張 宇，梁世奇

1 計(jì)算性工具介入帶來(lái)的設(shè)計(jì)思維轉(zhuǎn)變

在地球環(huán)境日益惡化、能源緊缺的今天，環(huán)境和能源問(wèn)題引起了社會(huì)各方面的關(guān)注。建筑是可以擋風(fēng)遮雨、避暑消寒的遮蔽物，是自然氣候的調(diào)節(jié)器。主動(dòng)式的調(diào)節(jié)作用會(huì)使建筑產(chǎn)生一定的用能需求。在建筑設(shè)計(jì)層面充分利用場(chǎng)地布局與建筑形體對(duì)氣候的調(diào)節(jié)機(jī)制，可以降低建筑能耗并營(yíng)造舒適的室內(nèi)外微氣候環(huán)境[1]。以氣候條件作為建筑設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因子的設(shè)計(jì)思維應(yīng)運(yùn)而生。

傳統(tǒng)的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)過(guò)程劃分為包括場(chǎng)地布局、建筑形態(tài)以及空間界面等多個(gè)層級(jí)，并在各層級(jí)中采取對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)策略，使建筑性能得到優(yōu)化[1-3]。隨著模擬分析工具的普及，建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的成熟，以及性能模擬與生成設(shè)計(jì)在概念設(shè)計(jì)階段的整合。計(jì)算性設(shè)計(jì)的工具與方法逐漸在氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)中得到應(yīng)用[4-6]。

借助計(jì)算工具的高效算力，氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)逐漸步入了設(shè)計(jì)決策從經(jīng)驗(yàn)判斷轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)過(guò)程由定性改良轉(zhuǎn)向定量?jī)?yōu)化，設(shè)計(jì)成果由單一輸出轉(zhuǎn)向多元篩選的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。實(shí)現(xiàn)了基于計(jì)算模擬的性能評(píng)價(jià)[7]，基于性能迭代計(jì)算的自適應(yīng)優(yōu)化[8，9]，以及基于環(huán)境信息集成的自組織生成[10]。

設(shè)計(jì)方法與思維的轉(zhuǎn)變使建筑師的工作內(nèi)容隨之變化。如何將設(shè)計(jì)初始條件向數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、以及如何用算法準(zhǔn)確描述建筑設(shè)計(jì)的決策過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文通過(guò)理論研究，歸納氣候條件驅(qū)動(dòng)下場(chǎng)地及建筑體量計(jì)算性設(shè)計(jì)的工作流程，提出了由設(shè)計(jì)條件向輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的內(nèi)在邏輯與方法，對(duì)數(shù)據(jù)加工過(guò)程中的關(guān)鍵性算法進(jìn)行解析，并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)邏輯與算法加以應(yīng)用。

2 氣候條件驅(qū)動(dòng)下的計(jì)算性設(shè)計(jì)工作流

氣候條件驅(qū)動(dòng)下的建筑體量設(shè)計(jì)圍繞著氣候、建筑與環(huán)境性能1）3個(gè)條件要素展開(kāi)，其中氣候條件作為驅(qū)動(dòng)因子、建筑作為影響因子共同影響著建筑的環(huán)境性能（圖1）?；谌咧g的作用規(guī)律，建筑師通過(guò)提取氣候驅(qū)動(dòng)因子、制定優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，構(gòu)建場(chǎng)地布局與建筑體量的基本模式，以及方案深化等環(huán)節(jié)，優(yōu)化建筑的環(huán)境性能（圖2）。

圖1 氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的基本構(gòu)成

圖2 氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)

在計(jì)算性設(shè)計(jì)語(yǔ)境中，設(shè)計(jì)條件和流程均需轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)形式和可運(yùn)行的算法規(guī)則。通過(guò)氣候驅(qū)動(dòng)因子多維度整合、環(huán)境性能多元化評(píng)價(jià)以及建筑影響因子參數(shù)化建構(gòu)，建筑師可以將氣候、建筑和性能條件之間的內(nèi)在邏輯轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的參數(shù)和算法。最后由計(jì)算機(jī)來(lái)完成對(duì)影響因子控制參數(shù)的優(yōu)化搜索（圖3）。其中將設(shè)計(jì)條件向輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化的3個(gè)環(huán)節(jié)，是支撐整個(gè)工作流程的關(guān)鍵，也是進(jìn)行計(jì)算性設(shè)計(jì)的核心工作，需要建筑師結(jié)合建筑專(zhuān)業(yè)與計(jì)算機(jī)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)建立決策邏輯，并掌握其中的技術(shù)與方法。

