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      算法: 平面圖自動生成(轉載)
      EFP的目標是如何通過算法將顯性、隱性的限制條件結合起來,生成高復雜度的平面圖。 EFP的平面圖是從它的遺傳編碼中“生長”出來亚博在线登录网页版,使用的算法是圖像收縮方法生成布局及蟻群算法生長走廊亚博在线登录网页版。
      POST?馬海東

      作者: Joel Simon
      翻譯: 馬海東

      編者按: 一個關于平面生成的算法,期望可以啟發對CAAD感興趣的同學 :)

      平面圖生成(EFP)是一個實驗性的項目亚博在线登录网页版亚博在线登录网页版,研究平面的生成及優化的可能性。初始條件為各個房間關系及人流分布, 通過一個遺傳算法來優化生成平面圖,其優化的限制因素為步行時間和走廊的長度等亚博在线登录网页版。EFP項目只是從設定的優化條件來進行平面布局,而不去考慮傳統的布局要求及可建性等因素亚博在线登录网页版亚博在线登录网页版。EFP的目標是如何通過算法將顯性、隱性的限制條件結合起來,生成高復雜度的平面圖亚博在线登录网页版。 EFP的平面圖是從它的遺傳編碼中“生長”出來,使用的算法是圖像收縮方法生成布局及蟻群算法生長走廊。

      其最終的結果在外觀上有生物學的特性,其特色看起來耐人尋味的, 從實踐的角度來看是瘋狂的非理性的亚博在线登录网页版。 本項目是一次有趣的學習經歷亚博在线登录网页版,我期望在其他項目中可以繼續使用本項目中的方法亚博在线登录网页版。

      原始的平面布局

      緬因州某個地方的小學平面圖

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      ‘平面優化’

      左:優化了班級之間的人流量和建材的使用量。右邊:加入了消防通道長度因素亚博在线登录网页版。

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      采光

      采光功能要求,其中教室的優先級高于儲藏室。這導致了許多內部庭院

      采光功能要求,其中教室的優先級高于儲藏室。這導致了許多內部庭院

      項目背景

      空間設計的一個核心挑戰是空間形式的優化, 其中包括位置關系、形狀和大小亚博在线登录网页版。在建筑設計中,房間的布局處于設計過程的概念階段,它受到多種相互關聯及競爭的客觀和主觀因素的影響 。

      隨著計算機技術的發展, 計算工具可以用來模擬交通、聲學和熱保護等亚博在线登录网页版,使得對形式的評估更加客觀量化。與這些計算能力相融合的是制造方面的進步亚博在线登录网页版,包括數控銑削、現場3D打印、自組裝等等亚博在线登录网页版,這使得新的、更復雜的形式成為可能,這些新的形式可以賦予設計師探索和優化越來越復雜的空間處理能力亚博在线登录网页版。

      相關算法

      圖形收縮和蟻群路徑這兩種模擬方法被用作平面的”成長”過程。圖形收縮是一系列算法亚博在线登录网页版,旨在創建視覺上吸引人的圖形布局。蟻群算法是一種概率論方法,其靈感來源于螞蟻在尋找食物過程中發現路徑的行為亚博在线登录网页版。這種算法具有分布計算、信息正反饋和啟發式搜索的特征,本質上是進化算法中的一種啟發式全局優化算法。

      大致的原理如下: 平面圖基因組是一個有加權因子亚博在线登录网页版、相互連接又不定向的圖。每一個想要的房間都用一個節點基因來表示,這個節點基因包含了房間的大小等信息。t同時還有連接基因, 連接基因指定了兩個要跨越的節點基因以及一個隨機初始化的權重;這兩種基因以隨機的方式添加,直到圖被連接。相鄰性要求創建一個具有最大邊緣權重的子圖。例如,食堂必須與廚房相鄰。

      從基因信息映射成平面信息的繪制

      從基因信息映射成平面信息的繪制過程分四個部分完成。首先亚博在线登录网页版,圖中的每個節點都設置到一個中間位置(圖1a)。第二,物理模擬將中間位置映射到最終坐標,該坐標是平面圖中該房間的中心(圖1b)亚博在线登录网页版。第三,將房間中心轉換為代表墻壁的多邊形網格(圖1c,1d)。第四,沿著網格的邊緣創建走廊亚博在线登录网页版,然后使用受螞蟻群行為啟發的算法進行修剪和最終確定,并轉換為最終的幾何體(圖1e,1f)。

