基于BIM 衍生式設(shè)計(jì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)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(kuò)展[1]。衍生式設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(jì)能力和工作效率。

近年來(lái)，隨著BIM 技術(shù)在工程領(lǐng)域運(yùn)用的興起，出現(xiàn)很多利用衍生式設(shè)計(jì)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(shí)例。張馨元[2]針對(duì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃中的原則性約束和設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)方法，解決規(guī)劃中地塊劃分等建筑空間設(shè)計(jì)問(wèn)題。Nagy 等[4]利用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)建筑室內(nèi)空間規(guī)劃進(jìn)行衍生設(shè)計(jì)，以根據(jù)建筑性能以及特定的偏好來(lái)評(píng)估每個(gè)布局。王江等[5]提出一種基于形狀語(yǔ)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(jì)流程在空間形態(tài)的分階段控制上優(yōu)于基于“藍(lán)圖式”的常規(guī)設(shè)計(jì)流程。在衍生式設(shè)計(jì)的案例研究中，Salimzadeh 等[6]提出了一種基于對(duì)光伏幕墻模塊優(yōu)化布局探索的BIM 衍生設(shè)計(jì)流程。Nagy 等[7]通過(guò)調(diào)查以城市為規(guī)模的衍生設(shè)計(jì)的潛力，對(duì)住宅小區(qū)太陽(yáng)能電池板布局進(jìn)行衍生設(shè)計(jì)的應(yīng)用。Jose 等[8]結(jié)合環(huán)境、成本和美學(xué)等約束條件，對(duì)建筑防護(hù)網(wǎng)布局進(jìn)行衍生式設(shè)計(jì)。

由此可見(jiàn)，BIM 技術(shù)在常規(guī)建筑設(shè)計(jì)具備一定的成熟度，但是對(duì)于多方案初步設(shè)計(jì)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(jì)中的發(fā)展。本文基于衍生設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合項(xiàng)目規(guī)劃階段建筑布局方案設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜、任務(wù)量大的特點(diǎn)，利用Dynamo 平臺(tái)，建立了一套建筑布局的衍生式智能設(shè)計(jì)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(gè)優(yōu)選方案的可視化BIM 模型，實(shí)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(jì)能力和工作效率，為我國(guó)建設(shè)行業(yè)更深入地挖掘BIM 應(yīng)用價(jià)值提供了參考和借鑒。

1 基于BIM 的衍生式設(shè)計(jì)方法概述

基于BIM 的衍生式設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)用于建筑行業(yè)的早期設(shè)計(jì)階段，用自動(dòng)化的方式幫助設(shè)計(jì)師完成龐大繁瑣的設(shè)計(jì)優(yōu)化。Krish[9]從設(shè)計(jì)的角度將衍生過(guò)程分為設(shè)計(jì)模式、創(chuàng)造變化的手段及選擇理想結(jié)果的手段三個(gè)部分。Marsh[10]從性能測(cè)量的角度討論了衍生設(shè)計(jì)組件的配置變化、性能指標(biāo)和決策響應(yīng)。根據(jù)不同角度的研究目標(biāo)，衍生式設(shè)計(jì)的工作過(guò)程可以總結(jié)為六個(gè)階段：生成、分析、排列、進(jìn)化、探索和整合。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，以Dynamo 為編程平臺(tái)，建立衍生設(shè)計(jì)的流程如圖1 所示。

