CN115098910B - 一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的自动化生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的自动化生成方法，包括获取各个房间的位置、面积和功能信息以及用户绘制的房间之间连接线；根据获取的信息生成凸图形；基于凸图形中顶点信息和房间连接信息获得每个凸图形划分三角形方案，基于三角形划分方案生成对偶图；根据对偶图得到每个房间与其他房间连接关系的树形数据，根据树形数据和顶点信息，以及相邻房间的吸引力和排斥力值生成泡泡图；获取建筑平面边界线，将泡泡图生成建筑平面图，进一步生成建筑物模型，并计算建筑物的能耗；基于多目标优化算法，以采暖、制冷和采光能耗最低为目标函数，优化划分方案、吸引力和排斥力；该发明能够在较短时间内设计出建筑平面方案且具有较低能耗。

Description

一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的自动化生成方法

技术领域

本发明涉及建筑设计技术领域。具体而言，涉及一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的自动化生成方法。

背景技术

传统的办公建筑的平面设计以人工设计为主，如果需要对其能耗性能进行评估的话，都是在建筑师设计完成后，工程师在模拟软件里对其能耗性能进行模拟计算。这样的工作流程造成了在设计阶段缺乏可参考的定量化的建筑能耗数据，如果要进行节能设计，只能凭借设计者的主观经验来对建筑的能耗性能进行粗略的控制。如果发现设计完成后的建筑能耗性能不符合要求，则需要建筑师修改初始方案，然后工程师再次对修改后的建筑方案进行能耗性能模拟。以此往复，直到最终的建筑能耗满足了节能需求。该过程浪费了大量的时间和人工成本，且不利于设计初期阶段对快速产出设计方案的需求。并且，在建筑的全生命周期范围内，设计的初期阶段相对于其他阶段具有最高的建筑节能潜力。只有对建筑设计初期阶段进行有力地控制，才能够实现建筑的节能低效。故而，本发明提出利用计算机编程的手段和优化算法，解决设计初期阶段中需要提升建筑能耗性能、大量设计方案、和降低设计时间等问题。

发明内容

本发明正是基于现有技术的上述需求而提出的，本发明要解决的技术问题是提供一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的自动化生成方法。

为了解决上述问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的自动化生成方法，包括：

设计信息获取步骤，获取用户输入的各个房间的位置、面积和功能信息，以及用户在Rhino中绘制由直线构成的连接线，其中所述Rhino连接线表征各个房间的连接关系和方位偏好；

凸图形生成步骤，将设计信息基于Tutte Embedding原理生成凸图形，所述凸图形包括组成凸图形的顶点信息、边线、房间连接和朝向信息；

对偶图生成步骤，利用Triangulate Mesh In All Ways电池，基于所述凸图形中顶点信息、边线、房间连接和朝向信息，获得每个凸图形划分三角形方案，其中，所有凸图形三角形划分方案组合数为p1……pn，基于所选的划分方案，将凸图形转化为三角形网格图；利用Dual Graph原理，根据所述三角形网格图形成对偶图，所述对偶图中不同空间的连接关系代表了房间之间的相邻关系，将其转化为代表连接关系的树形数据。

泡泡图生成步骤，输入所述树形数据和所述顶点信息至Force Directed GraphDrawing算法，基于相邻房间的吸引力和排斥力值生成泡泡图；

平面图生成步骤，获取建筑平面边界线，并根据Voronoi Diagram原理将所述泡泡图转化为平面图；

能耗分析步骤，根据平面图生成建筑物模型，基于建筑物模型计算所述建筑物的采暖、制冷和采光能耗；

优化步骤，基于多目标优化算法，以建筑模型的采暖、制冷和采光能耗最低为目标函数，优化划分方案、吸引力和排斥力；其中，在每次优化时，根据算法结果，在p1……pn中选择一种方案、改变吸引力和排斥力的值使生成的平面图发生变化，然后改变建筑模型的能耗。