圖3 氣候條件驅(qū)動(dòng)下的場(chǎng)地及建筑體量計(jì)算性設(shè)計(jì)工作流

3 氣候驅(qū)動(dòng)因子的多維度整合

3.1 氣候驅(qū)動(dòng)因子的多維度特征

氣候主要包含風(fēng)、光、濕、熱等自然要素，同時(shí)具有多維度的特征，在空間上，我國(guó)有嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)以及溫和地區(qū)的大尺度氣候區(qū)劃，在每個(gè)氣候區(qū)劃中有從地域、城鎮(zhèn)、地段、街區(qū)最后到建筑的微觀尺度氣候差異。在時(shí)間維度上，氣候有著晝夜、季節(jié)、全年乃至更長(zhǎng)周期的氣候特點(diǎn)[1]。在不同地域的建筑設(shè)計(jì)問(wèn)題中需要的氣候數(shù)據(jù)有所不同，氣候的多維度認(rèn)知對(duì)于氣候數(shù)據(jù)的整合具有重要的價(jià)值。

3.2 氣候驅(qū)動(dòng)因子的整合邏輯

氣候驅(qū)動(dòng)因子的整合需要由場(chǎng)地氣候特征分析入手，結(jié)合氣候在時(shí)空維度上的特點(diǎn)，遵循從大尺度到小尺度、從長(zhǎng)周期到短周期的原則。建筑師按照分析區(qū)域氣候主體特征、提出應(yīng)對(duì)氣候條件的設(shè)計(jì)需求、歸納場(chǎng)地氣候條件的主要矛盾以及結(jié)合其時(shí)空特征的邏輯，完成氣候數(shù)據(jù)整合（圖4）。

圖4 氣候驅(qū)動(dòng)因子的多維度整合的邏輯框架圖

4 環(huán)境性能的多元化評(píng)價(jià)

4.1 建筑環(huán)境性能的多元化特征

環(huán)境性能是建筑應(yīng)對(duì)氣候條件的評(píng)價(jià)方式，因此與氣候條件具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。于此同時(shí)，環(huán)境性能還具有多元化特征，即同一種環(huán)境性能常具有多種評(píng)價(jià)方式與計(jì)算方法。如建筑的日照時(shí)數(shù)以及輻射得熱均可以表現(xiàn)方案對(duì)日照條件的利用能力，并且可以用時(shí)間數(shù)值、建筑的日照間距、日照輻射得熱數(shù)值等進(jìn)行直接或間接的評(píng)價(jià)。環(huán)境性能的評(píng)價(jià)需要將性能評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為的數(shù)據(jù)形式，并在氣候數(shù)據(jù)與性能參數(shù)之間建立計(jì)算方法。性能的多元化特征要求建筑師在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)遵循一定的邏輯規(guī)律進(jìn)行決策。

4.2 環(huán)境性能的多元化評(píng)價(jià)邏輯

建筑師在決策時(shí)需要根據(jù)氣候數(shù)據(jù)選擇環(huán)境性能，根據(jù)優(yōu)化方向選擇評(píng)價(jià)方法、進(jìn)而將之轉(zhuǎn)換為可供計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算與判斷的評(píng)價(jià)參數(shù)并確定其計(jì)算方式（圖5）。性能計(jì)算方法存在精確度與計(jì)算速度的差異，因此建立適宜的評(píng)價(jià)參數(shù)有利于后續(xù)優(yōu)化環(huán)節(jié)的展開(kāi)。

