摘 要

　　國家發(fā)展目標提出，到 2025 年，建筑工業(yè)化、數字化、智能化水平要有顯 著(zhù)提高。建筑設計也應與國家發(fā)展目標相適應，將數字技術(shù)融入建筑設計中，提 高設計過(guò)程的智能化。計算機自動(dòng)生成設計隨著(zhù)計算機技術(shù)的進(jìn)步而快速發(fā)展， 將設計人員的設計意圖通過(guò)程序設置目標與規則、定義函數、運行計算機實(shí)現自 動(dòng)甚至自主創(chuàng )作設計。該方法近年來(lái)已成為建筑設計領(lǐng)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(dòng)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(dòng)生成設計方法進(jìn)行了梳理，對高校公共教室空間進(jìn)行了歸類(lèi)分析，在 此基礎上探索用可視化編程途徑實(shí)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(dòng)生成設計模塊。為建筑數字化、智慧化領(lǐng)域發(fā)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?jì)热葸M(jìn)行闡釋?zhuān)瑢φ撐?中相關(guān)概念進(jìn)行界定，對論文框架進(jìn)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(jìn)行分析和梳理， 通過(guò)實(shí)際應用案例對基于可視化編程與代碼編程的計算機自動(dòng)生成設計方法進(jìn) 行比較，確定運用可視化編程軟件、參數化技術(shù)的方法進(jìn)行計算機自動(dòng)生成研究。 第三章對高校公共教室進(jìn)行實(shí)地調研，對不同類(lèi)型公共教室進(jìn)行歸納總結， 結合相關(guān)設計規范、人因工程學(xué)尺寸，得出適合于高校公共教室的模數尺寸，為 計算機自動(dòng)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(shù)對公共教室平面布局自動(dòng) 生成進(jìn)行了重點(diǎn)探討，通過(guò)可視化編程軟件 Grasshopper 對三種平面布局設計邏 輯、設計規則進(jìn)行轉譯，搭建參數化模型，分別開(kāi)發(fā)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(dòng)生成的三個(gè)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(kāi)發(fā)理想尺寸公共教室平面自動(dòng)生成模塊，實(shí)現通過(guò) 調動(dòng)參數自動(dòng)生成相應平面布局。

　　第五章在理想尺寸公共教室平面自動(dòng)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(jìn)行了研究，建立參數化模型，開(kāi)發(fā)具有約束邊界的公共教室平面自動(dòng)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(kāi)發(fā)公共教室組合平面自動(dòng)生成模塊。

　　本文的結論是通過(guò)開(kāi)發(fā)公共教室平面自動(dòng)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(dòng)設計起到引領(lǐng)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(lǐng)域平面布局設計中。

　　關(guān)鍵詞：公共教室平面，計算機自動(dòng)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(fā)展目標，住建部提出：到 2025 年，我國智能建造與建筑工業(yè)化 協(xié)同發(fā)展的政策體系和產(chǎn)業(yè)體系基本建立，建筑工業(yè)化、數字化、智能化水平顯 著(zhù)提高。注釋[1]建筑設計發(fā)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(kāi)帷幕，延續至今一直活躍在建 筑設計與研究領(lǐng)域。設計人員最常使用到的計算機簡(jiǎn)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(zhù)計算機圖形學(xué)不斷發(fā)展以及 可視化技術(shù)的出現，參數化技術(shù)逐步在計算機輔助設計領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)，90 年代 初期，參數化技術(shù)逐漸廣泛應用于建筑涉及領(lǐng)域。

　　21 世紀初，BIM 成為了建筑領(lǐng) 域新一代的計算機輔助設計手段，它可以實(shí)現建筑全生命周期過(guò)程中進(jìn)行共享和 傳遞。計算機生成設計隨著(zhù)計算機的進(jìn)步而飛速發(fā)展，計算機可以逐步實(shí)現自動(dòng) 甚至自主創(chuàng )作設計的過(guò)程。不僅提高了設計人員的效率，同時(shí)也提高了設計的準 確性。平面設計包含功能劃分、流線(xiàn)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(jìn)行實(shí)現，不僅 會(huì )產(chǎn)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(shù)， 將設計人員復雜、耗力的創(chuàng )作過(guò)程進(jìn)行優(yōu)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(kāi)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(guò)預先制定規則從而影響設計結果，通過(guò)可視化編程建立自動(dòng)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(dòng)生成技術(shù)性難點(diǎn)予以解決。由于公共教室 教學(xué)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(xué) 空間進(jìn)行改造，隨著(zhù)教學(xué)模式的改變，原有公共教室不能滿(mǎn)足教學(xué)需求，通過(guò)改 變教室布置形式來(lái)滿(mǎn)足新的教學(xué)模式。故公共教室平面自動(dòng)設計有較為廣闊的應 用前景和現實(shí)意義。這種自動(dòng)設計方式對與其他類(lèi)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(guān)研究概述

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

　　2020 年郭道夷在發(fā)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(shù)的展示空間設計研究》，對已建成的基于 參數化技術(shù)的展示空間，從平面布局、空間形態(tài)等方面進(jìn)行分析。參數化技術(shù)實(shí) 現室內平面布局的研究?jì)H有一篇，廣西大學(xué)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(shí)現計算機自動(dòng)生成設計是設計人員較為常用的一種途徑，該 類(lèi)研究使用大量計算機知識與編程方法，國外關(guān)于空間布局的生成研究開(kāi)始較 早，Harad[6]早在 1995 年就已嘗試開(kāi)發(fā)了一套形狀語(yǔ)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(chuàng )建的半自動(dòng)布局建模系統，并通 過(guò)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(yǔ)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(dòng)生成設計所使用算法多集中在解決 "空間分配問(wèn)題"、形狀語(yǔ)法、"人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )"等方面。郭梓峰在 2016 年全國建筑院系建筑數字技術(shù)教學(xué)研討會(huì )論文集中發(fā)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(jìn)化算法和多智能體模型，實(shí)現建筑功能布 局、空間大小的優(yōu)化自治。越來(lái)越多的的設計人員使用人工智能現實(shí)計算機自動(dòng) 生成設計，林博利用機器學(xué)習算法和深度學(xué)習算法可以訓練計算機學(xué)習如何進(jìn)行 城市空間設計。探索城市空間的交通路網(wǎng)、街區空間形態(tài)及建筑功能布局的生成模式。華南理工大學(xué)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(jià)，結合深度學(xué)習、交互式進(jìn)化算法等技術(shù)，形成新型設計工作方法，和 青年公寓戶(hù)型圖自動(dòng)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(shí)現計算機自動(dòng)生成設 計的可行性方法。在高校教學(xué)空間中，公共教室使數量較為龐大的一類(lèi)教室，其 擁有較大的需求量，隨著(zhù)教學(xué)要求的提高，許多高校對于設備陳舊、無(wú)法滿(mǎn)足教 學(xué)模式發(fā)展變化的公共教室進(jìn)行重新布局，故公共教室平面布局自動(dòng)生成有較強 的現實(shí)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(dòng)，讓 設計人員可以將更多的精力關(guān)注到設計的總體把控中。

　　1.4 研究?jì)热莺头椒?/strong>