基于风环境模拟的街区形态设计方法、装置及存储介质与流程

1.本发明涉及街区形态研究领域，尤其涉及基于风环境模拟的街区形态设计方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.目前，对于城市形态学研究主要包括区域层面研究、城市层面研究和街区层面研究。其中，街区层面的研究即为街区形态研究，可以分为定性和定量两种。而对街区形态定性的研究主要集中在城市中心区用地形态的发展和传统居住区的保护和更新这两大方面。现如今，对于街区形态的定量研究相对较少，主要集中对古城镇和历史街区的研究。
3.对于街区形态定性的研究主要通过街区的地形态进行研究，主要包括针对街区的空间布局、建筑物的布局组合、建筑的空间几何形态构造等之类的，但是，对于街区建设过程中，相对于街区的地形态来说，对于街区的风环境数据的研究同样重要，也即，对于街区的风环境数据的性能优劣直接影响到居民的生活，因此，对于街区形态优化时，迫切需要一种考虑风环境数据的街区形态优化系统来实现对街区形态的优化。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供基于风环境模拟的街区形态设计方法，其能够在街区形态优化时考虑风环境数据，提高街区居民居住体验。
5.本发明的目的之二在于提供基于风环境模拟的街区形态设计装置，其能够在街区形态优化时考虑风环境数据，提高街区居民居住体验。
6.本发明的目的之三在于提供一种存储介质，其能够在街区形态优化时考虑风环境数据，提高街区居民居住体验。
7.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
8.基于风环境模拟的街区形态设计方法，包括：
9.模型库建立步骤：获取城市街区的相关数据并以街区为基本构成单元生成城市地形建筑模型；所述城市地形建筑模型包括多个不同街区以及每个街区内的建筑经济技术指标；
10.形态模拟步骤：从所述城市街区内选定待优化场地并确定所述待优化场地内的街区以及根据待优化场地内的街区获取对应街区内的建筑经济技术指标，以及根据气候条件建立风洞，然后根据计算机模拟法对所述待优化场地内各个街区内的建筑经济技术指标以及所述风洞进行模拟得出模拟结果；所述模拟结果包括待优化场地内各个街区的建筑形态和所述风环境状况的指标；
11.优化步骤：根据多目标优化算法对所述模拟结果进行优化，并根据每次优化的优化结果判断所述待优化场地是否满足预设街区设计规范，若是，将优化结果作为待优化场地的建筑形态设计，并通过改变风洞的参数，执行形态模拟步骤继续对待优化场地进行模拟；直到满足循环结束条件。
12.进一步地，所述预设街区设计规范包括规范要求和设计要求；其中，所述规范要求包括建筑红线、建筑退让线；所述设计要求包括建筑的容积率、塔楼数量、塔楼位置、裙房位置和高度。
13.进一步地，所述模型库建立步骤包括：
14.通过互联网数据平台获取城市街区的相关数据；所述互联网数据平台包括地理空间数据云、openstreetmap、高德地图和百度地图；
15.以街区为基本构成单元，通过arcgis软件对城市街区的相关数据进行整合生成城市地形建筑模型；
16.根据城市街区内的道路获取每个街区的街区形态类型，并计算得出每个街区的建筑经济技术指标。
17.进一步地，所述形态模拟步骤包括：
18.从城市街区中选定需要设计优化的待优化场地，并确定所述待优化场地内的各个街区的街区类型以及对应街区内的建筑经济技术指标；
19.根据待优化场地的尺寸设定模拟范围并采用计算机模拟法对所述待优化场地进行cfd模拟得出模拟结果。
20.进一步地，所述形态模拟步骤包括：根据气象数据获取气候条件；所述风洞包括风洞尺寸、风速、风向和网格精细度。
21.进一步地，所述风环境状况的指标包括平均风速、舒适风速区面积比、静风区面积比、舒适风离散度。
22.进一步地，还包括筛选步骤：根据优化后得出的待优化场地的建筑形态设计进行整理和分析，剔除不符合实际需求的建筑形态设计，并将筛选后的待优化场地的建筑形态设计以图表的形式展示出来。
23.进一步地，所述优化步骤具体包括：结合遗传算法和帕累托最优算法，通过多次执行形态模拟步骤对待优化场地进行模拟，计算出帕累托最优解，并根据建筑美学要求及街区设计规范对帕累托最优解进行筛选以得出待优化场地。
24.本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
25.基于风环境模拟的街区形态设计装置，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的街区形态设计程序，所述街区形态设计程序为计算机程序，所述处理器执行所述街区形态设计程序时实现如本发明目的之一采用的基于风环境模拟的街区形态设计方法的步骤。
