基于遗传算法的参数化住宅平面生成设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于遗传算法的住宅平面的设计生成技术。方法具体如下：首先，根据设计要求设定住宅房间的数量及面积范围；其次，根据设计中需要优化的具体问题构建遗传算法的适应度函数；然后，通过本方法发明专利技术的螺旋生成逻辑技术设定输出的生成形式；最后，计算机开始自动进化计算，当设计者认为当前的设计个体已经符合设计要求，或生成的方案已经趋于平稳，或时间有限时，可以随时停止进化计算，得到由计算机生成的住宅平面方案。本发明专利技术与传统的住宅设计方法相比，可以对具体的住宅设计问题通过计算机进行优化计算并输出结果，并生成大量的可供参考的设计方案，能够有效的提高住宅节能设计及土地利用率。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于遗传算法的参数化住宅建筑平面方案生成设计及应用技术，属于建筑参数化设计领域。
技术介绍
参数化设计最大的一个特点就是选择参数建立数学函数，通过设定的计算机程序来生成结果，将建筑的设计问题转变为逻辑推理问题。参数化设计之所以在建筑领域运用得越来越广泛，是因为它作为一个具有启发性的工具，可以给设计师带来超过常规方法的设计方案，还可以解决很多复杂的设计问题，提高建筑设计的效率。具有代表性的参数化设计建筑有北京鸟巢体育馆、水立方游泳馆、广州歌剧院等。在现代住宅建筑的平面方案中，绝大多数为设计师根据任务要求，按照规范及经验进行设计，在实际过程中，很少通过计算机对住宅计算和优化。因此，设计师在住宅的空间设计与通过设计来降低能耗这两者间很难兼顾，基于上述原因，通过电脑辅助设计的参数化建筑弓I起了人们很大的兴趣。
技术实现思路
本专利技术立足于现代住宅的节能及提高土地利用率的需求，基于遗传算法，在传统住宅平面优化方法和生成设计方法的基础上，从体形系数和和住宅套型面积优化两个方面，构建适应度函数，通过计算机程序优化求解，生成了住宅平面的初步方案。本专利技术中基于遗传算法的参数化住宅平面生成设计方法技术实现方案如下首先，对住宅的每个房间作为独立的单元进行编码，并对各单元设定相应的限定条件；其次，采用螺旋生成的逻辑方法对编码的单元进行组合生成；然后，选取体形系数和套型面积优化两个方面，构建适应度函数，通过选取适应值较高的输出方案，进行反复迭代生成，以寻求全局的优化；最后，由计算机自动开始进化计算，当设计者觉得当前的设计个体已经符合设计要求，或生成的方案已经趋于平稳，或时间有限时，可以随时停止进化计笪ο以下对本专利技术的方法作进一步的描述(I)在对房间的编码方面，首先根据房间的功能及设计要求，由设计者给定具体空间的适宜尺寸范围，然后通过对每个房间设定一个坐标，根据房间四个面到坐标的距离来表示二维平面，得出房间的面积，记为Ai,把各个房间的面积合起来就成了设计个体染色体。任意坐标U，y)的延伸方式有北、南、西、东四种，以此可将任意二维平面表示出来，并得出房间面积。我们定义单位i的二维坐标位置如下X = U {λ-,, J,, TVi., 5,.,^.,^.}其中，G 沢鉴于简化运算和定义，我们引进如下4个衍生变量_yWi =y,+Nt，北面单位墙体位置；ySi = y, -Si，南面单位墙体位置；χπ； = χ, - wi，西面单位墙体位置；xEi = xi + E,，东面单位墙体位置。(2)在螺旋生成的逻辑方法方面，以起居室为最初的生成单元，并设定每一个之前生成单元有八个方向可供后一个单元贴合，由图所示。根据之前生成单元周边的八个方向，后生成的单元随机的选择在其中一个方向与之前生成单元贴合，依次类推，最后生成初步的住宅平面。(3)在选取体形系数作为适应度函数方面，体形系数为建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值，因此，体形系数越小，建筑的节能越好。所以，根据国家标准并结合设计要求由设计者选取一个较低的体形系数作为适应度函数。在选取套型面积优化作为适应度函数方面，为根据人体舒适尺度，确定住宅内各功能用房之间的面积比例之后，计算并得到各空间面积最优的同时，各房间面积之和最大限度的接近住宅的使用面积，以此提高户型的舒适程度与土地使用率。