基于生成设计方法的灾后模块化临时住房设计研究

本文在研究灾后模块化临时住房的背景下，由复杂适应系统和仿生系统衍生而来的元胞自动机和蚁群算法在计算机生成设计方法中扮演着重要角色，它们成为本研究课题生成方法的探索框架，分别利用蚁群算法对灾后临时住房的疏散路径进行计算，和利用元胞自动机对灾后模块化临时住房的聚合方式进行计算，并生成概念设计方案。

第一章 绪论

1.1 研究背景
自古以来，大自然的力量就一直主宰着地球的环境。无论文明发展到什么程度，当自然灾害来临的时候，人类都显得非常渺小。然而在突发性的原生灾害之后，衍生灾害也可能会接踵而来，给人类的各个方面带来巨大的破坏。
随着自然环境的不断恶化，全世界许多地方不断遭受各种自然灾害，其中地震是中国最主要的灾害。在 2008 年 5 月 12 日，四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县发生里氏 8.0 级地震（如图 1-1）；2010 年 4 月 14 日，青海省玉树藏族自治州玉树县发生里氏 7.1 级地震；2013 年 4 月 20 日，四川省雅安市芦山县发生里氏 7.0 级地震；2013 年 7 月 22 日，在甘肃省定西市岷县、漳县交界发生里氏 6.6 级地震；2014 年 8 月 3 日，在云南省邵通市鲁甸县发生里氏 6.6 级地震；2016 年 1 月 21 日，在青海省海北州门源回族自治县发生里氏 6.4 级地震；2017 年 8 月 8 日，四川省阿坝州九寨沟县发生里氏 7.0 级地震；2019 年 6 月 17 日，四川省宜宾市长宁县发生里氏 6.0 级地震。这些频繁的地震和其他自然灾害给人类的经济、精神和生活等方面带来了无法估量的损失。
在新的计算机技术层出不穷的今天，计算机与建筑学这两门不同性质的学科相互交汇渗透，使当今的建筑学进入了以计算机科技为基础的新时代。近年来，计算机生成方法作为一种崭新的建筑设计方法逐步成为 CAAD 研究中的重要分支，其独特的系统模型算法也将拓展建筑学方法论。面对频频来袭的自然灾害面前，本文以灾后重建为背景，选择运用计算机生成设计方法，旨在为灾民提供模块化临时住房的设计方案对本课题进行探讨。

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1.2 研究目的与意义
灾后临时住房是灾后重建阶段的主要形式和具体产物，亦是灾后住房体系的一个重要环节。灾后重建工作周期较长，通常需要几个月甚至几年的时间，建造的临时住房不仅为灾民提供一个临时的“家”，而且还需要满足他们的日常需求，以及灾后特殊语境中的心理需求。由于特殊条件限制，灾后临时住房必须具有许多交互的条件：其一，临时住房在建造层面，需要满足快速安装且易于搭建和拆除，而住房所需的建筑材料则需要易于运输且具有可持续性，同时也需要确保临时住房使用最少的维护成本和重复使用的可能性；其二，临时住房在方案设计层面，需要一套系统的快速高效的设计方法，来应对不同地区不同环境的灾后重建任务。同时灾后临时住房不仅需要适应受灾人民的生活习惯，让其在临时住所中有“家”的感觉，还需要考虑预防二次灾害的发生，提前在设计中考虑灾民疏散逃生问题。
通过对我国现有的灾后临时住房的实践和灾民使用情况进行分析，发现我国的临时住房在建造层面普遍存在住房聚合形式单一、公共服务空间缺失、居住环境不佳、资源空间浪费等问题。并且在设计层面，并没有一套系统完整的、能够在短时间内保证设计质量的快速设计方法。针对这些问题，在建造层面上，本文对既有适用于临时住房的结构体系进行了总结、整理和对比分析，目的是选择更合适的技术和材料来建造模块化临时住房，并将其运用到之后的灾后模块化临时住房方案设计中。在方案设计层面上，本文运用计算机编程，开发一套系统的模块化临时住房设计方案的生成程序，在既满足快速设计及快速建造的前提下，又能保障受灾地区灾民的日常生活，并且也考虑次生灾害发生时灾民的疏散问题，同时也为今后受灾地区的灾后重建工作以指引，和对灾后临时住房设计方案提供参考与借鉴。
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第二章 灾后模块化临时住房相关内容概述

