專利名稱：基于遺傳算法的參數化住宅平面生成設計方法
技術領域：
本發明涉及一種基于遺傳算法的參數化住宅建筑平面方案生成設計及應用技術，屬于建筑參數化設計領域。
背景技術：
參數化設計最大的一個特點就是選擇參數建立數學函數，通過設定的計算機程序來生成結果，將建筑的設計問題轉變為邏輯推理問題。參數化設計之所以在建筑領域運用得越來越廣泛，是因為它作為一個具有啟發性的工具，可以給設計師帶來超過常規方法的設計方案，還可以解決很多復雜的設計問題，提高建筑設計的效率。具有代表性的參數化設計建筑有北京鳥巢體育館、水立方游泳館、廣州歌劇院等。在現代住宅建筑的平面方案中，絕大多數為設計師根據任務要求，按照規范及經驗進行設計，在實際過程中，很少通過計算機對住宅計算和優化。因此，設計師在住宅的空間設計與通過設計來降低能耗這兩者間很難兼顧，基于上述原因，通過電腦輔助設計的參數化建筑弓I起了人們很大的興趣。
發明內容
本發明立足于現代住宅的節能及提高土地利用率的需求，基于遺傳算法，在傳統住宅平面優化方法和生成設計方法的基礎上，從體形系數和和住宅套型面積優化兩個方面，構建適應度函數，通過計算機程序優化求解，生成了住宅平面的初步方案。本發明中基于遺傳算法的參數化住宅平面生成設計方法技術實現方案如下首先，對住宅的每個房間作為獨立的單元進行編碼，并對各單元設定相應的限定條件；其次，采用螺旋生成的邏輯方法對編碼的單元進行組合生成；然后，選取體形系數和套型面積優化兩個方面，構建適應度函數，通過選取適應值較高的輸出方案，進行反復迭代生成，以尋求全局的優化；最后，由計算機自動開始進化計算，當設計者覺得當前的設計個體已經符合設計要求，或生成的方案已經趨于平穩，或時間有限時，可以隨時停止進化計笪
ο以下對本發明的方法作進一步的描述(I)在對房間的編碼方面，首先根據房間的功能及設計要求，由設計者給定具體空間的適宜尺寸范圍，然后通過對每個房間設定一個坐標，根據房間四個面到坐標的距離來表示二維平面，得出房間的面積，記為Ai,把各個房間的面積合起來就成了設計個體染色體。任意坐標U，y)的延伸方式有北、南、西、東四種，以此可將任意二維平面表示出來，并得出房間面積。我們定義單位i的二維坐標位置如下X = U {λ-,, J,, TVi., 5,.,^.,^.}其中，G 沢鑒于簡化運算和定義，我們引進如下4個衍生變量_yWi =y,+Nt，北面單位墻體位置；ySi = y, -Si，南面單位墻體位置；χπ； = χ, - wi，西面單位墻體位置；xEi = xi + E,，東面單位墻體位置。(2)在螺旋生成的邏輯方法方面，以起居室為最初的生成單元，并設定每一個之前生成單元有八個方向可供后一個單元貼合，由圖所示。根據之前生成單元周邊的八個方向，后生成的單元隨機的選擇在其中一個方向與之前生成單元貼合，依次類推，最后生成初步的住宅平面。(3)在選取體形系數作為適應度函數方面，體形系數為建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值，因此，體形系數越小，建筑的節能越好。所以，根據國家標準并結合設計要求由設計者選取一個較低的體形系數作為適應度函數。在選取套型面積優化作為適應度函數方面，為根據人體舒適尺度，確定住宅內各
功能用房之間的面積比例之后，計算并得到各空間面積最優的同時，各房間面積之和最大限度的接近住宅的使用面積，以此提高戶型的舒適程度與土地使用率。首先，定義一組η維實數空間向量X=Iix1, χ2,…，χη]τ，其中分向量X1, X2,…，χη表示住宅設計中各個不同功能空間變量的面積，通過對分向量的面積不等式或等式約束可以達到關于η維向量X的面積優化函數的預期最優，即f (X) e [O, m]s. t. P < Lgi (X) =Xi] Sq然后由設計者結合設計目標，并設定住宅面積的使用上限為h，可以確定面積優化
的目標函數為=,在滿足初始面積約束條件P彡[gi⑴=Xi]彡q下，為了充
=1
分有效地利用土地限定空間，保證住宅面積滿足設計者的預期，就需要上限h與所有不同功能的住宅空間面積之和的差在設計者自定義范圍內，即f(x) e
