公共教室平面的计算机自动生成设计研究

摘 要

　　国家发展目标提出，到 2025 年，建筑工业化、数字化、智能化水平要有显 著提高。建筑设计也应与国家发展目标相适应，将数字技术融入建筑设计中，提 高设计过程的智能化。计算机自动生成设计随着计算机技术的进步而快速发展， 将设计人员的设计意图通过程序设置目标与规则、定义函数、运行计算机实现自 动甚至自主创作设计。该方法近年来已成为建筑设计领域重要的探索方向。

　　本论文聚焦于高校公共教室平面设计，尝试找到一种计算机自动生成的应用 策略，公共教室平面设计当中有较多重复性元素，可用可视化编程的方式提高设 计效率，减少人为误差。但是，当前在这方面还缺少较为理想研究成果。本文对 计算机自动生成设计方法进行了梳理，对高校公共教室空间进行了归类分析，在 此基础上探索用可视化编程途径实现高校公共教室平面布局生成方法，并形成公 共教室平面自动生成设计模块。为建筑数字化、智慧化领域发展提供借鉴。

　　第一章对本论文的研究背景、研究目的和意义、研究内容进行阐释，对论文 中相关概念进行界定，对论文框架进行梳理。

　　第二章对参数化设计、可视化编程、代码编程和复杂算法进行分析和梳理， 通过实际应用案例对基于可视化编程与代码编程的计算机自动生成设计方法进 行比较，确定运用可视化编程软件、参数化技术的方法进行计算机自动生成研究。 第三章对高校公共教室进行实地调研，对不同类型公共教室进行归纳总结， 结合相关设计规范、人因工程学尺寸，得出适合于高校公共教室的模数尺寸，为 计算机自动生成设计提供数据支持。 第四章到第六章是用可视化编程软件、参数化技术对公共教室平面布局自动 生成进行了重点探讨，通过可视化编程软件 Grasshopper 对三种平面布局设计逻 辑、设计规则进行转译，搭建参数化模型，分别开发理想尺寸公共教室平面、具 有边界约束的公共教室平面及公共教室组合平面自动生成的三个模块。其中

　　第四 章以标准化公共教室平面为研究对象，即教室平面形状、尺寸不受约束，根据其 生成逻辑建立参数化模型，开发理想尺寸公共教室平面自动生成模块，实现通过 调动参数自动生成相应平面布局。

　　第五章在理想尺寸公共教室平面自动生成模块 的基础上，加入教室平面形状、尺寸的约束，对矩形与非矩形教室平面布局方式进行了研究，建立参数化模型，开发具有约束边界的公共教室平面自动生成模块。

　　第六章以公共教室组合平面为研究对象，根据不同规模教室的组合方式，加入教 辅空间生成平面，建立参数化模型，开发公共教室组合平面自动生成模块。

　　本文的结论是通过开发公共教室平面自动生成模块，减少设计人员的重复性 工作，提高设计效率，在一定程度上也提高了设计的准确性。对于公共教室平面 自动设计起到引领性作用，是数字化、智慧化建筑设计方面的有益补充，按照该 思路可沿用至其他领域平面布局设计中。

　　关键词：公共教室平面，计算机自动生成设计，可视化编程，参数化设计， 设计约束

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 录

　　第一章 绪论

　　1.1 研究背景

　　根据国家发展目标，住建部提出：到 2025 年，我国智能建造与建筑工业化 协同发展的政策体系和产业体系基本建立，建筑工业化、数字化、智能化水平显 著提高。注释[1]建筑设计发展上也应与国家趋势相适应。 20 世纪 60 年代计算机辅助设计（CAAD）拉开帷幕，延续至今一直活跃在建 筑设计与研究领域。设计人员最常使用到的计算机简单辅助设计系统，如 CAD 等绘制二维或三维图像的工具。80 年代初期，随着计算机图形学不断发展以及 可视化技术的出现，参数化技术逐步在计算机辅助设计领域发展起来，90 年代 初期，参数化技术逐渐广泛应用于建筑涉及领域。