2.1 灾后模块化临时住房的基本理论研究
2.1.1 模块化临时住房的定义
模块化临时住房，也称为空间体系的模块化装配住房，它是一种由模块化结构组成的临时住房建筑形式[26]。灾后模块化临时住房是灾前准备——灾后应急居住——模块化临时住房——永久居住整个过程中的一个环节，是一个阶段性的特定产物，更是一个过程。
（1）模块化
模块化的意味着所有的模块化组件都需在工厂预制加工，包括结构单元和空间单元。结构单元是指每个模块化组建都自成结构体系，无需外加支撑结构便可独立存在，就类似一个方形盒子本身；空间单元是指模块化组建可划分成不同的功能空间单元，能够适应不同的功能空间需求并具有灵活性，且功能设施和空间自成一体。所有模块都是在工厂预制加工后，通过运输设备运送到现场，利用吊装设备安装或者人工搭建完成。
一方面，模块化住房的建设模式可以降低成本，缩短建设周期；另一方面，模块化住房采用严格的模数规格，保证了产品的标准、统一和精确，便于现场组装和组合，满足了最终产品的完整性。例如，英国的“水晶宫”在第一届世博会上完全采用了模块化和标准化的生产方法，从开始建造到结束只用了 8 个月。
（2）临时性
临时性建筑是指单位和个人因生产或生活所需，临时建造使用的建筑物。且必须在规定期限内拆除的建筑物，一般不超过二年，在结构上一般不超过三层。基于大量的文献阅读和分析，将临时性建筑概况为以下特征：短时效性、经济性、可移动性和可持续性。其中短时效性是指临时性建筑在使用过一段时间后会被拆除或者回收于异地重建，生命周期相对较短的建筑。又或者是具有一些特定临时功能的建筑，用完之后被替换成其他功能使用的临时性建筑；经济性是指由于建筑物的使用寿命较短，在施工过程中通常使用低成本、低造价、低维护成本和可回收再利用的建筑材料和结构。以及临时性建筑因对土地不会长时间占有，因而对于场地而言也存在一定的经济性；可移动性是指临时性建筑物可以适应更换场地的需求，整体或者局部构件可以灵活简单的拆分、组装和运输，以适应不同的要求；可持续性是指临时建筑在完成任务后可以回收或再利用，不会对环境造成二次污染，符合城市可持续发展的要求。
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2.2 模块化临时住房用于灾后重建的特点
2.2.1 模块化住房的经济性
在整个灾后重建过程中，建筑材料的成本很大程度影响了建筑结构的选择。因为在特殊的灾后重建背景下，务必将材料的经济性放在第一位。与传统建筑结构相比，模块化住房结构，如膜结构、轻钢龙骨结构、竹结构、纸管结构和预制面板结构等，它们的成本较低。以及模块化材料便于运输，也可以大大降低运输成本。例如日本建筑大师坂茂将纸管材料运用至其“新苗苗纸管幼儿园”设计中，其中所用的纸管结构材料以单根运输的方式从浙江平湖运到庐山的太平镇，总成本仅需 320元人民币。
2.2.2 模块化住房的时效性与易运输性
模块化住房的时效性是以模块化结构的施工时间为依据的。地震后受损的建筑物将不再是人们的避难所。灾民对临时住房有着最急切的需求，因此模块化临时住房和传统钢筋混凝土或砖混结构住房建筑相比具有显著优势。模块化住房其中大部分建筑构件均可根据设计需求在工厂提前加工预制，然后快速的运输至场地进行模块化施工。例如，预制面板结构或轻钢结构可以在工厂根据设计需求以不同的方式进行预制加工。例如限定尺寸的基本房屋构件：屋架、墙柜、楼梯、门窗等均可在车间完成。同时，模块化的其他建筑部件如面板或节点等，同样可以在工厂车间加工预制，然后将其运输到施工现场进行组装。
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第三章 灾后模块化临时住房生成设计方法 ............................49
3.1 生成设计方法的理论基础 ......................................49
3.1.1 生成设计方法的概念界定..................................50
3.1.2 生成设计方法的研究范围............................51
第四章 生长的社区 .........................73
4.1 程序结构设计及相关算法 ............................73
4.2 蚁群算法在灾后临时住房疏散路径中的应用研究 .....................74
第五章 总结与展望 ...........................91
5.1 主要研究结论 .....................91
5.2 存在的不足与展望 ..........................93