26.本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
27.一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有街区形态设计程序，所述街区形态设计程序为计算机程序，所述街区形态设计程序被处理器执行时实现如本发明目的之一采用的基于风环境模拟的街区形态设计方法的步骤。
28.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
29.本发明通过根据现如今城市街区的相关数据建立城市街区中的城市地形建筑模型，然后将待优化场地中的街区的现有建筑与风洞的结合来对优化场地进行模拟，得出街区形态与风环境状况指标，然后根据多目标优化算法对模拟结果进行优化，并将满足预设街区设计规划的优化结果存储，作为优化后的街区形态，通过将风环境的数据模拟到街区
形态优化中，从而使得优化后的街区形态，更有助于提高居民居住体验。
附图说明
30.图1为本发明提供的基于风环境模拟的街区形态设计方法的流程图；
31.图2为本发明提供的基于风环境模拟的街区形态设计装置的流程图。
32.图中：11、存储器；12、处理器；13、通信总线；14、网络接口。
具体实施方式
33.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
34.实施例一
35.本发明提供了一种基于风环境模拟的街区形态设计方法，该方法主要通过形态模型生成部分、风环境模拟部分和寻优设计部分三个部分来完成街区形态的优化设计。其中，形态模型生成部分，用于根据现有的城市街区的相关数据，以街区为基本构成单元建立城市地形建筑模型，并计算得出每个街区的建筑经济技术指标。其中，建筑经济技术指标，是指每个街区内的建筑尺寸、占地面积等数据，该建筑经济技术指标确定了每个街区的形态设计。
36.风环境模拟部分，用于对待优化场地采用计算机模拟法进行模拟，在模拟的同时将风环境状况的指标考虑进去。
37.寻优设计部分，用于结合目标优化算法来实现对待优化场地的建筑形态进行优化并得出符合规范的优化结果。
38.如图1所示，本发明提供了一种优选的实施例，基于风环境模拟的街区形态设计方法，包括以下步骤：
39.步骤s1、获取城市街区的相关数据，并以街区为基本构成单元建立城市地形建筑模型。其中，城市地形建筑模型包括多个不同街区以及每个街区内的建筑经济技术指标。
40.城市街区相关数据包括地形、现状建筑、道路、容积率等数据。建筑经济技术指标包括每个街区的场地面积、容积率、占地面积以及每个街区所包含的各个建筑的尺寸。每个街区的建筑经济技术指标可确定对应街区的街区形态。
41.优选地，城市街区的相关数据通过互联网数据平台获取。其中，互联网数据平台，优选包括地理空间数据云、openstreetmap(osm，公开地图)、高德地图、百度地图等。
42.本发明对于街区形态的设计是街区为准，因此，本发明以街区为基本构成单元，通过arcgis软件对城市街区的相关数据进行整合，进而生成城市地形建筑模型。其中，arcgis软件是一款地理信息系统系列的软件，该软件功能强大，本领域技术人员常用于针对地理信息的数据进行分析的软件。
43.一般来说，对于一个街区的建筑形态进行设计时，首先规划街区内的道路，然后根据街区内的各个道路在实现对街区内的各个建筑的设计规划。街区内的道路规划不同时，相应的建筑规划也会不同。比如道路规划不同时，相应的建筑的高度、宽度、与道路的距离、朝向等均会有所不同。
44.目前，依据现有的对于城市街区的研究，一般以道路规划的不同将所形成的街区形成划分多种不同类型，比如，塔楼-裙房型、多层围合型、塔楼群型等。对于街区形态类型来说，由于道路的设计不同，街区内的建筑一般会呈现不同的形态类型，本发明中的街区形态类型是本领域技术人员所熟知的。比如通过将城市地形建筑模型导入到rhino软件中实现对街区的划分以及识别。其中，rhino的英文全称为rhinoceros，中文为犀牛。该软件在1998年8月正式上市，是美国robert mcneel&assoc开发的pc上强大的专业3d造型软件。rhino软件具有集百家之长为一体的发展理念，它拥有nurbs(non-uniform rational b-splines，是一种非常优秀的建模方式，在高级三维软件当中都支持这种建模方式)的优秀建模方式，也有网格建模插件t-spline(t-样条曲面)，使建模方式有了更多的选择，从而能创建出更逼真、生动的造型。
