Cognitive Building Systems. Optimization Algorithms in Architecture from Design to Production

Abstract

Achitekti se musí vyporádávat pri navrhování s mnoha omezeními, které narustají jako dusledek zvyšujících se nároku na kvalitu a provoz budov z hlediska udržitelnosti. Na druhé strane technologický pokrok v oblasti softwaru usnadnuje návrh složitých geometrií. Proto v soucasné dobe platí více než predtím, že kvalita budovy závisí na schopnostech architekta nalézt optimální rešení pro všechny casto protikladná omezení. Toto je úkol, který s ohledem na složitost vyžaduje použití sofistikovaných optimalizacních algoritmu integrovaných do pracovního postupu. Tento výzkum navrhuje integraci optimalizacního modulu nazvaného "Kognitivní Kontrolní Systém" (CCS) do parametrického systému. Kognitivnost je zde formulována jako schopnost systému reagovat na performativní kritéria budovy tím, že najde její optimální rešení. CCS obsahuje sadu globálních a lokálních matematických rešitelu. Jeho soucástí je také grafické rozhraní, "Interaktivní Grafová Kontrola" (IGC), pomocí které muže uživatel optimalizacní proces rídit a prehledne jím navigovat. Tato interaktivní platforma prezentuje uživateli nejen nejlepší optimální rešení, ale zároven škálu dalších možných rešeních, i když méne optimálních. Práce zkoumá nekolik typu nelineárních algoritmu, jako jsou genetické algoritmy, neuronové síte, a numerické matematické rešitelé. Výzkum poukazuje na jejich výhody i nevýhody, a ukazuje, jak mohou být tyto algoritmy zacleneni do parametrického systému, aby zlepšily proces navrhování. Práce demonstruje, jak nastavit objektivní funkce pro více cílu a jak tato funkce ovlivnuje prubeh a kvalitu optimalizacního procesu. Funkcnost a použitelnost numerických rešitelu je demonstrována na nekolika príkladech. Príklady jsou organizovány podle jejich složitosti rešení. Zacínající jednoduchou studií, každá další studie je složitejší s více omezeními a cíli. Príklady pokrývají radu ruzných geometrických a konstrukcních témat, jako je generování geometricky složité strešní konstrukce, optimalizace rodinného domu smerem k nízké spotrebe energie, denního osvetlení a nákladu nebo návrh budovy muzea. Architects must deal with increasing amount of design constraints, which is the consequence of increasing demands on building’s performance in terms of sustainability and construction cost. On the other hand, complex geometries has become common part in architectural projects. Therefore, it is nowadays more true than before that the building’s qualities depend on architect’s ability to find the optimal solution for all, often contradicting constraints. This is a task for which due to the complexity necessitates the use of sophisticated solving algorithms integrated into the design workflow. The research proposes an integration of optimization apparatus called “ Cognitive Control System” (CCS) into a parametric design framework. Cognition or “ knowing ” is here defined in terms of the ability to respond to the performative criteria of a building by finding optimum solution. The CCS contains a set of global and local solvers. Its part is also an interface, the Interactive Graph Control (IGC) by which the user can steer and control the optimization process in a transparent fashion. This interactive platform presents the user not only the best optimal solution, but also the whole range of other possible solution, even if less optimal. The research examines several types of nonlinear solving algorithms, such as genetic algorithms, neural networks, and numerical mathematical solvers. The research reveals their pros and cons and demonstrates how these different types of algorithms can be integrated into parametric system to enhance the design process. The thesis presents how to set up an objective function for multiple objectives and how the function affects the optimization process. The functionality and usability of the solvers is demonstrated on several case studies. The case studies are performed on different scale projects with different solving complexity. The cases cover range of different geometrical and design topics, such as generating free-form roof structure with certain local height constraints, optimizing family house towards low energy consumption, daylight and cost or exploring the design options for museum building. v