유전알고리즘을 활용한 생성시스템 기반 건물 형태 생성에 관한 연구

Abstract

본 연구는 생성시스템으로 구축된 설계안이 대상지역의 자연적 특성에 최적화된 디자인을 찾아내는 방법의 제안을 목적으로 하며 이를 통해 최적화 알고리즘으로서 유전알고리즘을 사용한 생성시스템을 기반으로 건축설계를 지원 하는 방법의 제안을 목적으로 한다. 이 시스템에서 해당지역의 표준화된 기후특성 데이터는 기상데이터가 사용된다. 본 연구의 세부 목적은 다음과 같다.

● 탐색의 공간을 넓히는 방법으로 생성시스템 기반 디자인을 사용하여 해결 대안 개수의 증가가 미치는 영향을 확인한다. ● 최적의 대안을 검토 할 수 있게 하는 방법으로서 유전 알고리즘의 적용 가능성을 고찰한다. ● 기상데이터가 건물성능 디자인을 위한 건물 냉난방 부하량 시뮬레이션에 영향을 주는지에 관한 고찰을 한다. ● 건물의 형태 생성에 기상데이터가 영향을 주는가를 고찰한다.

상기의 목적을 달성 하기위하여 다음과 같은 방법을 이용하여 연구를 진행 하였다.

● 생성시스템 기반 디자인을 검토하기 위하여, 5가지 종류의 방법을 설정 하고 검토를 진행 하였다. ● Excel 기반 유전알고리즘 프로그램을 구축하여 건축 설계 분야의 적용가능성을 검토하기 위하여. Excel VBA(Visual Basic in Aprication)을 이용하여 유전 알고리즘을 구현 하여, 초기설계단계에 사용되어질 수 있는 목표면적에 최적화된 공간 형태를 찾아내는 실험을 진행 하였다. 기존 공개된 유전알고리즘 프로그램은 실험결과의 검토를 위한 데이터를 추출할 수 없었다. ● 기상데이터의 검토를 위하여 국내에서 사용할 수 있는 4종의 기상데이터의 상관관계를 비교 하였으며, Ecotect와 EcoDesigner 상에서 이 기상데이터를 이용하여 냉난방 부하량 시뮬레이션을 수행하여 기상데이터의 차이가 건물 에너지 시뮬레이션에 주는 영향을 분석 하였다. ● 생성시스템 기반 건물형태 생성에서 기상데이터의 차이로 인해 형상의 차이 발생여부를 동일 지역 상이한 기상데이터간의 차이, 동일종류 기상데이터 상이한 지역을 대상으로 그 결과를 분석 하였다. 이를 위해 Ecotect의 누적일사량 시뮬레이션 도구를 사용 하였다. 냉난방 부하량 시뮬레이션과 같은 방법은 생성시스템 플랫폼과의 연동 한계 등으로 인하여 제외 하였으며, 한국내의 지역만을 사용한 한계가 존재 한다.

본 연구를 통하여 유전알고리즘을 활용한 생성시스템 기반 디자인의 적용 효용성을 확인 하였으며, 세부적인 연구의 결과는 다음과 같다. ● 관련 연구 고찰 및 테스트를 통해 생성시스템 기반 디자인은 기존의 방법과 비교하여 문제를 해결할 수 있는 해의 개수를 극적으로 증가시킴을 확인할 수 있다. 또한 이를 통해 간과 되었던 잠재적인 해를 검토할 기회를 디자이너에게 제공함으로서 새로운 방법을 적용할 수 있는 기회를 제공한다는 사실을 확인 할 수 있다. 이를 통해 의도하지 않은 발견(Unexpected Discovery)의 기회를 더 많이 제공함이 확인 되었다. ● 2장의 실험에서 한계로 인식된 파라미터의 통합적 조절을 위해 엑셀을 이용하여 CAD 플랫폼과 독립적으로 사용하는 방법의 한계인 난수를 이용한 파라미터 조작의 한계를 극복하기위해 엑셀상에서 유전알고리즘을 구현하여 이 한계를 극복하였다. 또한 디자이너의 의도 및 디자인문제의 목표를 만족 시키는 최적 대안을 찾아냄을 확인 할 수 있었다. ● 국내에서 사용 할 수 있는 다양한 기상데이터들의 상관관계를 분석하여 기상데이터 간에 차이가 있음을 확인 하였으며, 건물 냉난방 부하량 시뮬레이션 결과 많은 차이를 보임을 확인 할 수 있었다. ● 누적일사량 시뮬레이션을 통한 건물형상의 생성과정에서 기상데이터의 차이가 영향을 주는 결과를 확인 할수 있었다. 하지만 그 차이는 냉난방 부하량 시뮬레이션 결과와 비교하면 그 차이가 크지 않음을 확인하였다.

생성시스템 기반 디자인이 디자이너의 창의적이며 혁신적인 디자인에 도움을 주며, 디자인생성시스템을 통해 생성된 많은 대안들이 디자인의 질적 향상에 영향을 줄수 있다는 사실을 확인 했으나, 실제 디자이너를 대상으로 프로토콜 분석방법(Protocol Analysis)을 이용한 실험을 통한 확인이 필요하다. 본 연구에서 개발한 Excel 기반 유전 알고리즘 프로그램을 이용하여 공간의 단순형태 뿐만 아니라, 공간의 관계 등을 이용한 자동 공간 배치에 관한 연구 가 필요하다. 하지만 이 문제는 유전 알고리즘 프로그램의 문제가 아니라 이 문제를 정형화시키고 논리적으로 표현 하는 방법에 집중 하여야 한다. 또한 3차원 형상을 이용하는 시뮬레이션(에너지 및 환경 분석 등)과 연결하여 사용하는 방법을 개발하지 못하였으므로 이를 위한 추가 연구가 필요하다. 지역 환경 특성에 최적화된 건물의 설계에 본 연구에서 제시된 방법이 효과적이라는 사실이 입증이 되었으나, 본 연구에서 진행된 실험대상이 단순한 문제가 있으므로 이를 좀 더 복잡한 형태 및 에너지 시뮬레이션 및 실내 조도 시뮬레이션 결과와 통합 할 수 있는 방법이 개발되어야만 좀 더 유용한 결과를 제시 할 수 있다.|This Research consist of 2 main objectives which propose a method of searching optimized design alternative suited natural properties of a site among design alternatives created by the design generative system and propose a method of support architectural design based with design based on generative system using genetic algorithm. Weather data is used as design parameter in this research. A detailed objectives are like bellow:

