產(chǎn)業(yè)園區(qū)建筑的自動布局實驗
——基于遺傳算法優(yōu)化

黃陳瑤 ，吉國華 （南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210046）

0 前言

產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)可以有效的集聚產(chǎn)業(yè),給產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供空間和配套設(shè)施方面的支持,提高了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的效率,有力的推動著經(jīng)濟社會向前發(fā)展。多樣化的園區(qū)布局方案對形成具有指導(dǎo)意義的規(guī)劃路徑有著積極的影響。對建筑師而言，產(chǎn)業(yè)園的規(guī)劃設(shè)計是一個較為繁瑣且重復(fù)性較高的工作，需要耗費過多的精力。產(chǎn)業(yè)園建筑對于組團分布的要求較高，建筑師憑借著自身的設(shè)計經(jīng)驗和規(guī)范進行設(shè)計，由于自身的局限性，在布局多樣性方面通常都有所欠缺，這對于產(chǎn)業(yè)園后期的發(fā)展較為不利。如果能夠設(shè)置出相應(yīng)的規(guī)則，利用計算機計算后，得到多種布局的可能，這無疑可以在節(jié)省人力的同時給設(shè)計師提供更多的參考。

遺傳算法的優(yōu)化方式發(fā)展至今已較為成熟，且在多個領(lǐng)域都得到了廣泛的運用。近年來已經(jīng)有學(xué)者利用遺傳算法對建筑學(xué)問題展開了研究。遺傳算法可以模擬生物進化的步驟，通過維持一組可行解，并通過對可行解的重新組合，改進可行解在多維空間內(nèi)的移動軌跡或趨向，最終走向最優(yōu)解。從本質(zhì)上看，產(chǎn)業(yè)園的布局問題是尋找符合設(shè)定條件的多種要素分布的最優(yōu)解問題。因而在解決產(chǎn)業(yè)園布局的問題上可以采用遺傳算法優(yōu)化的思路。本課題從設(shè)計規(guī)范著手，將設(shè)計規(guī)范當中的要求設(shè)置為約束條件，研究基于遺傳算法的產(chǎn)業(yè)園建筑自動布局問題的解決方法。進行遺傳算法優(yōu)化的工具選用Rhino中的設(shè)計插件Grasshopper平臺上所提供的Galapagos（圖1）優(yōu)化算法電池。

圖1 Galapagos的使用界面

1 產(chǎn)業(yè)園建筑單體生成

在產(chǎn)業(yè)園的設(shè)計過程中，建筑單體、園區(qū)內(nèi)的道路、建筑組團、園內(nèi)景觀等具備不同特征和大小的元素都可以作為研究對象用于遺傳算法尋優(yōu)當中。在本課題的自動布局實驗研究中，希望建筑單體在園區(qū)內(nèi)進行自動排布時有更高的自由度，因而選用產(chǎn)業(yè)園建筑單體作為優(yōu)化實驗中的研究對象。

產(chǎn)業(yè)園內(nèi)的建筑類型比較豐富，除了工業(yè)建筑外，辦公類建筑和住宅類建筑在產(chǎn)業(yè)園也都比較常見。我們將較常用的建筑平面形狀抽象成三種簡單的圖形：矩形、L形、凹形，并用VB.NET語言編寫生成，三種圖形分別可以通過調(diào)整其各邊的參數(shù)來控制大小和形狀。將生成的圖形和建筑單體的高度輸入到立體生成的電池中可擠出體塊，這個體塊即代表建筑單體。設(shè)置出各個建筑單體的基準點即每個圖形的中心點，中心點的坐標可以控制建筑單體的位置。中心點的坐標（X，Y）值分別用Grasshopper中的基因皿電池來表示，（X，Y）值代表了建筑單體的位置，基因皿中值的數(shù)量代表了X和Y的數(shù)量，也就代表了建筑單體的數(shù)量（圖2）。

2 設(shè)置優(yōu)化條件和最優(yōu)目標

圖2 三種類型建筑單體的參數(shù)化生成

在自動布局中，建筑單體的分布形式需要滿足設(shè)計規(guī)范和設(shè)計需要。在產(chǎn)業(yè)園的布局中，針對間距、高度、朝向、景觀等多個方面都可以設(shè)定約束條件。本文著重于建筑的間距和組團形態(tài)的研究，通過把抽象的圖形關(guān)系轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)字邏輯，運用遺傳算法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)建筑的自動排布。

