建筑立面布局设计中的窗口视图优化（ViewOpt）：一种以人为中心的3D仿真与计算机视觉框架

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Window View Optimization in Building Fa?ade Layout Design (ViewOpt): A Human-Centric 3D Simulation and Computer Vision Framework

窗户设计对室内空间视野质量有重要影响，直接关联居住者心理福祉和环境感知。本文提出ViewOpt计算框架，整合3D摄影测量、虚拟渲染与语义分割技术，通过优化窗户位置与尺寸，最大化自然元素（绿植、天空、水体）的可见性。实验表明，该框架相较传统规则方法提升视景质量140.7%。

　　

朴健德克|塞米哈·埃尔甘

韩国釜山国立大学工程学院，釜山大鹤路63号，釜山镇，韩国

摘要

建筑立面上的窗户设计在决定室内空间所感知的外部景观质量方面起着关键作用。这些景观可以影响多个方面，包括居住者的视觉体验、对环境质量的感知，以及与自然元素接触相关的潜在恢复效果。然而，将这一视角系统地纳入大规模建筑设计中的窗户视图优化工作尚未完全实现。本文提出了一种以人为中心的3D计算框架ViewOpt，用于优化建筑物的窗户设计。ViewOpt结合了摄影测量3D城市模型、真实感渲染和计算机视觉模型进行语义分割，从而从室内视角生成和评估窗户视图。优化过程旨在通过调整窗户的位置和尺寸，最大化自然元素（如绿化、天空和水体）在视图中的可见性，这些元素在以往的环境心理学研究中已被证明与心理福祉和恢复效果相关。通过比较ViewOpt中实现的各种优化算法的结果，对优化效果进行了评估。在最佳情况下，与基于固定规则的基线相比，ViewOpt显著提高了视图质量，提高了140.7%。建筑师可以通过将ViewOpt纳入设计实践中，来优化窗户设计，以最大化自然景观的可见性。

引言

建筑设计对居住者的福祉及其与环境的联系有着显著影响。由于城市居民90%的时间都在室内度过[1]，他们与室外环境的视觉联系成为其福祉和恢复的重要因素[2,3]。福祉通常被定义为包括身体健康、心理健康和社会健康在内的整体状态[4]，而恢复能力则指环境支持人们从精神疲劳和压力中恢复的能力，这通常是通过接触自然或自然元素来实现的[5,6]。环境心理学与建筑学交叉领域的研究表明，接触自然元素（如绿化、天空可见性和水体）对居住者的福祉有显著的积极影响[7],[8],[9],[10]，能够提高满意度并减轻压力[7]，加快从精神疲劳中恢复的速度[6]，并缩短医疗机构的住院时间[2,3]。此外，特定的建筑因素（包括窗户的存在和尺寸）以及接触自然景观的体验也被证明会对恢复能力产生积极影响[11,12]。鉴于人们在室内度过的大量时间，窗户设计在优化可用景观和促进与外界的联系方面起着核心作用。精心设计的窗户视图不仅对提升居住者的福祉和与环境之间的联系至关重要[13]，还具有重要的经济意义，特别是在房产价值方面[14],[15],[16],[17]。房地产研究一致表明，提供自然和城市景观（如绿化、开阔的景观、公园[15]、水体[14],[15],[16]以及地标[16,17]）的房产具有可衡量的价格溢价。

尽管有大量证据表明高质量景观与居住者福祉和房产价值相关，但在当代住宅设计中，窗户的位置主要还是由成本、效率和标准化模块化布局决定的，而不是基于环境体验。现有的设计工具和生成建模框架[18],[19],[20],[21],[22],[23]主要关注室内布局，对外部景观质量或场地特定环境的整合有限。因此，窗户位置的选择往往受到结构和经济因素的限制，而与自然和城市景观相关的恢复和美学效益则被忽视了。缺乏能够量化和优化景观质量的计算方法，迫使建筑师依赖启发式或手动评估[13,24]，这延续了基于证据的设计原则与当前建筑实践之间的脱节。

本研究提出了ViewOpt，这是一种通过调整窗户位置和尺寸来优化建筑物窗户景观质量的计算框架。ViewOpt结合了航空摄影测量技术来捕捉真实的3D城市特征，使用计算机视觉（CV）技术从多个视角量化窗户视图中的自然和人造元素，并利用3D设计模拟工具动态生成和评估窗户布局。这种方法实现了对景观质量的系统优化，支持以人为中心的建筑设计。通过在从航空摄影测量重建的高保真3D设计环境中模拟和优化“窗户位置和尺寸”，ViewOpt超越了手动评估，实现了适应性和基于语义的设计。本文的贡献包括：（1）ViewOpt，一个集成的优化工具，用于生成协调的窗户设计，以最大化景观质量，支持居住者的福祉；（2）在ViewOpt中整合了高分辨率3D摄影测量城市模型和计算机视觉技术，以从室内视角精确量化自然和人造景观元素；（3）支持多智能体优化，使设计师能够在建筑立面上协调窗户的位置和尺寸，同时平衡单个窗户的景观质量和整体立面的对称性。

章节摘录

窗户景观的影响

基于环境心理学的研究表明，从人造环境中接触自然对心理和生理福祉都有可测量的好处。基础理论如卡普兰的注意力恢复理论（ART）和乌尔里希的压力恢复理论（SRT）提供了强有力的理论支持：ART认为自然元素可以补充耗尽的认知资源[5,6]，而SRT强调自然在促进从压力中恢复方面的作用[2]。

ViewOpt概述

所提出的框架旨在利用真实世界的城市数据和数据驱动的评估来优化住宅单元中的窗户布局，以最大化景观质量。ViewOpt的概述如下：

图1. 首先，将代表周围城市环境的3D Tiles数据集导入3D创作工具（支持Python脚本）。在这个环境中，（2）建模公寓布局，包括墙壁和窗户配置，并定义一组相机视角

ViewOpt的实现和结果

实现和处理时间：: 默认情况下，每个窗户的有效尺寸范围是相对于其关联外墙的尺寸来定义的。这些约束是完全可定制的，用户可以根据具体设计要求进行调整。窗户的位置$\left(x,z\right)被定义为窗户的中心点。假设外墙的中心位于（0,\; 0），窗户中心沿墙面放置的有效范围受到限制$

讨论

本研究表明，计算优化方法，特别是贝叶斯优化，在识别更高质量的窗户配置方面比传统的基于规则的方法或网格搜索方法更有效。结果揭示了单个窗户优化案例中的上下文敏感性适应：较低楼层倾向于偏好富含绿化的向下视野，而较高楼层则偏好以天空为主的向上视野。这些发现表明，所提出的框架

结论、局限性和未来工作

本文提出了ViewOpt，这是一个以人为中心的计算框架，通过整合3D摄影测量城市数据、虚拟摄影、语义分割和优化算法来优化窗户设计。该框架使建筑师能够定量评估和提升建筑规模的窗户景观质量。

通过整合摄影测量城市数据和基于深度学习的语义分割，ViewOpt实现了可扩展的、数据驱动的窗户优化

未引用的参考文献

[49,55]

CRediT作者贡献声明

朴健德克：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，概念化。塞米哈·埃尔甘：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取，概念化。