Flexible Suche und Optimierung in parametrischem Design

Parametrische Methoden beeinflussen und verändern Entwurfsprozesse in moderner Architekturpraxis in immer größerem Ausmaß. Da diese eine Vielzahl von Alternativen ermöglichen, stellt computergestützte Optimierung eine wichtige neue Erweiterung dar. Umfassende Forschungen haben gezeigt, dass Optimierung in Ingenieurwesen und Design effizient genutzt werden können. Die Anwendung hierbei stellt allerdings eher eine technische als eine entwerferische Aufgabe dar. Optimierung ist meist begrenzt auf verschiedene abgegrenzte Spezialgebiete, ohne dass ein umfassender Überblick besteht. Moderne Optimierungsmethoden unterstützen die Generierung von komplexen Systemen, solche Prozeduren sind jedoch immer zielgerichtet und erlauben weder Abzweigungen, eine Mehrzahl von Lösungen oder sich ändernde Randbedingungen. Architektonische Entwurfsprozesse sind jedoch meist gekennzeichnet von nichtlinearen Abläufen ohne klare Anfangs- und Endpunkte. Die Arbeitsweise lässt sich grob in zwei unabhängige, sich wiederholende Aufgaben teilen: die Generierung eines parametrischen Modells und die anschließende Optimierung der bestimmenden Parameter. Die tatsächliche Qualität des Ergebnisses wird im Nachhinein untersucht. Der Entwurf wird entweder akzeptiert, oder Änderungen am parametrischen Modell, seinen Randbedingungen und Parametern vorgenommen und der Optimierungsprozess erneut gestartet. Unser Ziel ist die Entwicklung eines flexiblen Generierungs- und Optimierungssystems für den praktischen Einsatz im Sinn eines durchgängig begleitenden Entwurfswerkzeugs, bei dem die Parametrisierung und Zielfunktionen in jeder Phase veränderbar sind. Der Benutzer wird im Verständnis von Zusammenhängen unterstützt, indem durch modernste multi-objektive Suchalgorithmen eine Vielzahl optimaler Lösungen vorgeschlagen wird. Eine intuitive grafische Schnittstelle ermöglicht weitreichende manuelle Steuerung sowie Verfolgung der Suche, und bietet hierin umfassende Interaktivität. Zoomen, Filtern und Gewichten im genotypischen und phänotypischen Raum, sowie im multiobjektiven Lösungsraum ermöglichen einen umfassende Mensch-Maschine-Dialog und die Einbeziehung von nicht- oder noch nicht quantifizierbaren Faktoren. Der wiederverwendbare Suchverlauf ermöglicht die Untersuchung von Entwurfsalternativen und die Neuformulierung der Randbedingungen bei Kontinuität des Suchprozesses sowie die Verfolgbarkeit der Ergebnisse im Sinn einer rationalen Entwurfsbegründung. Das Ziel dieser Arbeit ist nicht Untersuchung spezieller Optimierungsziele, sondern der Aufbau eines offenen Systems für alle Arten von Problemformulierungen, und im Speziellen eine Untersuchung von widersprüchlichen Zielen. Es soll ein offener und intuitiver Prozess für die Anwendung in realen Arbeitsmethoden geschaffen werden, der die immer komplexer zusammenhängenden Anforderungen moderner Architektur erfüllt und damit eine leistungsfähige Erweiterung klassischer Entwurfsmethoden darstellt.

Neue Paradigmen und Werkzeuge für computerunterstütztes Modellieren von Entwürfen prägen die gegenwärtige Forschung in der Architektur. Einfacher als je zuvor ermöglicht Software für visuelles Programmieren eine parametrische Beschreibung von Geometrie, so dass Ergebnisses schnell geändert werden können. Die Förderung von biologisch inspirierten Optimierungsmethoden für parametrische Designs ist ein Hauptziel des Forschungsprojekts. Die Evolution des Lebens auf der Erde hat sich als sehr effizient im Lösen vieler Probleme bewiesen, und ist in unserer Forschung das wichtigste Prinzip in der Suche nach Lösungen für Probleme die in digitalen parametrischen Formulierungen gestellt sind. Integrierte Simulation von realem Verhalten hinsichtlich Tragwerk, Geometrie, oder Belichtung fügt einer solchen Optimierung wertvolle wirtschaftliche Aspekte hinzu. Im Sinne eines DesignAssistenten sollte der Prozess intuitiv und flexibel sein, als ein Begleiter um das Problem zu verstehen, die Suche zu steuern, und Lösungen auszuwählen. Inspiration aus anderen Disziplinen wie Informatik, Mathematik, und InterfaceDesign führte zur Entwicklung neuer Komponenten für eine etablierte digitale DesignUmgebung inArchitektur und Ingenieurwesen. ComputerAlgorithmen, die ihre Effizienz bereits in anderen Bereichen bewiesen haben, wurden für durchschnittliche Benutzer von digitaler DesignSoftware einfach benutzbar gemacht, so dass neue Formen der Suche und Optimierung möglich wurden. Die Werkzeuge sind online als freie PlugIns verfügbar, wo Feedback von akademischen und professionellen Nutzern auf der ganzen Welt großes Interesse an computergestützter DesignOptimierung zeigt. Unsere Methoden werden erfolgreich in vielen akademischen und einigen realen Projekte angewandt was unsere weitere Forschung auf dem Gebiet motiviert. Es werden neuartige Möglichkeiten der digitalen Modellierung und Optimierung durch den Einsatz von Methoden der Künstlichen Intelligenz und angewandten Mathematik getestet, welche potentiell einige der Hauptprobleme in den aktuellen Ansätzen evolutionärer Optimierung lösen könnten um effizientes Design weiter zu erleichtern.