圖5 環(huán)境性能多元化評(píng)價(jià)的邏輯框架圖

4.3 環(huán)境性能的計(jì)算方法

按照計(jì)算原理的不同，性能計(jì)算方法可以分為三種：模擬計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)以及形體特征評(píng)價(jià)。

模擬計(jì)算方法是根據(jù)氣候作用于建筑的物理規(guī)律建立簡(jiǎn)化計(jì)算模型，最終以模擬的方式得到性能數(shù)據(jù)。比較常見(jiàn)的模擬軟 件，如Fluent、Phoenics、HASP、Sunshine2.0等 均 基 于此原理進(jìn)行性能計(jì)算。由于有物理模型作為支撐，模擬計(jì)算的結(jié)果具有足夠可靠性。并且隨著應(yīng)用需求的擴(kuò)大，軟件的多性能綜合模擬能力、以及與建模平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互能力都在提高。如EnergyPlus、DeST等模擬平臺(tái)，不僅可用于建筑室內(nèi)熱環(huán)境性能分析，還可以進(jìn)行遮陽(yáng)、日影以及采光的計(jì)算?；赗hino+Grasshopper平 臺(tái) 的 插 件Ladybug、Honeybee、Butterfly等可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑遮陽(yáng)日影以及室內(nèi)外風(fēng)熱環(huán)境的模擬評(píng)價(jià)。

模擬計(jì)算的原理是用算法去模擬實(shí)際物理現(xiàn)象，雖然計(jì)算模型與現(xiàn)實(shí)相比有所精簡(jiǎn)，但計(jì)算過(guò)程依舊依賴計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。一旦模型的復(fù)雜度上升，模擬運(yùn)算將非常消耗時(shí)間。建筑方案在設(shè)計(jì)階段需要頻繁的改動(dòng)，優(yōu)化算法更是需要迭代運(yùn)算，因此基于模擬計(jì)算的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程效率相對(duì)較低[11]。

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用為建筑性能計(jì)算帶來(lái)了全新的解決方法。其中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由處于輸入層、輸出層和隱含層中的大量神經(jīng)元通過(guò)順序單向聯(lián)結(jié)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)輸入與輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行大量訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠自發(fā)建立由向量到向量的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系去擬合模擬過(guò)程中復(fù)雜的計(jì)算規(guī)則，使性能計(jì)算速度得到飛躍性的提升。

形體特征評(píng)價(jià)方法是指不通過(guò)模擬數(shù)據(jù)直接評(píng)價(jià)建筑性能，而是通過(guò)計(jì)算形體的一些特征參數(shù)來(lái)間接的對(duì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種方法比較容易在建模平臺(tái)由設(shè)計(jì)師進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并且運(yùn)算速度快、與建模平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互性好。例如在進(jìn)行住區(qū)組團(tuán)風(fēng)環(huán)境優(yōu)化時(shí)，可以采用風(fēng)速比對(duì)室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而將風(fēng)速模擬計(jì)算轉(zhuǎn)換為對(duì)建筑迎風(fēng)面積的形體特征計(jì)算，不僅回避了建模平臺(tái)與數(shù)據(jù)模擬平臺(tái)之間可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)斷口問(wèn)題，同時(shí)減少了性能優(yōu)化所需的時(shí)間[12]。

模擬計(jì)算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法計(jì)算準(zhǔn)確性好，但是模擬計(jì)算的時(shí)間成本高，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量樣本數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與測(cè)試集。而形體特征評(píng)價(jià)方法的運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)交互能力強(qiáng)，但是運(yùn)算結(jié)果經(jīng)常只能作為間接的評(píng)價(jià)指標(biāo)。三種計(jì)算方式各有優(yōu)勢(shì)與不足，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

5 建筑影響因子的參數(shù)化建構(gòu)

5.1 建筑影響因子的多層級(jí)特征

按照本文的研究范圍，建筑影響因子可以劃分為體量的場(chǎng)地布局與建筑的形體特征兩個(gè)層級(jí)。場(chǎng)地布局指包含建筑朝向、間距、布局方式等的場(chǎng)地總體形態(tài)；建筑形體包含了建筑的長(zhǎng)、寬、高等要素的建筑尺度特征。在不同的層級(jí)中，對(duì)所屬的影響因子進(jìn)行優(yōu)化可使得建筑獲得更好的環(huán)境性能。

