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Architektonische Formfindung akustischer Räume mit Hilfe evolutionärer Algorithmen
Der Entwurf akustischer Räume, wie beispielsweise eines Konzertsaals oder einer Opernbühne, stellt für Architekten und Ingenieure, trotz technischer Hilfsmittel, nach wie vor eine große Herausforderung dar. Die vorliegende Arbeit möchte einen Beitrag zur Bewältigung dieser Herausforderung leisten. Sie untersucht grundsätzlich die Möglichkeit, Performanz relevante Kennwerte als entwurfsbestimmende Größen in den Entwurfsprozess zu integrieren. Die Leistungsfähigkeit oder Performanz von Raum ist schon seit Vitruv Gegenstand des theoretischen und praktischen Schaffens der Architekten. Diese Arbeit rückt die Raumakustik, die bisher eher eine nachgeordnete Rolle in der Wahrnehmung der Architekten spielt, in den Vordergrund und macht diese zum beispielhaften Untersuchungsgegenstand. Performative Entwurfsmethoden also Entwurfsmethoden, die die Leistungsfähigkeit als Entwurfs bestimmende Größe in den Prozess der Formfindung integrieren manifestieren sich beispielsweise in den Seifenblasenversuchen und den daraus entstandenen Tragwerken Frei Ottos. Durch die Entwicklung rechentechnischer Verfahren entstanden simulations- und evolutionsbasierte Verfahren zur Unterstützung von Entwurfsprozessen. Simulationsbasierte Gestaltoptimierungsverfahren aus dem Bauingenieurwesen oder regelbasierte Gestalterzeugungsverfahren aus dem Bereich der Architektur zeugen von der Entwicklung von analogen Verfahren zu numerisch-digitalen Methoden, die sich auch und nicht zuletzt evolutionären Prozessen bedienen. Mit dem Beginn Computer basierter Methoden in Naturwissenschaft und Ingenieurwesen beschäftigen sich schon in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts die Theoretiker mit der damit einhergehenden digitalen und seriellen Ästhetik. Nicht nur technische Kriterien werden im dem hier vorgestellten Verfahren angewendet, sondern auch die Suche nach einer Ästhetik, die sich aus dem numerisch-seriellen Ansatz ergibt, wirkt in die Entwicklung eines Formgebungsverfahrens für akustische Räume hinein. Basis für die Entwicklung ist die Erarbeitung der akustischen Grundlagen und deren Wirkung auf Material und Geometrie, also der Raumgestalt. Daneben werden die elementaren Bestandteile evolutionärer und genetischer Prozesse und ästhetischer Entwurfssysteme erarbeitet. Die Integration zu einem formgebenden Gestaltungsverfahren für akustische Räume erfolgt über die Verwendung einer raumakustischen Simulation als Hauptbestandteil der Bewertungsfunktion innerhalb eines genetischen evolutionären Prozesses. Basierend auf einer echtzeit-fähigen raumakustischen Simulation, wird eine für die vorliegende Aufgabe ausreichend genaue aber etwas vereinfachte Akustiksimulation entwickelt. Die Geometrie und Materialität der Gestalten wird auf Grundlage eines genetischen Codes entwickelt, der sich als Punkteliste manifestiert. In dieser Liste sind den Punkten entsprechend akustische Information über Absorptions- und Diffusionswerte zugeordnet. Das Syntheseverfahren bildet aus Punkten der genetische Codierung Tetraeder, die sich zu einer durchdringungsfreien und geschlossenen Hüllform verschmelzen. Der Tetraeder ist der 3-Simplex, also der einfachste 3-dimensionale Körper. Ähnlich dem Dreieck, mit welchem im 2-dimensionalen Bereich alle Formen angenähert werden können, ist diese beliebige Annäherung mit dem Tetraeder auch für Volumina möglich. Durch diese Verfahren ist gewährleistet, dass die Oberfläche der Gestalt immer stetig geschlossen ist, was die Grundlage