可选地，根据Voronoi Diagram原理将所述泡泡图转化为平面图包括：

首先，将所述泡泡图中相邻圆的中心点连接，以连接线的中垂线作为房间边界，并将属于同一圆的房间边界相连，形成多边形，所述多边形表示为一个完整的房间；

然后，对超出平面边界线的区域进行切割，并以平面边界线作为该房间的外边界；如果还存在圆弧区域，将圆弧区域进行三等分，并用多边线将三等分点相连，去掉多余部分，使其多边线作为该房间的外边界。

与现有技术相比，本发明结合多目标进化算法，能够以采暖能耗、制冷能耗和采光能耗为优化目标，对凸图形的三角形划分方案、相邻房间的吸引力和排斥力进行优化计算，改变各个房间的相邻关系及房间的相对位置，并得到采暖能耗、制冷能耗和采光能耗最小的最优解集；以此保证在较短时间内设计出的建筑方案具有较低的建筑能耗。

相对于传统设计方法中设计1种方案需要约1-2天的时间，本方法的平面生成算法可在5分钟时间内生成20种方案；建筑的能耗性能优化过程，根据所采用能耗模拟方法的难易程度，可在几小时到一天时间内完成，即找到具有相对最低能耗的建筑设计方案。利用本发明的性能优化方法可极大地减少建筑能耗，例如可实现温和气候区的办公建筑的全年采暖能耗节约51％、制冷能耗节约38％、和采光能耗节约54％。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1-图2是本发明具体实施方式提供的一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的流程示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的用户需要在Rhino输入的连接线示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的凸图形示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的满足拓扑和几何要求的泡泡图；

图6是本发明具体实施方式提供的一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的建筑平面图；

图7是本发明具体实施方式提供的一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的3D建筑模型示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本实施例提供了一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的自动化生成方法，其流程如图1和图2所示，具体包括：

S1：设计信息获取步骤，获取用户输入的各个房间的位置、面积和功能信息，以及用户在Rhino中绘制由直线构成的连接线，其中所述Rhino连接线表征各个房间的连接关系和方位偏好。

在Rhino中绘制连接线是设计师利用Rhino软件画的各个房间的连接关系和方位偏好示意图，Grasshopper是包含在Rhino里的图形化的算法编辑器，对Rhino图可进行算法编译。

用户需要绘制的Rhino图如图3所示，其中，图中点代表房间，点与点的连线代表房间的连接关系，处于边缘的点与其他点没有相连的线代表方位偏好，其中，位于点上侧的线表示该点对应的房间方位偏北，位于点下侧的线表示该点对应的房间方位偏南，位于点左侧的线表示该点对应的房间方位偏左，位于点右侧的线表示该点对应的房间方位偏右。

S2：凸图形生成步骤，将设计信息基于Tutte Embedding原理生成凸图形，所述凸图形包括组成凸图形的顶点信息、边线、房间连接和朝向信息。

Tutte Embedding原理：简单3点连通平面图的Tutte Embedding或重心嵌入是一种无交叉直线嵌入，其特征是外面是凸多边形，内部每个顶点处于其邻域位置的平均(或重心)上。如果外部多边形是固定的，那么内部顶点上的这个条件决定了它们作为线性方程组的唯一解的位置。

利用Tutte Embedding原理将用户输入的设计信息转化为平面凸图形，以四个朝向(东、西、南、北)的点为顶点，将各个朝向的房间相连接，该图像显示房间数量、房间的连接关系和朝向的信息；互相连接的房间构成了一个凸图形，如图4所示，共有12个凸图形，每个凸图形都为一个单独的图形文件。通过上述步骤，输出了凸图形的所有顶点信息，以及所有凸图形的多边线。

S3：对偶图生成步骤，利用Triangulate Mesh In All Ways电池，基于所述凸图形中顶点信息、边线、房间连接和朝向信息，获得每个凸图形划分三角形方案，其中，所有凸图形三角形划分方案组合数为p1……pn，基于所选的划分方案，将凸图形转化为三角形网格图；利用Dual Graph原理，根据所述三角形网格图形成对偶图，所述对偶图中不同空间的连接关系代表了房间之间的相邻关系，将其转化为代表连接关系的树形数据。

