13Mrz16

Hallo zusammen!

Nach einiger Zeit gibt es mal wieder interessante Neuigkeiten. Eine Weile ist es her – und ich bedaure, dass ich vergessen habe es hier ausführlich zu posten – als mein Freund Eirik und ich im Rahmen der „2nd International Conference Of Biodigital Architecture & Genetics“ an der „Universitat Internacional de Catalunya“ ein wissenschaftliches Paper verfasst und einen Vortrag über genetische Algorithmen gehalten haben.

In den letzten Wochen wurde ich gebeten meinen Teil der Präsentation vor einem interessierten Publikum zu wiederholen. Meinen, minimal abgeänderten, Vortrag sowie die damit zusammenhängenden Videos und Folien will ich euch nicht vorenthalten.

Ich empfehle Kekse und einen ordentlichen Koffeinschub, ein paar der Details sollten in vorherigen Blogposts bekannt sein 😉 :

Verehrte Zuhörer, der Titel meines Vortrags lautet „genetische Algorithmen in der Architekturplanung – selbstorganisierende Systeme in Baugrundrissen“.

Im Jahr 2014 hielten mein ehemaliger Studienkollege Eirik Kjølsrud und ich an der Universitat Internacional de Catalunya im Rahmen der „2nd International Conference Of Biodigital Architecture & Genetics“ einen Vortrag über genetische Algorithmen und wie sie den Bauplanungsprozess vereinfachen können. Das mit ihm zusammen veröffentlichte Papier haltet ihr als Anlage zur Zeichnung in Händen. Auf den dort erarbeiteten Erkenntnissen meines Teils der Arbeit basiert meinn Vortrag.

Zu dieser Zeit habe ich ein Programm geschrieben, dass Raumanordnungen aus vorgegebenen Parametern und Regeln in nutzbare Grundrisse überführen soll. Dazu nutzt es, unter anderem, Grundlagen der synthetischen Evolution.

Selbige wird z.B. im Maschinenbau genutzt um Bauteile zu formen die zum Teil sich widersprechenden Parametern bestmöglich entsprechen sollen. Das können beispielsweise aerodynamische Eigenschaften, Masse, statische Belastbarkeit usw. sein. Einfache, und sehr leicht mess- und kontrollierbare, Eigenschaften die in der Kombination miteinander sehr komplex werden können und eine Vielzahl von Lösungsalternativen in Betracht ziehen.

Sobald die Faktoren der Evolution (Selektion, Vermehrung, und Mutation) in einer oder mehreren Durchläufen zusammentreffen, optimiert sich eine Gruppe Individuen auf ein in der Selektion gerichtetes Optimum.

Dieses Prinzip lässt sich auch auf architektonische Planungsprozesse anwenden. Dort sind die erforderlichen Regelsätze beispielsweise und nicht abschließend:

I – es ist positiv zu bewerten, wenn gewisse Raumbereiche mit natürlichem Licht versorgt werden können (wie z.B. Wohnzimmer; bei anderen ist dies eher zu vernachlässigen wie z.B. Abstellräume oder Lagerflächen)

II – es ist positiv zu bewerten wenn ein minimales Maß an Erschließungsfläche erreicht wird.

III es ist positiv zu bewerten wenn Räume durch die Erschließungsfläche zu erreichen sind.

IV es ist positiv zu bewerten wenn gewisse Räume nah beieinander sind, andere weiter weg (eine Ankleide sollte in der Nähe des Schlafzimmers sein, eine Toilette eher nicht direkt an den Wohnbereich angegliedert, Sanitärräume sollten dringend in der Nähe von Erschließungsschächten liegen)

V es mag positiv bewertet werden, wenn die Räume eine gewisse Proportion, und der Nutzung angemessene Fläche aufweisen.

VI Die Räume sollen sich auf dem Grundstück oder Baufenster befinden.

Wichtig ist, dass diese Regeln nicht absolut formuliert werden. Auch können sie in der Wichtigkeit durchaus unterschiedlich sein und demnach gewichtet werden.

Im einfachen Beispiel sind die Räume Kreise mit einem gewissen Flächeninhalt wie auf unseren Abbildungen sichtbar. Ein „Individuum“ ist eine Wohnung – also Ansammlung von Räumen die zueinander in Beziehung stehen – wie in Regel IV.