für die Durchführung einer raumakustischen Simulation ist. Neben der Hülle ist auch die Quellen-Empfänger-Konstellation Bestandteil des akustischen Systems. Diese wird vom Benutzer als Entwurfsparameter in Form einer räumlichen Anordnung von Empfänger und Quellen vorgegeben und in der Simulation verwendet. Der jeweilige Entwurfsprozess ist nicht universell, sondern muss auf die jeweilige Entwurfssituation angepasst werden. Deshalb bietet das Programm sowohl für den evolutionären Prozess, wie auch für die Bewertungsfunktion unterschiedliche Einstellungs- und Gewichtungsmöglichkeiten. So kann der Benutzer für seine individuelle Entwurfsaufgabe seiner Verantwortung als Entwerfer gerecht werden. Die Ergebnisse aus dem Formgebungsverfahren sind nur bedingt als fertige Architektur zu verstehen. Vielmehr liefern sie grundsätzliche Konzeptansätze für mögliche akustische Räume. Deutlich wird dies beim Vergleich von Gestalten, die vom Formfindungsalgorithmus erzeugt wurden mit bestehenden Raumtypen. So liefert das Formgebungsverfahren, unter Verwendung der dem Originaltyp entsprechenden Quellen-Empfänger-Konstellation, ein alternatives Raumkonzept bei mindestens gleicher akustischer Qualität. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das entwickelte Formgebungsverfahren im Grundsatz funktioniert. Die erzeugten Ergebnisse weisen aber in ihrer architektonischen und ästhetischen Ausprägung noch Entwicklungspotential auf. Weiteres Potential besteht in der Ausweitung der untersuchten Performanzkriterien hinaus auf beispielsweise raumklimatische oder andere numerisch simulierbare Kriterien.
Architektonische Formfindung akustischer Räume mit Hilfe evolutionärer Algorithmen
Der Entwurf akustischer Räume, wie beispielsweise eines Konzertsaals oder einer Opernbühne, stellt für Architekten und Ingenieure, trotz technischer Hilfsmittel, nach wie vor eine große Herausforderung dar. Die vorliegende Arbeit möchte einen Beitrag zur Bewältigung dieser Herausforderung leisten. Sie untersucht grundsätzlich die Möglichkeit, Performanz relevante Kennwerte als entwurfsbestimmende Größen in den Entwurfsprozess zu integrieren. Die Leistungsfähigkeit oder Performanz von Raum ist schon seit Vitruv Gegenstand des theoretischen und praktischen Schaffens der Architekten. Diese Arbeit rückt die Raumakustik, die bisher eher eine nachgeordnete Rolle in der Wahrnehmung der Architekten spielt, in den Vordergrund und macht diese zum beispielhaften Untersuchungsgegenstand. Performative Entwurfsmethoden also Entwurfsmethoden, die die Leistungsfähigkeit als Entwurfs bestimmende Größe in den Prozess der Formfindung integrieren manifestieren sich beispielsweise in den Seifenblasenversuchen und den daraus entstandenen Tragwerken Frei Ottos. Durch die Entwicklung rechentechnischer Verfahren entstanden simulations- und evolutionsbasierte Verfahren zur Unterstützung von Entwurfsprozessen. Simulationsbasierte Gestaltoptimierungsverfahren aus dem Bauingenieurwesen oder regelbasierte Gestalterzeugungsverfahren aus dem Bereich der Architektur zeugen von der Entwicklung von analogen Verfahren zu numerisch-digitalen Methoden, die sich auch und nicht zuletzt evolutionären Prozessen bedienen. Mit dem Beginn Computer basierter Methoden in Naturwissenschaft und Ingenieurwesen beschäftigen sich schon in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts die Theoretiker mit der damit einhergehenden digitalen und seriellen Ästhetik. Nicht nur technische Kriterien werden im dem hier vorgestellten Verfahren angewendet, sondern auch die Suche nach einer Ästhetik, die sich aus dem numerisch-seriellen Ansatz