Multidisziplinäre Entwurfsoptimierung für das Bauwesen

Die Verbesserung der Effizienz und Leistungsfähigkeit von Gebäudeentwürfen gewinnt angesichts von Ressourcenknappheit und Umweltauswirkungen zunehmend an Wichtigkeit. Vor diesem Hintergrund ist die Anwendung von multidisziplinärer Entwurfsoptimierung (MDO = Multidisciplinary Design Optimization), einer Methode aus der Luft- und Raumfahrt, von großem Interesse. Denn diese Methode liefert systematisch Informationen über gute Konfigurationen und unterstützt damit die Entscheidungsfindung. Die vorliegende Arbeit entwickelt daher eine Methodik zur Anwendung von MDO im Gebäudeentwurf. Durch den Einsatz von MDO ist nicht nur eine Verbesserung von Entwurfslösungen möglich, sondern auch eine systematische Erforschung des Entwurfsraums und damit fundierte, strategische Entwurfsentscheidungen. Für eine erfolgreiche Übertragung der MDO in den Gebäudeentwurf sind entscheidende Weiterentwicklungen erforderlich. Sie betreffen erstens das Bewertungsmodell und die Berücksichtigung der für das Bauwesen besonderen qualitativen Aspekte und zweitens die Integration des Optimierungsmodells in ein Gebäudemodell, um auf der Grundlage eines parametrischen Analysemodells einen interaktiven Entwurfsprozess zu ermöglichen. Die Erstellung eines für das Bauwesen spezifischen Bewertungsmodells beginnt daher in Kapitel 2 mit der Klassifizierung der Zielaspekte auf der Basis quantitativer und qualitativer Hauptklassen. Ihnen entsprechend werden adäquate Verfahren zur Berücksichtigung der Zielaspekte in der Optimierung entwickelt, die zur Notwendigkeit eines interaktiven Prozesses der Entwurfsentwicklung und -optimierung führen. Als Grundlage dieses interaktiven, durch den Entwerfer gesteuerten Arbeitsprozesses dient die in Kapitel 3 entwickelte komponentenorientierte Dekomposition. Die Definition von Bauteilkomponenten erfolgt gemäß eines Funktionsbegriffs und führt zu einer hierarchischen Struktur. Diese Komponenten ermöglichen die Bildung eines parametrischen Systemmodells, das die Schnittstelle zur MDO darstellt. Neben Analysen und Dimensionierungsprozeduren enthalten die Komponenten Methoden zur Repräsentationsgenerierung für die Entwurfsdarstellung. Die Einführung einer multidisziplinären Entwurfsgrammatik in Kapitel 4 ermöglicht es, Systemmodifikationen als Änderungen der Anordnung der Komponenten zu modellieren. Auf der Basis des hierarchischen Funktionsbegriffs werden Dekompositionsregeln in verfeinerte Hierarchieebenen und Modifikationsregeln zur Optimierung bei gleichbleibender Hierarchieebene entwickelt. Die experimentelle Implementierung anhand eines Hallenbeispiels in Kapitel 5 zeigt die Anwendung der Methodik. Post-Optimalitäts-Analysen der Optimierungsergebnisse aus dieser Implementierung und eine praxisnahe Interpretation der Modellzustände als architektonischer Entwurfsprozess zeigen den Gewinn durch MDO im Gebäudeentwurf auf. Neben der Identifikation leistungsstarker Konfigurationen sind dies die systematische Durchsuchung des Entwurfsraums, die Offenlegung von Abhängigkeiten und Disziplinüberschneidungen, die Quantifizierbarkeit von Kompromissen und objektive, strategische Entwurfsentscheidungen. Zusammenfassend beschreibt die Methodik neue Konzepte und Erweiterungen für Gebäudemodellierung und Optimierung, die es erlauben, MDO als Werkzeug zur Erforschung des Entwurfsraums (Design Exploration) einzusetzen.
The improvement of the efficiency and performance of building designs increasingly gains in importance considering resource shortages and environmental implications. Against this background, the application of Multidisciplinary Design Optimization (MDO), a method from aerospace engineering, is of much interest. This method provides systematic information about good configurations and, by this, supports decision-making. Therefore, this thesis develops a methodology to apply MDO considering the particular conditions in building design. By the application of MDO, not only an improvement of the design solutions is possible but also a systematic design exploration of the solution space that allows well-founded strategic design decisions. For a successful transfer of MDO to building design, substantial developments are required. First, they concern the evaluation model and the consideration of qualitative aspects that are specific for building design and, second, the integration of the optimization model in a building model in order to allow an interactive design process on the basis of a parametric analysis model. The setup of an evaluation model specific for building design starts in chapter 2 with the classification of the objective aspects with the main classes quantitative and qualitative. According to these classes, the development of adequate methods enables the consideration of the aspects in the optimization process. From these methods, the necessity for an interactive process of design evolution and optimization results. As foundation of the interactive designer-controlled process, the third chapter subsequently develops a component-oriented decomposition method. The definition of building components follows a function paradigm and leads to a hierarchic structure. These components serve to setup a parametric system model, which is the interface to MDO. Besides analyses and dimensioning procedures, the components include methods for representation generation to achieve design visualization. The development of a Multidisciplinary Design Grammar in chapter 4 serves for modeling system modifications as changes in the arrangement of the components. On the basis of the hierarchic function concept, decomposition rules refine the design in further hierarchy levels and modification rules optimize it on the same hierarchy level. The experimental implementation of an optimization model for a hall example in chapter 5 shows the application of the methodology. Post-optimality analyses applied to the optimizations results of this implementation and the interpretation of the model states in a realistic design process illustrate the gain by MDO in building design. Besides the identification of well-performing configurations, this gain consists of systematic search in the design space, discovery of interdependencies and disciplinary intersections, quantification of trade-offs, and objective strategic design decisions. In summary, the method describes novel techniques and extensions for building modeling and optimization that enable designers to use MDO as a tool for Design Exploration.