　　21 世纪初，BIM 成为了建筑领 域新一代的计算机辅助设计手段，它可以实现建筑全生命周期过程中进行共享和 传递。计算机生成设计随着计算机的进步而飞速发展，计算机可以逐步实现自动 甚至自主创作设计的过程。不仅提高了设计人员的效率，同时也提高了设计的准 确性。平面设计包含功能划分、流线规划、家具陈设布置等设计内容，是建筑设计 中基础设计部分。设计人员往往预先设想出设计结果，利用人工进行实现，不仅 会产生许多重复性的工作，且存在一定的误差，CAD 作为常用的计算机辅助技术， 将设计人员复杂、耗力的创作过程进行优化，但如果生成结果与预期目标相差较 大，则继续修改甚至重新开始，依然需要耗费较多精力。

　　与之相反，生成设计使 设计人员通过预先制定规则从而影响设计结果，通过可视化编程建立自动生成模 块，更高效地得到设计结果。

　　本文对高校公共教室平面设计自动生成技术性难点予以解决。由于公共教室 教学空间的重要组成部分，不仅新建公共教室有较大的需求量，还存在许多教学 空间进行改造，随着教学模式的改变，原有公共教室不能满足教学需求，通过改 变教室布置形式来满足新的教学模式。故公共教室平面自动设计有较为广阔的应 用前景和现实意义。这种自动设计方式对与其他类型的平面布局设计，有较强的 借鉴意义，不仅减少设计人员的重复性工作，且使设计将变得更加高效。

　　1.2 国内外相关研究概述

　　根据计算机自动生成设计的实现途径，主要分为两种：参数化技术和复杂算 法。目前在知网的搜索中，有关"参数化设计"的相关论文有 5000 余篇，研究 内容包括参数化设计理论与发展模式；建筑形体造型及表皮生成；结合具体的设 计实例，对一具体类型建筑的参数化设计进行探索；对高校参数化设计教学活动 进行研究等。搜索"参数化设计+平面",相关论文分为三类：建筑群体平面布 局、对已有成果进行理论分析、室内平面布局。陈沉于 2018 年发表《参数化技 术在城市建筑群设计中的应用》，文章通过结合参数化平面布局与参数化建筑模 型，实现平面布局可动态调整，建筑群可统一调整，单一建筑可参数化驱动，以求 获得更佳的建筑群布置方案。

　　2020 年郭道夷在发表硕士论文《基于参数化形状 文法的城郊乡村住宅生成设计研究》，基于对已有的乡村住宅形状文法的设计规 则，借助 Grasshopper 立参数化模型，生成了基于其特定需求的乡村住宅。2017 年韩喜耀在硕士论文《基于参数化技术的展示空间设计研究》，对已建成的基于 参数化技术的展示空间，从平面布局、空间形态等方面进行分析。参数化技术实 现室内平面布局的研究仅有一篇，广西大学韩澍在 2017 年硕士论文《冷链物流 仓库平面布局参数化设计及应用》中，以冷链仓库平面布局为研究对象，提出一 种基于 CAD 的参数化功能具有模块化参数化思想的设计方法。 使用复杂算法实现计算机自动生成设计是设计人员较为常用的一种途径，该 类研究使用大量计算机知识与编程方法，国外关于空间布局的生成研究开始较 早，Harad[6]早在 1995 年就已尝试开发了一套形状语法与建筑布局交互的系统。

　　Rosser[5]等人提出了一种用于建筑内部平面图创建的半自动布局建模系统，并通 过集成已有地图数据、平面图，用于生成的建筑模型内。已给定的一组生成规则 被纳入到形状语法中，自初期到最终设计的整体转换之中，设计师可选用各种转 换规则，也因此成为设计师较为常用的一种布局方法。 国内设计人员对城市、建筑空间布局自动生成设计所使用算法多集中在解决 "空间分配问题"、形状语法、"人工智能神经网络"等方面。郭梓峰在 2016 年全国建筑院系建筑数字技术教学研讨会论文集中发表《多层建筑空间布局生成 探索》，基于生成设计基本原理，结合进化算法和多智能体模型，实现建筑功能布 局、空间大小的优化自治。越来越多的的设计人员使用人工智能现实计算机自动 生成设计，林博利用机器学习算法和深度学习算法可以训练计算机学习如何进行 城市空间设计。探索城市空间的交通路网、街区空间形态及建筑功能布局的生成模式。华南理工大学杨柳硕士论文研究传统青年公寓设计策略方法、建成空间使 用后评价，结合深度学习、交互式进化算法等技术，形成新型设计工作方法，和 青年公寓户型图自动生成工具。

