CN106874612A - 一种面向用户定制的住区模型生成设计方法 - Google Patents

一种面向用户定制的住区模型生成设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑设计技术领域，特别涉及一种面向用户定制的住区模型生成设计方法。面向用户定制的住区模型生成设计方法，S1将真实的基地条件与设计任务转化为可用于模拟的虚拟条件，包括基地的基本模数、规划空间、定制空间、坐标体系；S2确定规划空间与定制空间之间的具有可行性的形态组合关系；S3将定义初始条件与组合规则通过电脑逻辑运算得到对规划空间与定制空间的时空演化规律的模拟，并以二维形式进行展示；S4以建筑密度作为定制空间拓展的约束条件，通过可视化的输出软件导出不同密度状态下的空间生成结果。本发明模拟设计出一组或者多组能够可持续生长的、建筑单体具有统一与多样特征的建筑组群。

Description

一种面向用户定制的住区模型生成设计方法
（一）技术领域
本发明涉及建筑设计技术领域，特别涉及一种面向用户定制的住区模型生成设计方法。
（二）背景技术
目前，传统的建筑设计方法是：先通过设计师根据实际情况所产生的想法，设计师初步设计草图，最后设计师编程实现设计结果；然而在通过传统的设计流程“想法—设计草图—编程实现”的住区设计过程中，往往以单一状态的设计形式表达最后的设计结果，难以快速产生预定义、分阶段性的设计成果。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种面向用户定制的住区模型生成设计方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：
S1定义初始条件：将真实的基地条件与设计任务转化为可用于模拟的虚拟条件，包括基地的基本模数、规划空间、定制空间、坐标体系；
S2组合规则：确定规划空间与定制空间之间的具有可行性的形态组合关系；
S3演化模拟：将定义初始条件与组合规则通过电脑逻辑运算，模拟耦合规划空间与定制空间的时空演化规律的模拟，并以二维形式进行展示；
S4结果输出：以建筑密度作为定制空间拓展的约束条件，通过可视化的输出软件导出不同密度状态下的空间生成结果。
其中，S1中的规划空间是指宅基地之间的的组合关系以及与核心住宅的相对位置关系，包括宅基地的面积与核心住宅的面积，以及宅基地的平面比例与核心住宅的平面比例；宅基地与核心住宅的面积与平面比例关系以坐标的形式反映在坐标体系内。
其中，S1中定制空间是指基于用户的4种潜在功能定义的拓展类型；定制空间的所有动作均要以核心住宅的位置为基点，每一个阶段的定制空间要保证：高效性——充分合理利用自己的宅基地空间，约束性——利用建筑密度等进行监控，公平性——利用日照标准等避免对相邻用户的影响；所述用户的4种潜在功能包括居住、生产、租住和商业。
其中，所述坐标体系是为便于在程序输入过程中计量核心住宅及其定制空间在各自宅基地中的相对位置与定制空间的空间拓展变化。
所述组合规则包括宅基地与宅基地的组合关系，宅基地与核心住宅的相对位置组合关系，核心住宅与定制空间的相对位置组合关系。
进一步，所述宅基地与宅基地的组合为在坐标体系中建立宅基地模块，定义宅基地模块扩展的组合规则，该宅基地模块扩展的组合规则是宅基地模块沿某一参照点向坐标体系X轴和Y轴移动，移动坐标为X=n1，Y=m1；定义若干个宅基地模块组成一个组团，组团之间通过道路连接；将宅基地模块坐标以及宅基地模块扩展的组合规则通过电脑逻辑运算得到N种符合条件的解。
进一步，所述宅基地与核心住宅的相对位置组合为在坐标体系中建立宅基地模块和核心住宅模块，定义宅基地模块和核心住宅模块相对位置规则，宅基地模块和核心住宅模块相对位置规则是核心住宅模块相对于宅基地模块某一参照点沿坐标体系X轴和Y轴移动，移动坐标为X=n2，Y=m2；将宅基地模块和核心住宅模块的坐标以及宅基地模块和核心住宅模块相对位置规则通过电脑逻辑运算得到M种符合条件的解。
