产业园区建筑的自动布局实验——基于遗传算法优化

黄陈瑶 ，吉国华 （南京大学建筑与城市规划学院，江苏 南京 210046）

0 前言

产业园的建设可以有效的集聚产业,给产业发展提供空间和配套设施方面的支持,提高了产业发展的效率,有力的推动着经济社会向前发展。多样化的园区布局方案对形成具有指导意义的规划路径有着积极的影响。对建筑师而言，产业园的规划设计是一个较为繁琐且重复性较高的工作，需要耗费过多的精力。产业园建筑对于组团分布的要求较高，建筑师凭借着自身的设计经验和规范进行设计，由于自身的局限性，在布局多样性方面通常都有所欠缺，这对于产业园后期的发展较为不利。如果能够设置出相应的规则，利用计算机计算后，得到多种布局的可能，这无疑可以在节省人力的同时给设计师提供更多的参考。

遗传算法的优化方式发展至今已较为成熟，且在多个领域都得到了广泛的运用。近年来已经有学者利用遗传算法对建筑学问题展开了研究。遗传算法可以模拟生物进化的步骤，通过维持一组可行解，并通过对可行解的重新组合，改进可行解在多维空间内的移动轨迹或趋向，最终走向最优解。从本质上看，产业园的布局问题是寻找符合设定条件的多种要素分布的最优解问题。因而在解决产业园布局的问题上可以采用遗传算法优化的思路。本课题从设计规范着手，将设计规范当中的要求设置为约束条件，研究基于遗传算法的产业园建筑自动布局问题的解决方法。进行遗传算法优化的工具选用Rhino中的设计插件Grasshopper平台上所提供的Galapagos（图1）优化算法电池。

图1 Galapagos的使用界面

1 产业园建筑单体生成

在产业园的设计过程中，建筑单体、园区内的道路、建筑组团、园内景观等具备不同特征和大小的元素都可以作为研究对象用于遗传算法寻优当中。在本课题的自动布局实验研究中，希望建筑单体在园区内进行自动排布时有更高的自由度，因而选用产业园建筑单体作为优化实验中的研究对象。

产业园内的建筑类型比较丰富，除了工业建筑外，办公类建筑和住宅类建筑在产业园也都比较常见。我们将较常用的建筑平面形状抽象成三种简单的图形：矩形、L形、凹形，并用VB.NET语言编写生成，三种图形分别可以通过调整其各边的参数来控制大小和形状。将生成的图形和建筑单体的高度输入到立体生成的电池中可挤出体块，这个体块即代表建筑单体。设置出各个建筑单体的基准点即每个图形的中心点，中心点的坐标可以控制建筑单体的位置。中心点的坐标（X，Y）值分别用Grasshopper中的基因皿电池来表示，（X，Y）值代表了建筑单体的位置，基因皿中值的数量代表了X和Y的数量，也就代表了建筑单体的数量（图2）。

2 设置优化条件和最优目标

图2 三种类型建筑单体的参数化生成

在自动布局中，建筑单体的分布形式需要满足设计规范和设计需要。在产业园的布局中，针对间距、高度、朝向、景观等多个方面都可以设定约束条件。本文着重于建筑的间距和组团形态的研究，通过把抽象的图形关系转化为具体的数字逻辑，运用遗传算法实现产业园区建筑的自动排布。

2.1 用地红线的限制

在布局设计中，用地红线对于建筑单体位置的约束是很严格的，建筑单体必须在用地红线界内运动。因此建筑单体的中心点的坐标区间应当根据用地红线的范围来设定，尽量让建筑在红线范围内活动。对于产业园的自动布局寻优，实现用地红线的约束力需要设置相对应的判断标准，让计算机能够智能的“识别”出建筑物是否处于用地范围内且当建筑不处于用地内时可以诱导建筑物向用地线内移动。计算出在用地红线外的建筑物的底面积之和，当数据为0时，表明建筑不存在出界的情况。反之，建筑需要向地界内移动来缩小出界的面积值，用地红线对于建筑物相对位置的约束可以由此实现。

2.2 建筑物之间防火间距的限制

产业园建筑之间的距离需要严格满足建筑规范中对于防火间距的规定，对于日照间距的要求则可以适当的放宽。因此在进行自动布局时，可以出于人对日照和舒适度的需要选择将南北向防火间距适当放宽。而对于建筑物东西向的间距则分为两个部分，不同的建筑类型之间需要满足防火间距，而同类型矩形建筑之间可以组合拼接。

2.2.1.南北向间距的约束方法

根据建筑防火规范和日照间距系数计算出建筑南北向的间距，可以将此间距设想为一个区域，这个区域意味着其他建筑不能够进入。建筑单体底面的形状和大小决定了该区域的范围。

在设计建筑单体时就可以将建筑间距作为可以调节的参数设定出来。单体为矩形时，根沿南北向间距偏移生成一个矩形。单体为L形时，不考虑建筑发生组合拼接的可能，南北向和东西向的间距区域可以一起设定，生成一个L形的区域。单体为凹形时，南北和东西向同时生成，且需要注意建筑凹进的部分不适宜再插入其他建筑，因此要把这个部分也考虑在间距约束的范围内。当凹形凸出部分长度相同时，生成的范围是一个矩形。当长度不同时，则生成L形（图3）。

