1 研究背景
模塊化建筑是一種標(biāo)準(zhǔn)化與預(yù)制化程度較高的建筑形式之一，與傳統(tǒng)建筑形式相比，模塊建筑由多種大量標(biāo)準(zhǔn)化模塊組成，其平面區(qū)域的模塊單元排布對(duì)生產(chǎn)建造和成本控制具有重要意義。
針對(duì)模塊化建筑布局設(shè)計(jì)中人工設(shè)計(jì)困難和自動(dòng)化程度低等問題，本研究提出了基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的多高層模塊化建筑智能布局設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了多樣性布局方案的高效與自動(dòng)生成。為進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)效率和方法實(shí)用性，基于提出的布局設(shè)計(jì)方法，建立了模塊智能布局設(shè)計(jì)平臺(tái)，集成了圖紙信息自動(dòng)提取、模塊布局智能生成、方案可視化等核心功能。該研究提升了模塊化建筑設(shè)計(jì)的自動(dòng)化與智能化水平，為工程實(shí)踐提供了技術(shù)支撐。
2 研究方法
2.1 圖紙信息自動(dòng)提取
在本研究提出的方法實(shí)施過程中，需要將建筑圖紙中關(guān)于模塊設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行有效提取，用于后續(xù)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的模塊方案自動(dòng)生成。在這一過程中，需要針對(duì)CAD圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)區(qū)域、非設(shè)計(jì)區(qū)域、功能房間區(qū)域的劃分，對(duì)于復(fù)雜建筑形態(tài)需要進(jìn)行人為調(diào)整。基于建筑初始CAD圖紙，首先采用矢量化處理技術(shù)進(jìn)行平面輪廓提取，獲取完整的建筑邊界幾何信息。基于圖紙中的房間功能標(biāo)注信息，對(duì)復(fù)雜的建筑輪廓進(jìn)行層次化分解與圖層設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域和非設(shè)計(jì)區(qū)域的劃分。預(yù)處理完成的圖紙包含平面輪廓、設(shè)計(jì)區(qū)域、功能房間、樓層范圍框以及樓層語義五類主要信息。
2.2 基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的多高層模塊化建筑布局智能生成設(shè)計(jì)方法
本研究提出基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的模塊化建筑平面布局設(shè)計(jì)方法。該智能布局框架由以下核心要素構(gòu)成：狀態(tài)空間S表征建筑區(qū)域和房間信息、布局狀態(tài)信息；DQN智能體作為決策模塊單元的選擇；動(dòng)作空間A定義模塊單元選擇；環(huán)境模塊作為布局設(shè)計(jì)的區(qū)域；獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)R用于評(píng)估每次執(zhí)行的動(dòng)作。經(jīng)過強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練后可以生成滿足獎(jiǎng)勵(lì)值的布局設(shè)計(jì)方案。狀態(tài)S包含布局設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)?yīng)的區(qū)域信息以及當(dāng)前布局設(shè)計(jì)狀態(tài)，布局設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)?yīng)的區(qū)域信息包括了區(qū)域尺寸信息。除此之外，考慮到目標(biāo)布局設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的原有房間功能分區(qū)的分布，布局設(shè)計(jì)區(qū)域分割為房間區(qū)域，房間區(qū)域信息指示布局設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)部的功能分區(qū)之間的邊界位置。
區(qū)域和房間信息以及布局設(shè)計(jì)狀態(tài)信息作為輸入信息用于DQN智能體的訓(xùn)練。初始的布局設(shè)計(jì)區(qū)域狀態(tài)為W_0，智能體通過Q值評(píng)估函數(shù)計(jì)算各候選模塊單元的預(yù)期累積獎(jiǎng)勵(lì)，并選擇最大化Q值的模塊單元A_0=m_2進(jìn)行動(dòng)作輸出。接著，模塊單元m_2部署于布局設(shè)計(jì)區(qū)域中并同步更新布局狀態(tài)W_1并獲取環(huán)境反饋的獎(jiǎng)勵(lì)值R_0。DQN智能體重復(fù)輸出多次動(dòng)作A_n直到布局設(shè)計(jì)區(qū)域布滿模塊單元。其中，布局設(shè)計(jì)區(qū)域的所有模塊單元部署完成后區(qū)域邊界約束r_4的評(píng)估結(jié)果分為2種情況：當(dāng)檢測到模塊越界時(shí)，例如執(zhí)行動(dòng)作A_3=m_2，算法系統(tǒng)將給出懲罰值R_3。而當(dāng)模塊單元恰好布滿布局設(shè)計(jì)區(qū)域時(shí)，例如動(dòng)作A_3=m_3，此時(shí)系統(tǒng)將返回獎(jiǎng)勵(lì)值R_4。
3 研究結(jié)果
本研究提出的智能布局生成方法在深圳市寶安區(qū)立新湖學(xué)校工程中進(jìn)行了實(shí)際場景驗(yàn)證與應(yīng)用。該項(xiàng)目作為典型的模塊化建筑工程案例，用地約1.6萬平方米、總建筑面積約3.3萬平方米，其中MiC(Modular integrated Construction)模塊單元覆蓋面積9,372平方米，模塊化率達(dá)28.22%。作為寶安區(qū)首批永久性模塊化學(xué)校試點(diǎn)項(xiàng)目，該工程2-6層均為模塊化箱體，配備316個(gè)模塊化箱體結(jié)構(gòu)。模塊化箱體均在中建科工綠色科技公司模塊產(chǎn)品智能制造產(chǎn)線完成生產(chǎn)，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)與BIM技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化施工建造，相對(duì)傳統(tǒng)建造方式可縮短工期60%，裝配率可提升至90%。
