Wissenschaftliche Forschung

Flexible Suche und Optimierung in parametrischem Design

Klaus Bollinger

Institut für Architektur
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.