Der optimierte Entwurf und seine Berechnung : Strategien zur computergestützten Entwurfsoptimierung von Gebäuden im Rahmen der ganzheitlichen Architekturgenerierung am Beispiel von Einfamilienhäusern

Abstract

Der Architekt als Baukünstler steht in seinem Schaffen stets im Spannungsfeld zwischen künstlerischem Anspruch und ökonomischen Zwängen. Durch gesetzliche Vorgaben und ein standardisiertes Vorgehen hat der Architekt wenig Spielraum zur übermäßigen zeitlichen Ausdehnung der Entwurfsphase. Dies hat vor allem im Einfamilienhausbau dazu geführt, dass hier anonyme oder Fertighausarchitektur marktdominierend ist, was unter anderem auf die mangelnde Entlohnung des Planungsaufwandes bei solch einer kleinen Aufgabe zurückzuführen ist. Um diesen Mangel beheben zu helfen, wird hier das Konzept der ganzheitlichen Architekturgenerierung vorgeschlagen. Dieses soll helfen, den zeitlichen und damit wirtschaftlichen Planungsaufwand eines Architekten drastisch zu verringern und so Zeit für seine baukünstlerische Verantwortung freizumachen. Die ganzheitliche Architekturgenerierung entwirft hierzu ein automatisiertes Vorgehen, das es ermöglicht, gute computergestützte Architektur zu entwerfen. Das Konzept der Ganzheitlichkeit ist dabei unter anderem als Synthese vieler bestehender Ansätze der Architekturgenerierung oder anderer computergestützter Optimierungsansätze zu sehen. Es sieht vor, zumindest theoretisch, alle Einflüsse auf einen architektonischen Entwurf zu berücksichtigen und parallel zu verarbeiten. Es wird der Anspruch formuliert, weitere oder neue Faktoren einfach integrieren zu können. Hierzu wird zunächst gezeigt, dass es sich beim Problem der Erstellung eines architektonischen Entwurfes um ein NP-vollständiges Problem der Mehrkriterienoptimierung handelt und somit nicht in polynomieller Zeit vollständig gelöst werden kann. Es existieren aber Wege, ein solches Problem in überschaubarer Zeit ausreichend gut zu lösen. So ist auch der hier formulierte Anspruch an ein automatisiert entstehendes optimiertes Gebäude zu sehen, wobei die Optimierung als solche als mathematische Funktion zu sehen ist, die durch die Formulierung von Optimierungszielen entsteht. Es wird gezeigt, dass das hier formulierte System zur Architekturgenerierung über Züge eines komplexen Systems im Sinne der Systemtheorie verfügt, so dass prinzipiell auch mit emergentem Verhalten gerechnet werden kann. Gleichzeitig wird festgestellt, dass eine vom Computer generierte Architektur die subjektiven Entscheidungen des Softwareentwerfers reflektieren. Eine Optimierung findet immer nur auf Ziele statt, die vom Entwerfer der Software formuliert wurden. Es findet somit ein Übergang vom subjektiven Gebäudeentwerfer zum subjektiven Softwareentwerfer statt. Es handelt sich also in diesem Sinne nicht um einen global gesehen optimalen, sondern vielmehr um einen auf zahlreiche Faktoren optimierten Entwurf. Es werden nötige Randbedingungen und Parameter festgelegt und es wird gezeigt, dass diese mathematisch quantifizierbar sind, was für eine rechnergestützte Verarbeitung unabdingbar ist. Des Weiteren wird ein Softwaremodell charakterisiert, das geeignet ist, die nötigen Parameter und Variablen eines architektonischen Entwurfs wiederzugeben. Zur eigentlichen Optimierung des Entwurfes wird ein modifizierter evolutionärer Algorithmus verwendet. Hierzu muss zunächst eine „Population“ von Entwürfen geschaffen oder initialisiert werden, die im Allgemeinen möglichst heterogen sein sollte. Im Verlaufe des Algorithmus werden diese Entwürfe immer wieder einer Bewertung unterworfen, um ihre Fitness bezogen auf das Optimierungsziel zu bewerten. Hierauf werden einzelne Entwürfe zur Rekombination ihrer „Gene“ beziehungsweise Variablen selektiert. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit werden diese dann auch einer Mutation unterworfen. Mit einer erneuten Selektion der wieder in die Population einzufügenden Entwürfe beginnt der Kreislauf von Neuem. Der Algorithmus wird fortgesetzt, bis ein Abbruchkriterium, in der Regel eine bestimmte Qualität eines Entwurfes, erreicht wird. Des Weiteren wird ein System zur optimierten Initialisierung mithilfe eines gerichteten Graphen entwickelt und es wird gezeigt, dass im Mittel der Gewichtung von einzelnen Entwurfsfaktoren oder -parametern ein mächtiges Instrument zur Steuerung des Algorithmus liegt. Es wird auch kurz zusammengefasst, in welcher Form eine Ausgabe der Ergebnisse erfolgen kann. Schließlich wird ein Weg aufgezeigt, die Ergebnisse des Algorithmus zu bewerten und diese Bewertung als Faktoren einer erneuten Optimierung zu verwenden. Die Ergebnisse zeigen, dass der hier formulierte Ansatz es zulässt, einen bezogen auf die berücksichtigten Parameter sehr guten Entwurf zu liefern. Die prinzipielle Durchführbarkeit des Ansatzes wird gezeigt und lässt sich auch in Bezug auf die Forderung nach zeitlicher Optimierung des Planungsprozesses aufrecht erhalten. Je nach Komplexität des Entwurfes kann mithilfe der ganzheitlichen Architekturgenerierung schon innerhalb weniger Stunden ein vollständiger, durchgearbeiteter, dreidimensional verfügbarer Entwurf entstehen, was die Zeitplanung des Architekten radikal ändern kann.

