基于BIM 衍生式設(shè)計的區(qū)域性建筑規(guī)劃方案智能優(yōu)選研究

羅荃 周建亮 景慧情

（中國礦業(yè)大學力學與土木工程學院，徐州 221000）

引言

隨著建筑行業(yè)信息化、智能化的發(fā)展，BIM 技術(shù)在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用廣度和深度不斷擴展[1]。衍生式設(shè)計是一種使用參數(shù)化定義的規(guī)則生成復(fù)雜的解決方案的方法。衍生式設(shè)計和BIM 的集成作為一種新技術(shù)整合，可以利用人工智能算法自動生成和尋找最優(yōu)解決方案，大大提高BIM 在早期規(guī)劃階段的設(shè)計能力和工作效率。

近年來，隨著BIM 技術(shù)在工程領(lǐng)域運用的興起，出現(xiàn)很多利用衍生式設(shè)計算法探索解決區(qū)域建筑規(guī)劃的方法與優(yōu)秀的應(yīng)用實例。張馨元[2]針對產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃中的原則性約束和設(shè)計性約束，利用多智能體系統(tǒng)，建構(gòu)由環(huán)境要素等模塊組成的產(chǎn)業(yè)園區(qū)建筑自動布局衍生式模型。張柏洲等[3]基于多智能體系統(tǒng)，探索住宅區(qū)域規(guī)劃的生成設(shè)計方法，解決規(guī)劃中地塊劃分等建筑空間設(shè)計問題。Nagy 等[4]利用多目標遺傳算法對建筑室內(nèi)空間規(guī)劃進行衍生設(shè)計，以根據(jù)建筑性能以及特定的偏好來評估每個布局。王江等[5]提出一種基于形狀語法的AutoCons 可持續(xù)住區(qū)模型，結(jié)果顯示基于“規(guī)則”的住區(qū)生成設(shè)計流程在空間形態(tài)的分階段控制上優(yōu)于基于“藍圖式”的常規(guī)設(shè)計流程。在衍生式設(shè)計的案例研究中，Salimzadeh 等[6]提出了一種基于對光伏幕墻模塊優(yōu)化布局探索的BIM 衍生設(shè)計流程。Nagy 等[7]通過調(diào)查以城市為規(guī)模的衍生設(shè)計的潛力，對住宅小區(qū)太陽能電池板布局進行衍生設(shè)計的應(yīng)用。Jose 等[8]結(jié)合環(huán)境、成本和美學等約束條件，對建筑防護網(wǎng)布局進行衍生式設(shè)計。

由此可見，BIM 技術(shù)在常規(guī)建筑設(shè)計具備一定的成熟度，但是對于多方案初步設(shè)計的選擇上，傳統(tǒng)的BIM 建模手段顯得冗雜，制約了BIM 技術(shù)在建筑規(guī)劃設(shè)計中的發(fā)展。本文基于衍生設(shè)計技術(shù)，結(jié)合項目規(guī)劃階段建筑布局方案設(shè)計過程復(fù)雜、任務(wù)量大的特點，利用Dynamo 平臺，建立了一套建筑布局的衍生式智能設(shè)計方法，可迅速生成大量的可供選擇的建筑布局方案，并且形成各個優(yōu)選方案的可視化BIM 模型，實現(xiàn)了在既定約束條件下的規(guī)劃方案快速生成與比選，大大提高了BIM 在早期規(guī)劃階段的設(shè)計能力和工作效率，為我國建設(shè)行業(yè)更深入地挖掘BIM 應(yīng)用價值提供了參考和借鑒。

