为了进一步挖掘计算机智能技术在辅助建筑设计,尤其是改善建筑性能方面的潜力,近年来许多研究者和建筑师开始关注“运算设计优化”(computationaldesignoptimization)技术对面向性能的建筑设计的辅助作用。其中针对建筑体量设计,不少研究者通过将参数化建模(parametricmodelling)、优化算法(optimizationalgorithms)和性能模拟工具(performancesimulations)三者结合,搭建了整合建筑体量设计生成、分析和优化过程的“设计优化运行流程”(designoptimizationworkflows),这为基于性能的建筑体量设计生产及优化提供了可行的技术路径和方法基础。采用这种技术路径的设计方法被称之为“基于性能的设计优化”(performance-baseddesignoptimization)。虽然一些研究结果显示,这种新的设计方法在建筑性能改善方面可以发挥一定的效用,但在实际应用中,基于这类新技术的优化系统的适用性一般较低,是一种高投入、低回报的计算机辅助建筑设计技术。一方面,建筑师在使用基于性能的设计优化时需要付出大量的时间和精力进行设计优化运行流程搭建及操作工作。另一方面,优化过程及优化结果的信息反馈仅能提供十分有限的设计信息,无法为建筑师的设计构思和深化推敲提供有效的参考和支持。因此,本研究将聚焦于上述两个问题,即如何整合优化系统的使用流程,以及如何提高设计优化输出结果的多样性。相应地,本研究在相关领域研究进展的基础上,以实现一种更符合建筑师在方案阶段设计可能性探索需求的计算机辅助设计方法,及其支持该设计方法必要的工具为目标,提出了一个集成化的建筑体量设计生成及优化系统(Performance-basedBuildingMassingDesignGenerationandOptimizationSystem,简称PBMDGO系统),并以此进一步探索建筑体量设计在建筑性能改善方面的潜力。在开发PBMDGO系统的同时,本研究也探索了应对现有技术和方法局限性的解决策略和技术工具。本研究在常规设计优化运行流程(生成-分析-优化)的基础上进行了再设计,并在Rhino-Grasshopper平台下开发了面向一般性建筑体量性能设计优化问题的通用系统,即PBMDGO系统。基于再设计的运行流程的PBMDGO系统,一方面简化了优化运行流程的搭建和操作工作,另一方面增强了优化过程及优化结果的设计信息反馈程度。为实现上述系统功能,研究继续针对再设计的运行流程中的设计生成器(即建筑体量设计生成模型),以及优化问题求解器(即优化算法)进行了适用性改造、重新开发和算法实现,并实现一个基于体量削减(“减法”)和体量叠加(“加法”)的建筑体量生成模型,以及一个兼顾“探索 挖掘”性的“多岛稳态遗传算法”(Steady-stateIslandEvolutionaryAlgorithm,SSIEA)。基于上述的生成模型和SSIEA算法,建筑师可以结合其他第三方性能模拟工具快速搭建面向设计优化运行流程,即不同性能目标的定制PBMDGO系统。为了考察PBMDGO系统在辅助建筑师进行设计优化和设计探索方面的效用,研究基于PBMDGO系统对不同设计条件和性能优化目标的设计问题进行了对比设计优化试验。结果显示,PBMDGO系统能够通过设计优化过程为针对不同性能目标和设计条件下的设计问题提供具有任务针对性的优化结果。此外,相较于其他设计优化运行流程,例如基于简单建筑体量生成模型或自由形态生成模型等,PBMDGO系统输出的基于正交几何的设计变体具有更清晰可辨的体量形态信息。另一方面,相较于基于多目标帕累托优化(multi-objectiveParetooptimization)输出的混合了多种性能因素的设计优化结果,基于单目标的PBMDGO系统提供的优化结果则具有明确的性能指向性。PBMDGO系统回应了建筑师在方案阶段设计探索和设计优化的动态需求,能够为建筑师从“发散性探索”到“收敛性挖掘”的设计综合(designsynthesis)过程提供反映建筑性能改善和建筑体量形态特征的设计信息反馈,同时也在一定程度上避免了由人的主观经验带来的设计固着(designfixation),进而帮助建筑师实现一种“性能信息驱动的设计”(performance-informed/awaredesign)。因此,本研究提出的基于性能的建筑设计生成及优化过程,关注的并非是单向的设计辅助或者设计控制,而是更深层次的双向设计协作。从这点出发,PBMDGO系统也可以被视为一个独立和外化于“人类设计师”(humandesigners),但同时又能与人类设计师(建筑师)协同进行设计工作的“机器设计师”(machinedesigners)。在这样的“人-机协同设计过程”(human-machineco-evolutiondesignsynthesisprocess)中,建筑师的设计综合能力将得到质的提升。在当前不断增强的数字化和智能化条件下,本研究提供了一种面向建筑性能的新设计方法,这将进一步推动“性能驱动的建筑”(performance-drivenarchitecturaldesign)的设计范式进程。本文正文共约118000字,图表233幅,代码约8300行。