The architect as an artist always has to consider the conflicting demands of his claim for producing a piece of art and economic constraints. By legal requirements and standardised proceedings during the design stage the architect has little scope for expanding the design stage in terms of time. Primarily for single-family housing this resulted in the spread of anonymous architecture and prefabricated houses. This can be traced back to the deficient payment compared to the efforts when coping with such a small task. To resolve this deficiency the concept of holistic architectural generation is hereby introduced. This concept can help decreasing the time and economic efforts of an architect who can thus take his responsibility for an artistic architecture. The concept of holistic architectural generation is a concept of an automated proceeding which enables the design of good computer-assisted architecture. Among others the concept of holism must be seen as a synthesis of many existent approaches to architectural generation or other computer-based optimization efforts in the fields of design and construction. It allows for all impacts on the architectural design being considered and processed in parallel, at least theoretically. Also the requirement for integrating further or new factors on the design is expressed. To accomplish this, it will be shown that the problem of architectural design is a NP-complete problem of multi-criteria optimisation. Those problems can't be solved completely in polynomial time. Nevertheless there are approaches that can solve those problems adequately in manageable time. On this note, the claim for an automatically designed building can here be expressed whereas the optimization must be regarded as a mathematical function that evolves from the formulation of goals of optimization. Furthermore it will be shown that the system of architectural generation can be considered a complex system in terms of the systems theory. This potentially enables emergent behaviour which means that a system of computer-assisted architectural generation can be a creative designer. An optimization is always an optimization on goals that were formulated by the software designer. By this, a transition from the subjective building designer to the subjective software designer can be observed. Thus it is not a question of a globally optimal but an optimized design. The proposed system for the computer-assisted design of buildings will be explicitly described. For this, the necessary prerequisites and parameters will be appointed and the mathematical quantifiability will be proved which is inalienable for the computer-assisted processing. Furthermore a software model will be designed which is applicable to express the necessary parameters and variables of an architectural design. A modified evolutionary algorithm will be used for the optimisation of the design. To be able to use this algorithm, a "population" of designs must be created or initialised which should generally be as heterogeneous as possible. In the course of the algorithm these designs will be evaluated consistently to determine their fitness relating to the goals of the optimisation. After that, the designs will be selected for the recombination of their "genes" or variables respectively. With a certain probability those designs will be mutated. With a new selection of those designs which will be reinserted into the population the circular flow starts again. The algorithm will be executed until a stop criterion is met. Normally this is the case if a design reaches a certain level of quality. Additionally a system for the optimised initialisation of the population by means of a directed graph will be introduced. It will be demonstrated that the weight function of the parameters is a powerful instrument to control the algorithm and the results. The possibilities of the output of the results will be discussed shortly. Finally, a way to evaluate the results of the algorithm and to use this evaluation as parameters of a new optimisation will be pointed out. The results reveal that this approach is able to deliver a very good architectural design referring to the considered parameters. The feasibility of the approach as a matter of principle is proved and the claim for time optimisation of an architectural design can be adhered to. As a matter of complexity a complete, accurate and three-dimensional architectural design can be created within hours. Of course, this can radically change the architect's time management.