一种基于建筑更新约束的实验功能空间布局优化方法

本发明涉及建筑设计与优化，尤其涉及保护建筑更新改造中实验室功能空间布局优化方法。

背景技术：

1、在保护建筑的更新改造中，实验功能空间的布局设计是一项极具挑战性的任务。保护建筑通常具有不规则的空间形态、保留的承重结构（如柱网）以及严格的历史风貌保护要求。且实验室功能往往要求不同实验室模块之间联系紧密，动线简洁，以满足科研人员特定的实验需求和安全要求。现有技术中，对于此类建筑的室内空间布局，常规做法主要依赖建筑师的经验判断与手工绘制。设计人员首先基于建筑测绘图纸，识别出主要的墙体、柱网和走廊位置，然后根据实验功能的需求清单（如实验室、准备间、设备间等），在图纸上手动划分空间。这一过程往往采用试错法，通过反复调整房间的边界和位置，以满足面积、连通性和采光等基本要求。此外，部分计算机辅助设计工具虽然支持参数化建模，但通常仅用于生成矩形网格或基于固定模数进行划分，无法有效处理保护建筑中常见的非正交墙体、斜线边界以及柱位对空间分割的刚性约束。在功能分配方面，现有技术多采用手动分组或简单的面积累加方式，缺乏对功能组团内部连通性及整体空间利用率的系统化考量。

2、常规做法依赖人工经验进行布局调整，效率低下且难以保证方案的最优性，尤其是在面对复杂异形空间和多重约束（如柱网避让、动线最短化）时，极易产生空间碎片化或功能不协调的问题，导致后续修改成本高昂。现有自动化布局方法多针对新建建筑的标准矩形空间设计，无法直接迁移至保护建筑环境中。这些方法普遍缺乏对形态转折线、主走廊边缘线等关键建筑特征的感知能力，也未能将柱网轴线作为刚性约束纳入布局求解过程，导致生成的布局方案往往与保护建筑的实际结构冲突，例如房间边界与柱体交错、走廊被阻断，或实验功能区域无法满足设备摆放与人员通行的基本净空要求。因此，亟需一种能够自动适应保护建筑不规则形态并有效处理多重约束的布局方法。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种基于建筑更新约束的实验功能空间布局优化方法，能够解决现有技术中的问题。

2、本发明实施例的第一方面，提供基于约束优化的保护建筑更新中实验功能空间布局方法，包括：

3、所述目标建筑平面数据包括建筑几何数据、基本结构构件数据、基本通行组织数据、保护要素数据和功能需求数据。建筑几何数据用于确定建筑平面的有效布局范围和外轮廓转折特征；基本结构构件数据用于确定柱网轴线、不可穿越障碍物和柱位容纳约束；基本通行组织数据用于确定主走廊边缘线、出入口位置和动线距离；保护要素数据用于确定不可切割、不可布置功能空间或限制改造的空间边界；功能需求数据用于确定实验功能房间的面积、组团归属和布置限制；

4、对所获取的目标建筑平面数据经网格离散化生成基础切割线集并从其中筛选出形态转折线、主走廊边缘线和柱网轴线作为优先切割线，按权重排序形成带权优先切割线集并利用其对建筑平面进行约束感知离散化；

5、对离散化后的建筑平面进行功能需求解析，将功能需求按组团标签归并为功能组团并为每个功能组团生成候选矩形尺寸池，将建筑平面划分为不重叠且密铺的最小矩形原子区域并为每个功能组团枚举满足连通性的原子区域组合，基于约束规划对各所述功能组团进行非重叠的空间指派生成组团级布局方案；

6、基于所述组团级布局方案，在每个功能组团的划分区域内，将每个保护要素对应的保护固定区域作为不可占用的锁定区域，基于全覆盖和柱网容纳约束进行房间级空间分配完成组团内房间细分，湿的实验室功能房间绕设于所述保护固定区外侧，在障碍物邻域和走廊交汇节点附近生成服务空间候选位并置入服务空间得到初步布局方案；

7、对所述初步布局方案进行全局评分并基于动线距离、柱位冲突和形态质量识别问题区域，对所述问题区域进行局部释放并基于约束规划重新求解，通过迭代优化输出最终布局方案。

8、从所述基础切割线集中筛选出形态转折线、主走廊边缘线和柱网轴线作为优先切割线并按权重排序形成带权优先切割线集，包括：

9、提取建筑平面外轮廓各顶点坐标并计算各顶点处相邻边的转向角以判定凹凸属性，定位所有凹顶点并生成穿过凹顶点且与相邻轮廓边平行的候选分割线，将能够将凹形区域完整分割为独立矩形区域的候选分割线识别为形态转折线并赋予最高权重；