ergibt, wirkt in die Entwicklung eines Formgebungsverfahrens für akustische Räume hinein. Basis für die Entwicklung ist die Erarbeitung der akustischen Grundlagen und deren Wirkung auf Material und Geometrie, also der Raumgestalt. Daneben werden die elementaren Bestandteile evolutionärer und genetischer Prozesse und ästhetischer Entwurfssysteme erarbeitet. Die Integration zu einem formgebenden Gestaltungsverfahren für akustische Räume erfolgt über die Verwendung einer raumakustischen Simulation als Hauptbestandteil der Bewertungsfunktion innerhalb eines genetischen evolutionären Prozesses. Basierend auf einer echtzeit-fähigen raumakustischen Simulation, wird eine für die vorliegende Aufgabe ausreichend genaue aber etwas vereinfachte Akustiksimulation entwickelt. Die Geometrie und Materialität der Gestalten wird auf Grundlage eines genetischen Codes entwickelt, der sich als Punkteliste manifestiert. In dieser Liste sind den Punkten entsprechend akustische Information über Absorptions- und Diffusionswerte zugeordnet. Das Syntheseverfahren bildet aus Punkten der genetische Codierung Tetraeder, die sich zu einer durchdringungsfreien und geschlossenen Hüllform verschmelzen. Der Tetraeder ist der 3-Simplex, also der einfachste 3-dimensionale Körper. Ähnlich dem Dreieck, mit welchem im 2-dimensionalen Bereich alle Formen angenähert werden können, ist diese beliebige Annäherung mit dem Tetraeder auch für Volumina möglich. Durch diese Verfahren ist gewährleistet, dass die Oberfläche der Gestalt immer stetig geschlossen ist, was die Grundlage für die Durchführung einer raumakustischen Simulation ist. Neben der Hülle ist auch die Quellen-Empfänger-Konstellation Bestandteil des akustischen Systems. Diese wird vom Benutzer als Entwurfsparameter in Form einer räumlichen Anordnung von Empfänger und Quellen vorgegeben und in der Simulation verwendet. Der jeweilige Entwurfsprozess ist nicht universell, sondern muss auf die jeweilige Entwurfssituation angepasst werden. Deshalb bietet das Programm sowohl für den evolutionären Prozess, wie auch für die Bewertungsfunktion unterschiedliche Einstellungs- und Gewichtungsmöglichkeiten. So kann der Benutzer für seine individuelle Entwurfsaufgabe seiner Verantwortung als Entwerfer gerecht werden. Die Ergebnisse aus dem Formgebungsverfahren sind nur bedingt als fertige Architektur zu verstehen. Vielmehr liefern sie grundsätzliche Konzeptansätze für mögliche akustische Räume. Deutlich wird dies beim Vergleich von Gestalten, die vom Formfindungsalgorithmus erzeugt wurden mit bestehenden Raumtypen. So liefert das Formgebungsverfahren, unter Verwendung der dem Originaltyp entsprechenden Quellen-Empfänger-Konstellation, ein alternatives Raumkonzept bei mindestens gleicher akustischer Qualität. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das entwickelte Formgebungsverfahren im Grundsatz funktioniert. Die erzeugten Ergebnisse weisen aber in ihrer architektonischen und ästhetischen Ausprägung noch Entwicklungspotential auf. Weiteres Potential besteht in der Ausweitung der untersuchten Performanzkriterien hinaus auf beispielsweise raumklimatische oder andere numerisch simulierbare Kriterien.
Architektonische Formfindung akustischer Räume mit Hilfe evolutionärer Algorithmen
Architectural formfinding of acoustic spaces with the use of evolutionary algorithms
Spaeth, Achim Benjamin (Autor:in) / Universität Stuttgart (Gastgebende Institution)
2014
Sonstige
Elektronische Ressource
Deutsch
DDC:
720
Architektonische Formfindung akustischer Räume mit Hilfe evolutionärer Algorithmen
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