Triangulate Mesh In All Ways电池，来源于Grasshopper软件安装的SYNTAZTIC插件。

Dual Graph原理为在平面图G的每个面内选取一点作为顶点，对于G的任一条边，将与其相邻的两个面内的顶点用一条仅与有一交点且不与图G的其他任何边相交的简单曲线连接，这样得到的平面图称为G的平面对偶图。

利用Triangulate Mesh In All Ways电池，输入上一步中找到的所有代表房间和四个朝向的点坐标、所有凸图形的多边线；通过该电池，可以找到所有凸图形内所包含的所有不相交的三角形。其中多边形的三角形可以有多种三角形的划分方式，例如一个四边形有2种方式将其划分为不相交的三角形，一个五边形有3种方式将其划分为不相交的三角形。设置一个参数i用于代表将不同的三角形划分方式的组合，i的变化范围从1到n，其中n为所有凸图形的三角形划分方式组合的总数。该步骤输出了各个凸图形被划分后的三角形网格图，即mesh。

然后，利用Dual graph的原理，将上一步得到的三角形网格图进行处理，得到与之对应的对偶图，对偶图中每个多边形就代表了一个房间，多边形的相接关系代表了房间之间的相邻关系。通过该步骤，输出了代表每个房间的多边形。

其中，可通过调整i参数的数值，改变三角形网格图及其对偶图的形态，从而改变该多边形中各个房间的相邻关系及房间的相对位置。

S4：泡泡图生成步骤，输入所述树形数据和所述顶点信息至Force DirectedGraph Drawing算法，基于相邻房间的吸引力和排斥力值生成泡泡图。

Force Directed Graph Drawing算法是一类图形绘制算法。目的是将图的节点定位在二维或三维空间中，使所有边的长度或多或少相等，交叉边尽可能少，方法是根据边和节点的相对位置在边和节点的集合中分配力，然后使用这些力模拟边和节点的运动，或者最小化它们的能量。

利用力导向图形绘制算法(Force Directed Graph Drawing Algorithm)，输入所述连接关系的树形数据以及从第二步即Tutte Embedding中得到的顶点信息，模仿弹簧的工作原理，将输入的信息转化成为建筑师所熟悉的泡泡图，如图5所示。其中，其中每个圆圈代表一个房间，其面积大小代表了房间大小，两个圈之间的连线代表了两个房间之间的连接关系。此外，利用力导向图形绘制算法设置可用于调节房间连接关系的吸引力(Attraction strength)和排斥力(Repulsion strength)。通过两个力量的相互作用，能够在保证房间面积不变的情况下改变房间的相对位置。用户可通过调整吸引力和排斥力的大小，对泡泡图的形态进行调整，这样就改变了房间的相对位置和最终的平面边界形态。通过上述步骤，输出了代表每个房间的圆圈曲线，及其中心点的坐标位置。

S5：平面图生成步骤，获取建筑平面边界线，并根据Voronoi Diagram的原理将所述泡泡图转化为平面图。

Voronoi Diagram的原理是将平面划分为靠近每个给定对象集的区域。在最简单的情况下，这些对象只是平面中的有限多个点(称为种子、站点或生成器)。对于每个种子，都有一个对应的区域，称为Voronoi单元，由平面上距离该种子比任何其他点更近的所有点组成。一组点的Voronoi图与其Delaunay三角剖分是对偶的。其内在逻辑就是一组由连接两邻点线段的垂直平分线组成的连续多边形组成。一个多边形内的任一点到构成该多边形的控制点的距离小于到其他多边形控制点的距离。

首先，将所述泡泡图中相邻圆的中心点连接，以连接线的中垂线作为房间边界，并将属于同一圆的房间边界相连，形成多边形，所述多边形表示为一个完整的房间；

然后，对超出平面边界线的区域进行切割，并以平面边界线作为该房间的外边界；如果还存在圆弧区域，将圆弧区域进行三等分，并用多边线将三等分点相连，去掉多余部分，使其多边线作为该房间的外边界。