进一步，所述核心住宅与定制空间的相对位置组合在坐标体系中建立核心住宅模块和定制空间模块，定义核心住宅模块和定制空间模块相对位置规则，核心住宅模块和定制空间模块相对位置规则是定制空间模块相对于核心住宅模块某一参照点沿坐标体系X轴和Y轴移动，移动坐标为X=n3，Y=m3；将核心住宅模块和定制空间模块的坐标以及核心住宅模块和定制空间模块相对位置规则通过电脑逻辑运算得到P种符合条件的解。
根据权利要求8所述的面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：所述定制空间模块可以以分离体形式拓展，分离体是指与核心住宅不共享边界且相互之间的距离大于等于1个坐标单位的定制空间。
进一步，所述日照标准的约束为核心住宅定位时，南向核心住宅不能遮挡北向核心住宅的南向房间，南、北向核心住宅之间的距离为大于等于当地日照系数乘以南向核心住宅的高度；在定制空间拓展初期，南向宅基地的定制空间不能遮挡北向的核心住宅。这里有个特殊情况，如果同一个宅基地内的定制空间遮挡了自己的核心住宅，那么其南向宅基地内的定制空间可以忽略对北向宅基地内核心住宅的影响
本发明的有益效果是：
在规定的、有限设计周期内，利用面向用户定制的住区模型及其生成设计方法，模拟设计出一组或者多组面向用户定制的、可持续生长的、具有统一与多样特征的住区建筑组群。通过研究住区模型中规划空间与规划空间、规划空间与定制空间之间的共生关系，建立一个基于特定规则的、具有用户自主性、建造自发性、可循序渐进并能自动生成的演化模型，以及建立一种由“规则定义—程序输入—结果输出”等多步骤组成的住区设计生成方法。这种方法利用“定义形式发生的内在规则”取代“定义全局控制的设计蓝图”，着重使用系统的、基于规则的生成设计方法。首先，能有效解决困扰设计师的经典难题，即如何以自上而下的整体设计方式，有效“复制”传统住区经长期自然演化而成的自组织空间形态。其次，能够为用户提供一个可容纳生活、生产需求的适应性开放体系——就单一住区而言，在利用核心住宅解决用户的基本居住需求之外，还能为用户提供可以依据各自需求、分阶段参与定制的弹性拓展空间；对具有相近空间属性的多个住区而言，可以在设计阶段赋予他们统一的设计逻辑，使其具有统一性之外，还能表现出相似却不同的风貌特征，为低层、高密度住区的“统一与多样”性设计提供科学的技术依据。其三，当住区模型在具体设计应用时，从模拟结果中任意抽取的某个空间组织关系，均具有可实施性。最后，由于不同建筑密度约束下的生成阶段均能被清晰地呈现，因此也能为设计者、用户和住区管理者的角色分配提供可能性。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的坐标体系示意图；
图2为本发明的宅基地与核心住宅相对位置关系示意图；
图3为本发明的定制空间向核心住宅东西方向拓展示意图；
图4为本发明的定制空间向核心住宅南方向拓展示意图；
图5为本发明的定制空间向核心住宅北方向拓展示意图；
图6为本发明的定制空间以分离体形式拓展示意图；
图7为本发明的日照标准对规划空间与定制空间约束的示意图；
图8为本发明的定制空间向核心住宅南方向拓展的代码示意图；
图9为本发明的设计演化可视化（平面）示意图；
图10为本发明的图9对应的立体效果示意图；
图11为本发明的设计演化效果示意图；
（五）具体实施方式
附图为本发明的一种具体实施例。
具体包括以下步骤：
具体包括以下步骤：
S1定义初始条件：将真实的基地条件与设计任务要求转化为可用于模拟的虚拟条件，包括基地的基本模数、规划空间、定制空间、坐标体系；其中，S1中的规划空间是指宅基地之间的的组合关系以及与核心住宅的相对位置关系，包括宅基地的面积与核心住宅的面积，以及宅基地的平面比例与核心住宅的平面比例。其中，S1中的定制空间是指基于用户的4种潜在需求定义的功能拓展类型；所述用户的4种潜在功能需求包括居住、生产、租住和商业。其中，所述坐标体系是为便于在程序输入过程中计量核心住宅及其定制空间在各自宅基地中的相对位置与定制空间的空间拓展变化。