1 基于BIM 的衍生式設(shè)計方法概述

基于BIM 的衍生式設(shè)計是建筑行業(yè)在人工智能背景下的變革性探索，將衍生設(shè)計應(yīng)用于建筑行業(yè)的早期設(shè)計階段，用自動化的方式幫助設(shè)計師完成龐大繁瑣的設(shè)計優(yōu)化。Krish[9]從設(shè)計的角度將衍生過程分為設(shè)計模式、創(chuàng)造變化的手段及選擇理想結(jié)果的手段三個部分。Marsh[10]從性能測量的角度討論了衍生設(shè)計組件的配置變化、性能指標和決策響應(yīng)。根據(jù)不同角度的研究目標，衍生式設(shè)計的工作過程可以總結(jié)為六個階段：生成、分析、排列、進化、探索和整合。根據(jù)以上標準，以Dynamo 為編程平臺，建立衍生設(shè)計的流程如圖1 所示。

圖1 衍生設(shè)計流程

衍生式設(shè)計方法有多種實現(xiàn)方式，Singh 等[11]對五種衍生式設(shè)計技術(shù)（Lindenmayer 系統(tǒng)、元胞自動機、遺傳算法、群體智能和形狀語法）進行了回顧。根據(jù)設(shè)計問題的特點，確定了每種技術(shù)的潛在用途，并強調(diào)了每種技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)?；贐IM 的衍生式設(shè)計采用NSGA-II（二代非支配排序遺傳算法）優(yōu)化算法，該算法是一種基于種群的多目標優(yōu)化的元啟發(fā)式優(yōu)化算法，算法核心使用種群特征來指導搜索，運行過程中對多個候選解決方案進行維護和改進，通過選擇、交叉、突變等操作，生成高質(zhì)量的解決方案。在遺傳算法中處理的每一輪優(yōu)化都被稱為一代。NSGA-II 算法的實現(xiàn)邏輯為：設(shè)定初始種群與進化代數(shù)，運行程序，判斷是否生成了第一代子種群，若已生成則令進化代數(shù)為2，否則，對初始種群重新進行迭代。以此循環(huán)，每個種群的選擇、交叉和突變過程會發(fā)生n 次。多次的計算、篩選和進化，最終通過不斷地對種群的合并迭代，生成一定數(shù)量滿足若干約束的可選擇方案。

2 區(qū)域性建筑規(guī)劃方案的約束分析

區(qū)域建筑規(guī)劃布局問題是一個復(fù)雜的組合最優(yōu)化問題。在該問題中，根據(jù)整體協(xié)調(diào)性的設(shè)計，往往會忽略其他影響因素。區(qū)域建筑規(guī)劃布局約束可以分為以下幾類：與位置相關(guān)的拓撲約束、與功能相關(guān)的功能約束、與尺寸相關(guān)的幾何約束以及“以人為本”的人體工程學約束。

2.1 與位置相關(guān)的拓撲約束

區(qū)域建筑規(guī)劃布局的拓撲約束則是指建筑與其他對象之間的位置關(guān)系，如建筑相鄰關(guān)系、道路相對方位關(guān)系等。

2.2 與功能相關(guān)的功能約束

區(qū)域建筑規(guī)劃布局的功能約束是指在設(shè)計過程中需要實現(xiàn)特定的功能需求，如樓層高度、建筑的出入口、路口位置安放等應(yīng)滿足施工要求。

2.3 與尺寸相關(guān)的幾何約束

確定平面內(nèi)各物體之間的位置關(guān)系，是保證設(shè)計合理性的重要條件。區(qū)域建筑規(guī)劃布局的幾何約束是指整個規(guī)劃空間的大小對建筑物、施工場地等對象物理大小的限制，如建筑物幾何尺寸、空地面積及道路寬度等。

2.4 “以人為本”的人體工程學約束

人體工程學研究將人、物體、環(huán)境三大要素間相互協(xié)調(diào)關(guān)系的學科。該約束要求區(qū)域建筑布局設(shè)計要滿足人們在安全、健康、高效能和舒適等方面的需求。在區(qū)域規(guī)劃布局設(shè)計中以人體尺度、“人—物—環(huán)境”對人心理和生理造成的影響等為依據(jù)，本研究充分考慮建筑入口距離道路距離、道路寬度與街道密度比及場地綠化率等因素條件對人活動的影響，使設(shè)計更為科學和有依可循。