2.1 用地紅線的限制

在布局設(shè)計中，用地紅線對于建筑單體位置的約束是很嚴格的，建筑單體必須在用地紅線界內(nèi)運動。因此建筑單體的中心點的坐標區(qū)間應(yīng)當根據(jù)用地紅線的范圍來設(shè)定，盡量讓建筑在紅線范圍內(nèi)活動。對于產(chǎn)業(yè)園的自動布局尋優(yōu)，實現(xiàn)用地紅線的約束力需要設(shè)置相對應(yīng)的判斷標準，讓計算機能夠智能的“識別”出建筑物是否處于用地范圍內(nèi)且當建筑不處于用地內(nèi)時可以誘導(dǎo)建筑物向用地線內(nèi)移動。計算出在用地紅線外的建筑物的底面積之和，當數(shù)據(jù)為0時，表明建筑不存在出界的情況。反之，建筑需要向地界內(nèi)移動來縮小出界的面積值，用地紅線對于建筑物相對位置的約束可以由此實現(xiàn)。

2.2 建筑物之間防火間距的限制

產(chǎn)業(yè)園建筑之間的距離需要嚴格滿足建筑規(guī)范中對于防火間距的規(guī)定，對于日照間距的要求則可以適當?shù)姆艑挕Ｒ虼嗽谶M行自動布局時，可以出于人對日照和舒適度的需要選擇將南北向防火間距適當放寬。而對于建筑物東西向的間距則分為兩個部分，不同的建筑類型之間需要滿足防火間距，而同類型矩形建筑之間可以組合拼接。

2.2.1.南北向間距的約束方法

根據(jù)建筑防火規(guī)范和日照間距系數(shù)計算出建筑南北向的間距，可以將此間距設(shè)想為一個區(qū)域，這個區(qū)域意味著其他建筑不能夠進入。建筑單體底面的形狀和大小決定了該區(qū)域的范圍。

在設(shè)計建筑單體時就可以將建筑間距作為可以調(diào)節(jié)的參數(shù)設(shè)定出來。單體為矩形時，根沿南北向間距偏移生成一個矩形。單體為L形時，不考慮建筑發(fā)生組合拼接的可能，南北向和東西向的間距區(qū)域可以一起設(shè)定，生成一個L形的區(qū)域。單體為凹形時，南北和東西向同時生成，且需要注意建筑凹進的部分不適宜再插入其他建筑，因此要把這個部分也考慮在間距約束的范圍內(nèi)。當凹形凸出部分長度相同時，生成的范圍是一個矩形。當長度不同時，則生成L形（圖3）。

圖3 根據(jù)防火間距設(shè)定出的建筑區(qū)域

評判建筑布局是否滿足要求，需要進一步判斷建筑相對位置之間的間距是否滿足設(shè)定的防火間距。計算每一個建筑單體與其他建筑單體的間距范圍所合并形成的圖形之間相交的面積總和。如果面積和為0，則表示建筑單體之間滿足建筑的間距要求，反之則未曾滿足。當建筑單體之間的相對位置不符合防火間距時，建筑單體需要移動至其他建筑物的禁區(qū)之外，這樣可以實現(xiàn)建筑防火間距對于建筑物相對位置的約束作用。

2.2.2.東西向間距的約束方法

東西向間距的約束只針對平面為矩形的建筑。以其南北向的間距范圍的端點為基點，形成兩個矩形為東西間距的范圍（圖4）。

圖4 同類矩形建筑東西向間距

對于不同類的矩形建筑，東西向間距約束的判斷方式與上述求南北間距重合面積的計算方式一致，將求出相交的面積和記為S1。而同類的矩形建筑需要將每一個建筑與同類的其他建筑的東西間距范圍兩兩相交，判斷所求出的每一個相交面積是否等于兩個同類矩形正好拼接時所重合的面積，如等于則輸出0，如不等于則正常輸出重合面積值，將所有的面積值相加最后得到的面積之和記為S2。將S1和S2相加的結(jié)果作為東西向間距控制建筑單體布局的約束值。

2.3 建筑組團的限制

組團是由建筑功能較為單一的同類建筑單體構(gòu)成的單元。在產(chǎn)業(yè)園的布局中，希望能夠?qū)⑾嗤愋偷慕ㄖ误w組合形成集中式的組團，以便將同類產(chǎn)業(yè)聚集起來。

