公共教室平面的計算機自動生成設計研究

摘 要

　　國家發展目標提出，到 2025 年，建筑工業化、數字化、智能化水平要有顯 著提高。建筑設計也應與國家發展目標相適應，將數字技術融入建筑設計中，提 高設計過程的智能化。計算機自動生成設計隨著計算機技術的進步而快速發展， 將設計人員的設計意圖通過程序設置目標與規則、定義函數、運行計算機實現自 動甚至自主創作設計。該方法近年來已成為建筑設計領域重要的探索方向。

　　本論文聚焦于高校公共教室平面設計，嘗試找到一種計算機自動生成的應用 策略，公共教室平面設計當中有較多重復性元素，可用可視化編程的方式提高設 計效率，減少人為誤差。但是，當前在這方面還缺少較為理想研究成果。本文對 計算機自動生成設計方法進行了梳理，對高校公共教室空間進行了歸類分析，在 此基礎上探索用可視化編程途徑實現高校公共教室平面布局生成方法，并形成公 共教室平面自動生成設計模塊。為建筑數字化、智慧化領域發展提供借鑒。

　　第一章對本論文的研究背景、研究目的和意義、研究內容進行闡釋，對論文 中相關概念進行界定，對論文框架進行梳理。

　　第二章對參數化設計、可視化編程、代碼編程和復雜算法進行分析和梳理， 通過實際應用案例對基于可視化編程與代碼編程的計算機自動生成設計方法進 行比較，確定運用可視化編程軟件、參數化技術的方法進行計算機自動生成研究。 第三章對高校公共教室進行實地調研，對不同類型公共教室進行歸納總結， 結合相關設計規范、人因工程學尺寸，得出適合于高校公共教室的模數尺寸，為 計算機自動生成設計提供數據支持。 第四章到第六章是用可視化編程軟件、參數化技術對公共教室平面布局自動 生成進行了重點探討，通過可視化編程軟件 Grasshopper 對三種平面布局設計邏 輯、設計規則進行轉譯，搭建參數化模型，分別開發理想尺寸公共教室平面、具 有邊界約束的公共教室平面及公共教室組合平面自動生成的三個模塊。其中

　　第四 章以標準化公共教室平面為研究對象，即教室平面形狀、尺寸不受約束，根據其 生成邏輯建立參數化模型，開發理想尺寸公共教室平面自動生成模塊，實現通過 調動參數自動生成相應平面布局。

　　第五章在理想尺寸公共教室平面自動生成模塊 的基礎上，加入教室平面形狀、尺寸的約束，對矩形與非矩形教室平面布局方式進行了研究，建立參數化模型，開發具有約束邊界的公共教室平面自動生成模塊。

　　第六章以公共教室組合平面為研究對象，根據不同規模教室的組合方式，加入教 輔空間生成平面，建立參數化模型，開發公共教室組合平面自動生成模塊。

　　本文的結論是通過開發公共教室平面自動生成模塊，減少設計人員的重復性 工作，提高設計效率，在一定程度上也提高了設計的準確性。對于公共教室平面 自動設計起到引領性作用，是數字化、智慧化建筑設計方面的有益補充，按照該 思路可沿用至其他領域平面布局設計中。

　　關鍵詞：公共教室平面，計算機自動生成設計，可視化編程，參數化設計， 設計約束

ABSTRACT

　　The national development goal proposes that by 2025, the level of industrialization, digitalization and intelligentization of buildings should be significantly improved. Architectural design should also adapt to the national development goals, integrate digital technology into architectural design, and improve the intelligence of the design process. With the rapid development of computer technology, the design of computer automatically generated design can be realized automatically or even independently by setting goals and rules, defining functions and running the computer. This method has become an important exploration direction in the field of architectural design in recent years.

　　This paper focuses on the graphic design of public classrooms in colleges and universities, trying to find an application strategy of computer automatic generation. There are many repeatable elements in graphic design of public classrooms, so visual programming can be used to improve design efficiency and reduce human error. However, there is still a lack of ideal research results in this field. This paper combs the design method of computer automatic generation, classifies and analyzes the public classroom space in colleges and universities, on this basis, explores the method of generating the layout of public classrooms in colleges and universities by using visual programming approach, and forms the design module of automatic generation of public classroom plane. It provides reference for the development of digitized and intelligent buildings .

