基于生态性能的建筑方案设计生成系统研究

本研究着眼于基于生态性能的计算机辅助建筑设计方法，旨在对相应的生成-分析-优化系统（生成优化系统）进行搭建、应用和开发进行研究。课题组通过对生成优化系统的主要部分，即参数化模型生成、生态性能模拟及评价、智能寻优，以及相关技术方法，包括软件间接口、优化设计策略等进行系统研究，最终搭建一系列针对单项及综合生态性能的优化系统。作为一项集计算机技术、建筑物理与建筑设计与一体的交叉学科研究，本课题的研究内容涵盖建筑生成设计、建筑性能模拟与分析、计算机优化、计算机程序开发等多个方面。 在研究期间，课题组在生成优化系统的各个方面获得了显著的进展。首先，课题组根据各种生态设计策略，建构相应的参数化模型，同时也探讨了模型的建构逻辑，以及控制结构的应用策略，并提出基于“性能-形态”的参数化模型建构方法、参数化模型控制结构对寻优过程“效率-效用”分析方法。其次，课题组研究软件间接口的传输机制，并对所缺的数据接口在参数化设计平台上进行二次开发，完成“Grasshopper-Fluent”接口插件开发。第三，课题组在参数化模型和接口研究的基础上，对各种单项和综合的生态性能生成设计系统进行搭建，并对不同优化算法的运算机制和应用策略进行深入的研究，对比分析和改进适用于不同生态性能的系统搭建和性能评价方法。最后，针对建筑生态优化生成设计涉及的模拟时间长、输入变量多等特点，课题组针对“小样本量优化”和多目标优化的应用策略进行研究，并提出利用“多岛遗传算法”、“分步式”等生成优化设计系统应用策略，使优化生成设计系统能更好地满足建筑设计行业的实际需求。 课题组成员在国内核心期刊发表13篇研究文章，完成硕士学位论文16篇，申请1项软件著作权，6次参加国内外相关会议并做会议报告，培养硕士毕业生24人，在读博士3人。此外，课题组也进行多项国际交流和举办一次国际学术会议，进一步推动建筑性能优化生成设计的发展与普及。 2100433B

基于性能的建筑设计生成系统是计算机辅助建筑设计领域新兴研究方向，它试图将计算机生成系统与性能分析结合，由计算机自动进行设计问题求解，辅助建筑师新型的基于性能的设计，推动建筑设计发展创新。 本项目在大力提倡建筑节能减排形势下，研究基于建筑生态性能的方案设计生成方法，开发相应的辅助设计系统，为建筑师提供方法参考和有效工具，推进我国绿色/生态建筑发展，在学术和实践层面均具重要意义。 研究将针对自然通风、自然采光、日照控制、保温、风能太阳能应用等方面建筑性能，分析设计策略和生成策略，再以实验研究探讨计算机生成方法及发生、分析、评价、优化等环节的关键问题，形成基于各单项性能和综合性能的方案设计生成模块的原型。最后通过开发形成以建筑师为主导的辅助设计系统。 项目组前期开展了大量相关研究，本项目的理论研究和部分实验研究已经开展，研究思路、方法和路径已明晰，项目周期内可达成目标。

本课题旨在探索建筑、结构一体化的空间形态设计生成方法。原定技术路线是基于BESO等有限元渐进形态优化方法，结合建筑设计的需求，综合生成结构合理、空间满足功能要求、形态优美的设计方案。 在课题研究期间，开展了多方面的研究与实践，包括对基础工具的考察与交流，对空间形态生成方法、力学模拟方法的研究与开发，以及实验性建造等内容。研究内容从原计划的基于BESO方法的交互式过程，发展为形态与建造可能性更多元，结构上更合理，建造方法也更便捷的“编织结构”。最终，课题建立了基于计算机算法的建筑、结构一体化的“编织结构”体系的设计、生成方法，以及数控建造方法体系。 2100433B

建筑形态设计是一个多目标问题，在满足建筑功能和空间形态审美需求的同时，也受到结构合理性的重大制约和影响。然而一直以来，由于建筑设计与结构工程面对的问题、思维方式、评价体系均不同，使得这两个专业的设计目标之间形成相互的制约，既束缚了建筑创作，也会造成结构安全隐患和巨大浪费。本研究提出一种面向建筑师的自由形式建筑形态生成研究，让建筑空间形态在建筑师的直觉和感性评价、以及计算机内的结构分析的共同作用下逐步演化，帮助建筑师找到既具有艺术表现力，又具有结构合理性的多样化的建筑形态设计结果。.本项目将在常用三维软件提供的建模环境中，结合结构形态优化计算，探索人机交互的二目标优化问题中的人机交互途径和演化过程控制方法，形成辅助建筑师创作的自由形式建筑形态生成系统。该方法将在对建筑师的创作过程形成有力支持的同时，有效减少建筑结构设计中的安全隐患和不合理想象，减少浪费，促进国民经济和建筑文化的发展。