基于生态性能的建筑方案设计生成系统研究

Performance-based generative system is one of the new and prospective research directions in computer-aided architectural design area. It attempts to combine computational generative system with building performance analysis, solving the problems of performance-based design by computer automatically. It can be used to aid architects to carry out the latest approach of performance-based design, promoting the development and innovation of architectural design. In the trend of strongly advocating energy conservation and carbon emission reduction, this project carries out the study on ecological performances based generative system for conceptual design, researching the methodology and developing the system. It will provide reference and tool to architects to promote the development of green/ecological building in China. The project has great significances in both research and practice areas. The study will focus on the performances related to natural ventilation, natural illumination, sunlight control, heat insulation, the utilization of wind energy and solar energy, and so forth. Based on the analysis of the design strategies and generation strategies, the experimental studies will be launched to discuss the key problems in the synthesis, analysis, evaluation and optimization parts of the computational generation, to form the prototypes of generative modules based on individual performances and integrated performances. At last, through development work, an architect dominated ecological performances based generative system for conceptual design will occur. The research members of the project have accomplished a lot of related studies, the early theoretical research and a part of the experimental studies have been carried out, and the framework, method and route of the project have been clearly defined. This can ensure the accomplishment of the project's objective within the research period.

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。.