　　The first chapter explains the research background, purpose, significance and content of this paper, defines the relevant concepts in the paper and sorts out the framework of the paper.

　　The second chapter on the parametric design, visual programming, code programming and complex algorithm analysis and comb, through actual application case based on visual programming the computer programming with the code automatically generated design method, using visual programming software, the method of parametric technology was studied by means of computer automatically generated.

　　The third chapter conducts field research on public classrooms in colleges and universities, and summarizes different types of public classrooms. Combined with relevant design specifications and dimensions of human factors engineering, the modular dimensions suitable for public classrooms in colleges and universities are obtained, providing data support for automatic design generation by computer.

　　yout of public classrooms with visual programming software and parameterization technology. The visual programming software Grasshopper is used to translate the design logic and design rules of the three types of layout and build a parameterized model. Three modules of standardized public classroom plane, public classroom plane with boundary constraint and public classroom composite plane are developed respectively. The fourth chapter takes the standardized public classroom plane as the research object, that is, the shape and size of the classroom plane are not constrained, establishes a parameterized model according to its generation logic, develops the automatic generation module of the standardized public classroom plane, and realizes the automatic generation of the corresponding plane layout by transferring the parameters. In the fifth chapter, based on the standardized public classroom plane automatic generation module, the layout of rectangular and non-rectangular classrooms is studied by adding constraints on the shape and size of classroom plane, and a parameterized model is established to develop the public classroom plane automatic generation module with constraint boundary. The sixth chapter takes the public classroom composite plane as the research object, according to the combination mode of different sizes of classrooms, adds the teaching auxiliary space to generate plane, establishes the parameterized model, and develops the automatic generation module of public classroom composite plane.

　　The conclusion of this paper is that the automatic generation of modules in public classroom plane can reduce the repetitive work of designers, improve the design efficiency and improve the accuracy of design to a certain extent. It plays a leading role in the automatic graphic design of public classrooms and is a useful supplement to digital and intelligent buildings. According to this idea, it can be used in graphic design of other fields.

　　Key Words: Public classroom plane,Computer generated design,Visual programming,Parametric design, Design constraints.

目 錄

　　第一章 緒論

　　1.1 研究背景

　　根據國家發展目標，住建部提出：到 2025 年，我國智能建造與建筑工業化 協同發展的政策體系和產業體系基本建立，建筑工業化、數字化、智能化水平顯 著提高。注釋[1]建筑設計發展上也應與國家趨勢相適應。 20 世紀 60 年代計算機輔助設計（CAAD）拉開帷幕，延續至今一直活躍在建 筑設計與研究領域。設計人員最常使用到的計算機簡單輔助設計系統，如 CAD 等繪制二維或三維圖像的工具。80 年代初期，隨著計算機圖形學不斷發展以及 可視化技術的出現，參數化技術逐步在計算機輔助設計領域發展起來，90 年代 初期，參數化技術逐漸廣泛應用于建筑涉及領域。

　　21 世紀初，BIM 成為了建筑領 域新一代的計算機輔助設計手段，它可以實現建筑全生命周期過程中進行共享和 傳遞。計算機生成設計隨著計算機的進步而飛速發展，計算機可以逐步實現自動 甚至自主創作設計的過程。不僅提高了設計人員的效率，同時也提高了設計的準 確性。平面設計包含功能劃分、流線規劃、家具陳設布置等設計內容，是建筑設計 中基礎設計部分。設計人員往往預先設想出設計結果，利用人工進行實現，不僅 會產生許多重復性的工作，且存在一定的誤差，CAD 作為常用的計算機輔助技術， 將設計人員復雜、耗力的創作過程進行優化，但如果生成結果與預期目標相差較 大，則繼續修改甚至重新開始，依然需要耗費較多精力。