本研究應(yīng)用建筑圖紙自動(dòng)信息提取與區(qū)域分組方法，完成布局設(shè)計(jì)區(qū)域和功能房間的信息提取與處理；其次通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架實(shí)現(xiàn)模塊單元的智能排布，在這一過程中通過使用三種預(yù)設(shè)規(guī)格的模塊的單元(3200/3600/4000mm×12600mm)生成布局設(shè)計(jì)方案，該方案的模塊單元總數(shù)為215個(gè)，房間調(diào)整值32.5，房間調(diào)整量為21。
本研究提出的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架在優(yōu)化過程中考慮了模塊總數(shù)、房間調(diào)整優(yōu)化等方面，強(qiáng)化學(xué)習(xí)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)設(shè)計(jì)了模塊單元總量（r_1）、房間調(diào)整值（r_2）與房間調(diào)整量（r_3），獎(jiǎng)勵(lì)值參數(shù)的設(shè)置對(duì)模塊排布設(shè)計(jì)有較大影響。為了研究其影響效果，設(shè)計(jì)了三組不同獎(jiǎng)勵(lì)值權(quán)重運(yùn)行20次結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)對(duì)模塊布局結(jié)果的影響。組1強(qiáng)化了模塊單元總數(shù)懲罰權(quán)重，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)組生成方案平均模塊單元總數(shù)最低（209.5個(gè)）。組2和組3的最終布局設(shè)計(jì)方案的模塊單元總數(shù)平均值比較接近，分別為217.9個(gè)和216.8個(gè)。組2側(cè)重房間調(diào)整值的優(yōu)化，因此對(duì)應(yīng)生成方案的平均房間調(diào)整值為27.3m，該值低于組1的42.1m和組3的29.3m分別達(dá)35.2%和6.8%。組3的房間調(diào)整量為20.1個(gè)，組1和組2分別的房間調(diào)整量分別為34.0個(gè)和23.8個(gè)。
模塊化建筑智能布局設(shè)計(jì)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)模塊集成建筑平面智能布局設(shè)計(jì)、評(píng)估、三維可視化的一體化建筑設(shè)計(jì)平臺(tái)。該軟件主要包括交互界面層、功能應(yīng)用層以及系統(tǒng)平臺(tái)層三部分組成。系統(tǒng)平臺(tái)層包含了后臺(tái)管理模塊、平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境以及數(shù)據(jù)庫模塊等內(nèi)容。該部分為模塊智能布局設(shè)計(jì)平臺(tái)功能提供了運(yùn)行依賴，同時(shí)模塊布局設(shè)計(jì)得到的結(jié)果數(shù)據(jù)以及用戶信息等通過數(shù)據(jù)庫模塊進(jìn)行儲(chǔ)存。功能應(yīng)用層通過界面交互層接收用戶指令與參數(shù)輸入，驅(qū)動(dòng)圖紙信息提取功能、模塊布局設(shè)計(jì)功能以及布局設(shè)計(jì)方案可視化功能三大功能模塊的自動(dòng)化執(zhí)行流程。交互界面層構(gòu)建軟件平臺(tái)的交互界面，界面模塊提供上傳圖紙、算法參數(shù)輸入以及布局設(shè)計(jì)結(jié)果展示等三個(gè)部分。
4 研究結(jié)論
為解決模塊化建筑平面布局設(shè)計(jì)中建筑信息提取處理困難、人工排布模塊單元效率低等關(guān)鍵技術(shù)問題，本研究構(gòu)建了一套多高層模塊化建筑智能布局設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了從預(yù)處理圖紙到方案可視化的全流程自動(dòng)化。主要?jiǎng)?chuàng)新及結(jié)論如下：
（1）提出了建筑圖紙信息自動(dòng)提取方法：該方法實(shí)現(xiàn)了布局區(qū)域和房間信息的自動(dòng)化識(shí)別與提取，通過區(qū)域組合與分割算法建立了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)文件格式，為后續(xù)算法優(yōu)化提供了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
（2）建立了基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的布局優(yōu)化算法：該方法對(duì)立新湖學(xué)校項(xiàng)目的布局設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行了不同獎(jiǎng)勵(lì)值權(quán)重的智能布局設(shè)計(jì)，并對(duì)生成的模塊單元排布方案進(jìn)行了信息統(tǒng)計(jì)。
（3）構(gòu)建了模塊智能布局設(shè)計(jì)平臺(tái)：開發(fā)了涵蓋圖紙識(shí)別、模塊布局設(shè)計(jì)與方案可視化的一體化平臺(tái)，為模塊化建筑設(shè)計(jì)提供了完整的技術(shù)解決方案。
通過優(yōu)化模塊單元布局和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，所提出的方法有助于減少建筑材料浪費(fèi)、提高資源利用效率，降低模塊化建筑設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，為建筑產(chǎn)業(yè)化和裝配式建筑的規(guī)模化應(yīng)用提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，預(yù)期將在住宅產(chǎn)業(yè)化、應(yīng)急建筑、臨時(shí)建筑等領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛的經(jīng)濟(jì)效益。
團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人:周緒紅、劉界鵬
論文作者：劉界鵬、齊宏拓、夏毅等
編輯：武睿涵 審核：齊宏拓
團(tuán)隊(duì)聯(lián)系人：李明春
聯(lián)系電話：13320200320
