基于BIM 衍生式設計的區域性建筑規劃方案智能優選研究

羅荃 周建亮 景慧情

（中國礦業大學力學與土木工程學院，徐州 221000）

引言

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

近年來，隨著BIM 技術在工程領域運用的興起，出現很多利用衍生式設計算法探索解決區域建筑規劃的方法與優秀的應用實例。張馨元[2]針對產業園區規劃中的原則性約束和設計性約束，利用多智能體系統，建構由環境要素等模塊組成的產業園區建筑自動布局衍生式模型。張柏洲等[3]基于多智能體系統，探索住宅區域規劃的生成設計方法，解決規劃中地塊劃分等建筑空間設計問題。Nagy 等[4]利用多目標遺傳算法對建筑室內空間規劃進行衍生設計，以根據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 可持續住區模型，結果顯示基于“規則”的住區生成設計流程在空間形態的分階段控制上優于基于“藍圖式”的常規設計流程。在衍生式設計的案例研究中，Salimzadeh 等[6]提出了一種基于對光伏幕墻模塊優化布局探索的BIM 衍生設計流程。Nagy 等[7]通過調查以城市為規模的衍生設計的潛力，對住宅小區太陽能電池板布局進行衍生設計的應用。Jose 等[8]結合環境、成本和美學等約束條件，對建筑防護網布局進行衍生式設計。

由此可見，BIM 技術在常規建筑設計具備一定的成熟度，但是對于多方案初步設計的選擇上，傳統的BIM 建模手段顯得冗雜，制約了BIM 技術在建筑規劃設計中的發展。本文基于衍生設計技術，結合項目規劃階段建筑布局方案設計過程復雜、任務量大的特點，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，并且形成各個優選方案的可視化BIM 模型，實現了在既定約束條件下的規劃方案快速生成與比選，大大提高了BIM 在早期規劃階段的設計能力和工作效率，為我國建設行業更深入地挖掘BIM 應用價值提供了參考和借鑒。

1 基于BIM 的衍生式設計方法概述

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

圖1 衍生設計流程

衍生式設計方法有多種實現方式，Singh 等[11]對五種衍生式設計技術（Lindenmayer 系統、元胞自動機、遺傳算法、群體智能和形狀語法）進行了回顧。根據設計問題的特點，確定了每種技術的潛在用途，并強調了每種技術的優勢和挑戰。基于BIM 的衍生式設計采用NSGA-II（二代非支配排序遺傳算法）優化算法，該算法是一種基于種群的多目標優化的元啟發式優化算法，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，生成高質量的解決方案。在遺傳算法中處理的每一輪優化都被稱為一代。NSGA-II 算法的實現邏輯為：設定初始種群與進化代數，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為2，否則，對初始種群重新進行迭代。以此循環，每個種群的選擇、交叉和突變過程會發生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，生成一定數量滿足若干約束的可選擇方案。

2 區域性建筑規劃方案的約束分析

區域建筑規劃布局問題是一個復雜的組合最優化問題。在該問題中，根據整體協調性的設計，往往會忽略其他影響因素。區域建筑規劃布局約束可以分為以下幾類：與位置相關的拓撲約束、與功能相關的功能約束、與尺寸相關的幾何約束以及“以人為本”的人體工程學約束。

2.1 與位置相關的拓撲約束

區域建筑規劃布局的拓撲約束則是指建筑與其他對象之間的位置關系，如建筑相鄰關系、道路相對方位關系等。

2.2 與功能相關的功能約束

區域建筑規劃布局的功能約束是指在設計過程中需要實現特定的功能需求，如樓層高度、建筑的出入口、路口位置安放等應滿足施工要求。

2.3 與尺寸相關的幾何約束

確定平面內各物體之間的位置關系，是保證設計合理性的重要條件。區域建筑規劃布局的幾何約束是指整個規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、環境三大要素間相互協調關系的學科。該約束要求區域建筑布局設計要滿足人們在安全、健康、高效能和舒適等方面的需求。在區域規劃布局設計中以人體尺度、“人—物—環境”對人心理和生理造成的影響等為依據，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，使設計更為科學和有依可循。