　　1.3 研究目的和意义

　　本论文研究目的为结合高校公共教室平面设计找到实现计算机自动生成设 计的可行性方法。在高校教学空间中，公共教室使数量较为庞大的一类教室，其 拥有较大的需求量，随着教学要求的提高，许多高校对于设备陈旧、无法满足教 学模式发展变化的公共教室进行重新布局，故公共教室平面布局自动生成有较强 的现实意义和广阔的前景，提高了设计效率，减少了设计人员重复性的劳动，让 设计人员可以将更多的精力关注到设计的总体把控中。

　　1.4 研究内容和方法

　　本论文根据以下三方面内容展开研究：

　　（1）通过梳理计算机自动生成设计的基础理论与实现手段，得出参数化设计、 可视化编程、代码编程和复杂算法都是实现自动生成的重要手段。其中代码编程 和复杂算法需要扎实的计算机知识为基础，使用门槛较高。通过可视化编程实现 自动生成已得到建筑设计人员的重视，但应用方面还远远不够，许多领域还未涉 及，本论文将可视化编程实现计算机自动生成应用于公共教室平面布局领域。

　　（2）教室空间作为高校教学空间的重要场所，除了对新建公共教室有较大需 求量，随着教学模式的发展，大量教学空间进行改造，转变公共教室布局方式。 对高校公共教室进行调研分析，得出一套合理的尺寸数据，为后续公共教室平面 计算机自动生成提供支持。

　　（3）以理想尺寸公共教室平面布局、具有边界约束的公共教室平面布局、 教室组合平面布局为研究对象，通过其空间与空间、空间与空间内的物品之间的 组合关系建立约束框架，运用可视化编程，将生成逻辑转译为参数化模型，构建 以上三种类型平面布局的自动生成模块。

　　1.5 研究框架

　　1.6 创新点

　　研究以高校公共教室平面布局为例，从方案设计的角度，提出了按照特定的 布局规则和功能性要求将对象排布在室内空间中的约束关系，并以此构建公共教 室平面自动生成模块，用户通过输入基本数据，可得到满足约束的平面布局图。 本研究有如下创新点：

　　（1）运用可视化编程、参数化技术，建立理想尺寸公共教室平面、具有边 界约束的公共教室平面、教室组合平面自动生成模块，其研究过程及研究成果在 公共教室平面设计领域具有独创性。

　　（2）对可视化编程的现状进行了分析，通过该方法可提高设计效率，在当 前计算机自动生成设计中，可视化编程也更易于建筑设计人员掌握，对可视化编 程发展前景提出了比较乐观的看法。

　　（3）通过对不同类型公共教室的调研梳理及相关规范整理，结合人因工程 学，提出了对教室平面设计合理的尺寸数据，为后续可视化编程奠定基础。

　　1.7 相关概念界定

　　（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、阶梯教室、计算机教室和讨论 教室。由于计算机教室设备的特殊性，需要对其专门进行设计，故暂不包括在本文的研究范围内。公共教室基本功能为授课、学习，一般教室由教师操作区、座 位区、辅助教学区组成，随着教学方式的改变，讨论功能逐渐进入教室功能中， 同时也延伸出讨论型教室。本论文以公共教室内部的主要尺寸数据为影响公共教 室平面布局的主要因素，暂不考虑光照、通风等环境因素。

　　（2）计算机自动生成设计 计算机自动生成设计即使设计工作在计算机帮助下，达到自动化或半自动 化，从而减轻设计人员的劳动并提高设计质量。它是计算机辅助生成设计的一个 重要组成部分，逐渐从中分化成独立的体系。根据建筑方案的可计算行，计算机 生成设计又可分为两类：参数化生成设计与智能化生成设计。一般来说，参数化 生成设计利用计算机的关联建模技术，对自身方案无法进行自主的运算及评估， 需要设计人员进行调参及方案评估，属于半自动的设计方法。智能化生成设计也 就是基于算法的生成设计方法，根据生成程序计算的内容还可以继续细分，对方 案性能进行评价选择，实现自动化生成设计。