5.2 氣候驅(qū)動(dòng)下的參數(shù)化建構(gòu)邏輯

參數(shù)化建構(gòu)環(huán)節(jié)是將復(fù)雜設(shè)計(jì)決策轉(zhuǎn)化為算法語(yǔ)言的過(guò)程?；跉夂蜻m應(yīng)性設(shè)計(jì)策略，建筑師需要根據(jù)影響因子的所屬層級(jí)以及環(huán)境性能指標(biāo)，制定以空間位置或建筑形體變化為基礎(chǔ)基本模式，提取該模式下的變量并建立其約束關(guān)系，使得通過(guò)改變控制變量的數(shù)值改變影響因子形態(tài)與性能（圖6、7），由此形成優(yōu)化解集的搜索空間。

圖6 場(chǎng)地層級(jí)參數(shù)化建構(gòu)邏輯

圖7 建筑形體層級(jí)參數(shù)化建構(gòu)邏輯

將方案的形體邏輯與優(yōu)化設(shè)計(jì)策略相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建構(gòu)的基礎(chǔ)。如果能全面考慮設(shè)計(jì)的影響因素、準(zhǔn)確地建立設(shè)計(jì)決策模型，并用合適的算法將之描述出來(lái)，那么由此建立的規(guī)則系統(tǒng)將具有處理復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題的無(wú)窮潛力[12]。

大量研究已經(jīng)證明了在場(chǎng)地設(shè)計(jì)中合理的建筑朝向、間距與布置方式可以使得建筑獲得舒適的室外風(fēng)環(huán)境、充足的日照時(shí)數(shù)以及適宜的輻射得熱[11，14，15]；建筑形體中，不同長(zhǎng)寬比的平面形式影響著建筑的日照輻射得熱量[16，17]。這些設(shè)計(jì)策略都為建筑影響因子的參數(shù)化建構(gòu)提供了思路。

5.3 建筑影響因子的參數(shù)化建構(gòu)方法

從實(shí)現(xiàn)方式上看,以性能優(yōu)化為目標(biāo)的影響因子參數(shù)化建構(gòu)方法可分為兩種：規(guī)則系統(tǒng)方法與群體智能方法。

規(guī)則系統(tǒng)方法是指將設(shè)計(jì)過(guò)程分解為若干規(guī)則，這些規(guī)則共同構(gòu)成了生成系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)條件經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的判斷與處理之后可以得到輸出結(jié)果[18]。規(guī)則系統(tǒng)涵蓋了形狀文法、計(jì)算幾何、空間句法等一系列形體設(shè)計(jì)邏輯[19-22]，適用于各個(gè)層級(jí)的影響因子，并且有多樣的實(shí)現(xiàn)方式。

作為自上而下的建構(gòu)方法，在規(guī)則系統(tǒng)中形體設(shè)計(jì)邏輯向算法語(yǔ)言的映射方式清晰明確，變量對(duì)影響因子的演化過(guò)程具有直接的控制能力。規(guī)則系統(tǒng)方法可以在grasshopper、dynamo等參數(shù)化建模平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，并且相關(guān)研究通過(guò)算法或設(shè)計(jì)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，可以使建筑信息進(jìn)行多層級(jí)關(guān)聯(lián)以及跨平臺(tái)交互[23]，為參數(shù)化建構(gòu)提供更豐富的演化邏輯。

群體智能方法是使大量個(gè)體通過(guò)自組織、自適應(yīng)與自學(xué)習(xí)等行為，經(jīng)過(guò)不斷地演化最終形成比較穩(wěn)定的群體分布?；谶@樣的生成過(guò)程，在建構(gòu)過(guò)程中建筑師需要將方案轉(zhuǎn)化為由若干個(gè)體所構(gòu)成的集合，通過(guò)制定個(gè)體的行為規(guī)則來(lái)控制最終的生成結(jié)果。以多主體系統(tǒng)和元胞自動(dòng)機(jī)為主要方式，群體智能方法在城市總體形態(tài)、場(chǎng)地布局以及體量組合形態(tài)的參數(shù)化建構(gòu)中的應(yīng)用廣泛[24]。如李飚等通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)方法，以體量組合作為建構(gòu)邏輯，賦予個(gè)體獲取采光面與構(gòu)成庭院空間的演化規(guī)則（圖8），進(jìn)行了住宅建筑的生成設(shè)計(jì)實(shí)踐（圖9）[25]。

