【文章导读】基于遗传算法的传统街区空间形态优化研究——以喀什老城为例

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 引言

随着我国城市化建设的不断推进，城市热岛效应显著增强，城市热环境也日趋恶化，甚至引发众多的城市公共安全问题。与现代都市自上而下规划模式不同，传统街区或聚落通常采取自下而上的营建模式，在长期的自然演化过程中，与当地气候建立了良好的适应关系，形成了独特的城市空间形态。这种历史营建中的气候适应智慧对现代城市更新与设计具有一定的借鉴价值。由于不同地区的气候条件不同，传统街区积累的气候适应经验也存在显著差异，针对不同气候特征下城市传统街区的气候适应经验进行深入挖掘，并从中凝练出可移植的城市设计策略运用到当今的城市更新与建设中，对于改善城市微气候有重要意义。

近年来，随着计算机科学和人工智能的不断发展，遗传算法逐渐被引入城市微气候的模拟研究中，该方法通过融合计算机建模、参数化设计、性能模拟与优化算法，进行自动寻优和方案迭代，避免传统模拟优化方法调整次数过多、效率低下的弊端。智能参数化设计与优化算法已逐渐成为建筑设计和城市设计领域中常用的优化方法，尤其是以Grasshopper为代表的参数化设计方法，但当前相关研究主要是针对现代城市街区，对传统街区空间形态优化的相关研究则相对缺乏，使得传统街区的大量气候适应经验在现代城市更新建设中得不到有效传递。

本文选取典型西北干热气候特征下的喀什老城传统街区，针对当地冬季寒冷、夏季炎热、室外不舒适期长的气候特点和传统街区空间形态特征，基于多目标优化算法，以街道冬季与夏季室外热舒适为优化目标进行计算，分析整理出基于热舒适改善的西北干热地区传统街区空间形态优化设计策略，为西北干热地区城市建设与更新的微气候改善提供决策依据。

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 研究对象

喀什地区具有典型的干热气候特征：四季分明，干旱少雨，夏季炎热高温、太阳辐射强烈，冬季寒冷，气温的日较差和年较差大。从喀什地区冬季和夏季的焓湿图（图1）中可知，在典型着装和站立姿态下，夏季和冬季自然环境舒适时刻仅占22.14%和1.9%。相比春秋季，冬夏两季室外热舒适较差的问题尤为突出，因而选取喀什夏季极热周和冬季极冷周这两个气候条件最为极端的时间段进行研究。

▲ 图1 | 喀什地区冬夏时段焓湿图

喀什老城作为新疆首座历史文化名城，具有规模宏大、风貌完整的传统街区，建筑形态与街区肌理保存十分完整（图2）。喀什老城传统街区的形成与其独特的历史脉络、地理位置、气候条件有关，呈现出非常明显的历史延续性和整体性，选择喀什老城中历史最为悠久、风貌和肌理最完整的吾斯塘博依、恰萨-亚瓦格和高台民居三个传统街区作为研究区域。

▲ 图2 | 喀什老城街区肌理

资料来源：根据谷歌卫星照片绘制。

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 研究思路与方法

基于多目标进化算法（MOEA）得到一系列折中的解集，即帕累托最优解集（Pareto optimal set）或非支配解集（non-dominated set），再根据实际需求从中进行决策，使得各目标均衡的情况下效率最大化。采用基于GH平台的多目标遗传算法插件Octopus来实现自动优化，气象数据是来自Ladybug提供的气象站实测数据。

首先提取街区空间原型并建立参数化模型；其次根据前期调研与模拟分析，选择影响室外热舒适的六类传统街区形态参数：街道高宽比、街道朝向、建筑悬挑形式、街道岔路形式、街道放大空间、下垫面材质作为自变量进行参数化控制；然后以Ladybug模拟的极热周与极冷周人体室外舒适度指标（UTCI）为优化目标，运用Octopus进行自动寻优，不断保留优质形态“基因”，淘汰不良形态“基因”；最后将求出的自变量参数值反馈回参数化模型中生成街道空间模型，并再次进行街道热舒适的模拟，对不同解对应的热舒适值进行比较，求得冬夏室外热舒适最优时的街区设计参数取值范围，最终得到具有良好气候适应性的街区空间形态参数，研究技术路线如图3所示。

▲ 图3 | 研究技术路线

3.1 街区空间原型提取

主要研究对象是街区中的街道空间形态，因此在对街区空间肌理简化时，建筑庭院不做探讨。喀什老城的街道按尺度可分为街道和巷道两种，前期调研统计发现：街道平均长度300m左右，宽度6～12m；巷道平均长度100m左右，宽度2～6m。街区被两种不同尺度的道路以条形划分，在该体系下，可利用街道高宽比以及街道类型来实现喀什老城传统街区空间形态上的综合建模。分别针对街道尺度和巷道尺度建立基本街区单元的理想模型，街道单元长度设为300m，巷道单元长度设为100m。道路的宽度根据街道和巷道不同的尺度分别设为6～12m和2～6m。如图4红色体块分别代表道路两侧的建筑，建筑之间的道路为本次实验研究道路，周围体块模拟街区周边环境。

▲ 图4 | 街区空间原型提取

3.2 参数变量选取

在街道与建筑形态参数上，着重将街道宽度和朝向作为影响街区热环境的重要参数指标。在建筑形态上，着重将建筑高度、悬挑形式和悬挑尺度作为影响街区热环境的重要参数指标。在街道界面材质上，挑选当地常用的建筑与街道材质，着重分析材料属性，并模拟材料的热工属性对街区热环境的影响。在植被配置上，着重研究植物种植位置和形式对街区热环境的影响，不涉及其他植物属性的因素。