圖1 衍生設(shè)計(jì)流程

衍生式設(shè)計(jì)方法有多種實(shí)現(xiàn)方式，Singh 等[11]對(duì)五種衍生式設(shè)計(jì)技術(shù)（Lindenmayer 系統(tǒng)、元胞自動(dòng)機(jī)、遺傳算法、群體智能和形狀語(yǔ)法）進(jìn)行了回顧。根據(jù)設(shè)計(jì)問(wèn)題的特點(diǎn)，確定了每種技術(shù)的潛在用途，并強(qiáng)調(diào)了每種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)?；贐IM 的衍生式設(shè)計(jì)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(biāo)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(lái)指導(dǎo)搜索，運(yùn)行過(guò)程中對(duì)多個(gè)候選解決方案進(jìn)行維護(hù)和改進(jìn)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)邏輯為：設(shè)定初始種群與進(jìn)化代數(shù)，運(yùn)行程序，判斷是否生成了第一代子種群，若已生成則令進(jìn)化代數(shù)為2，否則，對(duì)初始種群重新進(jìn)行迭代。以此循環(huán)，每個(gè)種群的選擇、交叉和突變過(guò)程會(huì)發(fā)生n 次。多次的計(jì)算、篩選和進(jìn)化，最終通過(guò)不斷地對(duì)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(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的組合最優(yōu)化問(wèn)題。在該問(wèn)題中，根據(jù)整體協(xié)調(diào)性的設(shè)計(jì)，往往會(huì)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?fù)浼s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(xué)約束。

2.1 與位置相關(guān)的拓?fù)浼s束

區(qū)域建筑規(guī)劃布局的拓?fù)浼s束則是指建筑與其他對(duì)象之間的位置關(guān)系，如建筑相鄰關(guān)系、道路相對(duì)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(jì)過(guò)程中需要實(shí)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(jì)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(gè)規(guī)劃空間的大小對(duì)建筑物、施工場(chǎng)地等對(duì)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(xué)約束

人體工程學(xué)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(xué)科。該約束要求區(qū)域建筑布局設(shè)計(jì)要滿足人們?cè)诎踩?、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(jì)中以人體尺度、“人—物—環(huán)境”對(duì)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(chǎng)地綠化率等因素條件對(duì)人活動(dòng)的影響，使設(shè)計(jì)更為科學(xué)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(shí)證

3.1 方案初始條件定義與優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置

本文以徐州市某商業(yè)地塊規(guī)劃設(shè)計(jì)為例，初始用地為東側(cè)南北走向?yàn)?00m、東西走向?yàn)?50m 的一塊矩形場(chǎng)地，如圖2 所示。根據(jù)項(xiàng)目要求，項(xiàng)目建筑功能區(qū)包括建筑類、廣場(chǎng)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(jì)的初始約束指標(biāo)如表1 所示?；赟ong 等[12]提出了五類測(cè)量方法：街道網(wǎng)絡(luò)連通性、密度、土地利用組合、可達(dá)性和行人步行性。本文結(jié)合設(shè)計(jì)要求在設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)中考慮在地區(qū)尺度上對(duì)城市形態(tài)的測(cè)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(chǎng)用地、街道密度比例及綠化率等優(yōu)化指標(biāo)。這些指標(biāo)中的一個(gè)或一些可以是優(yōu)化引擎的適應(yīng)度目標(biāo)，也可以只是為用戶自己的判斷設(shè)計(jì)指標(biāo)，以此通過(guò)衍生設(shè)計(jì)尋找符合用戶期望的目標(biāo)設(shè)計(jì)方案。

表1 項(xiàng)目初始規(guī)劃約束目標(biāo)

圖2 項(xiàng)目初始場(chǎng)地圖

3.2 Dynamo 參數(shù)化方案設(shè)計(jì)

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

（1）變量輸入階段。Dynamo 是Revit 軟件中的一個(gè)可視化編程平臺(tái)，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(diǎn)屬性設(shè)置為“為輸入”，數(shù)據(jù)通過(guò)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(chǎng)地邊界線、場(chǎng)地方向線、場(chǎng)地綠植，通過(guò)Element Select 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行變量選擇；

