基于BIM 衍生式设计的区域性建筑规划方案智能优选研究

罗荃 周建亮 景慧情

（中国矿业大学力学与土木工程学院，徐州 221000）

引言

随着建筑行业信息化、智能化的发展，BIM 技术在全球范围内的应用广度和深度不断扩展[1]。衍生式设计是一种使用参数化定义的规则生成复杂的解决方案的方法。衍生式设计和BIM 的集成作为一种新技术整合，可以利用人工智能算法自动生成和寻找最优解决方案，大大提高BIM 在早期规划阶段的设计能力和工作效率。

近年来，随着BIM 技术在工程领域运用的兴起，出现很多利用衍生式设计算法探索解决区域建筑规划的方法与优秀的应用实例。张馨元[2]针对产业园区规划中的原则性约束和设计性约束，利用多智能体系统，建构由环境要素等模块组成的产业园区建筑自动布局衍生式模型。张柏洲等[3]基于多智能体系统，探索住宅区域规划的生成设计方法，解决规划中地块划分等建筑空间设计问题。Nagy 等[4]利用多目标遗传算法对建筑室内空间规划进行衍生设计，以根据建筑性能以及特定的偏好来评估每个布局。王江等[5]提出一种基于形状语法的AutoCons 可持续住区模型，结果显示基于“规则”的住区生成设计流程在空间形态的分阶段控制上优于基于“蓝图式”的常规设计流程。在衍生式设计的案例研究中，Salimzadeh 等[6]提出了一种基于对光伏幕墙模块优化布局探索的BIM 衍生设计流程。Nagy 等[7]通过调查以城市为规模的衍生设计的潜力，对住宅小区太阳能电池板布局进行衍生设计的应用。Jose 等[8]结合环境、成本和美学等约束条件，对建筑防护网布局进行衍生式设计。

由此可见，BIM 技术在常规建筑设计具备一定的成熟度，但是对于多方案初步设计的选择上，传统的BIM 建模手段显得冗杂，制约了BIM 技术在建筑规划设计中的发展。本文基于衍生设计技术，结合项目规划阶段建筑布局方案设计过程复杂、任务量大的特点，利用Dynamo 平台，建立了一套建筑布局的衍生式智能设计方法，可迅速生成大量的可供选择的建筑布局方案，并且形成各个优选方案的可视化BIM 模型，实现了在既定约束条件下的规划方案快速生成与比选，大大提高了BIM 在早期规划阶段的设计能力和工作效率，为我国建设行业更深入地挖掘BIM 应用价值提供了参考和借鉴。

1 基于BIM 的衍生式设计方法概述

基于BIM 的衍生式设计是建筑行业在人工智能背景下的变革性探索，将衍生设计应用于建筑行业的早期设计阶段，用自动化的方式帮助设计师完成庞大繁琐的设计优化。Krish[9]从设计的角度将衍生过程分为设计模式、创造变化的手段及选择理想结果的手段三个部分。Marsh[10]从性能测量的角度讨论了衍生设计组件的配置变化、性能指标和决策响应。根据不同角度的研究目标，衍生式设计的工作过程可以总结为六个阶段：生成、分析、排列、进化、探索和整合。根据以上标准，以Dynamo 为编程平台，建立衍生设计的流程如图1 所示。

图1 衍生设计流程

衍生式设计方法有多种实现方式，Singh 等[11]对五种衍生式设计技术（Lindenmayer 系统、元胞自动机、遗传算法、群体智能和形状语法）进行了回顾。根据设计问题的特点，确定了每种技术的潜在用途，并强调了每种技术的优势和挑战。基于BIM 的衍生式设计采用NSGA-II（二代非支配排序遗传算法）优化算法，该算法是一种基于种群的多目标优化的元启发式优化算法，算法核心使用种群特征来指导搜索，运行过程中对多个候选解决方案进行维护和改进，通过选择、交叉、突变等操作，生成高质量的解决方案。在遗传算法中处理的每一轮优化都被称为一代。NSGA-II 算法的实现逻辑为：设定初始种群与进化代数，运行程序，判断是否生成了第一代子种群，若已生成则令进化代数为2，否则，对初始种群重新进行迭代。以此循环，每个种群的选择、交叉和突变过程会发生n 次。多次的计算、筛选和进化，最终通过不断地对种群的合并迭代，生成一定数量满足若干约束的可选择方案。