　　（3）可视化编程 可视化编程，即可视化的程序设计：以"所见即所得"的编程思想为原则， 力图实现编程工作的可视化，即随时可以看到结果，程序与结果的调整同步。在 建筑设计行业内，目前所使用的可视化编程软件以 Grasshopper 和 Dynamo 为代 表。这些软件的特征是，把一些常用的代码块、函数等打包成类似于"电池"一 样的控件，设计人员通过"电池"将运算逻辑输入输出，生成所需要的结果。

　　（4）参数化设计 参数化这一概念广泛应用于数学到设计的各类学科，从字面上解释是指利用 规定的参数进行计算。但在现代设计的专业领域，广义上的参数化是指利用参数 化建模软件进行设计的过程。与基于几何体的标准软件包不同，参数化软件可以 将尺寸规格和参数与几何学相连接，通过局部的增量调整来影响整体的形式。主 要实现方法是按照形式逻辑搭建的关联模型，通过控制设定参数变量来改变生成 结果，参数与结果之间有很强的直观性。 （5）设计约束 设计约束是相对参数化设计提出的概念，参数化方法本质可理解为基于约束 的设计对象描述方法，设计对象的整个设计过程可看作是约束规定、约束变换求 解、约束评估的约束求解过程。在实现参数化设计的过程中，需要给定设计对象 一组设计约束作为参数化设计的设计逻辑。

　　（6）人因工程学 人因工程学，或人因学，萌芽于 19 世纪与 20 世纪之交，奠基于 20 世纪中叶。现代人因工程学是社会、心理、生理、工程、生物化学、工业设计、人体量 度、认知科学、互动设计、视觉设计、用户界面设计与用户体验设计等一系列领 域在"人的相关性"层面上的交叉组合。注释[2]它的目的是把心理学和生理学的一 系列方法则导入到产品设计或工程设计中，以谋求更高效、更安全、更健康和更 美好的以人为中心的工作生活界面。

　　与之相似的概念还有人体工程学、人机工程学等。经过查证，人体工程学， 又称人机工程学、人类工程学。其定义是：研究人在某种工作环境中的解剖学、 生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用。 根据人因工程学与人体工程学的定义，本论文中所涉及内容是以人体尺寸作 为设计的标准，为使用者带来更加舒适的感受。故文中相关内容均以人因工程学 进行描述。