具体的，用户输入所需的建筑平面边界线，该平面边界线用于限定该建筑平面所在的最大范围。利用Voronoi Diagram的原理，将上一步生成的相邻两个圆圈的中心点相连，以该线的中垂线作为房间边界，并将每个房间的各个边界相连，形成多边形，该多边形即为一个完整的房间。此外，把靠近平面边界线的房间边界做进一步处理，切割超过平面边界线的部分，并以平面边界线作为该房间的外边界；然后，对依然带有圆弧的房间做二次处理，将圆弧部分做三等分，并用多边线将三等分点相连，此多边线即可替代该圆弧，作为该房间的外边界。最终得到的各个房间的外边界都为多边形，如图6所示。通过上述步骤，输出了代表各个房间的多边形。

通过本步骤将泡泡图转为建筑平面图，没有限制建筑平面和房间的形状，利用Voronoi Diagram的原理，对泡泡图的圆弧部分处理，可以减少房间面积的损失，最大限度满足用户对房间面积的需求。

S6：能耗分析步骤，根据平面图生成建筑物模型，基于建筑物模型计算所述建筑物的采暖、制冷和采光能耗。

用户利用上一步得到的各个房间的多边形，输入层高和层数，就可得到3D建筑模型如图7所示。

利用能耗分析平台Honeybee和Ladybug，将3D建筑模型构造为建筑分析模型包括：

将每个房间转化为能耗分析平台可识别的热区；

对每个热区输入对应的建筑信息，建立参数化模型，所述建筑信息包括空间尺度、窗户大小和位置；

在能耗分析平台中，首先，输入所测建筑的外墙、内墙和楼板的保温系数，玻璃的保温系数、太阳能总透射比，室内表明的反射系数，各个房间的采暖和制冷控制的目标温度、采光的目标照度，各个房间功能的时间表；

其次，设置所采用的采暖系统、制冷系统和采光系统及其控制条件；

再次，输入目标城市的气象数据，气象数据从EnergyPlus网站上下载：https://energyplus.net/weather；

然后，选择设置模拟时长和模拟时间步长；

最后，在能耗分析平台中运行得到模拟数据，对模拟结果进行可视化处理。

S7：优化步骤，基于多目标优化算法，以建筑模型的采暖、制冷和采光能耗最低为目标函数，优化划分方案、吸引力和排斥力。

其中，在每次优化时，根据算法结果，在p1……pn中选择一种方案、改变吸引力和排斥力的值使生成的平面图发生变化，然后改变建筑模型的能耗。

把设计变量和建筑信息参数输入到优化模块，如modeFrontier，并分别确定设计变量的数据属性及其可取值范围；例如，设计变量三角形划分方式的组合数的变化范围从1到n，其中n为所有凸图形的三角形划分方式组合的总数，数据类型是离散型变量；设计变量房间连接关系的吸引力和排斥力的数据类型是连续型变量，在0-1.0之间取值。

将模拟数据导入至优化模块中，进行多目标优化，对优化结果进行分析，根据分析结果在预设约束条件下，修改设计变量的值，当达到优化结束条件时，即优化运行时间或运行次数，得到方案优化结果集和性能评价结果，由此获得能耗最优的建筑平面图；其中，在多目标优化算法寻优过程，采用采暖能耗、制冷能耗和采光能耗的最小值为优化目标；约束条件为建筑面积为初始矩形面积的95％到105％范围内。

在执行多目标优化算法过程中，可以采用拉丁超立方抽样法进行抽样，获取初始样本；通过pilOPT算法对初始样本进行寻优，得到Pareto优化解。

进一步地，输出优化方案集及性能评价结果到excel做进一步的数据分析和结果呈现。

该优化问题可用以下方程式表示：

优化目标：

Minimize y₁＝f(x₁，x₂，x₃...x_z)；

Minimize y₂＝f(x₁，x₂，x₃...x_z)；

Minimize y₃＝f(x₁，x₂，x₃...x_z)；

限制条件：95％≤F₁＝f₁(x₁，x₂，，x₃...x_z)≤105％；

其中，x₁、x₂、x₃...x_z为设计变量；y₁计算的是建筑采暖能耗；y₂计算的是建筑制冷能耗；y₃计算的是建筑采光能耗；F₁计算的是当前生成平面的建筑面积与初始建筑面积的比值。