45.优选地，在实际的使用过程中，可通过将过程以计算机程序编程后形成模型生成平台，以方便用户向平台输入数据，即可实现数据的处理。优选地，由于本发明所提供的模型生成平台更多的是以建筑师为主要面向人群，相对于而传统的建筑风环境模拟软件如pheonics、fluent等主要面向人群是有相关专业背景的工程师来说，可将模拟流程与设计流程整合，进而更为专业性。
46.本实施例为了明确建筑形体的生成思路，首先需要对场地周围环境、当地气候条件以及相关规范要求等已有设计条件进行整理和分类，然后根据实际的使用需求，归纳总结出控制建筑形体生成的参数数据。其中，控制建筑形体生成的参数可分为两类：可变参数与不变参数。可变参数主要包括建筑平台形体、尺寸等，不变参数主要包括推线距离、防火间距等。
47.也即，本实施例通过对国内外已有的关于城市街区形态方面的研究文献，提取出几种主要的城市街区形态及其特征，并推到出不同街区形态的形体生成思路，然后利用参数化平台根据不同街区的形体生成思路，生成参数化建筑形体程序。
48.步骤s2、从所述城市街区内选定待优化场地并确定所述待优化场地内的街区以及根据待优化场地内的街区获取对应街区内的建筑经济技术指标。
49.步骤s3、根据气候条件建立风洞，然后根据计算机模拟法对所述待优化场地内各个街区内的建筑经济技术指标以及所述风洞进行模拟得出模拟结果。其中，模拟结果包括待优化场地内各个街区的建筑形态和所述风环境状况的指标。同时，在进行模拟时，根据气候条件建立风洞，并设置风洞的参数对待优化场地进行模拟。
50.优选地，步骤s3中通过对设计前的场地现状进行风环境的cfd模拟以得出场地原始的风环境数据，这样可根据风环境数据来得出风洞的参数，进而建立风洞。
51.其中，参数化的建筑形体是通过在grasshopper当中通过程序获得的建筑模型。具体地，可通过调整grasshopper当中建筑形体生成程序的输入参数，从而即刻改变输出建筑形体的模样，其不需要通过手工计算来修改模型。
52.其中，grasshopper为3d建模软件rhinoceros当中的可视化编程语言插件。
53.优选地，风环境状况的指标包括平均风速、舒适风速区面积比、静风区面积比、舒适风离散度等。
54.优选地，在模拟时，根据待优化场地的尺寸设定模拟范围并采用计算机模拟法对待优化场地进行cfd(computational fluid dynamics，计算流体动力学)模拟得出模拟结
果。
55.优选地，在cfd模拟时，还根据气象数据获取气候条件，并建立风洞，然后根据计算机模拟法对待优化场地内各个街区内的建筑经济技术指标以及风洞进行模拟得出模拟结果。其中，风洞包括风洞尺寸、风速、风向和网格精细度。通过建立风洞的参数不同，所得出待优化场地内的街区的建筑形态也不同。
56.步骤s4、根据多目标优化算法对模拟结果进行优化。
57.优选地，步骤s4中通过遗传算法的优化对前述模拟结果中的大量不同的建筑形体进行cfd模拟，从而获得相对应的风环境数据，并对得到的风环境数据进行筛选。其中，建筑模型是通过借助建筑形体生成程序生成的。
58.本实施例的cfd模拟的运行平台为grasshopper，所有的输入参数必须是存在于grasshopper当中的数据。
59.在遗传算法的优化过程中，算法会根据自定义的每一代的样本数来随机地生成相应数量的建筑形体，对其进行cfd模拟并记录其结果。在完成一代的cfd模拟后，程序会对结果进行筛选，并留下复合条件的样本，这些样本会成为下一代的母本，下一代的建筑形体的参数会根据这些母本的参数来生成。
60.cfd模拟的输出为每一个网格内的凤速和风向数据，通过公式来进一步处理原始的数据并获得可以参考的指标。
61.步骤s5、根据每次优化的优化结果判断所述待优化场地是否满足预设街区设计规范，若是，执行步骤s6。
62.步骤s6、将优化结果作为待优化场地的建筑形态设计，并通过改变风洞的参数，执行步骤s3～步骤s6；直到满足循环结束条件。
63.本发明采用的多目标优化算法为nsga-ll进化算法。通过nsga-ll进化算法，来设定遗产算法的代数和子代数量，从而设定循环的运行次数。相对于现有的采用的多目标优化算法，比如spea2来说，nsga-ll进化算法的运行效率会更高。
64.步骤s7、根据优化后得出的所有的待优化场地的建筑形态设计进行整理和分析，剔除不符合实际需求的建筑形态设计，并将筛选后的待优化场地的建筑形态设计以图表的形式展示出来。其中，在实际的使用过程中，设计者根据自身的经验，结合实际项目中的结构要求，建构难度，造价等其余相关需求对不符合实际情况的建筑形态设计进行剔除处理。