圖8 基于元胞自動(dòng)機(jī)的住宅形體參數(shù)化建構(gòu)過(guò)程

圖9 基于元胞自動(dòng)機(jī)的住宅形體生成結(jié)果

作為一種自下而上的建構(gòu)方法，通過(guò)群體智能方法具備環(huán)境性能的自適應(yīng)優(yōu)化能力。但是形體設(shè)計(jì)邏輯向算法語(yǔ)言的映射方式相對(duì)模糊，涌現(xiàn)式的生成方式使行為規(guī)則對(duì)影響因子的演化過(guò)程不具有直接的控制能力。同時(shí)群體智能方法需要在Processing、NetLogo等編程平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步的深化工作要依賴其他參數(shù)化建模工具來(lái)完成，平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互過(guò)程相對(duì)困難。

6 氣候驅(qū)動(dòng)下的計(jì)算性設(shè)計(jì)方法在工程項(xiàng)目中的實(shí)踐

6.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

文章以位于黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)的華潤(rùn)·歡樂(lè)頌項(xiàng)目為例（圖10、11），對(duì)方案創(chuàng)作中的決策過(guò)程進(jìn)行解析。項(xiàng)目北臨松北區(qū)城市主干道世茂大道，西起思源街，東至聚源街，占地面積5.29萬(wàn)m2，總建筑面積19.79萬(wàn)m2（圖12）。

圖10 華潤(rùn)·萬(wàn)象匯鳥(niǎo)瞰效果圖

圖12 華潤(rùn)·萬(wàn)象匯總平面圖

項(xiàng)目基于東北地區(qū)高緯度、長(zhǎng)期超低溫的嚴(yán)寒地區(qū)氣候特征，在設(shè)計(jì)階段通過(guò)形體層面的被動(dòng)向陽(yáng)得熱優(yōu)化，最終降低了建筑冬季使用能耗并營(yíng)造了較舒適的室內(nèi)環(huán)境，解決了嚴(yán)寒地區(qū)商業(yè)建筑使用者的使用模式與氣候環(huán)境間的矛盾問(wèn)題。

6.2 氣候驅(qū)動(dòng)因子的整合

通過(guò)對(duì)全年環(huán)境溫度進(jìn)行分析，哈爾濱具有嚴(yán)寒地區(qū)冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，并且在夏季存在一段時(shí)間的高溫期（圖13）。與此同時(shí)，哈爾濱太陽(yáng)輻射量大、日照豐富[26]（圖14），充分利用太陽(yáng)輻射可以有效改善環(huán)境溫度對(duì)建筑的不利影響，為優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了機(jī)遇。

圖13 哈爾濱全年環(huán)境溫度分析

圖14 哈爾濱全年日照輻射分析

作為商業(yè)建筑，項(xiàng)目不可避免在全年通過(guò)機(jī)械設(shè)備主動(dòng)調(diào)節(jié)室溫以營(yíng)造舒適的購(gòu)物環(huán)境。為了充分降低建筑能耗，研究根據(jù)哈爾濱的全年環(huán)境溫度，將10月16日至第二年的4月15日定義為供暖期、將4月16日至10月15至定義為制冷期,基于哈爾濱CSWD氣候數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)ladybug插件提取兩段時(shí)間內(nèi)的日照信息。

6.3 環(huán)境性能的評(píng)價(jià)