具体为：
1、制定基地的基本模数，如根据住宅建筑设计的基本原理确定基本模数。居住功能房间较为经济的面宽尺寸分别为，卧室3.0米、厨房1.5米、卫生间1.5米、起居室4.0米、室内楼梯2.0米等。因而，选择1.5米作为构成核心住宅平面的最小模数，即1.5米作为坐标体系中的1个单位。
2、规划空间，包括宅基地的形态特征、规划总平面、路网系统、水电暖等基础服务设施、经济技术指标等，以及核心住宅的初始设计及其与宅基地的相对位置关系。统筹考虑核心住宅的可能性设计、宅基地的最适宜比例以及定制空间拓展的弹性，如经过多轮比较分析后确定较为理想化的宅基地网格系统与含有2个卧室、适合三口之家居住的核心住宅形式。这样，宅基地的比例可以被确定为7：10（10.5：15米），宅基地面积为157.5平方米；核心住宅在满足用户的基本居住需求之外，平面的比例被确定为4：4（6：6米）；根据宅基地的数量确定规划总平面的网格系统。
3、定制空间，在构造上属于轻质、可变、易于与核心住宅连接与拆解，其功能根据用户入住后可能产生的真实需求，主要分为居住、生产、租住和商业4种功能。定制空间的所有动作均要以核心住宅的位置为基点，每一个阶段的定制空间要保证：高效性——充分合理利用自己的宅基地空间，约束性——利用建筑密度进行监控，公平性——利用日照标准等避免对相邻用户的影响。在任意一个模拟阶段，核心住宅与定制空间组合成的平面布局定义“L”形或“凹”形。
4、坐标系统，为了便于计量核心住宅及其定制空间在各自宅基地中的相对位置，需要建立一套标准坐标系统和一套临时坐标系统（如图1所示）。首先，将核心住宅右上角的临时坐标（X，Y，Z）定义为（0，0，0），那么在规则导控下定制空间进行拓展时均以其为参照物进行定位。其次，在定义宅基地右上角标准坐标（x，y，z）时，要与核心住宅的坐标系统建立起相对关系，此时应考虑增加限定条件，控制因为不适宜的相对关系所产生的某些阶段性成果，即减少定制空间的无效拓展几率。
S2组合规则：确定规划空间与定制空间之间的具有可行性的形态组合关系；其中，所述组合规则包括宅基地与宅基地的组合关系，宅基地与核心住宅的相对位置组合关系，核心住宅与定制空间的相对位置组合关系。
进一步，所述宅基地与宅基地的组合为在坐标体系中建立宅基地模块，定义宅基地模块扩展的组合规则，该宅基地模块扩展的组合规则是宅基地模块沿某一参照点向坐标体系X轴和Y轴移动，移动坐标为X=n1，Y=m1；定义若干个宅基地模块组成一个组团，组团之间通过道路连接；将宅基地模块坐标以及宅基地模块扩展的组合规则通过电脑逻辑运算得到N种符合条件的解。
如宅基地之间组合时，坐标轴的4个方向分别可以表示东、南、西、北四个方向，当宅基地在东、西向与南、北向扩展时，相互组合的宅基地数量分别控制为2和2或3，且一个宅基地的长边界和短边界应分别与另一个宅基地的长边界与短边界重合；组团之间以4.5米宽的道路连接；这样可以得到宅基地与宅基地之间不同的组合形式。
进一步，所述宅基地与核心住宅的相对位置组合为在坐标体系中建立宅基地模块和核心住宅模块，定义宅基地模块和核心住宅模块相对位置规则，宅基地模块和核心住宅模块相对位置规则是核心住宅模块相对于宅基地模块某一参照点沿坐标体系X轴和Y轴移动，移动坐标为X=n2，Y=m2；将宅基地模块和核心住宅模块的坐标以及宅基地模块和核心住宅模块相对位置规则通过电脑逻辑运算得到M种符合条件的解。
如宅基地与核心住宅的相对位置，可以定义两者的左或右边界重合，在假定核心住宅与宅基地上、下边界距离≥2个坐标单位的前提下（特例：两者北边界可以重合），那么宅基地在Y轴方向存在4种可能性（如图2所示），其右上角的坐标分别为（0，0，0）、（0，-2，0）、（0，-3，0）、（0，-4，0）。