　　與之相反，生成設計使 設計人員通過預先制定規則從而影響設計結果，通過可視化編程建立自動生成模 塊，更高效地得到設計結果。

　　本文對高校公共教室平面設計自動生成技術性難點予以解決。由于公共教室 教學空間的重要組成部分，不僅新建公共教室有較大的需求量，還存在許多教學 空間進行改造，隨著教學模式的改變，原有公共教室不能滿足教學需求，通過改 變教室布置形式來滿足新的教學模式。故公共教室平面自動設計有較為廣闊的應 用前景和現實意義。這種自動設計方式對與其他類型的平面布局設計，有較強的 借鑒意義，不僅減少設計人員的重復性工作，且使設計將變得更加高效。

　　1.2 國內外相關研究概述

　　根據計算機自動生成設計的實現途徑，主要分為兩種：參數化技術和復雜算 法。目前在知網的搜索中，有關"參數化設計"的相關論文有 5000 余篇，研究 內容包括參數化設計理論與發展模式；建筑形體造型及表皮生成；結合具體的設 計實例，對一具體類型建筑的參數化設計進行探索；對高校參數化設計教學活動 進行研究等。搜索"參數化設計+平面",相關論文分為三類：建筑群體平面布 局、對已有成果進行理論分析、室內平面布局。陳沉于 2018 年發表《參數化技 術在城市建筑群設計中的應用》，文章通過結合參數化平面布局與參數化建筑模 型，實現平面布局可動態調整，建筑群可統一調整，單一建筑可參數化驅動，以求 獲得更佳的建筑群布置方案。

　　2020 年郭道夷在發表碩士論文《基于參數化形狀 文法的城郊鄉村住宅生成設計研究》，基于對已有的鄉村住宅形狀文法的設計規 則，借助 Grasshopper 立參數化模型，生成了基于其特定需求的鄉村住宅。2017 年韓喜耀在碩士論文《基于參數化技術的展示空間設計研究》，對已建成的基于 參數化技術的展示空間，從平面布局、空間形態等方面進行分析。參數化技術實 現室內平面布局的研究僅有一篇，廣西大學韓澍在 2017 年碩士論文《冷鏈物流 倉庫平面布局參數化設計及應用》中，以冷鏈倉庫平面布局為研究對象，提出一 種基于 CAD 的參數化功能具有模塊化參數化思想的設計方法。 使用復雜算法實現計算機自動生成設計是設計人員較為常用的一種途徑，該 類研究使用大量計算機知識與編程方法，國外關于空間布局的生成研究開始較 早，Harad[6]早在 1995 年就已嘗試開發了一套形狀語法與建筑布局交互的系統。

　　Rosser[5]等人提出了一種用于建筑內部平面圖創建的半自動布局建模系統，并通 過集成已有地圖數據、平面圖，用于生成的建筑模型內。已給定的一組生成規則 被納入到形狀語法中，自初期到最終設計的整體轉換之中，設計師可選用各種轉 換規則，也因此成為設計師較為常用的一種布局方法。 國內設計人員對城市、建筑空間布局自動生成設計所使用算法多集中在解決 "空間分配問題"、形狀語法、"人工智能神經網絡"等方面。郭梓峰在 2016 年全國建筑院系建筑數字技術教學研討會論文集中發表《多層建筑空間布局生成 探索》，基于生成設計基本原理，結合進化算法和多智能體模型，實現建筑功能布 局、空間大小的優化自治。越來越多的的設計人員使用人工智能現實計算機自動 生成設計，林博利用機器學習算法和深度學習算法可以訓練計算機學習如何進行 城市空間設計。探索城市空間的交通路網、街區空間形態及建筑功能布局的生成模式。華南理工大學楊柳碩士論文研究傳統青年公寓設計策略方法、建成空間使 用后評價，結合深度學習、交互式進化算法等技術，形成新型設計工作方法，和 青年公寓戶型圖自動生成工具。