3 多約束條件下區(qū)域性建筑規(guī)劃智能化生成應(yīng)用實證

3.1 方案初始條件定義與優(yōu)化目標設(shè)置

本文以徐州市某商業(yè)地塊規(guī)劃設(shè)計為例，初始用地為東側(cè)南北走向為200m、東西走向為150m 的一塊矩形場地，如圖2 所示。根據(jù)項目要求，項目建筑功能區(qū)包括建筑類、廣場區(qū)、道路區(qū)和綠化區(qū)，其中建筑類包括商業(yè)、辦公和住宅等三種建筑業(yè)態(tài)，相關(guān)規(guī)劃及設(shè)計的初始約束指標如表1 所示?；赟ong 等[12]提出了五類測量方法：街道網(wǎng)絡(luò)連通性、密度、土地利用組合、可達性和行人步行性。本文結(jié)合設(shè)計要求在設(shè)計優(yōu)化目標中考慮在地區(qū)尺度上對城市形態(tài)的測量中引入包括單體建筑占地面積、建筑數(shù)量、建筑類型重要性、廣場用地、街道密度比例及綠化率等優(yōu)化指標。這些指標中的一個或一些可以是優(yōu)化引擎的適應(yīng)度目標，也可以只是為用戶自己的判斷設(shè)計指標，以此通過衍生設(shè)計尋找符合用戶期望的目標設(shè)計方案。

表1 項目初始規(guī)劃約束目標

圖2 項目初始場地圖

3.2 Dynamo 參數(shù)化方案設(shè)計

衍生式設(shè)計參數(shù)化方案設(shè)計階段包含變量輸入、變量輸出和方案生成三個階段。

（1）變量輸入階段。Dynamo 是Revit 軟件中的一個可視化編程平臺，在Dynamo 中已經(jīng)完成的代碼中，將輸入數(shù)據(jù)的Number Slide 節(jié)點屬性設(shè)置為“為輸入”，數(shù)據(jù)通過Dynamo 讀入Revit 模型中的源數(shù)據(jù)。本案例中的與Revit 交互的變量輸入讀取為場地邊界線、場地方向線、場地綠植，通過Element Select 節(jié)點進行變量選擇；

（2）變量輸出階段。通過將Watch 等節(jié)點屬性設(shè)置為“為輸出”，已編寫完成的代碼程序通過調(diào)用常量和變量進行邏輯運算，得出對應(yīng)指標數(shù)值，并輸出相關(guān)結(jié)果；

（3）方案生成階段。完成“變量輸入”、“變量輸出”兩個階段，在Dynamo 中生成一次特定參數(shù)下邏輯算法且無誤生成特定的解決方案，如圖3 所示。該階段主要是調(diào)用程序內(nèi)部的遺傳算法進行運轉(zhuǎn)。方案生成主要是對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，主要有衍生方法選擇、變量選擇、目標設(shè)置、約束設(shè)置及生成設(shè)置。衍生式設(shè)計具有四種生成算法，分別是Optimize、Randomize、Like This、Cross Product，每種生成方式需要定義的指標各不相同。變量選擇、目標設(shè)置和約束設(shè)置則是將Dynamo 腳本中的輸入、輸出參量進行設(shè)置，為每個目標選擇輸入輸出范圍，以及將優(yōu)化目標限定在特定范圍進行設(shè)置。生成設(shè)置階段包含規(guī)模大小、生成數(shù)、結(jié)果數(shù)及種子四個指標，通過對指標的設(shè)置決定了程序的迭代次數(shù)、運行速度及生成的結(jié)果數(shù)目。為確保能夠找到符合期望的結(jié)果，生成規(guī)模數(shù)必須足夠大。

