面向人工智能的建筑計算性設(shè)計研究

趙楠

摘 要：隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)以及計算機技術(shù)不斷發(fā)展，人工智能時代不斷到來。在這個基礎(chǔ)上，進一步推動了人居環(huán)境系統(tǒng)的信息化轉(zhuǎn)型。本文在對建筑計算性設(shè)計特點進行分析的技術(shù)上，從三個方面提出了面向人工智能的建設(shè)計算機設(shè)計應(yīng)用。最后，對建設(shè)計算性設(shè)計的發(fā)展進行了闡述。

關(guān)鍵詞：人工智能；建筑計算性；應(yīng)用；發(fā)展

隨著大數(shù)據(jù)、云計算以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其共同構(gòu)成了人工智能時代的基本舞臺，加深了科學(xué)技術(shù)和哲學(xué)思想的密切融合，更好的促進了人居環(huán)境系統(tǒng)信息化轉(zhuǎn)型[1]。折舊出現(xiàn)了建筑計算性設(shè)計思想以及流程和技術(shù)系統(tǒng)，讓其成為了突破科學(xué)的問題，解決工程難題提供了有效途徑。建筑計算性設(shè)計的出現(xiàn)不但受到了人工智能技術(shù)的影響，也受到復(fù)雜性以及系統(tǒng)性科學(xué)思想的促進。本文在對建筑計算性設(shè)計特點進行分析的技術(shù)上，從三個方面提出了面向人工智能的建設(shè)計算機設(shè)計應(yīng)用。最后，對建設(shè)計算性設(shè)計的發(fā)展進行了闡述。

1 建筑計算性設(shè)計思維的特征分析

1.1 系統(tǒng)化和動態(tài)化特征

建筑計算性設(shè)計在發(fā)展過程當中受到了科學(xué)思想的影響，融合了復(fù)雜性科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)的思想，形成了系統(tǒng)化思維系統(tǒng)[2]。在系統(tǒng)科學(xué)和復(fù)雜性科學(xué)思想的基礎(chǔ)上，建筑計算性設(shè)計思維將人們居住環(huán)境系統(tǒng)分成了環(huán)境子系統(tǒng)和建筑子系統(tǒng)。天空亮度、溫濕度以及日照的輻射改變等環(huán)境的影響對人們居住環(huán)境系統(tǒng)的平衡情況帶來影響，并且利用兩個系統(tǒng)間的物質(zhì)以及能量交互而回到平衡的狀態(tài)當中[3]。所以，建筑計算性設(shè)計思維有著比較強的動態(tài)化以及系統(tǒng)化特征。系統(tǒng)化特征促進了建筑設(shè)計過程要從建筑系統(tǒng)主導(dǎo)向建筑環(huán)境向著雙系統(tǒng)的協(xié)同進行轉(zhuǎn)變，繼而加深了建筑設(shè)計對人們居住環(huán)境系統(tǒng)的平衡。動態(tài)化特征推動了建筑設(shè)計決策的時候從自上而下主觀決策變成自下而上組織導(dǎo)向相協(xié)同的建筑環(huán)境雙系統(tǒng)動態(tài)進行耦合的一個過程。

1.2 自適應(yīng)和自組織的特征

建筑計算性設(shè)計對“過程”進行關(guān)注，而不是對“結(jié)果”進行關(guān)注。它是在計算機程序的基礎(chǔ)來實現(xiàn)自組織的生成。在建筑性能的指導(dǎo)下來對參量數(shù)值進行優(yōu)化，進而能夠達到自適應(yīng)的優(yōu)化。從下到上的自組織變?yōu)楹托阅軐?dǎo)向的自適應(yīng)優(yōu)化是建筑計算性設(shè)計在流程方面的特征。自下而上的自組織生成是建筑設(shè)計元素根據(jù)設(shè)計的規(guī)則來對建設(shè)設(shè)計方案進行形成的一個過程。性能導(dǎo)向自適應(yīng)優(yōu)化是在自組織生成方案的基礎(chǔ)上，在建筑性能目標的指導(dǎo)下對建設(shè)設(shè)計的參數(shù)值進行自適應(yīng)的調(diào)整，進而不斷對建筑多性能目標進行優(yōu)化。在自適應(yīng)和自組織流程的特征下，建筑計算性設(shè)計將建筑設(shè)計的決策主體從建筑師變成了人工智能體，進而更好的對計算機較強的數(shù)據(jù)運算水平進行發(fā)揮出來。

1.3 信息化和智能化特征

人們居住環(huán)境系統(tǒng)的子系統(tǒng)就是建筑。它的自適應(yīng)和自組織的演變受到建筑性能的要求而促進了和人們居住環(huán)境系統(tǒng)的約束。建筑計算性的設(shè)計要分析和集成人們居住環(huán)境的大數(shù)據(jù)，并且程序化和自動化的進行性能的優(yōu)化和方案生成。在建筑計算性的設(shè)計思維特點要求之下，建筑環(huán)境系統(tǒng)的信息集成以及性能導(dǎo)向決策支撐是建筑計算性設(shè)計過程中的重要技術(shù)問題。

2 建筑計算性設(shè)計過程中人工智能技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 人工智能環(huán)境下建筑環(huán)境的信息集成應(yīng)用