第四章 生长的社区

4.1 程序结构设计及相关算法
“生长的社区”方案所运用的生成设计方法可以在实验过程中不断探索和开发新课题，将其应用到不同的实际问题中，以达到开发的预期目标。该生成设计程序是由结构函数和功能函数组成。其中结构函数负责定义程序的全局变量和组织功能，是程序的主体，包括“场地初始化函数组”、“规则控制函数组”、“参数调节函数组”和“表现函数组”等等[42]。不同的功能函数则有不同的功能目标。
其中，场地初始化函数组负责将输入的场地基本参数储存并加以初步处理，在生成系统开始工作之前，设计师对生成系统作初步的设定；规则控制函数组负责对生成系统的规则进行输入和运算，也是控制生成结果最为关键的函数组之一；参数调节函数组包含各项参数的调节与控制，是使方案不断适应方案实际情况的灵活参数组，用来定义各个函数组之间的数据传递；表现函数组将最终确定的生成结果所包含的数据录入到一个数组中，并显示在生成系统界面上，最后通过可视化的建模界面输出。该方案的程序结构设计如图 4-1 所示。

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第五章 总结与展望

5.1 主要研究结论
近年来，全球范围内自然灾害频发，研究灾后重建和灾后临时住房疏散问题，对于快速安置受灾人群和减少二次灾害造成人员的损伤至关重要。本文通过研究计算机生成设计方法并提供灾后重建快速高效的设计方案，其中程序工具在计算机生成设计方法研究中承担极其重要的角色，它不按照设计师的“感觉”行事，客观的输出结果反映算法的成效，需要耗费大量的时间来完成开发的算法设计、程序编写及调试的全过程。本文在研究灾后模块化临时住房的背景下，由复杂适应系统和仿生系统衍生而来的元胞自动机和蚁群算法在计算机生成设计方法中扮演着重要角色，它们成为本研究课题生成方法的探索框架，分别利用蚁群算法对灾后临时住房的疏散路径进行计算，和利用元胞自动机对灾后模块化临时住房的聚合方式进行计算，并生成概念设计方案。为此，对基于生成设计方法的灾后模块化临时住房设计研究作如下总结：
第一，研究并分析了灾后模块化临时住房和生成设计方法的相关内容。
本文于灾后模块化临时住房的基本研究理论方面，阐述了其定义和总结归纳了六种模块化临时住房的结构体系，并分析各自在灾后重建背景下的优势与劣势。还总结了模块化临时住房用于灾后重建的特点，和灾后临时性建筑代表建筑师的相关理念和实践作品。最后分析了现有的灾后临时住房聚合方式以及它们的优势与劣势，并且对当前临时住房实践提出了质疑，指出其存在的问题，并在后续的生成设计实验中解决问题。
本文于生成设计方法的理论基础和技术原理方面，首先阐述了其理论基础：概念和研究范围。其次从生成算法、模型系统、程序平台，三个方面分析归纳了生成设计方法的技术原理。最后阐述了本文运用到的蚁群算法和元胞自动机，两种生成设计方法的相关内容，包括它们的基本原理、数学模型、参数设置、算法特征和两种算法系统应用于灾后重建的可行性分析。
参考文献（略）