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《深圳大学》 2017年
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基于城市风热环境的空间布局自动寻优方法研究

冯锦滔  
【摘要】:中国目前面临前所未有的高速城市化进程。城市建成区域建筑愈发密集的现状带来了一系列城市问题,城市微气候恶化也是突出问题之一。对城市规划、建设行业而言,有必要借助多学科的最新技术成果,提出缓解城市环境压力、提高城市生态和健康环境品质的有效方法,保证城市人口健康舒适生活的权益。本研究以此为出发点,以城市风热环境改善为具体目标,结合建筑学、城市规划学、计算机技术等多领域技术手段,试图建立一套城市设计自动生成与优化的科学方法,以适用于城市规划领域中从中观尺度的分区规划到较为微观的街区尺度城市设计的不同层面工作需要。在中观尺度的设计寻优方法研究中,采用城市气候地图的理论作为寻优的核心机理。根据数据表达的需要对区域进行栅格化处理,并设置与格栅对应的若干种单元模块,通过控制模块的建筑密度、高度等参数使之表征不同的城市建成区情况。以城市热累积最低为目标,在Rhino Grasshopper的软件平台上使用遗传算法进行各种模块不同比例、不同分布的方案自动寻优,以生成既定容积率条件下的环境最优布局。在微观尺度的设计寻优方法研究中,本研究首先进行了街区形态特征指标要素对街区整体风环境影响的机理研究。使用CFD软件工具建立半抽象模型进行模拟分析,提取代表不同模型形态特征的建筑密度、高度比、间隙率等要素,利用数理统计对形态要素的对街区整体风环境的影响程度进行回归分析,筛选相关要素并形成定量的回归方程。在此基础上再次利用Rhino Grasshopper软件平台,对该尺度下的建筑形态及布局进行生成方法研究。将中观尺度的设计生成的结果数据作为生成条件,代入微观尺度设计生成中,以上阶段得出的风速与形态要素指标间回归方程为寻优机理驱动遗传计算,经过代际遗传、进化获得该尺度的风环境最优的布局设计方案。作为全流程设计方法的验证和应用,选取深圳蛇口四海公园片区的实际情况进行生成设计的案例研究。结果显示,软件工作以及遗传算法对两个尺度的生成具有良好的兼容性,可在实际案例的具体约束条件下稳定进化方向,生成具有针对性的较理想的布局方案。验证了本研究提出的设计寻优方法及其相关系统的合理性、稳定性和有效性。
【关键词】:城市风热环境 空间形态 机理研究 自动寻优设计
【学位授予单位】:深圳大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU119
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-12
  • 第1章 绪论12-22
  • 1.1 研究背景12-14
  • 1.1.1 城市规划研究越来越受重视13
  • 1.1.2 环境压力对城市设计的要求13-14
  • 1.2 研究目的及意义14-18
  • 1.2.1 优化算法使城市气候图方法更具有指导意义16-17
  • 1.2.2 参数化设计方法使城市设计的方法效率得到提高17
  • 1.2.3 研究目的及意义17-18
  • 1.3 研究框架18-20
  • 1.4 研究创新点20-22
  • 第2章 研究基础22-26
  • 2.1 优化算法研究基础22
  • 2.2 自动寻优工具研究22-24
  • 2.2.1 国外研究22-23
  • 2.2.2 国内研究23-24
  • 2.3 城市空间关系与城市风热环境研究24-25
  • 2.3.1 中观尺度24
  • 2.3.2 微观尺度24-25
  • 2.4 本章小结25-26
  • 第3章 自动寻优工具研究26-32
  • 3.1 遗传算法介绍26
  • 3.2 基础用语介绍26-28
  • 3.3 研究平台介绍28-29
  • 3.4 Galapagos组件介绍29-32
  • 3.4.1 Galapagos需要设置参数29-30
  • 3.4.2 Galapagos求解过程30-32
  • 第4章 城市设计的自动寻优研究32-55
  • 4.1 城市气候图( UCM-PET)理论及研究32-34
  • 4.2 UCM-PET方法赋值原则34-41
  • 4.2.1 基础赋值37-39
  • 4.2.2 布局赋值39-40
  • 4.2.3 赋值数据汇总40-41
  • 4.3 参数关联及系统构建41-48
  • 4.3.1 程序构建示意图41-42
  • 4.3.2 模块参数确定42-43
  • 4.3.3 体块数量组合生成程序43
  • 4.3.4 模块位置确定程序43-44
  • 4.3.5 开放空间判断程序44-45
  • 4.3.6 赋值计算程序及判断程序45-46
  • 4.3.7 系统程序设计与运行步骤46-48
  • 4.4 系统生成结果及分析48-54
  • 4.4.1 有效性检验48-49
  • 4.4.2 调整容积率试验49-52
  • 4.4.3 调整大小地块试验52-54
  • 4.5 本章小结54-55
  • 第5章 空间形态素与街区风环境质量关系研究55-72
  • 5.1 街区通风研究现状55-58
  • 5.2 空间形态要素与街区风环境质量关系研究的技术方法58-60
  • 5.2.1 要素归纳58-59
  • 5.2.2 软件工具59-60
  • 5.3 风环境模拟的边界条件及求解设置60-63
  • 5.3.1 场域设置60-61
  • 5.3.2 边界条件设置61
  • 5.3.3 计算网格设置61-62
  • 5.3.4 湍流模型及其他算式设置62-63
  • 5.4 空间形态要素提取63-64
  • 5.5 模拟结果分析64-69
  • 5.5.1 研究区平均风速64-65
  • 5.5.2 适宜风速区域比例65-66
  • 5.5.3 风向入射角度的影响66-68
  • 5.5.4 高度错落关系68-69
  • 5.6 相关性分析与回归分析69-71
  • 5.6.1 相关性分析69-70
  • 5.6.2 回归分析70-71
  • 5.7 本章小结71-72
  • 第6章 街区布局自动寻优研究72-85
  • 6.1 系统构建72-76
  • 6.1.1 建筑高度确定程序73
  • 6.1.2 建筑数量及长宽比校核程序73-74
  • 6.1.3 建筑间距校验程序74-75
  • 6.1.4 建筑位置校验程序及间隙率计算程序75-76
  • 6.2 系统设计及运行步骤76-78
  • 6.2.1 街区布局系统设计76-77
  • 6.2.2 运行步骤77-78
  • 6.3 系统生成结果78-84
  • 6.3.1 有效性检验78-80
  • 6.3.2 寻优结果80-84
  • 6.4 本章小结84-85
  • 第7章 系统运行试验研究----以蛇口半岛为例85-94
  • 7.1 项目介绍85
  • 7.2 网格设置及参数设置85-88
  • 7.2.1 周边环境条件设置85-86
  • 7.2.2 模块参数设置86-88
  • 7.3 地块寻优试运行88-93
  • 7.3.1 中观尺度寻优结果89-90
  • 7.3.2 微观尺度寻优结果90-93
  • 7.4 本章小结93-94
  • 第8章 结论94-99
  • 8.1 研究结果总结94
  • 8.2 后续研究及展望94-97
  • 8.2.1 研究构建系统适用范围94-95
  • 8.2.2 系统局限性95
  • 8.2.3 后续研究建议95-97
  • 8.3 结语97-99
  • 参考文献99-101
  • 附录101-106
  • 致谢106-107
  • 攻读硕士学位期间的研究成果107

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