首先，定义一组η维实数空间向量X=Iix1, χ2,…，χη]τ，其中分向量X1, X2,…，χη表示住宅设计中各个不同功能空间变量的面积，通过对分向量的面积不等式或等式约束可以达到关于η维向量X的面积优化函数的预期最优，即f (X) e [O, m]s. t. P < Lgi (X) =Xi] Sq然后由设计者结合设计目标，并设定住宅面积的使用上限为h，可以确定面积优化的目标函数为=,在满足初始面积约束条件P彡[gi⑴=Xi]彡q下，为了充 =1分有效地利用土地限定空间，保证住宅面积满足设计者的预期，就需要上限h与所有不同功能的住宅空间面积之和的差在设计者自定义范围内，即f(x) e ，其中m为设计者自定义。为满足条件约束我们假定f (X)是Xl，X2，…，Xn设计变量实值的连续函数，且具有二阶偏导。这一假定为我们求解最优面积解集提供了保证，同时也利于面积最优函数或户型输出。(4)计算机自动开始进化计算，由设计者自行设定种群规模，当设计者认为当前的设计个体已经符合设计要求，或生成的方案已经趋于平稳，或时间有限时，可以随时停止进化计算。本专利技术所述具有实质性特点和进步，基于遗传算法的参数化住宅平面生成设计方法是利用三维建模软件rhino里的v-basic脚本语言插件，在参数化建筑编程技术及遗传算法的基础上研发的，经过计算机的优化运算后，通过软件可以直接生成多个可供设计师选择的，继续深化的初步住宅平面方案。与传统的建筑住宅设计方法相比，该技术可以生成经电脑优化和计算后的平面方案，在节能、提高土地利用率及建筑空间舒适度方面，优于传统的住宅平面设计方案。并可以给设计师提供大量的参考方案，减轻设计师的工作量，相比于传统的设计方法，本专利技术是一个革新性很强的技术。附图说明附图为螺旋生成的逻辑中，其单元空间的八个方向的示意图。具体实施例方式本专利技术的实施方式如下首先，根据设计要求设定房间的数量及面积范围；第二步，确定遗传算法中染色体的编码方式，在本专利技术中，采用简单的参数型的编码方式，通过对每个房间设定一个坐标，根据房间四个面到坐标的距离来表示二维平面，得出房间的面积，记为Ai,把各个房间的面积合起来就成了设计个体染色体；第三步，在遗传交叉的操作方式上，采用将不同个体染色体中的同位基因，按照双点交叉进行交配互换，从而完成交配机制，并且变异率采用1%;之后，选取建筑的体形系数值及住宅的套型面积优化为其适应度函数，其中，套型优化面积中由设计者结合项目要求，设定住宅面积的使用上限h，面积优化的目标函数为 J(X) = H-YjX1，在满足初始面积约束条件P彡[gi⑴=Xi]彡q下，设定上限h与住宅空/-I间面积的差，即f(X) e ，本系统中m设定为5;第四步，通过螺旋生成逻辑方法进行结果生成，之后计算机自动开始进化计算，当设计者认为当前的设计个体已经符合设计要求，或生成的方案已经趋于平稳，或时间有限时，可以随时停止进化计算。通过本专利技术所述的住宅建筑平面方案生成设计及应用技术，可以根据不同地区气候及地形特点，选取了特定的要求和条件构建优化函数对住宅平面方案进行优化。本方案在体形系数和套型面积优化这两个住宅的设计问题上，构建遗传算法的适应度函数，有效的对体形系数进行了控制，降低了住宅的能耗，提高了住宅的面积利用率及住宅内部空间的优化，增强了住宅的空间舒适度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于遗传算法的面向住宅平面的生成设计方法，其特征在于：首先，对住宅的房间进行编码，其次，采用螺旋生成逻辑方法对编码的单元进行组合及生成，然后，选取了体形系数和套型面积优化两个方面，构建适应度函数，最后，经过多代的交叉繁殖后生成了可供用户深化的住宅的平面。

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法的面向住宅平面的生成设计方法，其特征在于首先，对住宅的房间进行编码，其次，采用螺旋生成逻辑方法对编码的单元进行组合及生成，然后，选取了体形系数和套型面积优化两个方面，构建适应度函数，最后，经过多代的交叉繁殖后生成了可供用户深化的住宅的平面。2.根据权利要求I所述的这种基于遗传算法的面向住宅平面的生成设计方法，其特征是，在编码方面，通过对每个房间设定一个坐标，根据房间四个面到坐标的距离来表示二维平面，再从二维平面得出房间的面积，记为Ai,把各个房间的面积合起来就成了设计个体染色体，完成编码。3.根据权利要求I所述的这种基于遗传算法的面向住宅平面的生成设计方法，其特征是以下对方法所作的进一步的描述 (1)在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘少博，魏春雨，柳肃，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：