利用Grasshopper中的電池獲取相同類型的建筑單體所處于最外側(cè)的角點并連接，使之圍合成一個封閉的圖形（圖5）。這個圖形是需要組團的建筑形成的禁區(qū)范圍。這意味著除了同類型的建筑單體可以在此范圍之內(nèi)以外，其他類型的建筑單體其底面是不能夠進入禁區(qū)的。不僅如此，組團和組團之間也不能夠有交集，也就是禁區(qū)需要彼此獨立。計算建筑單體與非同類建筑形成的禁區(qū)的接觸面積，以及禁區(qū)之間相交的面積值，相加以判斷組團形態(tài)是否滿足要求。

組團效應(yīng)的產(chǎn)生是源于組團內(nèi)建筑的集聚，因此組團還需要有一定的集中度。在滿足防火間距的基礎(chǔ)上，計算出形成組團的同類建筑能夠形成的最小圍合面積值，在計算時不斷將當前圍合的面積值和最小值進行對比，使其向這個值不斷靠近。

圖5 組團范圍

2.4 優(yōu)化目標的確立

把建筑地界、間距、組團的約束生成的每一個結(jié)果都看作單個的目標值，為形成合理的產(chǎn)業(yè)園區(qū)建筑自動布局，需要同時滿足這些單目標值。把單目標值通過某種數(shù)學(xué)方式組合產(chǎn)生最終目標值輸入Galapagos進行運算。

3 參數(shù)設(shè)置和實驗評價

3.1 參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化目標確立

產(chǎn)業(yè)園自動布局實驗可以自主外部調(diào)節(jié)的參數(shù)有建筑形狀、棟數(shù)和建筑間距等。實驗設(shè)置，場地大小為：30×20m，建筑棟數(shù)總數(shù)為16棟，其中矩形10棟，平面尺寸為40×20m，建筑高度為24m；L形4棟，平面尺寸為40×40m，建筑高度為50.4m；凹形2棟，平面尺寸°為40×60m，建筑高度為79.8m。建筑的旋轉(zhuǎn)角度為0。設(shè)定組團數(shù)為1個，建筑間距設(shè)定按照防火規(guī)范。生成模型的初始狀態(tài)見圖6

圖6 建筑模型初始狀態(tài)

將約束條件產(chǎn)生的單目標值相乘得到最終目標值，相乘的方式使得每個目標都會較大程度上的影響到最終目標值，理論上可以促使較差值得到較快的優(yōu)化。優(yōu)化前雙擊Galapagos電池，設(shè)定合適的參數(shù)，點擊“start solvers”開始運算。運算結(jié)果見圖7。

圖7 自動布局生成結(jié)果

3.2 實驗結(jié)果評價

對于產(chǎn)業(yè)園，規(guī)范和設(shè)計目標是它是否合格的評判標準，我們的目的是形成可供建筑師參考的結(jié)而非唯一的設(shè)計結(jié)果。最終形成的布局滿足了場地規(guī)范，在滿足防火間距的同時，同類建筑出現(xiàn)了組合拼接的情況，但是只形成了一組拼接，在布局中顯得不甚和諧；相同類型的單體形成明顯的集中式組團，但組團內(nèi)的建筑分布沒有呈現(xiàn)均質(zhì)的狀態(tài)。此外，建筑的棟數(shù)設(shè)置的較少，建筑分布比較分散，沒有形成充分利用容積率的集約式布局。

4 結(jié)語

選擇基于遺傳算法的優(yōu)化方式在grasshopper平臺上進行規(guī)范約束下的產(chǎn)業(yè)園建筑的自動布局，是由人工向計算機生成設(shè)計轉(zhuǎn)變的一次嘗試。目前所完成的實驗，雖然最終自動生成了多種符合約束條件的布局形態(tài)，但從嚴格意義上來說還只是一個比較基礎(chǔ)的構(gòu)建，現(xiàn)實中的規(guī)劃布局所面臨的問題更加實際和復(fù)雜，有很多設(shè)計目標尚未轉(zhuǎn)換成數(shù)字邏輯考慮在本次實驗之內(nèi)。

實驗所呈現(xiàn)出的多樣化的自動布局成果，是通過設(shè)定不同的初始參數(shù)，多次在遺傳算法里迭代尋優(yōu)產(chǎn)生的，模型的本身卻不一定復(fù)雜。對于建筑師而言,只需要在熟悉的軟件中設(shè)定好所需要的規(guī)則和目標并使用遺傳算法優(yōu)化工具進行運算，就可以達到預(yù)期的結(jié)果。這無疑為產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃布局中大量重復(fù)的運算問題提供了一個新的解題思路。