A tool for the rule-based optimization of multi-layered building components

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden ob es prinzipiell möglich ist die Zusammenhänge, Regeln und Strukturen welche für die (teil)automatisierte Erstellung von validen (d.h. konstruktiv und logistisch möglichen) Bauteilkonstruktion notwendig sind, (i) zu finden und (ii) derart zu formulieren, dass dieses Wissen zur raschen, computergenerierten Erstellung solcher Konstruktionen genutzt werden kann. Eine manuelle Erstellung von Konstruktionen wird in der allgemeinen Planungspraxis ständig durchgeführt, hier werden oftmals Schritte, die gut geeignet für eine Automation erscheinen, wieder und wieder manuell durchgeführt. Diese Beobachtung, wie auch die Arbeit an dem Forschungsprojekt SEMERGY diente als Ausgangspunkt, bei welchem die Idee zu einer solchen Anwendung entstand. Eine Schwierigkeit an der Erstellung eines solchen Tools ist es, das erforderliche Fachwissen (Domain-Knowledge) über die Zusammenstellung der Bauteilaufbauten zusammenzutragen und der Zielsetzung entsprechend aufzubereiten. Um all die komplexen Zusammenhänge und Abhängigkeiten zu erfassen wurde eine große Anzahl von Aufbauten analysiert und daraus Systematiken und Regeln abgeleitet. Es wurden Templates erstellt die als Grundgerüst für eine solche Anwendung dienen können, und eine große Zahl von möglichen Varianten eines Aufbaues enthalten (Es wurde angestrebt Regeln zu definieren, welche jeweils taxativ sind, d.h. alle möglichen Kombinationen berücksichtigen). Das konzentrierte und um Regeln angereicherte Wissen aus diesem Prozess wurde in eine allgemein verständliche Form gebracht: Damit eine programmiertechnische Umsetzung weitestgehend unabhängig von proprietären Programmiersprachen oder Applikationen gemacht werden kann, wurden Abläufe für den Genese-Prozess als -Pseudocode- ausgedrückt. Diese Ausdrucksform besitzt den Vorteil, dass (i) eine spätere Umsetzung auch von Nicht-Baufachleuten relativ einfach (ohne Domänenwissen) durchgeführt werden kann, (ii) potentielle Fehler oder Abweichungen rasch identifiziert werden können, sowie (iii) eine große Flexibilität, Erweiterbarkeit und Editierbarkeit gewährleistet ist. Es wurde auch der gesamte mögliche Arbeitsablauf innerhalb eines solchen Tools modelliert, um die möglichen Konstruktionen genauestens evaluieren zu können und entsprechend des geforderten Anwendungsfalles bestmöglich abzustimmen zu können. Dazu wurden eine Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten, des etwaig anfallenden (Bauteil-)Kondensats gemäß normativer Methoden, des OI3 Koeffizienten (Environmental Footprints) und der Speichermasse als mögliche Kontrollinstanzen zu einer Qualitätssicherung bzw. Überprüfung abgebildet. Weitere Methoden können nach Maßgabe vorhandener Eingabedaten jederzeit hinzugefügt werden. Beispiele hierfür könnten Kosten und Investition- bzw. Instandhaltung-Kostenberechnung oder bauakustische Eigenschaften und zugehörige Berechnungen sein. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen zur Anwendung in anderen Projekten wie zum Beispiel in einem laufenden Projekt zur Fassung von Bauteileigenschaften in zeitgemäßen Datenstrukturen (Forschungsprojekt BAU_WEB, TU Wien) vorbereitet werden. Eine generische und auf viele Anwendungsfälle übertragbare Methode ist explizites Ziel dieser Arbeit.

This thesis addresses an important issue of the common building delivery and optimization process: The generation of building components. While this process is regularly considered to be of high importance for the final quality of a building, it is regarded as a tiring repetitive routine by most planners. Toward this end this contribution addresses the possibility of (semi)automation of (layer wise) building part composition. Thereby, the relationships and interdependencies between different layers are examined to identify typical structures and derive rules for the building component composition. While this task can be performed by human planners given a certain domain knowledge rather easily, the formulation of building composition rules for IT-based automation is far from trivial. A major objective is to (i) collect and to (ii) formalize the required knowledge of building component composition in a way that it can easily be transformed to programmed routines. There are a multitude of interdependencies and relations between the different layers of composition, and the properties of the different layers, as well as the overall composition strongly influence the final performance of a building component. After definition, collection, and structuring of all required information, this knowledge is formalized in a close-to computer-readable format. In the present case, the overall process of component generation is depicted as 'Pseudo-Code', which offers three major advantages: (i) Pseudo-Code is a vendor and platform allowing programmers, who are regularly non-professionals in the building domain, to implement the rules independent, in process able software code; (ii) potential mistakes and issues can be easily identified; (iii) Flexibility, Extensibility and easy editing are assured. The building component generation process was fully modelled for a large number of constructions. Furthermore, certain normative performance indicators of the created constructions were calculated. These indicators, including the U-Values, a condensate evaluation, the thermal storage mass and an environmental footprint indicator, act as decision support to evaluate the appropriateness of a construction for a given, specific purpose. These methods are not taxative; Indeed, later enhancements of the environment would allow to integrate further performance indicators, such as acoustical performance parameters and cost calculation. The results of this work - a formalized modelling language for building component generation - are intended for use in applications, such as building performance simulation. There is a major need in practice for such developments, as can be seen as proven in different related efforts, such as the SEMERGY project or the BAU-WEB project. The opportunity to integrate the developments of this thesis in these or other efforts can be seen as a large (side)benefit of this work.