● To Verify influence of design based on generative system in increase ● of the quantity of design alternative for expand of search space. ● To investigate an application possibility of genetic algorithm as a method to examine an optimized alternative. ● To study influence of weather data to heating and cooling load simulation for performative design. ● To examine influence of weather data to creation of a form of building.

For the objectives, research methods as bellow are used and this research is run with them.

● 5 types of methods of design based on generative design is investigating. ● Excel based genetic algorithm is developed for investigating on application possibility of the architectural design domain. In this research, the developed Excel based genetic algorithm platform is used to find optimized space shape on target area. ● 4 types of weather data are investigated with correlation analysis method and an influence of weather data on heating and cooling load simulation with Ecotect and Ecodesigner as simulator. ● A difference of form of building created by design generative system according to which weather data is used are investigated. For this investigation Ecotect as simulator of solar radiation, Grasshopper as generative system platform and Galapagos as genetic algorithm platform are used. This method has a limitation because of used weather data are only in Korea.

The benefits of application of design based on generative system is confirmed through this research. the detailed results are like bellow:

● The fact of design based on generative system can increased the number of possible solutions dramatically is confirmed through review of related research and the test run on chapter 2. Futhermore, the design based on generative system can give designer more chance to adapt new design solution with giving chance to review potential design solution which are ignored in traditional design manner. In design based on generative system, Unexpected discovery can be appeared more than in traditional design process. ● The fact of Genetic algorithm can serve designer to find and review optimized design alternatives is confirmed. ● The difference among weather data which are useable in Korea is confirmed through an result of corelation analysis and heating and cooling simulation. ● A difference of weather data influence on creation of building form by design generative system can be confirmed.

A survey research is required that using proper research method such as Protocol analysis to verify whether design based on generative system can serve designer to design in creative and innovative. Even if it is confirmed in our research, the research has a limitation which not on human designer’s behaviour with it. The genetic algorithm platform based on Excel which developed in this research must be developed to extend space layout problem which consider not only shape of space also relationship of each space. However it is not on genetic algorithm itself, it is on how the problem represent logically for genetic algorithm. The method used in this research which creates building form with generative system, genetic algorithm, weather data, and simulator is confirmed as effective method in from finding. It must consider integration of possible simulation such as heating and cooling load, day light, and thermal comfort etc for this method. In fact, the method is not fully satisfy natural environment situation because of a lack of simulation.; This Research consist of 2 main objectives which propose a method of searching optimized design alternative suited natural properties of a site among design alternatives created by the design generative system and propose a method of support architectural design based with design based on generative system using genetic algorithm. Weather data is used as design parameter in this research. A detailed objectives are like bellow:

● To Verify influence of design based on generative system in increase ● of the quantity of design alternative for expand of search space. ● To investigate an application possibility of genetic algorithm as a method to examine an optimized alternative. ● To study influence of weather data to heating and cooling load simulation for performative design. ● To examine influence of weather data to creation of a form of building.

For the objectives, research methods as bellow are used and this research is run with them.

● 5 types of methods of design based on generative design is investigating. ● Excel based genetic algorithm is developed for investigating on application possibility of the architectural design domain. In this research, the developed Excel based genetic algorithm platform is used to find optimized space shape on target area. ● 4 types of weather data are investigated with correlation analysis method and an influence of weather data on heating and cooling load simulation with Ecotect and Ecodesigner as simulator. ● A difference of form of building created by design generative system according to which weather data is used are investigated. For this investigation Ecotect as simulator of solar radiation, Grasshopper as generative system platform and Galapagos as genetic algorithm platform are used. This method has a limitation because of used weather data are only in Korea.

The benefits of application of design based on generative system is confirmed through this research. the detailed results are like bellow:

● The fact of design based on generative system can increased the number of possible solutions dramatically is confirmed through review of related research and the test run on chapter 2. Futhermore, the design based on generative system can give designer more chance to adapt new design solution with giving chance to review potential design solution which are ignored in traditional design manner. In design based on generative system, Unexpected discovery can be appeared more than in traditional design process. ● The fact of Genetic algorithm can serve designer to find and review optimized design alternatives is confirmed. ● The difference among weather data which are useable in Korea is confirmed through an result of corelation analysis and heating and cooling simulation. ● A difference of weather data influence on creation of building form by design generative system can be confirmed.

A survey research is required that using proper research method such as Protocol analysis to verify whether design based on generative system can serve designer to design in creative and innovative. Even if it is confirmed in our research, the research has a limitation which not on human designer’s behaviour with it. The genetic algorithm platform based on Excel which developed in this research must be developed to extend space layout problem which consider not only shape of space also relationship of each space. However it is not on genetic algorithm itself, it is on how the problem represent logically for genetic algorithm. The method used in this research which creates building form with generative system, genetic algorithm, weather data, and simulator is confirmed as effective method in from finding. It must consider integration of possible simulation such as heating and cooling load, day light, and thermal comfort etc for this method. In fact, the method is not fully satisfy natural environment situation because of a lack of simulation.