　　1.3 研究目的和意義

　　本論文研究目的為結合高校公共教室平面設計找到實現計算機自動生成設 計的可行性方法。在高校教學空間中，公共教室使數量較為龐大的一類教室，其 擁有較大的需求量，隨著教學要求的提高，許多高校對于設備陳舊、無法滿足教 學模式發展變化的公共教室進行重新布局，故公共教室平面布局自動生成有較強 的現實意義和廣闊的前景，提高了設計效率，減少了設計人員重復性的勞動，讓 設計人員可以將更多的精力關注到設計的總體把控中。

　　1.4 研究內容和方法

　　本論文根據以下三方面內容展開研究：

　�。�1）通過梳理計算機自動生成設計的基礎理論與實現手段，得出參數化設計、 可視化編程、代碼編程和復雜算法都是實現自動生成的重要手段。其中代碼編程 和復雜算法需要扎實的計算機知識為基礎，使用門檻較高。通過可視化編程實現 自動生成已得到建筑設計人員的重視，但應用方面還遠遠不夠，許多領域還未涉 及，本論文將可視化編程實現計算機自動生成應用于公共教室平面布局領域。

　�。�2）教室空間作為高校教學空間的重要場所，除了對新建公共教室有較大需 求量，隨著教學模式的發展，大量教學空間進行改造，轉變公共教室布局方式。 對高校公共教室進行調研分析，得出一套合理的尺寸數據，為后續公共教室平面 計算機自動生成提供支持。

　�。�3）以理想尺寸公共教室平面布局、具有邊界約束的公共教室平面布局、 教室組合平面布局為研究對象，通過其空間與空間、空間與空間內的物品之間的 組合關系建立約束框架，運用可視化編程，將生成邏輯轉譯為參數化模型，構建 以上三種類型平面布局的自動生成模塊。

　　1.5 研究框架

　　1.6 創新點

　　研究以高校公共教室平面布局為例，從方案設計的角度，提出了按照特定的 布局規則和功能性要求將對象排布在室內空間中的約束關系，并以此構建公共教 室平面自動生成模塊，用戶通過輸入基本數據，可得到滿足約束的平面布局圖。 本研究有如下創新點：

　�。�1）運用可視化編程、參數化技術，建立理想尺寸公共教室平面、具有邊 界約束的公共教室平面、教室組合平面自動生成模塊，其研究過程及研究成果在 公共教室平面設計領域具有獨創性。

　�。�2）對可視化編程的現狀進行了分析，通過該方法可提高設計效率，在當 前計算機自動生成設計中，可視化編程也更易于建筑設計人員掌握，對可視化編 程發展前景提出了比較樂觀的看法。

　�。�3）通過對不同類型公共教室的調研梳理及相關規范整理，結合人因工程 學，提出了對教室平面設計合理的尺寸數據，為后續可視化編程奠定基礎。

　　1.7 相關概念界定

　�。�1）公共教室平面布局 聚焦高校公共教室，公共教室包括普通教室、階梯教室、計算機教室和討論 教室。由于計算機教室設備的特殊性，需要對其專門進行設計，故暫不包括在本文的研究范圍內。公共教室基本功能為授課、學習，一般教室由教師操作區、座 位區、輔助教學區組成，隨著教學方式的改變，討論功能逐漸進入教室功能中， 同時也延伸出討論型教室。本論文以公共教室內部的主要尺寸數據為影響公共教 室平面布局的主要因素，暫不考慮光照、通風等環境因素。

　�。�2）計算機自動生成設計 計算機自動生成設計即使設計工作在計算機幫助下，達到自動化或半自動 化，從而減輕設計人員的勞動并提高設計質量。它是計算機輔助生成設計的一個 重要組成部分，逐漸從中分化成獨立的體系。根據建筑方案的可計算行，計算機 生成設計又可分為兩類：參數化生成設計與智能化生成設計。一般來說，參數化 生成設計利用計算機的關聯建模技術，對自身方案無法進行自主的運算及評估， 需要設計人員進行調參及方案評估，屬于半自動的設計方法。智能化生成設計也 就是基于算法的生成設計方法，根據生成程序計算的內容還可以繼續細分，對方 案性能進行評價選擇，實現自動化生成設計。