3 多約束條件下區域性建筑規劃智能化生成應用實證

3.1 方案初始條件定義與優化目標設置

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

表1 項目初始規劃約束目標

圖2 項目初始場地圖

3.2 Dynamo 參數化方案設計

衍生式設計參數化方案設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 中已經完成的代碼中，將輸入數據的Number Slide 節點屬性設置為“為輸入”，數據通過Dynamo 讀入Revit 模型中的源數據。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 節點進行變量選擇；

（2）變量輸出階段。通過將Watch 等節點屬性設置為“為輸出”，已編寫完成的代碼程序通過調用常量和變量進行邏輯運算，得出對應指標數值，并輸出相關結果；

（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。該階段主要是調用程序內部的遺傳算法進行運轉。方案生成主要是對相關參數進行設置，主要有衍生方法選擇、變量選擇、目標設置、約束設置及生成設置。衍生式設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、目標設置和約束設置則是將Dynamo 腳本中的輸入、輸出參量進行設置，為每個目標選擇輸入輸出范圍，以及將優化目標限定在特定范圍進行設置。生成設置階段包含規模大小、生成數、結果數及種子四個指標，通過對指標的設置決定了程序的迭代次數、運行速度及生成的結果數目。為確保能夠找到符合期望的結果，生成規模數必須足夠大。

圖3 衍生式設計方案生成階段初始運行結果

3.3 衍生式設計方案審核與評價

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。明晰約束條件及優化目標，利用Dynamo 節點獲取Revit 模型中的數據并進行編程，完成邏輯關系到計算機可識別的編程語言的轉譯。本文使用Optimize 型設計方法，設定方案數為50，每個方案迭代次數為40，生成2 000 個隨機方案，衍生設計結果按照“建筑面積”約束指標進行排序，并對隨機生成的設計方案根據優化目標限定約束條件“建筑數量≥2”“廣場長區間為30m ～60m”“廣場寬30m ～50m”縮小最優解的范圍，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 型設計方法的衍生式設計方案運行結果預覽圖

由于約束指標數量有限，且部分方案是明顯不符合設計要求的，需要使用幾種優化方法進行多次迭代。因此，使用Like This 設計方法，在優化過的區間重新設定約束條件，尋找滿足評價指標的設計方案，即最優解的最小區間。根據Like This 衍生結果，將坐標軸X 軸設置為建筑面積偏差，Y 軸設置為總建筑面積，散點圖尺寸及顏色根據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 衍生式設計方案散點氣泡分析圖

通過以上衍生設計優化步驟，以總建筑面積最大為最終目標，最終確定方案建筑數量為2，總建筑面積305 652.885m2，主廣場長50m，主廣場寬28m，廣場區面積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）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，符合項目初始規劃約束目標。確定最優方案后，由于在Dynamo 程序中已經預先載入相應的樓板族、道路族等，在衍生式界面選擇“創建圖元”完成項目建模，如圖6 所示。

圖6 衍生式設計方案最終模型效果圖

4 結語

建筑規劃設計是一個復雜的過程，一方面取決于工程設計人員的知識積累和項目經驗，另一方面又需要其足夠的想象力和創造力。本文針對區域建筑規劃設計的特點，基于參數化建模的原理，以 Autodesk Revit 為基礎軟件，以Dynamo 為開發平臺，提出的基于BIM 的衍生式設計方法，為設計師在區域建筑規劃中快速設計和比選方案提供了新的思路和實現路徑。研究實例表明，采用衍生設計方法，通過設定變量參數、優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行，不僅生成方案速度快，而且簡單易用、穩定可靠，大大地提高了設計師在規劃方案設計階段的工作效率。本研究借助衍生設計二次開發，通過在規劃設計約束條件下快速智能優選區域布局方案的探索，為工程設計人員提供了新的路徑和思路，進一步豐富和深化了BIM 的應用價值。