3.3 热舒适评价指标选取

目前常用的室外热舒适模型有通用热气候指数 UTCI、生理等效温度PET、预测热感觉指标PMV等，这些评价指标的理论基础与影响因素对比分析如表1所示。相较于其他热舒适模型，UTCI热舒适模型所涉及的参数更加全面，而且在全球各种气候条件下对人体热舒适的评价都更加准确，因而选择通用气候指数（UTCI）作为人体热舒适评价的指标。

▲ 表1 | 热舒适评价指标对比

如图5所示，人体热感觉在UTCI值为-13℃到32℃区间时，整体表现出温和状态，如果低于-13℃或是高于32℃，都会激发人体产生不舒适感，偏离这一区间的距离越大，不舒适的程度越高。由于西北干热地区夏季气温较高，结合国内对干热地区适应性热舒适的已有研究成果，对上述范围进行适当调整，将可接受热舒适范围的上限调整为34℃。此外，考虑到喀什地区纬度较高，夏季日落晚，结合当地居民的行为习惯，将Ladybug中所提供的具有代表性极热周和极冷周的时间段设置为10:00～20:00。优化目标值设定为街道测点的平均UTCI等效温度。

▲ 图5 | UTCI等效温度与热感觉对应关系

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 实验设计

研究共分为五组实验，借助参数化软件对街区微气候进行模拟，并在模拟的过程中进行街区空间形态参数寻优，最后自动寻优出西北干热地区室外热舒适最佳的街区设计参数取值和布局形态。所有工况分别对街道和巷道进行研究，在每组实验工况中变量控制如图6～图10所示。

▲ 图6 | 工况一

▲ 图7 | 工况二

▲ 图8 | 工况三

▲ 图9 | 工况四

▲ 图10 | 工况五

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 结果分析

对上述工况的模拟结果进行模拟计算，从得到的帕累托前沿解集中选取出最优解，然后通过对最优解中各空间形态参数的分析，得出基于室外人体舒适度改善的街区形态各参数的取值范围。分别形成街道尺度下和巷道尺度下街道高宽比与朝向、街道剖面形式、街巷岔路形式、街巷放大空间、街巷界面材质的优化结果。

以第一组街道高宽比与朝向优化实验为例，街道模拟过程经过38次迭代后，种群趋于稳定，产生了67个帕累托前沿最优解，其前沿解的分布和最优解的参数取值见图11。巷道模拟过程经过32次迭代后，种群趋于稳定，产生了82个帕累托前沿最优解，其前沿解的分布和最优解的参数取值见图12。

▲ 图11 | 街道尺度前沿解分布及最优解取值

▲ 图12 | 巷道尺度前沿解分布及最优解取值

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基于热舒适改善的干热地区街道空间优化设计策略

基于前文分析，结合西北干热地区气候特征和实际需求，提炼具有气候适应性的街道空间优化设计策略和图示（图13～图18）。（1）主要街道朝向应以西北-东南方向为宜，道路轴线与垂直方向的夹角在20°～30°之间最佳；（2）街道高宽比在1～1.25之间最佳，宽度10～12m为宜，建筑高度15m以内为宜，剖面宜采用非对称形式；（3）巷道高宽比在2～3之间最佳，宽度3～4m为宜，建筑高度8～12m为宜，宜采用“半街楼”“过街楼”等空间形态；（4）街道岔路形式宜采用“T”型结构，在街道背阳侧宜增加岔路和放大空间数量；（5）街道侧界面宜选择蓄热能力好、热稳定性强的墙体材料，地面铺装宜选择颜色浅、粗糙度大、透水性强的材料，结合行道树和景观构建海绵街道。

▲ 图13 | 街道尺度优化策略

▲ 图14 | 街道朝向优化策略▲ 图15 | 街道剖面形式优化策略

▲ 图16 | 街道岔路形式优化策略

▲ 图17 | 街道放大空间优化策略

▲ 图18 | 绿植配置优化策略

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 结语

本文将遗传算法与帕累托原理相结合，利用参数模拟研究的方法，使用基于GH平台的多目标优化工具Octopus对喀什老城传统街区空间形态进行自动优化计算；通过量化分析，将街道空间形态的生成、热舒适度的模拟评价与反馈优化整合，形成了一套针对干热地区传统街区空间形态优化的设计方法；同时，结合干热地区的实际需求和热舒适改善的目标，提出了针对干热地区传统街区街道空间形态优化的设计策略，为当地城市更新的微气候改善提供依据。

本文撰稿：李涛  陈兆哲  王怀斌  李舒祺

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原文介绍

《基于遗传算法的传统街区空间形态优化研究——以喀什老城为例》一文已在知网首发。

【doi】10.11819/cpr20221728a李   涛，西安建筑科技大学建筑学院，西部绿色建筑国家重点实验室，副教授。

陈兆哲，山西省建筑设计研究院有限公司方案创作所。

王怀斌，西安建筑科技大学建筑学院在读硕士研究生。

李舒祺，西安建筑科技大学建筑学院在读硕士研究生。

【基金项目】国家自然科学基金项目(51708439)；教育部人文社会科学研究一般项目(21YJCZH072)；陕西省社会科学基金年度项目(2021J035)；西部绿色建筑国家重点实验室自主研究课题(LSZZ202210)。

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