀空間優(yōu)化相關(guān)因素的分析，構(gòu)建建筑成本及居民滿(mǎn)意度的目標(biāo)函數(shù).

(1) 建筑成本目標(biāo)函數(shù).建筑成本目標(biāo)函數(shù)包括各種建筑設(shè)施的價(jià)格，可表示為：

式中：cost表示建筑景觀設(shè)施的投入成本，aj表示建筑景觀設(shè)施的價(jià)格，ΔXj表示建筑景觀設(shè)施的數(shù)量.

2.3 小生境遺傳算法對(duì)建筑景觀的優(yōu)化

利用小生境遺傳算法優(yōu)化建筑景觀的尺寸，由于遺傳算法[8]的局部搜索能力不強(qiáng)，本文在共享函數(shù)小生境技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)遺傳算法，使優(yōu)化結(jié)果更加可靠.

2.3.1確保算法收斂性能的自適應(yīng)技術(shù)遺傳算法雖說(shuō)能通過(guò)一系列運(yùn)算找到最優(yōu)個(gè)體，但由于其計(jì)算參數(shù)是固定的，不能隨著實(shí)際環(huán)境的變化做出動(dòng)態(tài)調(diào)整，結(jié)果就是求出的最優(yōu)解精度達(dá)不到要求.經(jīng)過(guò)分析可知，影響其性能的主要因素在于個(gè)體在適應(yīng)環(huán)境的過(guò)程中，為了使自身的適應(yīng)度更高，其遺傳行為發(fā)生了意外的變化.由此，自適應(yīng)遺傳算法[9-10]被提出.在自適應(yīng)遺傳算法中，如果群體的適應(yīng)度處于較為集中的狀態(tài)，則交叉概率Pc和變異概率Pm的值會(huì)增大；反之，如果群體的適應(yīng)度處于較為分散的狀態(tài)，Pc和Pm的值將會(huì)減小.兩種參數(shù)概率根據(jù)以下兩式自動(dòng)調(diào)整自身的值：

式中，fmax表示最高適應(yīng)度，fave表示適應(yīng)度的均值，f′表示多個(gè)交叉?zhèn)€體中的適應(yīng)度比較高的個(gè)體的適應(yīng)度，f表示產(chǎn)生變異的個(gè)體適應(yīng)度，且0

2.3.2小生境技術(shù)[11]利用共享函數(shù)修正種群中的個(gè)體適應(yīng)度值，以此來(lái)確保種群的多樣性.該共享函數(shù)是由編碼型差異和適應(yīng)度差異組合形成的，假設(shè)有兩個(gè)個(gè)體xi、xj，它們之間的編碼值距離為d1(xi,xj)，適應(yīng)度距離為d2(xi,xj)，則共享函數(shù)S(xi,xj)可表示為：

式中，α1、α2為小生境半徑.將共享函數(shù)融入個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)中，得修正后個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用本文提出的方法優(yōu)化了華強(qiáng)北的建筑景觀，并利用滿(mǎn)意度來(lái)表示人們的認(rèn)可度.表1為人們對(duì)廣場(chǎng)、步行街的評(píng)價(jià)因子的不同關(guān)注程度，表2為對(duì)建筑景觀空間優(yōu)化后人們的滿(mǎn)意度.本文假設(shè)滿(mǎn)意度分為5個(gè)不同級(jí)別，相對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)值是1～0分.由表2可知，經(jīng)過(guò)本文算法的優(yōu)化，各個(gè)評(píng)價(jià)因子的結(jié)果總體一致，對(duì)于大部分建筑景觀的評(píng)價(jià)因子，人們給出的是“滿(mǎn)意”以上的評(píng)價(jià)，這說(shuō)明人們對(duì)華強(qiáng)北建筑景觀優(yōu)化后的空間布局較為認(rèn)可，同時(shí)表明，本文算法可以實(shí)現(xiàn)良好的建筑景觀空間優(yōu)化.

比較表2中人們對(duì)廣場(chǎng)、步行街的優(yōu)化滿(mǎn)意度值可知，兩種景觀空間的滿(mǎn)意度的均值分別為0.61和0.38.這說(shuō)明，廣場(chǎng)的滿(mǎn)意度最高.其原因是廣場(chǎng)是人們休閑的主要區(qū)域，它的設(shè)施和綠化面積都是規(guī)劃得比較好的；而在步行街中，各種店鋪的裝修風(fēng)格各有千秋，看起來(lái)眼花繚亂，比較容易造成審美疲勞，并且沿街的植被綠化率較低，因此滿(mǎn)意度較低.

表1 廣場(chǎng)、步行街的評(píng)價(jià)因子的不同關(guān)注程度

4 結(jié) 論

本文提出一種綠色建筑景觀空間環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，該方案利用小生境遺傳算法對(duì)建筑景觀進(jìn)行優(yōu)化，以便獲得較好的直視效果，同時(shí)降低建筑成本.此外，本文還對(duì)建筑景觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠保持合理的綠化比.結(jié)果表明，本文提出的方案能夠提高用戶(hù)滿(mǎn)意度，在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的價(jià)值.