　�。�3）可視化編程 可視化編程，即可視化的程序設計：以"所見即所得"的編程思想為原則， 力圖實現編程工作的可視化，即隨時可以看到結果，程序與結果的調整同步。在 建筑設計行業內，目前所使用的可視化編程軟件以 Grasshopper 和 Dynamo 為代 表。這些軟件的特征是，把一些常用的代碼塊、函數等打包成類似于"電池"一 樣的控件，設計人員通過"電池"將運算邏輯輸入輸出，生成所需要的結果。

　�。�4）參數化設計 參數化這一概念廣泛應用于數學到設計的各類學科，從字面上解釋是指利用 規定的參數進行計算。但在現代設計的專業領域，廣義上的參數化是指利用參數 化建模軟件進行設計的過程。與基于幾何體的標準軟件包不同，參數化軟件可以 將尺寸規格和參數與幾何學相連接，通過局部的增量調整來影響整體的形式。主 要實現方法是按照形式邏輯搭建的關聯模型，通過控制設定參數變量來改變生成 結果，參數與結果之間有很強的直觀性。 （5）設計約束 設計約束是相對參數化設計提出的概念，參數化方法本質可理解為基于約束 的設計對象描述方法，設計對象的整個設計過程可看作是約束規定、約束變換求 解、約束評估的約束求解過程。在實現參數化設計的過程中，需要給定設計對象 一組設計約束作為參數化設計的設計邏輯。

　�。�6）人因工程學 人因工程學，或人因學，萌芽于 19 世紀與 20 世紀之交，奠基于 20 世紀中葉�，F代人因工程學是社會、心理、生理、工程、生物化學、工業設計、人體量 度、認知科學、互動設計、視覺設計、用戶界面設計與用戶體驗設計等一系列領 域在"人的相關性"層面上的交叉組合。注釋[2]它的目的是把心理學和生理學的一 系列方法則導入到產品設計或工程設計中，以謀求更高效、更安全、更健康和更 美好的以人為中心的工作生活界面。

　　與之相似的概念還有人體工程學、人機工程學等。經過查證，人體工程學， 又稱人機工程學、人類工程學。其定義是：研究人在某種工作環境中的解剖學、 生理學和心理學等方面的各種因素；研究人和機器及環境的相互作用。 根據人因工程學與人體工程學的定義，本論文中所涉及內容是以人體尺寸作 為設計的標準，為使用者帶來更加舒適的感受。故文中相關內容均以人因工程學 進行描述。