為了降低方案在全運(yùn)行周期內(nèi)的建筑能耗，研究以建筑的日照輻射得熱作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，制定了在供暖期內(nèi)日照輻射得熱量最大化、制冷期內(nèi)日照輻射得熱量最小化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并采用ladybug插件實(shí)現(xiàn)環(huán)境性能的模擬計(jì)算。由于嚴(yán)寒地區(qū)以充分滿足冬季保溫[27]為首要設(shè)計(jì)訴求，因此在環(huán)境性能評(píng)價(jià)中建筑在供暖期的輻射得熱能力占據(jù)更大的權(quán)重。

6.4 建筑影響因子的參數(shù)化建構(gòu)

為了充分利用場(chǎng)地的向陽(yáng)側(cè)，建筑需要在南側(cè)退讓出廣場(chǎng)空間。在此基礎(chǔ)上，為了滿足商業(yè)建筑的功能需求，項(xiàng)目需要盡可能的滿占紅線設(shè)計(jì)。因此建筑形體從平面輪廓出發(fā)，通過(guò)體量的加減手法，形成最終方案。其過(guò)程具體可分為以下四個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）綜合考慮周邊區(qū)位與微氣候條件，根據(jù)建筑紅線確定體量的平面輪廓（圖15）；

圖15 體量平面輪廓

（2）根據(jù)功能布局需求，生成建筑體量（圖16）；

圖16 生成體量

（3）主要臨街面通過(guò)體量切割的手法，營(yíng)造入口空間（圖17）；

圖17 體量切割

（4）頂面植入小體量，完善空間需求（圖18）。

圖18 體量植入

在以輻射得熱量為目標(biāo)的優(yōu)化中，體量的尺寸以及頂面小體量的布局都會(huì)對(duì)方案的環(huán)境性能造成影響。根據(jù)方案的形體邏輯與優(yōu)化策略，采用基于控制點(diǎn)移動(dòng)的算法對(duì)方案生成邏輯進(jìn)行參數(shù)化建構(gòu)，具體分為以下3個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）提取建筑紅線的控制點(diǎn)，移動(dòng)控制點(diǎn)構(gòu)成了建筑的平面輪廓，進(jìn)而完成體量生成（圖19）；

圖19 移動(dòng)控制點(diǎn)生成平面輪廓

（2）以交通核為基準(zhǔn)確定屋面環(huán)形體量的位置，以體量的平面輪廓線為基準(zhǔn)，確定南側(cè)體量的位置（圖20）；

圖20 以交通核和輪廓線為基準(zhǔn)確定體量位置

（3）以屋面各體量平面的幾何中心為基準(zhǔn)，通過(guò)縮放調(diào)整體量大小（圖21）。

圖21 以體量平面的幾何中心為基準(zhǔn)縮放體量

提取算法運(yùn)行過(guò)程中10個(gè)對(duì)生成結(jié)果有影響的參數(shù),定義其取值范圍與步長(zhǎng)，形成了控制變量的取值空間,具體內(nèi)容見(jiàn)表1。通過(guò)變量的數(shù)值組合,可以形成多樣化的形體方案,并且在演化過(guò)程中，這些變量分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)體量平面輪廓（圖22、23）,體量東南角切割效果（圖24）以及屋面體量布局（圖25～27）的控制功能。

表1 形體生成過(guò)程中的控制變量及其具體內(nèi)容

圖22 南北方向體量輪廓變化圖

圖24 體量東南角形體變化

圖25 南側(cè)體量位置變化

6.5 多目標(biāo)優(yōu)化與結(jié)果分析

文章采用多目標(biāo)進(jìn)化算法進(jìn)行日照條件驅(qū)動(dòng)下的體量輻射得熱能力優(yōu)化，算法通過(guò)調(diào)用grasshopper平臺(tái)的octopus插件得以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)20代的優(yōu)化搜索,算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)方案日照利用能力的提升，并且得到了對(duì)優(yōu)化目標(biāo)具有不同權(quán)重傾向的結(jié)果。在帕累托解集前沿中，文章排除了兩端對(duì)優(yōu)化結(jié)果相對(duì)單一的解，選取4個(gè)綜合考慮制冷與供暖期輻射得熱的可行解進(jìn)行比較（圖28）。

