基于差分进化算法的模块化高层住宅交通核心布局自动优化研究

本文针对模块化高层住宅建筑（MHRB）中交通核心（TCMHRB）布局设计的复杂性，提出了一种融合建筑规范与设计逻辑的自动化优化方法。通过建立包含几何约束、消防规范（如防火间距、疏散距离）和经济参数的系统模型，并应用差分进化（DE）算法进行非线性、多变量优化，有效提升了布局的空间紧凑性、功能完整性和安全合规性（如满足GB 50016等标准）。实验表明，该方法相较于传统设计，在保证符合实际工程需求的同时，显著提高了设计效率和布局多样性，为高层模块化建筑的智能化设计提供了可靠工具。

　　

Highlight

本文的亮点在于提出了一种新颖的、基于建筑实践规范的模块化高层住宅建筑交通核心（TCMHRB）布局自动优化模型。该模型系统地整合了设计逻辑、消防法规和经济参数，解决了现有方法在几何不规则性、空间逻辑和法规遵从性方面的不足。所开发的差分进化（DE）算法支持非线性、多变量优化，在确保布局多样性的同时，显著增强了空间紧凑性和使用便利性。建筑评估结果证实，该方法提升了交通核心设计的功能完整性、安全合规性和空间利用率。

结论

在本论文中，为了提升TCMHRB自动布局生成的效率和效果，我们提出了一个考虑了法规要求的新模型，构建了一个满足结构、功能和消防安全约束的、具有成本效益的交通核心。所提出的模型弥补了当前研究中关于非矩形交通核心生成的空白。此外，引入了一种基于DE算法的优化方法，该方法结合了参数化规则和形状语法，以加速优化过程。实验结果表明，我们的方法能够高效地生成满足消防安全设计规范并最小化面积的交通核心，且不受矩形轮廓的限制。与现有方法和实际设计相比，我们的方法在平衡设计可行性、空间效率和计算时间方面表现出色。未来的工作将探索更复杂的建筑约束和更先进的优化技术，以进一步增强该方法的适用性和鲁棒性。

CRediT authorship contribution statement

Liang Feng: 稿件撰写-初稿，研究方法，调查，概念化。

YaZhou Zhao: 稿件撰写-初稿，验证，软件，研究方法。

Shuang Liu: 软件，研究方法，数据整理。

Zhi Zhang: 验证，软件，形式分析。

Gan Luo: 可视化，验证，软件。

Xuefeng Chen: 稿件撰写-审阅与编辑，调查，研究方法。

Hongtuo Qi: 稿件撰写-审阅与编辑，资源，形式分析。

Jiepeng Liu: 监督，项目管理。

Declaration of competing interest

作者声明，他们没有已知的、可能影响本报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Acknowledgments

这项工作部分得到了中国国家重点研发计划（Grant 2022YFC3801700）、中国国家自然科学基金（Grants 62402069 和 52378128）、中国博士后科学基金会博士后 fellowship 项目（Grant GZB20240915）、重庆市自然科学基金（创新发展联合基金）（Grant CSTB2025NSCQ-LZX0014）、重庆市自然科学基金（Grant CSTB2022NSCQ-MSX1285）的资助。