Hunderte von zufallsgenerierten Individuen werden jetzt bewertet: wie gut entsprechen sie den oben genannten Regeln? Das kann bei allen Regeln einfach festgestellt werden: je näher der Essbereich an der Küche, desto besser. Jeder Raum hat mit jedem anderen Raum eine entweder positive oder negative Beziehung. So kann beispielsweise der Wunsch des einen sein, dass Wohn- und Essbereich möglichst nah beieinander sind, jemand anderes legt dort keinen Wert. Diese Planungswünsche sind individuell einstellbar. Überschneidet sich ein Teil der breit genug ist um durchzugehen mit der Erschließungsfläche oder einem anderen, assoziierten Raum? Leicht bewertbare, geometrische Probleme die automatisiert bewertet werden können.

Nach der Wertung werden die Individuen mit den 20%-50% besten Ergebnissen genommen – der Rest wird gelöscht (Selektion) – werden untereinander gekreuzt (vermehrt), leicht mutiert (Mutation) und mit diesen neuen Individuen als neue Startgeneration neu wie oben beschrieben bewertet.

Über mehrere Dutzend Generationen bilden sich mit diesem Verfahren langsam mehrere unterschiedliche Varianten heraus die den gewünschten Regeln als gewichteter Kompromiss entsprechen.

Ungeduld kann bei einem solchen Verfahren schnell aufkommen. Einfach ausgedrückt: dieses Verfahren ist brutal Rechen- und Zeitaufwendig. Um auf meinem handelsüblichen Computer ein in Echtzeit nutzbares Handwerkszeug zur Planung zu haben „verhunzte“ ich den Algorithmus im positiven Sinne: vor der Bewertung wurden einige Individuen herausgenommen und in einem iterativen Prozess – wie an Gummibändern – zusammengefügt. Während die genetische Mutation dafür sorgte, dass Alternativvarianten aufkamen in denen das Bad oder Schlafzimmer völlig wo anders (und vielleicht besser) platziert waren, wurden hier sanft Lücken zwischen den Räumen anhand ihrer Verbindungen geschlossen. Wer die von mir rund geschickten Videos angeschaut hat erinnert sich vielleicht an die sich aufeinander zu bewegenden Rechtecke und Kreise die ein wenig wie Seifenblasen anmuteten die ihre optimale Lage zueinander suchen. Die Analogie ist nicht ganz falsch – so wie Seifenblasen minimale Oberfläche suchen, suchten die Räume in einer artifiziellen Physik möglichst wenig Zwischenräume, Überlagerungen und die Nähe bzw. Ferne von ihren Gegenübern.

Eine Vielzahl von unterschiedlichen, jeweils auf ihre Art und Weise guten Lösungsalternativen für den komplexen Sachverhalt ist die schlussendliche Folge.

Nun war es ein leichter Schritt auf diesem Fundament die runden Blasen durch Rechtecke mit Flächeninhalt und Raumproportion – eine zusätzliche zu erfüllende Regel – umzuwandeln. Wer sich in den versendeten Videos gewundert hat warum die Quader nicht nur ihre Position, sondern auch ihre Farbe wechseln: ein Sonnenstand (Morgens, Mittags, Abends) wurde simuliert und nach einer Selbstverschattung der Räume wurde geschaut ob die Räume die natürliche Belichtung benötigen selbige auch in ordentlicher Menge erhalten.

Das Ergebnis all dessen ist – wie auf dem letzten Bildblatt sichtbar – eine Anordnung von verschiedenen Räumen in unterschiedlichen Varianten die schlussendlich als Vorschläge vom Menschen – sei er nun Architekt oder kundiger Laie – in einen nutzbaren Grundrissplan überführt werden, und nach subjektiven Gestaltungsvorstellungen bewertet werden müssen. Denn ob ein Raum gut wirkt, ob das Zusammenspiel nicht nur technischen Anforderungen entspricht, das Spiel von Licht und Schatten das ästhetische Empfinden anspricht, das kann schlussendlich keine Maschine beantworten.

Vielen Dank für Ihre Zeit, mein Vortrag ist beendet.

Slide 2Slide 3Slide 4Slide 5

Link auf unsere wissenschaftliche Veröffentlichung an der „Universitat Internacional de Catalunya „:

Growing floor plans and buildings – generation and optimisation through algorithms and synthetic evolution – Kjølsrud & Hamacher.pdf

 

 

 

 

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