2 区域性建筑规划方案的约束分析

区域建筑规划布局问题是一个复杂的组合最优化问题。在该问题中，根据整体协调性的设计，往往会忽略其他影响因素。区域建筑规划布局约束可以分为以下几类：与位置相关的拓扑约束、与功能相关的功能约束、与尺寸相关的几何约束以及“以人为本”的人体工程学约束。

2.1 与位置相关的拓扑约束

区域建筑规划布局的拓扑约束则是指建筑与其他对象之间的位置关系，如建筑相邻关系、道路相对方位关系等。

2.2 与功能相关的功能约束

区域建筑规划布局的功能约束是指在设计过程中需要实现特定的功能需求，如楼层高度、建筑的出入口、路口位置安放等应满足施工要求。

2.3 与尺寸相关的几何约束

确定平面内各物体之间的位置关系，是保证设计合理性的重要条件。区域建筑规划布局的几何约束是指整个规划空间的大小对建筑物、施工场地等对象物理大小的限制，如建筑物几何尺寸、空地面积及道路宽度等。

2.4 “以人为本”的人体工程学约束

人体工程学研究将人、物体、环境三大要素间相互协调关系的学科。该约束要求区域建筑布局设计要满足人们在安全、健康、高效能和舒适等方面的需求。在区域规划布局设计中以人体尺度、“人—物—环境”对人心理和生理造成的影响等为依据，本研究充分考虑建筑入口距离道路距离、道路宽度与街道密度比及场地绿化率等因素条件对人活动的影响，使设计更为科学和有依可循。

3 多约束条件下区域性建筑规划智能化生成应用实证

3.1 方案初始条件定义与优化目标设置

本文以徐州市某商业地块规划设计为例，初始用地为东侧南北走向为200m、东西走向为150m 的一块矩形场地，如图2 所示。根据项目要求，项目建筑功能区包括建筑类、广场区、道路区和绿化区，其中建筑类包括商业、办公和住宅等三种建筑业态，相关规划及设计的初始约束指标如表1 所示。基于Song 等[12]提出了五类测量方法：街道网络连通性、密度、土地利用组合、可达性和行人步行性。本文结合设计要求在设计优化目标中考虑在地区尺度上对城市形态的测量中引入包括单体建筑占地面积、建筑数量、建筑类型重要性、广场用地、街道密度比例及绿化率等优化指标。这些指标中的一个或一些可以是优化引擎的适应度目标，也可以只是为用户自己的判断设计指标，以此通过衍生设计寻找符合用户期望的目标设计方案。

表1 项目初始规划约束目标

图2 项目初始场地图

3.2 Dynamo 参数化方案设计

衍生式设计参数化方案设计阶段包含变量输入、变量输出和方案生成三个阶段。

（1）变量输入阶段。Dynamo 是Revit 软件中的一个可视化编程平台，在Dynamo 中已经完成的代码中，将输入数据的Number Slide 节点属性设置为“为输入”，数据通过Dynamo 读入Revit 模型中的源数据。本案例中的与Revit 交互的变量输入读取为场地边界线、场地方向线、场地绿植，通过Element Select 节点进行变量选择；

