Architektonische Formfindung akustischer Räume mit Hilfe evolutionärer Algorithmen

Abstract

Der Entwurf akustischer Räume, wie beispielsweise eines Konzertsaals oder einer Opernbühne, stellt für Architekten und Ingenieure, trotz technischer Hilfsmittel, nach wie vor eine große Herausforderung dar. Die vorliegende Arbeit möchte einen Beitrag zur Bewältigung dieser Herausforderung leisten. Sie untersucht grundsätzlich die Möglichkeit, Performanz relevante Kennwerte als entwurfsbestimmende Größen in den Entwurfsprozess zu integrieren. Die Leistungsfähigkeit oder Performanz von Raum ist schon seit Vitruv Gegenstand des theoretischen und praktischen Schaffens der Architekten. Diese Arbeit rückt die Raumakustik, die bisher eher eine nachgeordnete Rolle in der Wahrnehmung der Architekten spielt, in den Vordergrund und macht diese zum beispielhaften Untersuchungsgegenstand. Performative Entwurfsmethoden also Entwurfsmethoden, die die Leistungsfähigkeit als Entwurfs bestimmende Größe in den Prozess der Formfindung integrieren manifestieren sich beispielsweise in den Seifenblasenversuchen und den daraus entstandenen Tragwerken Frei Ottos. Durch die Entwicklung rechentechnischer Verfahren entstanden simulations- und evolutionsbasierte Verfahren zur Unterstützung von Entwurfsprozessen. Simulationsbasierte Gestaltoptimierungsverfahren aus dem Bauingenieurwesen oder regelbasierte Gestalterzeugungsverfahren aus dem Bereich der Architektur zeugen von der Entwicklung von analogen Verfahren zu numerisch-digitalen Methoden, die sich auch und nicht zuletzt evolutionären Prozessen bedienen. Mit dem Beginn Computer basierter Methoden in Naturwissenschaft und Ingenieurwesen beschäftigen sich schon in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts die Theoretiker mit der damit einhergehenden digitalen und seriellen Ästhetik. Nicht nur technische Kriterien werden im dem hier vorgestellten Verfahren angewendet, sondern auch die Suche nach einer Ästhetik, die sich aus dem numerisch-seriellen Ansatz ergibt, wirkt in die Entwicklung eines Formgebungsverfahrens für akustische Räume hinein. Basis für die Entwicklung ist die Erarbeitung der akustischen Grundlagen und deren Wirkung auf Material und Geometrie, also der Raumgestalt. Daneben werden die elementaren Bestandteile evolutionärer und genetischer Prozesse und ästhetischer Entwurfssysteme erarbeitet. Die Integration zu einem formgebenden Gestaltungsverfahren für akustische Räume erfolgt über die Verwendung einer raumakustischen Simulation als Hauptbestandteil der Bewertungsfunktion innerhalb eines genetischen evolutionären Prozesses. Basierend auf einer echtzeit-fähigen raumakustischen Simulation, wird eine für die vorliegende Aufgabe ausreichend genaue aber etwas vereinfachte Akustiksimulation entwickelt. Die Geometrie und Materialität der Gestalten wird auf Grundlage eines genetischen Codes entwickelt, der sich als Punkteliste manifestiert. In dieser Liste sind den Punkten entsprechend akustische Information über Absorptions- und Diffusionswerte zugeordnet. Das Syntheseverfahren bildet aus Punkten der genetische Codierung Tetraeder, die sich zu einer durchdringungsfreien und geschlossenen Hüllform verschmelzen. Der Tetraeder ist der 3-Simplex, also der einfachste 3-dimensionale Körper. Ähnlich dem Dreieck, mit welchem im 2-dimensionalen Bereich alle Formen angenähert werden können, ist diese beliebige Annäherung mit dem Tetraeder auch für Volumina möglich. Durch diese Verfahren ist gewährleistet, dass die Oberfläche der Gestalt immer stetig geschlossen ist, was die Grundlage für die Durchführung einer raumakustischen Simulation ist. Neben der Hülle ist auch die Quellen-Empfänger-Konstellation Bestandteil des akustischen Systems. Diese wird vom Benutzer als Entwurfsparameter in Form einer räumlichen Anordnung von Empfänger und Quellen vorgegeben und in der Simulation verwendet. Der jeweilige Entwurfsprozess ist nicht universell, sondern muss auf die jeweilige Entwurfssituation angepasst werden. Deshalb bietet das Programm sowohl für den evolutionären Prozess, wie auch für die Bewertungsfunktion unterschiedliche Einstellungs- und Gewichtungsmöglichkeiten. So kann der Benutzer für seine individuelle Entwurfsaufgabe seiner Verantwortung als Entwerfer gerecht werden. Die Ergebnisse aus dem Formgebungsverfahren sind nur bedingt als fertige Architektur zu verstehen. Vielmehr liefern sie grundsätzliche Konzeptansätze für mögliche akustische Räume. Deutlich wird dies beim Vergleich von Gestalten, die vom Formfindungsalgorithmus erzeugt wurden mit bestehenden Raumtypen. So liefert das Formgebungsverfahren, unter Verwendung der dem Originaltyp entsprechenden Quellen-Empfänger-Konstellation, ein alternatives Raumkonzept bei mindestens gleicher akustischer Qualität. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das entwickelte Formgebungsverfahren im Grundsatz funktioniert. Die erzeugten Ergebnisse weisen aber in ihrer architektonischen und ästhetischen Ausprägung noch Entwicklungspotential auf. Weiteres Potential besteht in der Ausweitung der untersuchten Performanzkriterien hinaus auf beispielsweise raumklimatische oder andere numerisch simulierbare Kriterien.