10、沿主走廊两侧边界分别提取与走廊走向方向一致的连续线段，将所述连续线段合并为主走廊边缘线并赋予次高权重；

11、沿柱网各列方向顺次连接同一列柱位的中心点形成列方向轴线并沿柱网各行方向顺次连接同一行柱位的中心点形成行方向轴线，将所述列方向轴线和所述行方向轴线合并为柱网轴线并赋予第三权重；

12、将所述形态转折线以最高优先级插入所述基础切割线集中，将所述主走廊边缘线以次高优先级插入所述基础切割线集中，将所述柱网轴线以第三优先级插入所述基础切割线集中，使高权重优先切割线在离散化过程中获得优先切分权，将三类优先切割线按权重叠加入所述基础切割线集后形成所述带权优先切割线集。

13、将能够将凹形区域完整分割为独立矩形区域的候选分割线识别为形态转折线，包括：

14、提取建筑平面外轮廓全部顶点并按照顺时针方向依次对各顶点进行编号并记录各顶点坐标，针对每个顶点计算由前一条轮廓边向量与后一条轮廓边向量构成的叉积符号，根据所述叉积符号的正负判定当前顶点为凸顶点或凹顶点；

15、遍历所有凹顶点并以当前凹顶点为起点分别沿与该凹顶点相邻的两条轮廓边的延伸方向作射线，将每条射线与建筑平面外轮廓首次相交的轮廓点与该凹顶点之间的连线作为候选分割线；

16、以每条候选分割线为界将建筑平面划分为两个子区域，分别计算两个子区域各自的矩形完整度即子区域面积与其最小外接矩形面积之比的比值并取两个子区域矩形完整度的加权平均值，同时计算两个子区域的面积之和与建筑平面总面积之比作为面积利用率，以所述矩形完整度加权平均值与所述面积利用率的加权和作为综合指标评价该候选分割线的分割效果；

17、将所有候选分割线按照综合指标从高到低排序，将综合指标最大值对应的候选分割线确定为所述形态转折线。

18、将建筑平面划分为不重叠且密铺的最小矩形原子区域并为每个功能组团枚举满足连通性的原子区域组合，包括：

19、以所述带权优先切割线集中各条优先切割线为分割边界并沿各条优先切割线的延伸方向对离散化后的建筑平面进行逐次切分，使相邻两条优先切割线之间的区域被切分为矩形网格单元，将每个矩形网格单元定义为一个原子区域并使全部原子区域之间互不重叠且完全密铺整个建筑平面；

20、以每个原子区域为基本操作单元建立原子区域邻接关系图，图中每个节点代表一个原子区域并在相邻原子区域对应的节点之间以边连接，记录每条边所连接的两个原子区域之间的共享边界长度作为邻接权重；

21、按每个功能团组的面积需求以所述原子区域邻接关系图为搜索空间，从每个功能团组所在位置对应的起始原子区域出发通过广度优先遍历枚举包含所述起始原子区域在内的所有连通子图，将各连通子图所包含的原子区域集合作为连通区域组合，筛选出连通区域组合的总面积与对应功能团组目标面积之差的绝对值在预设容差范围内的连通区域组合作为该功能团组的候选指派组合。

22、基于约束规划对各所述功能组团进行非重叠的空间指派，包括：

23、以每个功能团组的各所述候选指派组合为布尔决策变量，构建每个原子区域至多被一个功能团组占用的非重叠约束和每个功能团组有且仅有一个候选指派组合被选中的互斥约束，并构建被选中的候选指派组合所包含的原子区域数量须在预设范围之内的基数约束；

24、以被选中的候选指派组合的实际总面积与对应功能团组目标面积之差的绝对值作为面积偏差惩罚项，以被选中的候选指派组合的边界线总长度与面积相同的正方形周长之差作为形态紧密度奖励项，将所述面积偏差惩罚项与所述形态紧密度奖励项的加权和作为目标函数；

25、以所述非重叠约束、所述互斥约束和所述基数约束为约束条件并以所述目标函数最小化为优化方向，通过约束规划求解各布尔决策变量的取值使所述目标函数达到最小值，将各功能团组中被选中的候选指派组合所对应的原子区域集合作为该功能团组在建筑平面上的占用区域，全部功能团组的占用区域的集合构成组团级布局方案。

26、在每个功能组团的划分区域内进行房间级空间分配并在障碍物邻域和走廊交汇节点附近置入服务空间，包括：

27、在每个功能团组的划分区域内以各房间的面积需求和矩形形态要求为输入参数，以完全覆盖划分为硬约束条件即各房间的矩形区域之和须为所在功能团组的划分区域面积，以柱网容纳为空间约束条件即当房间最小面积大于三倍柱网单元面积时允许该房间内部容纳柱位，通过枚举各房间的候选矩形尺寸组合并逐一校验各组合同是否满足全覆盖约束和柱网容纳约束，将满足全部约束条件的组合作为房间级细分方案；