（2）变量输出阶段。通过将Watch 等节点属性设置为“为输出”，已编写完成的代码程序通过调用常量和变量进行逻辑运算，得出对应指标数值，并输出相关结果；

（3）方案生成阶段。完成“变量输入”、“变量输出”两个阶段，在Dynamo 中生成一次特定参数下逻辑算法且无误生成特定的解决方案，如图3 所示。该阶段主要是调用程序内部的遗传算法进行运转。方案生成主要是对相关参数进行设置，主要有衍生方法选择、变量选择、目标设置、约束设置及生成设置。衍生式设计具有四种生成算法，分别是Optimize、Randomize、Like This、Cross Product，每种生成方式需要定义的指标各不相同。变量选择、目标设置和约束设置则是将Dynamo 脚本中的输入、输出参量进行设置，为每个目标选择输入输出范围，以及将优化目标限定在特定范围进行设置。生成设置阶段包含规模大小、生成数、结果数及种子四个指标，通过对指标的设置决定了程序的迭代次数、运行速度及生成的结果数目。为确保能够找到符合期望的结果，生成规模数必须足够大。

图3 衍生式设计方案生成阶段初始运行结果

3.3 衍生式设计方案审核与评价

方案审核与评价是对生成的所有方案进行精确评价和快速筛选出目标方案。明晰约束条件及优化目标，利用Dynamo 节点获取Revit 模型中的数据并进行编程，完成逻辑关系到计算机可识别的编程语言的转译。本文使用Optimize 型设计方法，设定方案数为50，每个方案迭代次数为40，生成2 000 个随机方案，衍生设计结果按照“建筑面积”约束指标进行排序，并对随机生成的设计方案根据优化目标限定约束条件“建筑数量≥2”“广场长区间为30m ～60m”“广场宽30m ～50m”缩小最优解的范围，确定评价指标的取值，得到100 个可使用的目标方案，如图4 所示。

图4 基于Optimize 型设计方法的衍生式设计方案运行结果预览图

由于约束指标数量有限，且部分方案是明显不符合设计要求的，需要使用几种优化方法进行多次迭代。因此，使用Like This 设计方法，在优化过的区间重新设定约束条件，寻找满足评价指标的设计方案，即最优解的最小区间。根据Like This 衍生结果，将坐标轴X 轴设置为建筑面积偏差，Y 轴设置为总建筑面积，散点图尺寸及颜色根据总建筑面积不同变化，得到各个方案的散点气泡图，如图5 所示。

图5 衍生式设计方案散点气泡分析图

通过以上衍生设计优化步骤，以总建筑面积最大为最终目标，最终确定方案建筑数量为2，总建筑面积305 652.885m²，主广场长50m，主广场宽28m，广场区面积1 814.961 m²，非建筑占地面积8 993.740m²，各建筑类型最终分配比率为：建筑类型1（商业）比例0.162，建筑类型2（住宅）比例0.091，建筑类型3（办公）比例0.747，符合项目初始规划约束目标。确定最优方案后，由于在Dynamo 程序中已经预先载入相应的楼板族、道路族等，在衍生式界面选择“创建图元”完成项目建模，如图6 所示。

图6 衍生式设计方案最终模型效果图

4 结语

建筑规划设计是一个复杂的过程，一方面取决于工程设计人员的知识积累和项目经验，另一方面又需要其足够的想象力和创造力。本文针对区域建筑规划设计的特点，基于参数化建模的原理，以 Autodesk Revit 为基础软件，以Dynamo 为开发平台，提出的基于BIM 的衍生式设计方法，为设计师在区域建筑规划中快速设计和比选方案提供了新的思路和实现路径。研究实例表明，采用衍生设计方法，通过设定变量参数、优化方法及约束条件等基本信息输入，将大量繁琐的方案生成操作交由计算机程序批量执行，不仅生成方案速度快，而且简单易用、稳定可靠，大大地提高了设计师在规划方案设计阶段的工作效率。本研究借助衍生设计二次开发，通过在规划设计约束条件下快速智能优选区域布局方案的探索，为工程设计人员提供了新的路径和思路，进一步丰富和深化了BIM 的应用价值。