Automated Floor Plan Design: Generation, Simulation, and Optimization

Abstract

Architects need to design more energy efficient buildings. The best way to achieve this is to incorporate building performance simulation in the design process to estimate how they will behave. However, practitioners rarely make use of such tools. According to recent inquiries on the needs to improve these kind of programs, it can be concluded that they are non user-friendly, demand detailed building specifications that are usually absent from initial architectural design phases, take too much time to build the simulation model, results are not presented in a meaningful way to the architects, and in a trial-and-error design process it becomes unbearable to use.

Researchers have been working in the usability of the graphical interface and in the development of optimization techniques to improve the designed building solution. However, such approaches aim to final design stages, when all the most important decisions have been already made and thus too late to implement meaningful design changes.

The approach proposed in this research work is fundamentally different, as it aims to assist practitioner in the earliest design phase of architectural practice, the space planning phase. In this phase, architects seek to accommodate all preferences and requirements from the clients design program into floor plan designs. The approach aims to automatically generate, assess, and optimize alternative floor plan designs.

Two algorithms were developed. The first generates floor plans by allocating spaces on one or more levels, served by parametric vertical circulation spaces that adapt their shape, dimensions, and position to the evolving design solution. A hybrid evolutionary computation technique is used, which couples the searching capabilities from an Evolutionary Strategy and local search technique. Clustering mechanism is used to incorporate morphological preferences of the user and to give structure to large design programs. Transformation operators perform random geometric and topological mutations aiming to satisfy all requirements and preferences. Self-adaptive mechanism and adaptive operators are used to reduce the computational time, and deepens the exploitation and widens the exploration of the search.

The second algorithm imports those generated floor plans and assesses, ranks, and optimizes their thermal performance. It uses a sequential variable optimization procedure, where different architectural elements are added or changed with the purpose of maximizing the thermal performance.

The two algorithms were tested in several case studies with different complexity levels, design programs, requirements, and constraints. Both algorithms have their performance analyzed. Results shown that both algorithm may be valuable instruments in speeding up the design process, in enlarging the number of design solutions to be compared, in improving thermal performance of floor plans, and in helping the architects in their decision-making process.

Sendo necessários edifícios mais eficientes do ponto de vista energético, os arquitectos não podem deixar de ter em consideração este objectivo na elaboração dos seus projectos. A melhor maneira de o alcançar passa por incorporar, no processo inicial de desenho, ferramentas de simulação que permitam estimar o desempenho do edifício a esse nível. Contudo, os projectistas raramente as utilizam. De acordo com inquéritos recentes sobre as necessidades de melhorias nos programas de simulação de desempenho de edifícios, estes não são de fácil utilização, exigindo informação detalhada do edifício que poderá estar ausente da fase inicial de projecto arquitectónico. Demoram, por isso, demasiado tempo a modelar e os resultados não são apresentados aos arquitectos com significado, em tempo útil. Um processo de desenho por tentativa e erro, torna impraticável o seu uso.

Os investigadores têm vindo a melhorar a usabilidade dos programas e a desenvolver técnicas de optimização, no sentido de melhorar o desempenho de solução de edifícios projectados. Contudo, essas abordagens destinam-se essencialmente à fase final do projecto, altura em que as decisões mais importantes já foram tomadas, sendo, assim, demasiado tarde para introduzir alterações significativas.

A abordagem proposta e apresentada neste estudo é fundamentalmente diferente das anteriores, pois procura assistir os projectistas no desenho de plantas, na fase inicial de projecto arquitectónico. Nesta fase, os arquitectos procuram incorporar todas as preferências e requisitos do programa funcional do cliente. Esta abordagem permite gerar, avaliar e optimizar, automaticamente, um conjunto de plantas alternativas.

Neste trabalho foram desenvolvidos dois algoritmos. O primeiro gera as plantas através da alocação de espaços, em um ou mais pisos, servidos por espaços paramétricos de circulação vertical, que adaptam a sua forma, dimensão e posição à evolução do desenho da planta. É utilizada uma técnica evolucionária híbrida, que incorpora as capacidades de pesquisa de uma Estratégia Evolutiva e uma técnica de pesquisa local. Para permitir a incorporação de preferências morfológicas do utilizador e dar estrutura a grandes programas funcionais é utilizado um mecanismo de agregação de espaços. Para satisfazer os requisitos e preferências do utilizador, usam-se operadores de mutação que transformam, aleatoriamente, a geometria e a topologia das soluções. São também utilizados mecanismos adaptativos, para reduzir os tempos de computação, aprofundar e alargar o espaço de pesquisa. O segundo algoritmo importa as plantas geradas, avaliando-as, ordenando-as e optimizando-as, de acordo com critérios de desempenho térmico. Recorre a uma abordagem de optimização sequencial de variáveis, onde os elementos arquitectónicos são alterados ou adicionados no sentido de maximizar o desempenho térmico.

Ambos os algoritmos foram testados em diferentes casos de estudo, a diferentes níveis de complexidade, programa funcional, requisitos e constrangimentos. O desempenho de ambos os algoritmos é também analisada. Os resultados demonstram que ambos os algoritmos são instrumentos valiosos para acelerar o processo de projecto, em alargar o número de soluções de projecto a comparar, em melhorar o desempenho térmico das plantas e em ajudar os arquitectos em tomadas de decisão.