进一步，所述核心住宅与定制空间的相对位置组合在坐标体系中建立核心住宅模块和定制空间模块，定义核心住宅模块和定制空间模块相对位置规则，核心住宅模块和定制空间模块相对位置规则是定制空间模块相对于核心住宅模块某一参照点沿坐标体系X轴和Y轴移动，移动坐标为X=n3，Y=m3；将核心住宅模块和定制空间模块的坐标以及核心住宅模块和定制空间模块相对位置规则通过电脑逻辑运算得到P种符合条件的解。
如向左横向拓展。在x轴方向上向左横向拓展2或3个坐标单位，且1≤z≤2，延长核心住宅的南向展开面（如图3所示）；
向向南纵向拓展。①以B2左下角作为C1左上角的固定点，在x轴方向上拓展2-3个坐标单位、y轴方向上拓展2-4个坐标单位，形成矩形自建模块；②以B2右下角作为C1右上角的固定点，在x轴方向上拓展2-3个坐标单位、y轴方向上拓展2-4个坐标单位；③分别以B2左下角和右下角作为自建模块C1a、C1b的左上角和右上角，且在x轴方向上拓展2个坐标单位、y轴方向上拓展2-4个坐标单位。B1同理（如图4所示）；
向北纵向拓展。以B1作为参照物，假设核心住宅平面的预留孔洞设计在x=2的位置上（便于与自建模块在室内实现联系），C2的定位通过定义为以B1右上角作为C2右下角并向左上侧拓展实现。C2在x轴方向上拓展2-7个坐标单位、y轴方向上拓展2-3个坐标单位，此时也允许自建模块在x轴左、右两侧同时拓展，但应≤3个坐标单位，且x≠1。B2同理，但与B1的区别在于当C2以B2左上角作为其右下角进行定位时，其在x轴上向左拓展的距离最大值为6个坐标单位（如图5所示）。
定制空间以分离体形式纵向拓展。分离体是指与核心住宅不共享边界且相互之间的距离≥1个坐标单位的定制空间；定义分离体的主要原因之一是考虑定制空间存在养殖、种植等生产功能的可能性，尽量降低其对核心住宅的影响，与之保持适当间距。在没有统一的限定条件下，分离体大致包括三种情况：①分离体在B北侧距离2个的位置出现，在y轴上的宽度为2个坐标单位，在x轴上的长度为2-7个坐标单位；②分离体位于B南侧2个坐标单位的位置，在y轴上的宽度为2或4个坐标单位，在x轴上的长度为2-7个坐标单位（如图6所示D2a1、D2a2）；③当D2b1、D2b2分别单独存在或者同时存在时，应保证拓展从x=0或者x=7开始，且两者距离应≥2。
日照标准的约束。核心住宅至少有一个居住房间达到大寒日两小时的日照标准，但仅适用于两个阶段：1. 核心住宅定位时，南向核心住宅不能遮挡北向核心住宅的南向房间（如图7的左侧图所示）；2. 在定制空间拓展初期，南向宅基地的定制空间不能遮挡北向的核心住宅。这里有个特殊情况，如果同一个宅基地内的定制空间遮挡了自己的核心住宅，那么其南向宅基地内的定制空间可以忽略对北向宅基地内核心住宅的影响（如图7的右侧图所示）。
S3演化模拟：将定义初始条件与组合规则通过电脑逻辑运算，模拟耦合规划空间与定制空间的时空演化规律的模拟，并以二维形式进行展示；
使用Python语言编写程序，实现基地初始化信息与相关规则的编码输入（如图8所示）。定义规划空间演化模拟的函数一，使用宅基地、核心住宅的位置和面积、日照标准等参数作为输入，模拟宅基地与宅基地的组合关系，以及宅基地与核心住宅的相对位置组合关系。定义定制空间演化模拟的函数二，使用宅基地的位置和面积、建筑密度、日照标准等参数作为输入，模拟核心住宅与定制空间的相对位置组合关系。函数二可进一步分解为几个子函数，包括拓展的方向，它能够根据给定方向执行自主定制。
经过逻辑运算可以得到实际产生的逻辑结果为：N*M*P种组合，根据实际情况的不同，组合条件不同，可以产生多种组合，因此可以设计出一组或者多组能够可持续生长的、具有统一与多样特征的住区建筑组群。
S4结果输出：把具有二维空间属性的建筑密度视为演化过程中阶段性控制的关键数据，将源代码程序*.py自动生成的空间数据*.scr文件，以CAD脚本的形式输出到CAD软件，随机选择任意一个符合建筑密度标准的结果，进行设计研究，实现结果可视化（如图9所示）和进一步加工完善（如图10所示）；
