產業園區建筑的自動布局實驗
——基于遺傳算法優化

黃陳瑤 ，吉國華 （南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇 南京 210046）

0 前言

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

遺傳算法的優化方式發展至今已較為成熟，且在多個領域都得到了廣泛的運用。近年來已經有學者利用遺傳算法對建筑學問題展開了研究。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的移動軌跡或趨向，最終走向最優解。從本質上看，產業園的布局問題是尋找符合設定條件的多種要素分布的最優解問題。因而在解決產業園布局的問題上可以采用遺傳算法優化的思路。本課題從設計規范著手，將設計規范當中的要求設置為約束條件，研究基于遺傳算法的產業園建筑自動布局問題的解決方法。進行遺傳算法優化的工具選用Rhino中的設計插件Grasshopper平臺上所提供的Galapagos（圖1）優化算法電池。

圖1 Galapagos的使用界面

1 產業園建筑單體生成

在產業園的設計過程中，建筑單體、園區內的道路、建筑組團、園內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內進行自動排布時有更高的自由度，因而選用產業園建筑單體作為優化實驗中的研究對象。

產業園內的建筑類型比較豐富，除了工業建筑外，辦公類建筑和住宅類建筑在產業園也都比較常見。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整其各邊的參數來控制大小和形狀。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，基因皿中值的數量代表了X和Y的數量，也就代表了建筑單體的數量（圖2）。

2 設置優化條件和最優目標

圖2 三種類型建筑單體的參數化生成

在自動布局中，建筑單體的分布形式需要滿足設計規范和設計需要。在產業園的布局中，針對間距、高度、朝向、景觀等多個方面都可以設定約束條件。本文著重于建筑的間距和組團形態的研究，通過把抽象的圖形關系轉化為具體的數字邏輯，運用遺傳算法實現產業園區建筑的自動排布。

2.1 用地紅線的限制

在布局設計中，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運動。因此建筑單體的中心點的坐標區間應當根據用地紅線的范圍來設定，盡量讓建筑在紅線范圍內活動。對于產業園的自動布局尋優，實現用地紅線的約束力需要設置相對應的判斷標準，讓計算機能夠智能的“識別”出建筑物是否處于用地范圍內且當建筑不處于用地內時可以誘導建筑物向用地線內移動。計算出在用地紅線外的建筑物的底面積之和，當數據為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。

2.2 建筑物之間防火間距的限制

產業園建筑之間的距離需要嚴格滿足建筑規范中對于防火間距的規定，對于日照間距的要求則可以適當的放寬。因此在進行自動布局時，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

根據建筑防火規范和日照間距系數計算出建筑南北向的間距，可以將此間距設想為一個區域，這個區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域的范圍。

在設計建筑單體時就可以將建筑間距作為可以調節的參數設定出來。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，不考慮建筑發生組合拼接的可能，南北向和東西向的間距區域可以一起設定，生成一個L形的區域。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。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 根據防火間距設定出的建筑區域

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之外，這樣可以實現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成的單元。在產業園的布局中，希望能夠將相同類型的建筑單體組合形成集中式的組團，以便將同類產業聚集起來。

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范圍。這意味著除了同類型的建筑單體可以在此范圍之內以外，其他類型的建筑單體其底面是不能夠進入禁區的。不僅如此，組團和組團之間也不能夠有交集，也就是禁區需要彼此獨立。計算建筑單體與非同類建筑形成的禁區的接觸面積，以及禁區之間相交的面積值，相加以判斷組團形態是否滿足要求。

組團效應的產生是源于組團內建筑的集聚，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果都看作單個的目標值，為形成合理的產業園區建筑自動布局，需要同時滿足這些單目標值。把單目標值通過某種數學方式組合產生最終目標值輸入Galapagos進行運算。

3 參數設置和實驗評價

3.1 參數設置和優化目標確立

產業園自動布局實驗可以自主外部調節的參數有建筑形狀、棟數和建筑間距等。實驗設置，場地大小為：30×20m，建筑棟數總數為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。建筑的旋轉角度為0。設定組團數為1個，建筑間距設定按照防火規范。生成模型的初始狀態見圖6

圖6 建筑模型初始狀態

將約束條件產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化。優化前雙擊Galapagos電池，設定合適的參數，點擊“start solvers”開始運算。運算結果見圖7。

圖7 自動布局生成結果

3.2 實驗結果評價

對于產業園，規范和設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而非唯一的設計結果。最終形成的布局滿足了場地規范，在滿足防火間距的同時，同類建筑出現了組合拼接的情況，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，但組團內的建筑分布沒有呈現均質的狀態。此外，建筑的棟數設置的較少，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 結語

選擇基于遺傳算法的優化方式在grasshopper平臺上進行規范約束下的產業園建筑的自動布局，是由人工向計算機生成設計轉變的一次嘗試。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，但從嚴格意義上來說還只是一個比較基礎的構建，現實中的規劃布局所面臨的問題更加實際和復雜，有很多設計目標尚未轉換成數字邏輯考慮在本次實驗之內。

實驗所呈現出的多樣化的自動布局成果，是通過設定不同的初始參數，多次在遺傳算法里迭代尋優產生的，模型的本身卻不一定復雜。對于建筑師而言,只需要在熟悉的軟件中設定好所需要的規則和目標并使用遺傳算法優化工具進行運算，就可以達到預期的結果。這無疑為產業園規劃布局中大量重復的運算問題提供了一個新的解題思路。