基于功能的图谱布局检索方法在学术图书馆中的应用

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Function-aware graph-based layout retrieval for academic libraries

公共建筑布局复杂度高，现有自动化检索方法多针对住宅建筑，难以满足公共空间功能多样性与拓扑灵活性的需求。本文提出图基布局检索方法，通过构建功能-拓扑关联的图结构，提取多粒度原型，实现用户需求与建筑布局的双相似性匹配，经专业建筑师验证，显著提升设计效率和空间适配性。

　　

宋国|Tris Kee|庄伟民

清华大学建筑学院，中国北京市海淀区

摘要

在当代建筑设计实践中，案例研究被用来从以往的经验中学习，以提高设计效率和质量。然而，公共建筑布局的复杂性带来了相当大的挑战，例如难以解释设计并量化相关约束条件。现有的自动化检索方法通常侧重于较为简单的住宅布局，忽略了与公共建筑相关的约束条件的复杂性。本文提出了一种基于图的布局检索方法，该方法利用建筑布局的功能和拓扑结构与用户需求之间的相似性。该方法应用于一个自编译的数据库集，并通过专业建筑师的评估进行了验证。结果表明，所提出的方法与经验丰富的建筑师的评估结果一致，在设计质量和行为适用性方面提供了比经验不足的建筑师更一致的建议。这项研究推进了机器对复杂布局的理解，增强了早期设计的自动化和合理性，并改善了设计信息与建筑材料的整合。

引言

在当代建筑设计实践中，建筑师经常从现有案例中汲取灵感，以应对早期设计阶段的挑战[1]、[2]、[3]、[4]。这一过程不仅拓宽了设计师的视野，还提高了早期设计生成的效率。该方法的核心是将现有案例与当前设计问题的约束条件进行比较分析，然后根据相似性检索相关案例[5]。然而，手动检索在解释设计问题和参考案例时严重依赖于设计师的主观判断[6]，这往往是不充分且不准确的[7]、[8]。

这些手动案例检索的局限性在公共建筑中尤为明显。公共建筑的可用空间通常被设计为没有固定隔断的流动空间[9]，这使得布局的表示和解释变得困难。这种挑战在公共建筑中尤为突出，尤其是在学术图书馆中，通常采用开放或半开放的空间布局来支持共享学习活动。此外，随着以人为中心的设计日益被认可为核心原则[10]、[11]，满足用户功能需求已成为核心设计目标[12]、[13]，这也应该指导案例检索。然而，在学术图书馆中，用户功能需求具有高度的自主性[14]，活动频繁变化且常常同时发生[15]，这使得将它们明确地作为检索目标变得困难。因此，检索能够有效支持当前设计问题的相关学术图书馆案例仍然具有很大的挑战性。

以往的研究通过比较平面图之间的相似性来探索布局检索[4]、[16]、[17]。然而，在实际设计场景中，建筑师在早期设计阶段往往只有模糊的用户需求，而不是一个明确的计划。此外，现有方法大多局限于具有清晰封闭隔断的住宅建筑[18]、[19]、[20]、[21]，并且未能展示检索更复杂公共建筑布局的能力。这些局限性大大降低了现有方法在实际设计场景中的适用性。图论提供了跨模态的表示能力[22]、[23]、[24]，使得功能需求和建筑布局能够被编码成统一的结构形式以便后续比较。此外，基于图的算法[25]（如社区检测[26]、[27]）允许进行图挖掘，从而有助于机器理解复杂的公共建筑布局。

基于这一潜力，本文提出了一种基于图的布局检索方法，该方法基于公共建筑布局的功能属性图与用户需求的比较。所提出的方法包括将平面图和功能需求表示为功能属性的拓扑图，提取具有相似粒度的图原型，并根据原型图之间的双重相似性进行案例检索。该方法已经通过实践建筑师的验证，并证明了其有效性，相比基线方法更具优势。它有助于提高早期设计的智能性、效率和可解释性。

本文的结构如下：第2节回顾了关于平面图表示和布局检索方法的现有工作。第3节介绍了我们提出的通过图表示、原型提取和相似性比较来检索公共建筑布局的方法。第4节展示了我们的方法在大学图书馆自编译数据集上的应用及发现。第5节讨论了所提出方法在实践设计中的实际价值、意义和局限性。第6节总结了本文。

相关研究

相关工作

关于建筑平面图检索的相关工作主要涉及两个方面：基于图的平面图表示和用于布局检索的相似性度量。

方法

现有的研究主要针对简单或封闭的平面图（如住宅或商业建筑）设计。由于缺乏稳健的语义表示和可扩展的原型提取方法，具有开放空间结构、多功能和多层流通的公共建筑尚未得到充分探索。

为了填补这一空白，本研究开发了一种基于图的布局检索方法，该方法由用户行为驱动，适用于复杂的公共建筑。

结果

使用所提出的方法，我们对建筑布局和用户需求进行了图表示，然后提取了布局图的原型，考虑了参数设置并突出了代表性配置。最后，我们在多个校园环境中展示了布局检索结果，并将其与建筑师的评估进行了比较。

附录B提供了针对单个案例研究的详细步骤演示。

讨论

讨论了所提出方法的重要性和贡献，以及本研究的局限性和未来发展方向。

结论

案例检索在设计决策中至关重要，尤其是在具有众多设计选项和较高决策复杂性的公共建筑中。大多数现有的自动化案例检索方法关注的是具有固定约束条件的住宅建筑，而没有考虑用户行为。本文提出了一种考虑功能的布局检索方法。该方法包括：1）针对公共建筑布局和用户需求的功能和连通性感知表示方法；2）原型...

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来协助代码组织和文档编写，将方法打包为Python库，并校对了手稿的写作。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

宋国：写作——审阅与编辑、撰写初稿、可视化、验证、软件开发、资源收集、方法论研究、数据分析、概念化。Tris Kee：写作——审阅与编辑、验证。庄伟民：写作——审阅与编辑、项目监督、方法论研究、资金筹集、数据管理、概念化。

资金来源

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2022YFC3801300）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢Fábio Duarte提供的洞察性评论和建设性意见，感谢Luying Wang、Maosu Li、Peng Luo、Chaoyi Huang在方法讨论上的帮助。我们还要感谢参与评估研究结果的30位建筑师。本文扩展了第一作者的博士论文“S. Guo, 利用图像和图形的建筑编程智能设计决策：形式与配置”，该论文发表于...