Early phase performance driven design assistance using generative models

Abstract

Form-finding in the current performance-driven design methodology of architectural design is typically formulated as a design optimization problem. Although effective in engineering or late stage design problems, optimization is not suitable for the exploratory design phase due to thetime intensity and cognitive load associated with the processes involved in the formulation and solution of optimization problems. The iterative, diverging nature of early-phase design is incompatible with the i) cognitive load of parametric modeling and its limited affordances forconceptual changes, ii) time and resource intensity of simulations, iii) interpretability of optimization results. This thesis suggests a framework for generating optimal performance geometries within an intuitive and interactive modeling environment in real-time. The framework includes the preparation of a synthetic dataset, modeling its probability distribution using generative models,and sampling the learned distribution under given constraints. The several components are elaborated through a case study of building form optimization for passive solar gain in Boston, MA, for a wide range of plot shapes and surroundings. Apart from the overall framework, thisthesis contributes a series of methods that enable its implementation. A geometric system of orientable cuboids is introduced as a generalizable, granular modeling vocabulary. A method forefficient boundary condition sampling is suggested for the dataset preparation. A Variational Autoencoder (VAE) is extended for performance-aware geometry generation using performance related loss functions. A series of techniques inspired by the data-imputation literature is introduced to generate optimal geometries under constraints. Last, a prototype is presented thatdemonstrates the abilities of a system based on the suggested framework.

Η αναζήτηση μορφής (form-finding) στη σύγχρονη, προσανατολισμένη στην απόδοση, μεθοδολογία αρχιτεκτονικού σχεδιασμού διατυπώνεται συνήθως ως πρόβλημα βελτιστοποίησης σχεδιασμού. Παρότι η βελτιστοποίηση είναι αποτελεσματική σε μηχανικά ή σε προβλήματα σχεδιασμού όψιμου σταδίου, δεν είναι κατάλληλη για τη διερευνητική φάση του σχεδιασμού, λόγω της χρονικής επιβάρυνσης και του αυξημένου γνωστικού φορτίου που σχετίζονται με τις διαδικασίες διατύπωσης και επίλυσης προβλημάτων βελτιστοποίησης. Η επαναληπτική και αποκλίνουσα φύση του πρώιμου σχεδιασμού είναι ασύμβατη με: i) το γνωστικό φορτίο της παραμετρικής μοντελοποίησης και τις περιορισμένες της δυνατότητες για εννοιολογικές αλλαγές, ii) την ένταση χρόνου και πόρων που απαιτούν οι προσομοιώσεις, και iii) την περιορισμένη ερμηνευσιμότητα των αποτελεσμάτων της βελτιστοποίησης. Η παρούσα διατριβή προτείνει ένα πλαίσιο για τη δημιουργία γεωμετριών βέλτιστης απόδοσης μέσα σε ένα διαισθητικό και διαδραστικό περιβάλλον μοντελοποίησης σε πραγματικό χρόνο. Το πλαίσιο περιλαμβάνει την προετοιμασία ενός συνθετικού συνόλου δεδομένων, τη μοντελοποίηση της κατανομής πιθανοτήτων του μέσω γενετικών μοντέλων και τη δειγματοληψία από την εκπαιδευμένη κατανομή υπό δεδομένους περιορισμούς. Τα επιμέρους συστατικά του πλαισίου αναπτύσσονται μέσω μιας μελέτης περίπτωσης βελτιστοποίησης της μορφής κτιρίων ως προς την παθητική ηλιακή πρόσληψη στη Βοστώνη (Μασαχουσέτη), για ένα ευρύ φάσμα σχημάτων οικοπέδων και περιβαλλόντων. Πέρα από το συνολικό πλαίσιο, η διατριβή συνεισφέρει μια σειρά μεθόδων που καθιστούν δυνατή την υλοποίησή του. Εισάγεται ένα γεωμετρικό σύστημα προσανατολίσιμων κυβοειδών ως ένα γενικεύσιμο και λεπτομερές λεξιλόγιο μοντελοποίησης. Προτείνεται μια μέθοδος αποδοτικής δειγματοληψίας οριακών συνθηκών για την προετοιμασία του συνόλου δεδομένων. Ένας Παραλλαγμένος Αυτοκωδικοποιητής (Variational Autoencoder – VAE) επεκτείνεται για τη δημιουργία γεωμετριών με επίγνωση της απόδοσης, μέσω συναρτήσεων απώλειας σχετιζόμενων με δείκτες απόδοσης. Παρουσιάζεται μια σειρά τεχνικών, εμπνευσμένων από τη βιβλιογραφία της συμπλήρωσης δεδομένων, για τη δημιουργία βέλτιστων γεωμετριών υπό περιορισμούς. Τέλος, παρουσιάζεται ένα πρωτότυπο σύστημα που επιδεικνύει τις δυνατότητες μιας υλοποίησης βασισμένης στο προτεινόμενο πλαίσιο.