优化算法对优化后的结果进行判断，如果满足用户输入的结束条件则优化结束，如果不满足则修改设计变量值，并进入到下一轮的循环，以此往复，直到结果满足优化的结束条件。

每一轮中的设计参数和建筑能耗都被存入到数据库中，在优化结束后，用户可对数据库进行分析，并找到具有最低建筑能耗的设计方案。

与现有技术相比，本发明结合多目标进化算法，能够以采暖能耗、制冷能耗和采光能耗为优化目标，对凸图形的三角形划分方案、相邻房间的吸引力和排斥力进行优化计算，改变各个房间的相邻关系及房间的相对位置，并得到采暖能耗、制冷能耗和采光能耗最小的最优解集；以此保证在较短时间内设计出的建筑方案具有较低的建筑能耗。

相对于传统设计方法中设计1种方案需要约1-2天的时间，本方法的平面生成算法可在5分钟时间内生成20种方案；建筑的能耗性能优化过程，根据所采用能耗模拟方法的难易程度，可在几小时到一天时间内完成，即找到具有相对最低能耗的建筑设计方案。利用本发明的性能优化方法可极大地减少建筑能耗，例如可实现温和气候区的办公建筑的全年采暖能耗节约51％、制冷能耗节约38％、和采光能耗节约54％。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的自动化生成方法，其特征在于，包括：

设计信息获取步骤，获取用户输入的各个房间的位置、面积和功能信息，以及用户在Rhino中绘制由直线构成的连接线，其中所述Rhino连接线表征各个房间的连接关系和方位偏好；

凸图形生成步骤，将设计信息基于Tutte Embedding原理生成凸图形，所述凸图形包括组成凸图形的顶点信息、边线、房间连接和朝向信息；

对偶图生成步骤，利用Triangulate Mesh In All Ways电池，基于所述凸图形中顶点信息、边线、房间连接和朝向信息，获得每个凸图形划分三角形方案，其中，所有凸图形三角形划分方案组合数为p1……pn，基于所选的划分方案，将凸图形转化为三角形网格图；利用Dual Graph原理，根据所述三角形网格图形成对偶图，所述对偶图中不同空间的连接关系代表了房间之间的相邻关系，将其转化为代表连接关系的树形数据；

泡泡图生成步骤，输入所述树形数据和所述顶点信息至Force Directed GraphDrawing算法，基于相邻房间的吸引力和排斥力值生成泡泡图；

平面图生成步骤，获取建筑平面边界线，并根据Voronoi Diagram原理将所述泡泡图转化为平面图；

能耗分析步骤，根据平面图生成建筑物模型，基于建筑物模型计算所述建筑物的采暖、制冷和采光能耗；

优化步骤，基于多目标优化算法，以建筑模型的采暖、制冷和采光能耗最低为目标函数，优化划分方案、吸引力和排斥力；其中，在每次优化时，根据算法结果，在p1……pn中选择一种方案、改变吸引力和排斥力的值使生成的平面图发生变化，然后改变建筑模型的能耗。

2.根据权利要求1所述的一种基于能耗优化的办公楼建筑平面的自动化生成方法，其特征在于，根据Voronoi Diagram原理将所述泡泡图转化为平面图包括：

首先，将所述泡泡图中相邻圆的中心点连接，以连接线的中垂线作为房间边界，并将属于同一圆的房间边界相连，形成多边形，所述多边形表示为一个完整的房间；

然后，对超出平面边界线的区域进行切割，并以平面边界线作为该房间的外边界；如果还存在圆弧区域，将圆弧区域进行三等分，并用多边线将三等分点相连，去掉多余部分，使其多边线作为该房间的外边界。