（2）變量輸出階段。通過(guò)將Watch 等節(jié)點(diǎn)屬性設(shè)置為“為輸出”，已編寫完成的代碼程序通過(guò)調(diào)用常量和變量進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得出對(duì)應(yīng)指標(biāo)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(gè)階段，在Dynamo 中生成一次特定參數(shù)下邏輯算法且無(wú)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(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。方案生成主要是對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要有衍生方法選擇、變量選擇、目標(biāo)設(shè)置、約束設(shè)置及生成設(shè)置。衍生式設(shè)計(jì)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(biāo)各不相同。變量選擇、目標(biāo)設(shè)置和約束設(shè)置則是將Dynamo 腳本中的輸入、輸出參量進(jìn)行設(shè)置，為每個(gè)目標(biāo)選擇輸入輸出范圍，以及將優(yōu)化目標(biāo)限定在特定范圍進(jìn)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(gè)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)指標(biāo)的設(shè)置決定了程序的迭代次數(shù)、運(yùn)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(jì)方案生成階段初始運(yùn)行結(jié)果

3.3 衍生式設(shè)計(jì)方案審核與評(píng)價(jià)

方案審核與評(píng)價(jià)是對(duì)生成的所有方案進(jìn)行精確評(píng)價(jià)和快速篩選出目標(biāo)方案。明晰約束條件及優(yōu)化目標(biāo)，利用Dynamo 節(jié)點(diǎn)獲取Revit 模型中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行編程，完成邏輯關(guān)系到計(jì)算機(jī)可識(shí)別的編程語(yǔ)言的轉(zhuǎn)譯。本文使用Optimize 型設(shè)計(jì)方法，設(shè)定方案數(shù)為50，每個(gè)方案迭代次數(shù)為40，生成2 000 個(gè)隨機(jī)方案，衍生設(shè)計(jì)結(jié)果按照“建筑面積”約束指標(biāo)進(jìn)行排序，并對(duì)隨機(jī)生成的設(shè)計(jì)方案根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)限定約束條件“建筑數(shù)量≥2”“廣場(chǎng)長(zhǎng)區(qū)間為30m ～60m”“廣場(chǎng)寬30m ～50m”縮小最優(yōu)解的范圍，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值，得到100 個(gè)可使用的目標(biāo)方案，如圖4 所示。

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

由于約束指標(biāo)數(shù)量有限，且部分方案是明顯不符合設(shè)計(jì)要求的，需要使用幾種優(yōu)化方法進(jìn)行多次迭代。因此，使用Like This 設(shè)計(jì)方法，在優(yōu)化過(guò)的區(qū)間重新設(shè)定約束條件，尋找滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)計(jì)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(biāo)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(diǎn)圖尺寸及顏色根據(jù)總建筑面積不同變化，得到各個(gè)方案的散點(diǎn)氣泡圖，如圖5 所示。

圖5 衍生式設(shè)計(jì)方案散點(diǎn)氣泡分析圖

通過(guò)以上衍生設(shè)計(jì)優(yōu)化步驟，以總建筑面積最大為最終目標(biāo)，最終確定方案建筑數(shù)量為2，總建筑面積305 652.885m2，主廣場(chǎng)長(zhǎng)50m，主廣場(chǎng)寬28m，廣場(chǎng)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(xiàng)目初始規(guī)劃約束目標(biāo)。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(xiàng)目建模，如圖6 所示。

圖6 衍生式設(shè)計(jì)方案最終模型效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，一方面取決于工程設(shè)計(jì)人員的知識(shí)積累和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，另一方面又需要其足夠的想象力和創(chuàng)造力。本文針對(duì)區(qū)域建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，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(tái)，提出的基于BIM 的衍生式設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)師在區(qū)域建筑規(guī)劃中快速設(shè)計(jì)和比選方案提供了新的思路和實(shí)現(xiàn)路徑。研究實(shí)例表明，采用衍生設(shè)計(jì)方法，通過(guò)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(jì)算機(jī)程序批量執(zhí)行，不僅生成方案速度快，而且簡(jiǎn)單易用、穩(wěn)定可靠，大大地提高了設(shè)計(jì)師在規(guī)劃方案設(shè)計(jì)階段的工作效率。本研究借助衍生設(shè)計(jì)二次開發(fā)，通過(guò)在規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jì)人員提供了新的路徑和思路，進(jìn)一步豐富和深化了BIM 的應(yīng)用價(jià)值。