基于遺傳算法的建筑容積率優(yōu)化研究與設(shè)計

李文娟　孫文坡　黨向盈

摘 要：為了自動確定擬建建筑的容積率，提出一種基于遺傳算法的最大容積率計算方法，并設(shè)計出一套實用軟件。求解擬建建筑最佳容積率，是一個NP問題，遺傳算法是一種進(jìn)化優(yōu)化算法，能夠有效地解決這種NP優(yōu)化問題。所提方法首先計算太陽高度角；然后，由太陽高度角和其他參數(shù)，計算擬建建筑的棒影長度；最后，基于日照約束條件，采用遺傳算法自動計算擬建建筑的最佳高度，從而進(jìn)一步計算最佳容積率。滿足日照最低要求計算建筑的最佳高度是軟件的核心技術(shù)。在建筑申報前計算出該地塊的建筑最佳高度，進(jìn)一步計算日照約束下的最大容積率。在建筑申報前，該系統(tǒng)能夠計算出地塊建筑最佳容積率，提高了建筑設(shè)計的科學(xué)性和便捷性，也為建筑行業(yè)設(shè)計提供一種良好設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：日照約束；建筑；容積率；遺傳算法

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In order to automatically determine the plot ratio of the proposed building，a method for calculating the maximum plot ratio based on genetic algorithm is proposed，and a set of practical software is designed.It is a NP problem to solve the optimal plot ratio of the proposed building.Genetic algorithm is an evolutionary optimization algorithm which can effectively solve this NP optimization problem.The first method is to calculate the height angle of the sun.Then，the shadow length of the proposed building is calculated by the height angle of the sun and other parameters.Finally，based on the sunlight constraint conditions，the optimal height of the proposed building is calculated automatically by genetic algorithm，so as to further calculate the optimal plot ratio.It is the core technology of the software to calculate the optimal height of the building.Before the construction declaration，the system can calculate the optimal plot ratio of the plot，improve the feasibility and convenience of the architectural design，and provide a good design method for the design of the building industry.

Keywords：sunlight constraints；building construction；plot ratio；Genetic algorithm（GA）

1 引言（Introduction）

我國人口數(shù)量不斷劇增而土地資源短缺，提高土地利用率成為一個急需解決的問題。在用地面積一定的情況下，只有通過調(diào)整建筑的優(yōu)化設(shè)計來提高土地利用率。容積率越高，土地利用率越高。很多學(xué)者采用優(yōu)化工具進(jìn)行建筑優(yōu)化設(shè)計。成三彬[1]和張嵐[2]采用遺傳算法與日照相結(jié)合，求解擬建建筑的最大容積率，取代了傳統(tǒng)憑借經(jīng)驗的方式計算最大容積率的方法，在實踐中取得了良好的效果。

考慮到擬建建筑的規(guī)劃用地面積是已知的，本文研究最大容積率的求解，實質(zhì)等價于擬建建筑最優(yōu)高度的求解，要求出建筑最佳高度即可。

本文解決的主要問題是采用合適的方法求解擬建建筑最大容積率，因此探討的是基于遺傳算法的日照約束下最大容積率的計算問題。遺傳算法與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法相比較，以生物進(jìn)化為原型，具有很好的收斂性，計算時間少，魯棒性高等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用在建筑優(yōu)化設(shè)計方面。

基于遺傳算法，在日照約束條件下計算容積率[3，4]。它可以準(zhǔn)確地獲得被遮擋窗口的日照累計時間，還可以在建筑申報以前就計算出該地塊的建筑最佳高度，從而計算出該地塊最大能開發(fā)出的建筑面積，為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[5，6]提供一種有效幫助。

2 軟件系統(tǒng)概述（Software system overview）

本軟件采用C# Lambda編程技術(shù)，使得軟件實施中，縮短計算時間，減少計算復(fù)雜度，滿足用戶的性能要求。

本軟件的主要功能是計算最大容積率即最佳高度的求解。太陽高度角是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角。首先根據(jù)已知條件得到太陽高度角，再通過將太陽高度角、太陽赤緯角、時角、積日等一系列參數(shù)[7]進(jìn)行一定的計算得到棒影長度，從而計算出擬建建筑的最佳高度。滿足日照最低要求，提供核心計算結(jié)果。本軟件的核心算法主要依賴于棒影計算模型，通過給定參數(shù)和棒高計算得到時間切片內(nèi)不同的棒影長度[8]，從而基于遺傳算法計算擬建建筑的容積率。