建筑環(huán)境系統(tǒng)的信息集成是在人們的居住環(huán)境系統(tǒng)當中，環(huán)境和建筑相互進行作用，根據(jù)建筑子系統(tǒng)的形態(tài)空間建立邏輯，構(gòu)建建筑環(huán)境的信息參數(shù)化關(guān)系的一個過程。它讓環(huán)境和建筑子系統(tǒng)信息翻譯成能夠進行計算的數(shù)據(jù)，進而給工程的實踐問題提供強有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。除此之外，構(gòu)建的關(guān)聯(lián)關(guān)系能夠確保建筑計算性設(shè)計過程當中環(huán)境和建筑子系統(tǒng)信息的協(xié)同轉(zhuǎn)變。因此我們可以看出，建筑環(huán)境系統(tǒng)信息集成是開展建筑計算性設(shè)計的基礎(chǔ)和前提條件。

在大數(shù)據(jù)、云計算的發(fā)展過程中，人工智能造成了建筑環(huán)境信息集成新的研究，陸續(xù)出現(xiàn)了動態(tài)建筑環(huán)境信息建模以及建筑信息云管理等研究成果。動態(tài)建筑環(huán)境信息建模的技術(shù)是在動態(tài)建筑信息建模的技術(shù)方面新的發(fā)現(xiàn)。它利用云計算以及參數(shù)化的編程，能夠更好的實現(xiàn)環(huán)境、建筑和性能等多個層次的信息參數(shù)化關(guān)聯(lián)，繼而實現(xiàn)氣候數(shù)據(jù)、建筑建模分析以及仿真工具平臺當中存在數(shù)據(jù)的協(xié)同交互。

2.2 人工智能環(huán)境下建筑性能映射建模的應(yīng)用

建筑性能映射建模是指建構(gòu)建筑設(shè)計參量與建筑性能設(shè)計目標之間數(shù)值關(guān)聯(lián)關(guān)系的過程。建筑設(shè)計參量與建筑性能之間的映射模型是建筑計算性設(shè)計自組織生成邏輯和自適應(yīng)優(yōu)化適應(yīng)度評價函數(shù)的制定依據(jù)。如建筑性能仿真模擬、建筑設(shè)計參量與性能回歸模型建構(gòu)等都是建筑性能映射建模技術(shù)。同時，建筑形態(tài)空間、材料構(gòu)造、設(shè)備工況、局地氣候、使用者行為等設(shè)計參量與建筑節(jié)能、熱舒適、光舒適、造價等性能之間的映 射關(guān)系具有非線性特征，建模難度較高。面對建筑計算性設(shè)計的大數(shù)據(jù)量、高效率處理需求，基于物理建模的建筑性能與設(shè)計參量映射建模技術(shù)局限日趨突顯，難以滿足建筑計算性設(shè)計對海量數(shù)據(jù)的分析處理需求。

2.3 人工智能語境下的性能導(dǎo)向決策支持

性能導(dǎo)向決策支持是基于建筑性能優(yōu)化設(shè)計目標，通過數(shù)據(jù)、 模型和策略反饋，支撐設(shè)計者完成設(shè)計決策制定的過程。數(shù)據(jù)挖掘、聯(lián)機分析處理、優(yōu)化搜索等均屬于決策支持技術(shù)。建筑計算性設(shè)計的自組織與自適應(yīng)流程特征要求決策支持過程需權(quán)衡建筑多性能目標要求。近年來，多目標進化搜索和深度學(xué)習(xí)建模等人工智能技術(shù)逐步應(yīng)用于建筑計算性設(shè)計的性能導(dǎo)向決策支持研究中，衍生出多目標優(yōu)化決策支持和深度學(xué)習(xí)決策支持兩方面研究熱點。

3 結(jié)論和展望

建筑計算性設(shè)計是早工程實踐的需求和科學(xué)的進步共同發(fā)展而來的。在人工智能的環(huán)境下，它正在持續(xù)健康的發(fā)展，其變?yōu)榻鉀Q目前復(fù)雜工程設(shè)計問題的一個重要建筑設(shè)計方法以及思想。和傳統(tǒng)設(shè)計方法相對比，建筑計算性設(shè)計融合了計算機科學(xué)、建筑學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等知識體系，將先進的計算工程和算法融入到建筑設(shè)計的過程當中，有利于提高建筑設(shè)計信息化更好的水平。

最近幾年，國外一些高校研究團隊都陸續(xù)進行了建筑計算性的設(shè)計探討，力求進一步推動建筑計算性設(shè)計的思維、技術(shù)以及流程的發(fā)展。在未來發(fā)展過程中，建筑計算性設(shè)計將會在人工智能環(huán)境下，融入惡劣先進的技術(shù)理論，面向建筑工業(yè)化以及持續(xù)發(fā)展的建筑產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略，從建筑設(shè)計方面不斷發(fā)展到城市設(shè)計和區(qū)域規(guī)劃等領(lǐng)域中來。

參考文獻

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[3]孫澄，韓昀松.光熱性能考慮下的嚴寒地區(qū)辦公建筑形態(tài)節(jié)能設(shè)計研究[J].建筑學(xué)報.2016（2）：38-42.