，其中m為設計者自定義。為滿足條件約束我們假定f (X)是Xl，X2，…，Xn設計變量實值的連續函數，且具有二階偏導。這一假定為我們求解最優面積解集提供了保證，同時也利于面積最優函數或戶型輸出。(4)計算機自動開始進化計算，由設計者自行設定種群規模，當設計者認為當前的設計個體已經符合設計要求，或生成的方案已經趨于平穩，或時間有限時，可以隨時停止進化計算。本發明所述具有實質性特點和進步，基于遺傳算法的參數化住宅平面生成設計方法是利用三維建模軟件rhino里的v-basic腳本語言插件，在參數化建筑編程技術及遺傳算法的基礎上研發的，經過計算機的優化運算后，通過軟件可以直接生成多個可供設計師選擇的，繼續深化的初步住宅平面方案。與傳統的建筑住宅設計方法相比，該技術可以生成經電腦優化和計算后的平面方案，在節能、提高土地利用率及建筑空間舒適度方面，優于傳統的住宅平面設計方案。并可以給設計師提供大量的參考方案，減輕設計師的工作量，相比于傳統的設計方法，本發明是一個革新性很強的技術。
附圖為螺旋生成的邏輯中，其單元空間的八個方向的示意圖。
具體實施例方式本發明的實施方式如下首先，根據設計要求設定房間的數量及面積范圍；第二步，確定遺傳算法中染色體的編碼方式，在本發明中，采用簡單的參數型的編碼方式，通過對每個房間設定一個坐標，根據房間四個面到坐標的距離來表示二維平面，得出房間的面積，記為Ai,把各個房間的面積合起來就成了設計個體染色體；第三步，在遺傳交叉的操作方式上，采用將不同個體染色體中的同位基因，按照雙點交叉進行交配互換，從而完成交配機制，并且變異率采用1%;之后，選取建筑的體形系數值及住宅的套型面積優化為其適應度函數，其中，套型優化面積中由設計者結合項目要求，設定住宅面積的使用上限h，面積優化的目標函數為 J(X) = H-YjX1，在滿足初始面積約束條件P彡[gi⑴=Xi]彡q下，設定上限h與住宅空
/-I
間面積的差，即f(X) e
，本系統中m設定為5;第四步，通過螺旋生成邏輯方法進行結果生成，之后計算機自動開始進化計算，當設計者認為當前的設計個體已經符合設計要求，或生成的方案已經趨于平穩，或時間有限時，可以隨時停止進化計算。通過本發明所述的住宅建筑平面方案生成設計及應用技術，可以根據不同地區氣候及地形特點，選取了特定的要求和條件構建優化函數對住宅平面方案進行優化。本方案在體形系數和套型面積優化這兩個住宅的設計問題上，構建遺傳算法的適應度函數，有效的對體形系數進行了控制，降低了住宅的能耗，提高了住宅的面積利用率及住宅內部空間的優化，增強了住宅的空間舒適度。
權利要求
1.一種基于遺傳算法的面向住宅平面的生成設計方法，其特征在于首先，對住宅的房間進行編碼，其次，采用螺旋生成邏輯方法對編碼的單元進行組合及生成，然后，選取了體形系數和套型面積優化兩個方面，構建適應度函數，最后，經過多代的交叉繁殖后生成了可供用戶深化的住宅的平面。
2.根據權利要求I所述的這種基于遺傳算法的面向住宅平面的生成設計方法，其特征是，在編碼方面，通過對每個房間設定一個坐標，根據房間四個面到坐標的距離來表示二維平面，再從二維平面得出房間的面積，記為Ai,把各個房間的面積合起來就成了設計個體染色體，完成編碼。
3.根據權利要求I所述的這種基于遺傳算法的面向住宅平面的生成設計方法，其特征是以下對方法所作的進一步的描述 (1)在螺旋生成邏輯方法中，選取起居室作為第一個生成單元。
(2)每個單元有八個方向，可供下一個單元與之貼合。根據前一個生成單元所擁有的八個方向，后生成的單元隨機的選擇在其中一個方向與前生成單元貼合，依次類推，最后生成初步的住宅平面。
4.根據權利要求I所述的這種基于遺傳算法的面向住宅平面的生成設計方法，其特征是，在適應度函數方面，體形系數為建筑物與室外大氣接觸的外表面面積與其所包圍的體積的比值。
5.根據權利要求I所述的這種基于遺傳算法的面向住宅平面的生成設計方法，其特征是，在適應度函數方面，套型面積優化為根據人體舒適尺度，確定住宅內各功能用房之間的面積比例之后，計算并得到各空間面積最優的同時，各房間面積之和最大限度的接近住宅的使用面積。
全文摘要
本發明公開了一種基于遺傳算法的住宅平面的設計生成技術。方法具體如下首先，根據設計要求設定住宅房間的數量及面積范圍；其次，根據設計中需要優化的具體問題構建遺傳算法的適應度函數；然后，通過本方法發明的螺旋生成邏輯技術設定輸出的生成形式；最后，計算機開始自動進化計算，當設計者認為當前的設計個體已經符合設計要求，或生成的方案已經趨于平穩，或時間有限時，可以隨時停止進化計算，得到由計算機生成的住宅平面方案。本發明與傳統的住宅設計方法相比，可以對具體的住宅設計問題通過計算機進行優化計算并輸出結果，并生成大量的可供參考的設計方案，能夠有效的提高住宅節能設計及土地利用率。
文檔編號G06N3/12GK102902854SQ20121036353
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者劉少博, 魏春雨, 柳肅 申請人:湖南大學