Multivariate optimization of residential building envelopes and massing: a model proposal to balance solar building performance with design criteria

Abstract

Während Algorithmen integraler Bestandteil in den verschiedensten Gebieten moderner Produktion geworden sind, bleibt der Arbeitsalltag von Architekten erstaunlich unberührt von dieser Entwicklung. Gleichzeitig können Umweltprobleme wie Erderwärmung, Luftverschmutzung oder eine zunehmende Ressourcenknappheit zu großen Teilen auf schlechte Planung und ineffizientes Verhalten von Gebäuden zurückgeführt werden. Um diese Probleme wirkungsvoll bekämpfen und strengere gesetzliche Auflagen in Zukunft erfüllen zu können müssen Gebäude effizienter werden, hierbei könnte algorithmische Leistungsoptimierung eine bedeutende Rolle spielen. Doch nachdem in der Architektur eine Vielzahl von Faktoren die Güte eines Gebäudes bestimmen, ist der Einsatz von Algorithmen in der Architektur ungleich schwieriger als beispielsweise im Ingenieurswesen. Einige dieser Faktoren, wie beispielsweise Ästhetik, sind zu abstrakt, um von einem Computer optimiert zu werden, was die Skepsis von Architekten gegenüber algorithmischer Optimierung erklären könnte. Um dieses Problem zu überwinden, muss der Versuch, algorithmische Optimierung im Architekturalltag zu etablieren, auf die Eigenheiten von Architektur eingehen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine alternative Herangehensweise an die Thematik vorgeschlagen, die Unzulänglichkeiten von vielen herkömmlichen algorithmischen Optimierungsversuchen vermeidet. Im Rahmen der Arbeit wird zudem ein Tool vorgestellt, das Entwürfe entsprechend mehrerer solarer Kriterien optimieren kann, das aber nicht zwangsläufig nach der besten Gebäudeperformance sucht, sondern darauf ausgerichtet ist, das allumfassend beste Ergebnis im Einklang mit dem Architekten zu liefern, das alle Entwurfskriterien berücksichtigt. Die Anwendbarkeit des Tools im tatsächlichen Arbeitsalltag von Architekten steht dabei im Vordergrund. Um das Tool zu testen, wird es auf drei Fallbeispiele angewandt mit dem Ziel, ein Ergebnis zu erhalten, das die Qualität abstrakter, nicht optimierbarer Kriterien zumindest nicht mindert, die Effektivität des Gebäudes jedoch steigert.

While algorithms have become an essential tool for optimization in various fields of modern industries, the everyday architecture routine remains surprisingly untouched by that development. At the same time, environmental problems such as global warming, air pollution or an increasing scarcity of resources can be traced back to poor and inefficient building performance. In order to successfully fight those problems and to meet stricter law regularities in future, buildings have to become more efficient, algorithmic performance optimization could be a promising tool in that process. Yet, optimizing architecture is a challenging enterprise, as, in contrast to most cases in engineering, various aspects have to be considered for architectural design. Some of them, such as aesthetics for example, are too abstract for optimization by a machine, which may explain the scepticism of architects towards algorithmic design. In order to overcome this problem, an approach for successful implementation of algorithmic optimization in architecture has to respect the characteristics of architecture. Therefore, in this thesis a defect of many common optimization algorithms for architectural application is detected and a more suitable alternative is proposed. A tool will be presented, which is optimizing design according to multiple passive solar criteria, but which is not necessarily aiming at the most efficient design solution, but at an overarching best solution respecting all relevant design criteria. Stress is put to a high practicability of the tool for the usual working routine in architecture businesses. In order to test the tool, it will be applied on three different projects with the goal to come up with a result that is not touching the quality of abstract design criteria, but which is superior in its optimized performance.