      Mapping Overview

      圖1:完整的映射過程。a)初始物理模擬。b)物理模擬的最終結果。c)輪廓圖(紅色)擴張亚博在线登录网页版,以產生邊界Voronoi種子(紫色圓圈)亚博在线登录网页版。d)Voronoi鑲嵌創建幾何網格亚博在线登录网页版。e)添加了內部邊緣的平面圖,走廊算法的結果用黃色繪制亚博在线登录网页版。f)走廊被合并成最終的幾何體,內部邊緣用于門的放置。

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      Hallways

      圖2:走廊生成過程。a)具有三個房間的平面圖。 b)內部節點和邊緣的創建,顯示為空心圓和虛線。c) OHP的初步結果亚博在线登录网页版。選定的邊緣用紅色畫出。d)通過將走廊頂點移動到其投影到鄰居形成的線段上來平滑走廊。 e)通過使用半徑與旅行負荷成正比的圓的外切線來創建走廊幾何體。 f)最終的走廊幾何體,門從內部邊緣放置,并帶有旅行負荷亚博在线登录网页版。

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      后續發展

      學校的一個特點就是學生的課表和平面布局的相互關聯與演變。這樣可以對整個學校一天的體驗進行統一的優化處理亚博在线登录网页版。目前遺傳算法已經可以應用于優化排課問題亚博在线登录网页版。

      此外EFP的衡量標準可以擴展到包括地形圖、太陽路徑、現有樹木和其他環境輸入,使建筑物能夠高度適應其環境亚博在线登录网页版。物理模擬也可以強制進行一定的邊界形狀約束。

      EFP方法也可以用于其他功能的布置,如辦公室布局或醫院亚博在线登录网页版。醫院可以盡量減少關鍵路線,如手術室和病理實驗室之間或護士室和病人之間。辦公室的規劃可以旨在最大限度地減少聲學問題,這是開放式辦公室的一個常見問題亚博在线登录网页版,或者最大限度地減少步行路徑亚博在线登录网页版,同時也最大限度地增加與其他部門員工共享的步行路徑的比例。

      結論

      這是我的第一個大型生成式設計項目亚博在线登录网页版,我認為其底層想法有很大的潛力。目前各個步驟所需的工作可能過于復雜。由于不遵守任何建筑或設計的規律,也使得結果很難評估。

      我希望它能引起讀者對未來生成性和設計的一些想法亚博在线登录网页版。

      References

      1、Michalek, J.J., Choudhary, R., Papalambros, P.Y.: Architectural layout design optimization. Eng. Optimization (2002)
      2、Merrell, Paul, Eric Schkufza, and Vladlen Koltun. “Computer generated residential building layouts.” ACM Transactions on Graphics (TOG). Vol. 29. No. 6. ACM, 2010.
      3、Liu, Han, et al. “Constraint aware interior layout exploration for pre-cast concrete based buildings.” The Visual Computer (2013)
      4、Nassar, Khaled. “New advances in the automated architectural space plan layout problem.” Proceedings Computing in Civil and Building Engineering (2010).
      5、O’Reilly, UnaMay, and Martin Hemberg. “Integrating generative growth and evolutionary computation for form exploration.” Genetic Programming and Evolvable Machines (2007)
      6、Bentley, P. J. & Kumar, S. (1999). Three Ways to Grow Designs: A Comparison of Embryogenies for an Evolutionary Design Problem. Genetic & Evolutionary Computation Conference.
      7、Hornby, Gregory S., and Jordan B. Pollack. “The advantages of generative grammatical encodings for physical design.” Evolutionary Computation, 2001. Proceedings of the 2001 Congress on. Vol. 1. IEEE, 2001.
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      11亚博在线登录网页版、Luo, Bin, Richard C. Wilson, and Edwin R. Hancock. “Spectral Embedding of Graphs.” Pattern Recognition 36.10 (2003): 2213230. Print.
      12亚博在线登录网页版亚博在线登录网页版、Fruchterman, Thomas M. J., and Edward M. Reingold. “Graph Drawing by Forcedirected Placement.” Software: Practice and Experience 21.11 (1991): 1129164. Print.

      ● 項目代碼: https://github.com/joel-simon/evo_floorplans
      ● 原文連接: https://www.joelsimon.net/evo_floorplans.html

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      maurizio 等1人贊過
      2020.09.03
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