圖3 衍生式設(shè)計方案生成階段初始運行結(jié)果

3.3 衍生式設(shè)計方案審核與評價

方案審核與評價是對生成的所有方案進行精確評價和快速篩選出目標方案。明晰約束條件及優(yōu)化目標，利用Dynamo 節(jié)點獲取Revit 模型中的數(shù)據(jù)并進行編程，完成邏輯關(guān)系到計算機可識別的編程語言的轉(zhuǎn)譯。本文使用Optimize 型設(shè)計方法，設(shè)定方案數(shù)為50，每個方案迭代次數(shù)為40，生成2 000 個隨機方案，衍生設(shè)計結(jié)果按照“建筑面積”約束指標進行排序，并對隨機生成的設(shè)計方案根據(jù)優(yōu)化目標限定約束條件“建筑數(shù)量≥2”“廣場長區(qū)間為30m ～60m”“廣場寬30m ～50m”縮小最優(yōu)解的范圍，確定評價指標的取值，得到100 個可使用的目標方案，如圖4 所示。

圖4 基于Optimize 型設(shè)計方法的衍生式設(shè)計方案運行結(jié)果預(yù)覽圖

由于約束指標數(shù)量有限，且部分方案是明顯不符合設(shè)計要求的，需要使用幾種優(yōu)化方法進行多次迭代。因此，使用Like This 設(shè)計方法，在優(yōu)化過的區(qū)間重新設(shè)定約束條件，尋找滿足評價指標的設(shè)計方案，即最優(yōu)解的最小區(qū)間。根據(jù)Like This 衍生結(jié)果，將坐標軸X 軸設(shè)置為建筑面積偏差，Y 軸設(shè)置為總建筑面積，散點圖尺寸及顏色根據(jù)總建筑面積不同變化，得到各個方案的散點氣泡圖，如圖5 所示。

圖5 衍生式設(shè)計方案散點氣泡分析圖

通過以上衍生設(shè)計優(yōu)化步驟，以總建筑面積最大為最終目標，最終確定方案建筑數(shù)量為2，總建筑面積305 652.885m2，主廣場長50m，主廣場寬28m，廣場區(qū)面積1 814.961 m2，非建筑占地面積8 993.740m2，各建筑類型最終分配比率為：建筑類型1（商業(yè)）比例0.162，建筑類型2（住宅）比例0.091，建筑類型3（辦公）比例0.747，符合項目初始規(guī)劃約束目標。確定最優(yōu)方案后，由于在Dynamo 程序中已經(jīng)預(yù)先載入相應(yīng)的樓板族、道路族等，在衍生式界面選擇“創(chuàng)建圖元”完成項目建模，如圖6 所示。

圖6 衍生式設(shè)計方案最終模型效果圖

4 結(jié)語

建筑規(guī)劃設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，一方面取決于工程設(shè)計人員的知識積累和項目經(jīng)驗，另一方面又需要其足夠的想象力和創(chuàng)造力。本文針對區(qū)域建筑規(guī)劃設(shè)計的特點，基于參數(shù)化建模的原理，以 Autodesk Revit 為基礎(chǔ)軟件，以Dynamo 為開發(fā)平臺，提出的基于BIM 的衍生式設(shè)計方法，為設(shè)計師在區(qū)域建筑規(guī)劃中快速設(shè)計和比選方案提供了新的思路和實現(xiàn)路徑。研究實例表明，采用衍生設(shè)計方法，通過設(shè)定變量參數(shù)、優(yōu)化方法及約束條件等基本信息輸入，將大量繁瑣的方案生成操作交由計算機程序批量執(zhí)行，不僅生成方案速度快，而且簡單易用、穩(wěn)定可靠，大大地提高了設(shè)計師在規(guī)劃方案設(shè)計階段的工作效率。本研究借助衍生設(shè)計二次開發(fā)，通過在規(guī)劃設(shè)計約束條件下快速智能優(yōu)選區(qū)域布局方案的探索，為工程設(shè)計人員提供了新的路徑和思路，進一步豐富和深化了BIM 的應(yīng)用價值。