本軟件總共有四大功能模塊，它們分別是主函數(shù)、參數(shù)設(shè)定模塊、執(zhí)行計算模塊、最大容積率求解模塊。其框架圖如圖1所示。endprint

3 主模塊（The main module）

軟件從主函數(shù)開始運行。主函數(shù)調(diào)用各函數(shù)，實現(xiàn)被測程序的運行?？梢哉{(diào)用的函數(shù)有參數(shù)設(shè)定模塊、執(zhí)行計算模塊、最大容積率求解模塊。

4 參數(shù)設(shè)定（Parameter setting）

參數(shù)設(shè)定模塊主要分為兩大類，分別為日照建筑參數(shù)設(shè)定和遺傳算法參數(shù)設(shè)定。

4.1 日照建筑參數(shù)設(shè)定

進(jìn)行建筑設(shè)計時，要考慮到每個房屋都有足夠的日照時間。在計算日照時間時，需要考慮到很多因素，包括太陽方位角、時角、待建間距、待建建筑長度、待建建筑寬度、待建窗口的寬度、待建窗口間距等；太陽方位角即太陽光線在地平面上的投影與待建建筑所屬地區(qū)經(jīng)線的夾角。關(guān)于太陽方位角、時角等相關(guān)參數(shù)可以查找《地年氣象觀測規(guī)范》進(jìn)行計算。日照參數(shù)的設(shè)定界面如圖2所示。

（1）待建間距：測量觀測點與待建建筑間的矢量距離。

（2）待測窗口寬度：指觀測點窗口的寬度，單位為m。

（3）待測窗口間距：指觀測點窗口間的距離，單位為m，系統(tǒng)假定窗口間距一致。

（4）待建建筑長度：指待建建筑遮擋面的長度。

（5）待建建筑寬度：主要用于計算容積率。

（6）分割柱寬度：指在遺傳算法中，作為個體的遮擋柱，建筑整體由這些柱合并而成。

以被遮擋窗口為基點，形成一個基于時間的平面投影扇區(qū)。在該扇區(qū)范圍內(nèi)，存在一定高度的待建建筑物。計算出窗口的日照時間。若日照時間不足，則降低待建建筑的高度，當(dāng)窗口日照時間達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時的待建建筑高度為最佳高度。

4.2 遺傳算法參數(shù)設(shè)定

遺傳算法參數(shù)設(shè)定如圖3所示。

遺傳算法設(shè)計完成后，應(yīng)用時需設(shè)定的操作參數(shù)涉及的有種群數(shù)量、迭代次數(shù)、變異概率、變異步長等，這些參數(shù)設(shè)定的合理與否甚至關(guān)系到算法尋優(yōu)計算的成敗。

（1）種群數(shù)量：指生成隨機(jī)柱高的數(shù)量作為遺傳算法種群。該數(shù)量越高，算法執(zhí)行時間越長。種群數(shù)量較小可以提高運算速度，但卻降低了種群多樣性，不僅影響最優(yōu)解的搜索，還可能導(dǎo)致算法出現(xiàn)早熟現(xiàn)象。

（2）迭代次數(shù)：指遺傳算法計算迭代的次數(shù)。次數(shù)越高，獲得柱高的數(shù)據(jù)越接近于最佳，但計算速度越慢。

（3）變異概率：指遺傳算法中隨機(jī)進(jìn)化的柱高被選擇的概率閾值。變異概率過大增大了破壞較好個體的機(jī)會，降低了算法尋優(yōu)速度。變異概率過小則影響種群的多樣性，使得算法的全局收斂性及局部搜索能力變差。