65.同时，通过本发明提出的基于风环境模拟的街区优化方法，将其与实际的现场测试结果对比验证得出，本发明具有更好的可靠性、计算性能以及优化效果。
66.实施例二
67.本发明提供了基于风环境模拟的街区形态设计装置。如图2所示，本发明一实施例提供的基于风环境模拟的街区形态设计装置的内部结构示意图。
68.在本实施例中，基于风环境模拟的街区形态设计装置可以是pc(personal computer，个人电脑)，也可以是智能手机、平板电脑、便携计算机等终端设备。该基于风环境模拟的街区形态设计装置至少包括：处理器12、通信总线13、网络接口14以及存储器11。
69.其中，存储器11至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器11在一些实施例中可以是基于风环境模拟的街区形态设计装置的内部存储单元，例如该基于
风环境模拟的街区形态设计装置的硬盘。存储器11在另一些实施例中也可以是基于风环境模拟的街区形态设计装置的外部存储设备，例如基于风环境模拟的街区形态设计装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，存储器11还可以既包括基于风环境模拟的街区形态设计装置的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器11不仅可以用于存储安装于基于风环境模拟的街区形态设计装置的应用软件及各类数据，例如街区形态设计程序的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
70.处理器12在一些实施例中可以是一中央处理器(central processing unit，cpu)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器11中存储的程序代码或处理数据，例如执行街区形态设计程序等。
71.通信总线13用于实现这些组件之间的连接通信。
72.网络接口14可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如wi-fi接口)，通常用于在该基于风环境模拟的街区形态设计装置与其他电子设备之间建立通信连接。
73.可选地，该基于风环境模拟的街区形态设计装置还可以包括用户接口，用户接口可以包括显示器(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选的用户接口还可以包括标准的有线接口、无线接口。可选地，在一些实施例中，显示器可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled(organic light-emitting diode，有机发光二极管)触摸器等。其中，显示器也可以适当的称为显示屏或显示单元，用于显示在基于风环境模拟的街区形态设计装置中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面。
74.图2仅示出了具有组件11-14以及街区形态设计程序的基于风环境模拟的街区形态设计装置，本领域技术人员可以理解的是，图2示出的结构并不构成对基于风环境模拟的街区形态设计装置的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
75.在图2所示的基于风环境模拟的街区形态设计装置实施例中，存储器11中存储有街区形态设计程序；处理器12执行存储器11中存储的街区形态设计程序时实现如下步骤：
76.模型库建立步骤：获取城市街区的相关数据并以街区为基本构成单元生成城市地形建筑模型；所述城市地形建筑模型包括多个不同街区以及每个街区内的建筑经济技术指标；
77.形态模拟步骤：从所述城市街区内选定待优化场地并确定所述待优化场地内的街区以及根据待优化场地内的街区获取对应街区内的建筑经济技术指标，以及根据气候条件建立风洞，然后根据计算机模拟法对所述待优化场地内各个街区内的建筑经济技术指标以及所述风洞进行模拟得出模拟结果；所述模拟结果包括待优化场地内各个街区的建筑形态和所述风环境状况的指标；
78.优化步骤：根据多目标优化算法对所述模拟结果进行优化，并根据每次优化的优化结果判断所述待优化场地是否满足预设街区设计规范，若是，将优化结果作为待优化场地的建筑形态设计，并通过改变风洞的参数，执行形态模拟步骤继续对待优化场地进行模拟；直到满足循环结束条件。
79.进一步地，所述预设街区设计规范包括规范要求和设计要求；其中，所述规范要求包括建筑红线、建筑退让线；所述设计要求包括建筑的容积率、塔楼数量、塔楼位置、裙房位