　　第二章 计算机自动生成设计概述
　　2.1 参数化设计

　　2.1.1 参数化设计

　　2.1.2 基于参数化设计逻辑

　　2.1.3 参数化设计研究现状

　　2.1.4 参数化设计应用案例

　　2.2 可视化编程

　　2.2.1 可视化编程软件

　　2.2.2 可视化编程软件在设计中的应用

　　2.3 代码编程和复杂算法

　　2.3.1 代码编程

　　2.3.2 生成设计算法

　　2.4 计算机自动生成设计应用实例

　　2.4.1 基于 PYTHON 的适老化卫生间平面计算机自动生成研究

　　2.4.2 基于 GRASSHOPPER 的自动排砖方法研究

　　2.5 章节小结

　　第三章 高校公共教室平面设计的依据与原则

　　3.1 公共教室平面设计

　　3.1.1 公共教室分类

　　3.1.2 公共教室平面布局基本内容

　　3.1.3 公共教室相关规范

　　3.2 普通教室设计原则

　　3.2.1 普通教室设计要求

　　3.2.2 普通教室平面形状

　　3.3 阶梯教室设计原则

　　3.3.1 阶梯教室设计要求

　　3.3.2 阶梯教室室内设计

　　3.4 公共教室案例调研及基本尺度推导

　　3.4.1 教室调研案例

　　3.4.2 公共教室基本尺度

　　3.5 本章小结

　　第四章 理想尺寸公共教室平面计算机自动生成设计

　　4.1 理想尺寸公共教室平面生成逻辑及规则

　　4.1.1 理想尺寸公共教室平面生成逻辑

　　4.1.2 确定公共教室功能区域尺寸

　　4.1.3 确定公共教室平面尺寸

　　4.2 构建基于 GRASSHOPPER 的理想尺寸公共教室平面布局参数化模型

　　4.2.1 理想尺寸公共教室平面布局参数设置

　　4.2.2 理想尺寸公共教室平面布局参数化模型构建过程

　　4.2.3 构建理想尺寸公共教室平面布局自动生成模块

　　4.3 计算机自动生成布局方法与人工布局方法比较

　　4.3.1 人工布局方法的设计过程

　　4.3.2 计算机自动生成布局设计的设计过程

　　4.4 本章小结

　　第五章 具有边界约束的公共教室平面计算机自动生成设计

　　5.1 具有边界约束的公共教室平面生成逻辑及规则

　　5.1.1 具有边界约束的公共教室平面生成逻辑

　　5.1.2 确定公共教室平面功能分区

　　5.1.3 确定座位区排布方式

　　5.1.4 确定家具位置

　　5.2 构建具有边界约束的公共教室平面布局参数化模型

　　5.2.1 具有边界约束的公共教室平面布局参数设置

　　5.2.2 具有边界约束的公共教室平面布局参数化模型程序编写

　　5.2.3 具有边界约束的公共教室平面布局参数化构建过程

　　.2.4 具有边界约束的公共教室平面布局自动布局模块

　　5.3 本章小结

　　第六章 教室组合平面的计算机自动生成设计

　　6.1 教学楼标准化平面设计原则及其布局

　　6.1.1 教学楼标准化平面设计原则

　　6.1.2 教学楼标准化平面柱网形式

　　6.1.3 教学楼辅助空间布局

　　6.2 教室组合平面生成模型预定义

　　6.2.1 平面模数推导

　　6.2.2 基于模数尺寸的公共教室规模

　　6.2.3 基于模数尺寸的教室平面组合90

　　6.3 教室组合平面布局自动生成设计流程及规则

　　6.3.1 确定教室组合平面基础尺寸规则

　　6.3.2 教室组合平面功能分区规则

　　6.3.3 教室组合平面教室排布规则

　　6.4 基于 GRASSHOPPER 的教室组合平面布局参数化模型

　　6.4.1 教室组合平面布局参数化模型程序编写

　　6.4.2 教室组合平面布局参数化模型构建过程

　　6.5 本章小结

　　第七章 结论与展望

　　7.1 研究结论

　　本论文通过调研公共教室平面布局设计原则，结合相关设计规范，形成布局 设计的约束框架。运用可视化编程平台 Grasshopper 构建公共教室平面自动生成 模块。尝试构建起规则明确、面向过程的计算机平面布局自动生成设计模式。本 文的主要结论如下：

　　（1）本研究是对设计逻辑转化为参数模型实现计算机自动生成设计方法的 尝试，是在现阶段所使用的设计软件基础上进一步的发展，是对于计算机自动生 成平面布局的一次探索。

　　（2）对计算机自动生成设计进行分析和梳理，对基于可视化编程与代码编 程的计算机自动生成设计方法进行对比，可以得出结论：运用可视化编程、参数 化技术的方法更适合建筑设计人员。

　　（3）通过对不同规模的公共教室空间进行调研分析，对不同类型公共教室 进行归纳总结，分析影响公共教室布置的结合相关设计规范、人因工程学尺寸， 推导出适合于高校公共教室平面布局的模数尺寸（见表 7-1），为计算机自动生 成设计提供数据支持.

　　别是理想尺寸公共教室平面、具有边界约束的公共教室平面及公共教室组合平 面。通过调控平面生成模块参数可生成新的平面布局形式，具有良好的性能。

　　7.2 研究展望

　　在数字化和智慧化快速发展的趋势下，相信今后以可视化编程为基础的计算 机自动生成设计这一领域会出现更多有价值的研究成果。本研究已开发的三个计 算机自动生成模块还可继续优化，例如将日照、通风等环境因素纳入到模块中， 将进一步提高研究成果的实际应用性。

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