（4）變異步長：指遺傳算法中柱高數(shù)值變異的量。

5 執(zhí)行計算（Perform calculations）

5.1 執(zhí)行種群生成

通過單擊“創(chuàng)建群”按鈕，生成染色體種群，系統(tǒng)會根據(jù)參數(shù)設(shè)定，自動生成種群。種群生成界面如圖4所示。

5.2 遺傳算法迭代

用戶在生成隨機(jī)種群后，可遺傳迭代計算。按照圖3設(shè)定的參數(shù)，遺傳迭代次數(shù)為1500。到達(dá)1500次后，自動增加序列，遺傳迭代后的結(jié)果序列如圖5所示。其中柱形頂端組成的線表示隨機(jī)柱高種群。隨機(jī)序列按照特定的規(guī)則生成，在圖中呈現(xiàn)上升的趨勢。

5.3 日照時間顯示

按照規(guī)定，建筑窗口每天所接受到的日照累計時間必須達(dá)到兩個小時。日照時間參數(shù)列表中顯示的是其各個窗口接受到的日照累計時間，如圖6所示。

圖7上面一欄為日照約束下計算容積率的參數(shù)，即實際層高、規(guī)劃面積占地長度、規(guī)劃面積占地寬度等參數(shù)設(shè)置。首先找出窗口日照時間和待建建筑高度之間的關(guān)系對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，然后對其分析，可以得出求解多個窗口獲得規(guī)范的日照約束問題，轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)求解最小值問題，最后采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。

7 結(jié)論（Conclusion）

本文基于遺傳算法計算日照約束下最大容積率，提高土地利用率。通過建立棒影計算模型，給定參數(shù)和棒高計算得到時間切片內(nèi)不同的棒影長度。然后在用戶生成種群后進(jìn)行遺傳迭代計算，最后計算擬建建筑的容積率。遺傳算法與傳統(tǒng)優(yōu)化算法的極大區(qū)別在于遺傳算法從問題解的串集開始搜索，而不是從單個解開始。傳統(tǒng)優(yōu)化算法是從單個初始值迭代求最優(yōu)解的，容易誤入局部最優(yōu)解。遺傳算法從串集開始搜索，覆蓋面大，利于全局擇優(yōu)。因此采用遺傳算法進(jìn)行容積率的求解為建筑領(lǐng)域提供了一個更加有效的途徑。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 成三彬.建筑日照分析及日照約束下最大容積率的計算[D].安徽理工大學(xué)，2011.

[2] 張嵐.遺傳算法在日照約束下擬建建筑極限容積計算中的應(yīng)用[D].河北工業(yè)大學(xué)，2006.

[3] 宋小冬，孫澄宇.日照標(biāo)準(zhǔn)約束下的建筑容積率估算方法探討[J].城市規(guī)劃匯刊，2004（06）：70-96.

[4] 馬永杰，云文霞.遺傳算法研究進(jìn)展[J].計算機(jī)用用研究，2012，29（04）：1201-1210.

[5] 陳孝珍，張學(xué)軍.改進(jìn)的遺傳算法在型鋼桁架結(jié)構(gòu)擬滿應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].河南大學(xué)學(xué)報（自然版），2014，44（3）：364-369.

[6] 黨向盈，姜代紅，黃小林.基于模擬退火算法的日照約束條件下高層建筑優(yōu)化設(shè)計[J].河北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，37（2）：208-215.

[7] 張強(qiáng)，朱君，修金城.基于眾智軟件的建筑日照計算參數(shù)對比分析——以濟(jì)南市建筑窗戶分析法為例[J].城市勘測，2016（6）：118-122.

[8] 黃農(nóng)，姚金寶，瞿偉.確定住宅建筑日照間距的棒影圖綜合分析法[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001（02）：217-221.

作者簡介：

李文娟（1997-），女，本科生.研究領(lǐng)域：進(jìn)化算法，建筑設(shè)計.

孫文坡（1995-），男，本科生.研究領(lǐng)域：進(jìn)化算法，建筑設(shè)計.

黨向盈（1978-），女，博士生，副教授.研究領(lǐng)域：進(jìn)化算法，建筑設(shè)計.endprint