置和高度。
80.进一步地，所述模型库建立步骤包括：
81.通过互联网数据平台获取城市街区的相关数据；所述互联网数据平台包括地理空间数据云、openstreetmap、高德地图和百度地图；
82.以街区为基本构成单元，通过arcgis软件对城市街区的相关数据进行整合生成城市地形建筑模型；
83.根据城市街区内的道路获取每个街区的街区形态类型，并计算得出每个街区的建筑经济技术指标。
84.进一步地，所述形态模拟步骤包括：
85.从城市街区中选定需要设计优化的待优化场地，并确定所述待优化场地内的各个街区的街区类型以及对应街区内的建筑经济技术指标；
86.根据待优化场地的尺寸设定模拟范围并采用计算机模拟法对所述待优化场地进行cfd模拟得出模拟结果。
87.进一步地，所述形态模拟步骤包括：根据气象数据获取气候条件；所述风洞包括风洞尺寸、风速、风向和网格精细度。
88.进一步地，所述风环境状况的指标包括平均风速、舒适风速区面积比、静风区面积比、舒适风离散度。
89.进一步地，处理器12执行存储器11中存储的街区形态设计程序时实现如下步骤：筛选步骤：根据优化后得出的待优化场地的建筑形态设计进行整理和分析，剔除不符合实际需求的建筑形态设计，并将筛选后的待优化场地的建筑形态设计以图表的形式展示出来。
90.进一步地，所述优化步骤具体包括：结合遗传算法和帕累托最优算法，通过多次执行形态模拟步骤对待优化场地进行模拟，计算出帕累托最优解，并根据建筑美学要求及街区设计规范对帕累托最优解进行筛选以得出待优化场地。
91.实施例三
92.一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，其上存储有街区形态设计程序，所述街区形态设计程序为计算机程序，所述街区形态设计程序被处理器执行时实现以下步骤：
93.模型库建立步骤：获取城市街区的相关数据并以街区为基本构成单元生成城市地形建筑模型；所述城市地形建筑模型包括多个不同街区以及每个街区内的建筑经济技术指标；
94.形态模拟步骤：从所述城市街区内选定待优化场地并确定所述待优化场地内的街区以及根据待优化场地内的街区获取对应街区内的建筑经济技术指标，以及根据气候条件建立风洞，然后根据计算机模拟法对所述待优化场地内各个街区内的建筑经济技术指标以及所述风洞进行模拟得出模拟结果；所述模拟结果包括待优化场地内各个街区的建筑形态和所述风环境状况的指标；
95.优化步骤：根据多目标优化算法对所述模拟结果进行优化，并根据每次优化的优化结果判断所述待优化场地是否满足预设街区设计规范，若是，将优化结果作为待优化场地的建筑形态设计，并通过改变风洞的参数，执行形态模拟步骤继续对待优化场地进行模
拟；直到满足循环结束条件。
96.进一步地，所述预设街区设计规范包括规范要求和设计要求；其中，所述规范要求包括建筑红线、建筑退让线；所述设计要求包括建筑的容积率、塔楼数量、塔楼位置、裙房位置和高度。
97.进一步地，所述模型库建立步骤包括：
98.通过互联网数据平台获取城市街区的相关数据；所述互联网数据平台包括地理空间数据云、openstreetmap、高德地图和百度地图；
99.以街区为基本构成单元，通过arcgis软件对城市街区的相关数据进行整合生成城市地形建筑模型；
100.根据城市街区内的道路获取每个街区的街区形态类型，并计算得出每个街区的建筑经济技术指标。
101.进一步地，所述形态模拟步骤包括：
102.从城市街区中选定需要设计优化的待优化场地，并确定所述待优化场地内的各个街区的街区类型以及对应街区内的建筑经济技术指标；
103.根据待优化场地的尺寸设定模拟范围并采用计算机模拟法对所述待优化场地进行cfd模拟得出模拟结果。
104.进一步地，所述形态模拟步骤包括：根据气象数据获取气候条件；所述风洞包括风洞尺寸、风速、风向和网格精细度。
105.进一步地，所述风环境状况的指标包括平均风速、舒适风速区面积比、静风区面积比、舒适风离散度。
106.进一步地，所述街区形态设计程序被处理器执行时实现以下步骤：筛选步骤：根据优化后得出的待优化场地的建筑形态设计进行整理和分析，剔除不符合实际需求的建筑形态设计，并将筛选后的待优化场地的建筑形态设计以图表的形式展示出来。
107.进一步地，所述优化步骤具体包括：结合遗传算法和帕累托最优算法，通过多次执行形态模拟步骤对待优化场地进行模拟，计算出帕累托最优解，并根据建筑美学要求及街区设计规范对帕累托最优解进行筛选以得出待优化场地。
108.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。