The design of acoustic spaces, like concert halls or opera houses is, despite all technical means, still a big challenge for both architects and engineers. The present work wants to contribute to the achievement of this challenge. The work investigates fundamentally the possibility of integrating performance based parameter as design drivers into the design process. Since the time of Vitruv, performance of space is a matter of architects’ theoretical and practical work. This work focuses on room acoustics, which takes a more subordinated role in architects’ perception, and promotes it as the exemplary objective of investigation. Performance related design methods have already been manifested in Frei Otto’s soap bubble experiments and the constructions emerging from there. Through the development of computer based methods, simulation and evolution based approaches to support design processes emerged. Simulation based shape optimisation methods in the domain of engineering or shape grammar methods in the domain of architecture witness the development from analogous methods to numerical digital methods, where evolutionary processes are included. With the appearance of computer based methods in science and engineering, since the nineteen sixties, theorists are engaged with the aesthetics linked to digital and serial methods. Not only technical criteria but also aesthetics, which is based on a numerical and serial approach, affects the form generating design system for acoustic spaces. The foundation of the system is the formulation of the acoustic basics and its effect on material and geometry, thus the ‘Raumgestalt’. Aside, the fundamental parts of evolutionary and genetic processes and aesthetic design systems are formulated. The integration to a form generating design system for acoustical spaces is realised by the use of a room acoustic simulation as the main part of an evaluation function within an evolutionary genetic algorithm. Based on a real time room acoustics simulation, a sufficient precise but simpler acoustic simulation is developed. The geometry and the material of the objects are generated on the basis of a genetic code, which is a point list. Absorption and scattering information are assigned correspondingly to the points in the list. The synthesis algorithm is using the points to form tetrahedrons, which emerge to a non-self-intersecting and closed hull. The tetrahedron is a 3-simplex, which represents the simplest 3 dimensional volume existing. Alike the triangle, which has the capacity to approximate any 2 dimensional shapes tetrahedron has the ability to approximate any volumes in any required precision. This method assures that the surface of the object is continuously closed and therefore allows executing a room acoustic simulation. Besides the hull, the source receiver constellation is also a crucial part of the acoustic system. It is defined by the user as a spatial configuration and is used in the simulation. The described design process is not universal but has to be defined for each design task individually. Therefore both, the evolutionary as well as the evaluation algorithm is providing different settings and weighting settings to allow investigative explore. Thus users retain their responsibility for individual design tasks. The results of the shape generating algorithm are representing fundamental concepts for potential acoustic spaces rather than finalised architecture. This becomes obvious through the comparison of different ‘Gestalten’ created by the algorithm and corresponding acoustic building types. The shape generation algorithm using the corresponding source receiver constellation deduced from the building precedent creates alternative spatial concepts with at least the same acoustic quality as the precedent. The presented work shows that the developed shape generation method works in principle. The generated results show potential for improvement in respect to architectural and aesthetical quality. Further potential is also discovered through the extension of the considered performance criteria towards climatic or other criteria which can be represented by numerical simulations.