　　第二章 計算機自動生成設計概述
　　2.1 參數化設計

　　2.1.1 參數化設計

　　2.1.2 基于參數化設計邏輯

　　2.1.3 參數化設計研究現狀

　　2.1.4 參數化設計應用案例

　　2.2 可視化編程

　　2.2.1 可視化編程軟件

　　2.2.2 可視化編程軟件在設計中的應用

　　2.3 代碼編程和復雜算法

　　2.3.1 代碼編程

　　2.3.2 生成設計算法

　　2.4 計算機自動生成設計應用實例

　　2.4.1 基于 PYTHON 的適老化衛生間平面計算機自動生成研究

　　2.4.2 基于 GRASSHOPPER 的自動排磚方法研究

　　2.5 章節小結

　　第三章 高校公共教室平面設計的依據與原則

　　3.1 公共教室平面設計

　　3.1.1 公共教室分類

　　3.1.2 公共教室平面布局基本內容

　　3.1.3 公共教室相關規范

　　3.2 普通教室設計原則

　　3.2.1 普通教室設計要求

　　3.2.2 普通教室平面形狀

　　3.3 階梯教室設計原則

　　3.3.1 階梯教室設計要求

　　3.3.2 階梯教室室內設計

　　3.4 公共教室案例調研及基本尺度推導

　　3.4.1 教室調研案例

　　3.4.2 公共教室基本尺度

　　3.5 本章小結

　　第四章 理想尺寸公共教室平面計算機自動生成設計

　　4.1 理想尺寸公共教室平面生成邏輯及規則

　　4.1.1 理想尺寸公共教室平面生成邏輯

　　4.1.2 確定公共教室功能區域尺寸

　　4.1.3 確定公共教室平面尺寸

　　4.2 構建基于 GRASSHOPPER 的理想尺寸公共教室平面布局參數化模型

　　4.2.1 理想尺寸公共教室平面布局參數設置

　　4.2.2 理想尺寸公共教室平面布局參數化模型構建過程

　　4.2.3 構建理想尺寸公共教室平面布局自動生成模塊

　　4.3 計算機自動生成布局方法與人工布局方法比較

　　4.3.1 人工布局方法的設計過程

　　4.3.2 計算機自動生成布局設計的設計過程

　　4.4 本章小結

　　第五章 具有邊界約束的公共教室平面計算機自動生成設計

　　5.1 具有邊界約束的公共教室平面生成邏輯及規則

　　5.1.1 具有邊界約束的公共教室平面生成邏輯

　　5.1.2 確定公共教室平面功能分區

　　5.1.3 確定座位區排布方式

　　5.1.4 確定家具位置

　　5.2 構建具有邊界約束的公共教室平面布局參數化模型

　　5.2.1 具有邊界約束的公共教室平面布局參數設置

　　5.2.2 具有邊界約束的公共教室平面布局參數化模型程序編寫

　　5.2.3 具有邊界約束的公共教室平面布局參數化構建過程

　　.2.4 具有邊界約束的公共教室平面布局自動布局模塊

　　5.3 本章小結

　　第六章 教室組合平面的計算機自動生成設計

　　6.1 教學樓標準化平面設計原則及其布局

　　6.1.1 教學樓標準化平面設計原則

　　6.1.2 教學樓標準化平面柱網形式

　　6.1.3 教學樓輔助空間布局

　　6.2 教室組合平面生成模型預定義

　　6.2.1 平面模數推導

　　6.2.2 基于模數尺寸的公共教室規模

　　6.2.3 基于模數尺寸的教室平面組合90

　　6.3 教室組合平面布局自動生成設計流程及規則

　　6.3.1 確定教室組合平面基礎尺寸規則

　　6.3.2 教室組合平面功能分區規則

　　6.3.3 教室組合平面教室排布規則

　　6.4 基于 GRASSHOPPER 的教室組合平面布局參數化模型

　　6.4.1 教室組合平面布局參數化模型程序編寫

　　6.4.2 教室組合平面布局參數化模型構建過程

　　6.5 本章小結

　　第七章 結論與展望

　　7.1 研究結論

　　本論文通過調研公共教室平面布局設計原則，結合相關設計規范，形成布局 設計的約束框架。運用可視化編程平臺 Grasshopper 構建公共教室平面自動生成 模塊。嘗試構建起規則明確、面向過程的計算機平面布局自動生成設計模式。本 文的主要結論如下：

　�。�1）本研究是對設計邏輯轉化為參數模型實現計算機自動生成設計方法的 嘗試，是在現階段所使用的設計軟件基礎上進一步的發展，是對于計算機自動生 成平面布局的一次探索。

　�。�2）對計算機自動生成設計進行分析和梳理，對基于可視化編程與代碼編 程的計算機自動生成設計方法進行對比，可以得出結論：運用可視化編程、參數 化技術的方法更適合建筑設計人員。

　�。�3）通過對不同規模的公共教室空間進行調研分析，對不同類型公共教室 進行歸納總結，分析影響公共教室布置的結合相關設計規范、人因工程學尺寸， 推導出適合于高校公共教室平面布局的模數尺寸（見表 7-1），為計算機自動生 成設計提供數據支持.

　　別是理想尺寸公共教室平面、具有邊界約束的公共教室平面及公共教室組合平 面。通過調控平面生成模塊參數可生成新的平面布局形式，具有良好的性能。

　　7.2 研究展望

　　在數字化和智慧化快速發展的趨勢下，相信今后以可視化編程為基礎的計算 機自動生成設計這一領域會出現更多有價值的研究成果。本研究已開發的三個計 算機自動生成模塊還可繼續優化，例如將日照、通風等環境因素納入到模塊中， 將進一步提高研究成果的實際應用性。

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