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：
S1定义初始条件：将真实的基地条件与设计任务转化为可用于模拟的虚拟条件，包括基地的基本模数、规划空间、定制空间、坐标体系；
S2组合规则：确定规划空间与定制空间之间的具有可行性的形态组合关系；
S3演化模拟：将定义初始条件与组合规则通过电脑逻辑运算，模拟耦合规划空间与定制空间的时空演化规律的模拟，并以二维形式进行展示；
S4结果输出：以建筑密度作为定制空间拓展的约束条件，通过可视化的输出软件导出不同密度状态下的空间生成结果。
2.根据权利要求1所述的面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：S1中的规划空间是指宅基地之间的的组合关系以及与核心住宅的相对位置关系，包括宅基地的面积与核心住宅的面积，以及宅基地的平面比例与核心住宅的平面比例；宅基地与核心住宅的面积与平面比例关系以坐标的形式反映在坐标体系内。
3.根据权利要求1所述的面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：S1中定制空间是指基于用户的4种潜在功能定义的拓展类型；所述用户的4种潜在功能包括居住、生产、租住和商业。
4.根据权利要求1所述的面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：所述坐标体系是为便于在程序输入过程中计量核心住宅及其定制空间在各自宅基地中的相对位置与定制空间的空间拓展变化。
5.根据权利要求1所述的面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：所述组合规则包括宅基地与宅基地的组合关系，宅基地与核心住宅的相对位置组合关系，核心住宅与定制空间的相对位置组合关系。
6.根据权利要求5所述的面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：所述宅基地与宅基地的组合为在坐标体系中建立宅基地模块，定义宅基地模块扩展的组合规则，该宅基地模块扩展的组合规则是宅基地模块沿某一参照点向坐标体系X轴和Y轴移动，移动坐标为X=n1，Y=m1；定义若干个宅基地模块组成一个组团，组团之间通过道路连接；将宅基地模块坐标以及宅基地模块扩展的组合规则通过电脑逻辑运算得到N种符合条件的解。
7.根据权利要求5所述的面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：所述宅基地与核心住宅的相对位置组合为在坐标体系中建立宅基地模块和核心住宅模块，定义宅基地模块和核心住宅模块相对位置规则，宅基地模块和核心住宅模块相对位置规则是核心住宅模块相对于宅基地模块某一参照点沿坐标体系X轴和Y轴移动，移动坐标为X=n2，Y=m2；将宅基地模块和核心住宅模块的坐标以及宅基地模块和核心住宅模块相对位置规则通过电脑逻辑运算得到M种符合条件的解。
8.根据权利要求5所述的面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：所述核心住宅与定制空间的相对位置组合在坐标体系中建立核心住宅模块和定制空间模块，定义核心住宅模块和定制空间模块相对位置规则，核心住宅模块和定制空间模块相对位置规则是定制空间模块相对于核心住宅模块某一参照点沿坐标体系X轴和Y轴移动，移动坐标为X=n3，Y=m3；将核心住宅模块和定制空间模块的坐标以及核心住宅模块和定制空间模块相对位置规则通过电脑逻辑运算得到P种符合条件的解。
9.根据权利要求8所述的面向用户定制的住区模型生成设计方法，其特征在于：所述定制空间模块可以以分离体形式拓展，分离体是指与核心住宅不共享边界且相互之间的距离大于等于1个坐标单位的定制空间。
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