图3 根据防火间距设定出的建筑区域

评判建筑布局是否满足要求，需要进一步判断建筑相对位置之间的间距是否满足设定的防火间距。计算每一个建筑单体与其他建筑单体的间距范围所合并形成的图形之间相交的面积总和。如果面积和为0，则表示建筑单体之间满足建筑的间距要求，反之则未曾满足。当建筑单体之间的相对位置不符合防火间距时，建筑单体需要移动至其他建筑物的禁区之外，这样可以实现建筑防火间距对于建筑物相对位置的约束作用。

2.2.2.东西向间距的约束方法

东西向间距的约束只针对平面为矩形的建筑。以其南北向的间距范围的端点为基点，形成两个矩形为东西间距的范围（图4）。

图4 同类矩形建筑东西向间距

对于不同类的矩形建筑，东西向间距约束的判断方式与上述求南北间距重合面积的计算方式一致，将求出相交的面积和记为S1。而同类的矩形建筑需要将每一个建筑与同类的其他建筑的东西间距范围两两相交，判断所求出的每一个相交面积是否等于两个同类矩形正好拼接时所重合的面积，如等于则输出0，如不等于则正常输出重合面积值，将所有的面积值相加最后得到的面积之和记为S2。将S1和S2相加的结果作为东西向间距控制建筑单体布局的约束值。

2.3 建筑组团的限制

组团是由建筑功能较为单一的同类建筑单体构成的单元。在产业园的布局中，希望能够将相同类型的建筑单体组合形成集中式的组团，以便将同类产业聚集起来。

利用Grasshopper中的电池获取相同类型的建筑单体所处于最外侧的角点并连接，使之围合成一个封闭的图形（图5）。这个图形是需要组团的建筑形成的禁区范围。这意味着除了同类型的建筑单体可以在此范围之内以外，其他类型的建筑单体其底面是不能够进入禁区的。不仅如此，组团和组团之间也不能够有交集，也就是禁区需要彼此独立。计算建筑单体与非同类建筑形成的禁区的接触面积，以及禁区之间相交的面积值，相加以判断组团形态是否满足要求。

组团效应的产生是源于组团内建筑的集聚，因此组团还需要有一定的集中度。在满足防火间距的基础上，计算出形成组团的同类建筑能够形成的最小围合面积值，在计算时不断将当前围合的面积值和最小值进行对比，使其向这个值不断靠近。

图5 组团范围

2.4 优化目标的确立

把建筑地界、间距、组团的约束生成的每一个结果都看作单个的目标值，为形成合理的产业园区建筑自动布局，需要同时满足这些单目标值。把单目标值通过某种数学方式组合产生最终目标值输入Galapagos进行运算。

3 参数设置和实验评价

3.1 参数设置和优化目标确立

产业园自动布局实验可以自主外部调节的参数有建筑形状、栋数和建筑间距等。实验设置，场地大小为：30×20m，建筑栋数总数为16栋，其中矩形10栋，平面尺寸为40×20m，建筑高度为24m；L形4栋，平面尺寸为40×40m，建筑高度为50.4m；凹形2栋，平面尺寸°为40×60m，建筑高度为79.8m。建筑的旋转角度为0。设定组团数为1个，建筑间距设定按照防火规范。生成模型的初始状态见图6

图6 建筑模型初始状态

将约束条件产生的单目标值相乘得到最终目标值，相乘的方式使得每个目标都会较大程度上的影响到最终目标值，理论上可以促使较差值得到较快的优化。优化前双击Galapagos电池，设定合适的参数，点击“start solvers”开始运算。运算结果见图7。

图7 自动布局生成结果

3.2 实验结果评价

对于产业园，规范和设计目标是它是否合格的评判标准，我们的目的是形成可供建筑师参考的结而非唯一的设计结果。最终形成的布局满足了场地规范，在满足防火间距的同时，同类建筑出现了组合拼接的情况，但是只形成了一组拼接，在布局中显得不甚和谐；相同类型的单体形成明显的集中式组团，但组团内的建筑分布没有呈现均质的状态。此外，建筑的栋数设置的较少，建筑分布比较分散，没有形成充分利用容积率的集约式布局。

4 结语

选择基于遗传算法的优化方式在grasshopper平台上进行规范约束下的产业园建筑的自动布局，是由人工向计算机生成设计转变的一次尝试。目前所完成的实验，虽然最终自动生成了多种符合约束条件的布局形态，但从严格意义上来说还只是一个比较基础的构建，现实中的规划布局所面临的问题更加实际和复杂，有很多设计目标尚未转换成数字逻辑考虑在本次实验之内。

实验所呈现出的多样化的自动布局成果，是通过设定不同的初始参数，多次在遗传算法里迭代寻优产生的，模型的本身却不一定复杂。对于建筑师而言,只需要在熟悉的软件中设定好所需要的规则和目标并使用遗传算法优化工具进行运算，就可以达到预期的结果。这无疑为产业园规划布局中大量重复的运算问题提供了一个新的解题思路。