28、将每个障碍物的预设邻域范围与走廊交汇节点的预设邻域范围取并集作为服务空间候选区域，在所述候选区域内按预设间距生成多个候选置入位置并以各候选置入位置与相邻已分配房间边界之间的最小距离为评价指标确定目标置入位置；

29、在所述目标置入位置置入服务空间后检测所述服务空间的边界与已分配房间边界之间是否存在重叠或间隙，若存在重叠或间隙则保留其余已分配房间的边界不变并对重叠或间隙区域所涉及的功能团组单独重新进行房间级空间分配。

30、对所述初步布局方案进行全局评分并识别问题区域进行局部释放和重新求解，包括：

31、以各功能团组之间及各功能团组与出入口之间的最短路径长度之和作为动线距离得分，以单个房间内部包含柱位的数量在全部房间中的累计值作为柱位冲突得分，以各房间面积与其最小外接矩形面积之比的算术平均值作为形态质量得分，以所述三个得分的加权和作为全局评分；

32、将各功能团组各自对全局评分中动线距离得分和形态质量得分的贡献度分别从全局评分中分解出来，将贡献度超过预设阈值的功能团组标记为问题区域并释放所述问题区域内的房间细分结果，保留非问题区域的功能团组的房间细分结果作为锁定布局；

33、以释放后的问题区域为待求解空间，将所述锁定布局作为不可变边界条件，基于完全覆盖划分约束和柱网容纳约束对所述待求解空间重新进行房间级空间分配，以重新求解后的全局评分相较前一轮全局评分是否提升为接受准则决定是否保留当前重新求解结果，重复全局评分、问题区域识别和局部重新求解的迭代过程直至连续多轮迭代均未产生全局评分提升时终止迭代并输出最终布局方案。

34、本发明实施例的第二方面，提供一种基于约束优化的保护建筑更新中实验功能空间布局系统，包括：

35、离散化单元，用于对所获取的目标建筑平面数据经网格离散化生成基础切割线集并从其中筛选出形态转折线、主走廊边缘线和柱网轴线作为优先切割线，按权重排序形成带权优先切割线集并利用其对建筑平面进行约束感知离散化；

36、组团指派单元，用于对离散化后的建筑平面进行功能需求解析，将功能需求按组团标签归并为功能组团并为每个功能组团生成候选矩形尺寸池，将建筑平面划分为不重叠且密铺的最小矩形原子区域并为每个功能组团枚举满足连通性的原子区域组合，基于约束规划对各所述功能组团进行非重叠的空间指派生成组团级布局方案；

37、房间分配单元，用于基于所述组团级布局方案，在每个功能组团的划分区域内基于全覆盖和柱网容纳约束进行房间级空间分配完成组团内房间细分，在障碍物邻域和走廊交汇节点附近生成服务空间候选位并置入服务空间得到初步布局方案；

38、迭代优化单元，用于对所述初步布局方案进行全局评分并基于动线距离、柱位冲突和形态质量识别问题区域，对所述问题区域进行局部释放并基于约束规划重新求解，通过迭代优化输出最终布局方案。

39、本发明实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：

40、处理器；

41、用于存储处理器可执行指令的存储器；

42、其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。

43、本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。

44、基于约束优化的保护建筑更新中实验功能空间布局方法，显著提升了保护建筑内实验功能空间布局的合理性与效率。该方法通过优先切割线集对建筑平面进行约束感知离散化，有效保留了建筑原有的形态转折、主走廊边缘和柱网轴线等关键结构特征，确保布局方案在尊重历史建筑空间逻辑的前提下生成，避免了对保护要素的随意割裂或破坏。利用功能需求归并与候选矩形尺寸池生成，使各功能组团能够根据实际需求获得高度适配的矩形空间，减少了空间浪费，提高了面积利用率。采用约束规划进行非重叠的空间指派，保证了组团级布局的紧凑性与无冲突性，同时通过连通性枚举确保了功能组团的内部通达性，避免了孤立区域的出现。在组团内房间细分阶段，基于全覆盖和柱网容纳约束进行分配，使得房间布局既贴合柱网结构又实现空间最大化利用，而服务空间候选位的智能生成与置入则优化了辅助功能的分布，减少了动线交叉和空间碎片化。全局评分机制结合动线距离、柱位冲突和形态质量的多维度评估，能够精准定位布局中的问题区域，并通过局部释放与重新求解的迭代优化，逐步修正缺陷，最终输出高适应性的布局方案。该方法整体上实现了从宏观组团到微观房间的层级化、自动化布局，显著缩短了设计周期，降低了人工调整成本，特别适用于空间形态复杂、约束条件严苛的保护建筑更新项目，为历史建筑的功能再生提供了科学、高效的技术支持。