Digital design optimisation: new methods and tools for design and manufacturing of architectural objects

Abstract

The integration in the design process of high-level objectives, such as those requirements directly related to functional performance and lightness or the efficient use of materials, is especially difficult and can no longer be directly and intuitively perceived by the designer. This is particularly true in the conceptual phase of a design process. Methods and design tools that take in account personal preference and cultural acceptance, and can combine the interactive behavior inherent to conceptual designing with the formal rigor of optimisation are therefore desirable. The aim of the work presented in this dissertation is to develop and test a method that could be employed to model and manage the design process individually, adapted to a particular design problem and along with the personal preferences of the designer. The method is part of a digital design process where simulation and analysis does not only support the project development process, but interacts and contributes with novel proposals, promotes a more creative exploration of the solution space and aims to integrate computational models in the reasoning process and the activities of the designer during the complete design process A digital design process allows for integration of simulation and analysis software right in the beginning of the project, but it will be the task of the designer to build his own software construct combining all necessary software programs with the intent to introduce optimisation efficiently and goal orientated into the design process. In this thesis a design method is presented based on a software construct combines parametric design with evolutionary principles with the intent to maximise explorative search in an iterative design process. This application consists of a loose combination of commercially available software programs and property scripts united towards a common goal. vi The ability of this method to interactively assist the designer during the design process is demonstrated and applied to the conceptual design of several case studies, in the form of shading devices. It is concluded that optimisation can be introduced at the very beginning of the process of designing and optimisation reveals to be helpful and increasingly needed for an effective design process when constraints and boundary conditions cannot be easily evaluated by a conventional intuitive process and general domain knowledge. This advance of performative orientated design can only be viable within a within a digital supported methodological approach.

A integração no processo de design de objetivos meta projeto, tais como os requerimentos relacionados com a leveza, o desempenho funcional, ou o uso eficiente de materiais, são especialmente difíceis de compreender e já não podem ser entendidos direta e intuitivamente pelo próprio designer. Isto revela-se particularmente na fase conceptual do processo de desenvolvimento. Métodos e ferramentas de design que conseguem integrar a preferência pessoal do designer, fatores culturais e que podem ao mesmo tempo combinar um comportamento interativo - inerente ao design conceptual - com o rigor formal da otimização são, portanto, desejáveis. O objetivo do trabalho apresentado nesta dissertação é desenvolver e testar um método que pode ser modelado e organizado individualmente conforme o próprio processo de desenvolvimento de um designer. Este método pode adaptar-se a qualquer problema de design em particular e pode ser totalmente construído conforme as preferências pessoais e as necessidades do designer. O método é parte de um processo de design digital, onde a análise e a simulação não apenas apoiam o processo de desenvolvimento do projeto, mas também interagem como processo de exploração e contribuem com propostas para soluções diferentes. Pode desta forma contribuir para uma exploração mais completa e mais criativa do espaço de soluções. Esta abordagem quase completamente digital promove, ao mesmo tempo, a integração de modelos computacionais no raciocínio e nas atividades do designer durante o processo de design completo. Um processo de design digital permite a integração de software de simulação e de análise logo no início do projeto. No entanto, deverá ser a tarefa do designer construir o seu próprio software, combinando os programas e os scripts necessários com a intenção de introduzir a otimização no seu processo de design de uma maneira eficaz e eficiente e, claro, em conformidade com o objetivo específico do processo. Nesta tese, é apresentado um método baseado na combinação de softwares, que juntamente com uma geometria paramétrica e com princípios evolutivos, permitam maximizar a pesquisa exploratória do espaço das soluções num processo de design iterativo. Este método consiste numa combinação, com um objectivo comum, de programas de software disponíveis no mercado e de scripts desenvolvidos pelo próprio designer. A capacidade deste método apoiar o designer, de uma forma interativa, durante a fase conceptual do processo de design é demonstrada e aplicada a um projeto conceptual de sombreadores. Concluiu-se que a otimização pode ser introduzida durante a fase conceptual do processo de design e que a otimização se revela não só útil, mas cada vez mais necessária para um desenvolvimento eficaz, quando os constrangimentos e os limites não podem ser facilmente avaliados por um processo intuitivo e convencional baseado no conhecimento geral do domínio. O avanço do design orientado para a performance só é possível dentro de uma abordagem metodológica digital.