Co-design and agent-based methods for multi-storey wood building systems

Abstract

Timber, the most widely used natural material in the construction industry, can sequester carbon as it grows and store it in the built environment. However, due to the logistically mandated orthogonal shape of raw and conventionally prefabricated Engineered Wood Products and the limited single spans they can achieve, most contemporary timber buildings currently only have one of a restricted set of uses, with little possibility for reuse. This limits timber's utility in urban environments, which often require filling in irregular sites and extending existing structures. It also limits the building industry's potential environmental contributions. These restrictions could be overcome by using interdisciplinary organisational and computational design methods. This research investigates new ways to design wood buildings through improved cross-discipline collaboration. First, it evaluates co-design as a means of integrating different disciplines throughout the design process by applying it to the design of a prototype building. Then, it proposes agent-based methods for procedurally and interactively negotiating between conflicting sets of optimisation criteria. Agent-based simulations were developed for the placement of columns, the subdivision of floor plates into fabricable and transportable slab segments, and the reinforcement of these segments with internal members. These developments built upon a framework for timber building systems and their data structures. These methods were then tested on the design and fabrication of timber buildings across a range of scales and resolutions. This research demonstrates that innovative computational and organisational methods can results in an increased design space for multi-storey timber buildings. This results in an expanded palette of building types, and an increased contribution by the building sector to the global environmental and humanitarian housing crises. Holz, das am häufigsten in der Bauindustrie verwendete natürliche Material, kann während seines Wachstums Kohlenstoff binden und in der bebauten Umwelt speichern. Aufgrund der logistisch bedingten orthogonalen Form von rohen und konventionell vorgefertigten Holzwerkstoffen sowie der begrenzten Spannweiten, die sie erreichen können, sind die meisten modernen Holzgebäude derzeit nur für eine begrenzte Anzahl von Verwendungszwecken geeignet und bieten wenig Möglichkeiten zur Wiederverwendung. Dies schränkt den Nutzen von Holz in städtischen Umgebungen ein, wo häufig unregelmäßige Flächen aufgefüllt und bestehende Strukturen erweitert werden müssen, und begrenzt somit auch den potenziellen Beitrag des Baugewerbes zum Umweltschutz. Diese Einschränkungen könnten jedoch durch den Einsatz interdisziplinärer organisatorischer und rechnerischer Entwurfsmethoden überwunden werden. In dieser Forschungsarbeit werden neue Ansätze zur Gestaltung von Holzgebäuden durch verbesserte interdisziplinäre Zusammenarbeit erforscht. Zunächst wird Co-Design als Mittel zur Integration verschiedener Disziplinen während des gesamten Entwurfsprozesses bewertet, indem es auf den Entwurf eines Gebäudeprototyps angewendet wird. Anschließend werden agentenbasierte Methoden für die prozedurale und interaktive Aushandlung zwischen widersprüchlichen Optimierungskriterien vorgeschlagen. Es wurden agentenbasierte Simulationen für die Platzierung von Stützen, die Unterteilung von Bodenplatten in fabrizierbare und transportierbare Deckensegmente und die Verstärkung dieser Segmente mit internen Elementen entwickelt, basierend auf einem Rahmenwerk für Holzbausysteme und deren Datenstrukturen. Diese Methoden wurden dann für den Entwurf und die Herstellung von Holzgebäuden in verschiedenen Maßstäben und Auflösungen getestet. Die Forschung zeigt, dass innovative Berechnungs- und Organisationsmethoden zu einem größeren Gestaltungsspielraum für mehrstöckige Holzgebäude führen und somit eine erweiterte Palette von Gebäudetypen ermöglichen, was wiederum einen größeren Beitrag des Bausektors zur Bewältigung der globalen ökologischen und humanitären Wohnungsnot leisten könnte.