圖28 帕累托解集空間

從體量方案層面（圖29～圖32），各方案在形體上具有一定的差異，其中方案2與方案3的屋面體量相對(duì)較大，可以為室內(nèi)提供更自然光。方案4總體進(jìn)深大，土地利用能力較高。從環(huán)境性能上看（表2），優(yōu)化方案在制冷期的輻射得熱總量在[1.2163×107，1.4646×107]區(qū)間內(nèi)，在供暖期的輻射得熱總量在[7.3601×106，8.6849×106]區(qū)間內(nèi)，并且隨著制冷期輻射得熱的降低、供暖期的輻射得熱也隨之降低，但相比于制冷期得熱數(shù)值的變化范圍，供暖期的變化相對(duì)較小，在一定程度上說(shuō)明了體量方案在制冷期存在更大的優(yōu)化空間。由于方案在供暖期的輻射得熱總量是環(huán)境性能優(yōu)化的首要訴求，因此綜合考慮形體需求與方案的輻射得熱能力，項(xiàng)目擇取方案2作為優(yōu)化結(jié)果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，形成了最終的形體方案。

圖29 建筑體量（方案1）

圖32 建筑體量（方案4）

表2 擇取優(yōu)化方案的環(huán)境性能

圖23 東西方向體量輪廓變化

圖26 屋面體量位置變化

圖27 屋面體量大小變化

圖30 建筑體量（方案2）

圖31 建筑體量（方案3）

結(jié)語(yǔ)

體量設(shè)計(jì)是將功能、場(chǎng)地、氣候等多種影響因素納入決策的復(fù)雜過(guò)程，在計(jì)算工具的支撐下，體量方案可以實(shí)現(xiàn)快速精確的優(yōu)化，并且具備多種可能的優(yōu)化方向。文章立足于氣候條件驅(qū)動(dòng)下體量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)其中核心環(huán)節(jié)的決策過(guò)程，建立了的邏輯框架，并整合了關(guān)鍵技術(shù)方法。最終通過(guò)實(shí)際工程項(xiàng)目對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行驗(yàn)證。

在實(shí)際項(xiàng)目的優(yōu)化中，文章遵循氣候驅(qū)動(dòng)因子整合、環(huán)境性能轉(zhuǎn)譯、影響因子參數(shù)化建構(gòu)的流程，基于特征認(rèn)知-邏輯轉(zhuǎn)化-方法擇取的決策框架，通過(guò)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)氣候條件分析，從時(shí)間維度將日照信息劃分為制冷期與供暖期，進(jìn)而提出輻射得熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，并建立了基于建筑邊界于體量位置控制的形體生成邏輯，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)條件與決策過(guò)程向輸入數(shù)據(jù)與算法語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化。最終結(jié)合多目標(biāo)進(jìn)化算法開(kāi)展形體優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案的對(duì)比與篩選，獲得可以充分挖掘場(chǎng)地的日照潛力形體方案（圖33）?；诒疚牡奶岢龅目蚣芘c方法，建筑師可以在體量?jī)?yōu)化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的決策，在實(shí)際工程項(xiàng)目中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖33 :實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的決策過(guò)程

圖、表來(lái)源

圖4：GB 50176-2016，民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2016.

圖9、10：李飚，錢(qián)敬平."細(xì)胞自動(dòng)機(jī)"建筑設(shè)計(jì)生成方法研究——以"Cube1001"生成工具為例[J].新建筑，2009（3）：103-108.

圖11～13：來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院；其余圖、表均由作者繪制。

圖11 華潤(rùn)·萬(wàn)象匯透視效果圖

注釋

1）“環(huán)境性能”引自：袁烽，柴華，謝億民.走向數(shù)字時(shí)代的建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)[J].建筑學(xué)報(bào)，2017（11）：1-8.（原文內(nèi)容：“得益于計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等學(xué)科的交叉，性能化設(shè)計(jì)思維逐漸成為取代純粹‘形式主義’（formalism）的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法之一……基于對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性能化（structural performance）、環(huán)境性能化（environmental performance）以及行為性能化（behavioral performance）的關(guān)注，性能化設(shè)計(jì)方法為建筑形式賦予了全新的倫理意義”）。