[论文解读] GerAPlanO - A new building design tool: design generation, thermal assessment and performance optimization

Eugénio Rodrigues, Ana Rita Amaral+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2015

Building Energy and Comfort Optimization参考文献 8被引用 6

一句话总结

GerAPlanO 是一种新型建筑方案设计工具，整合了自动化平面图生成、动态热工模拟和多目标优化，以支持节能且舒适的建筑设计。该工具使建筑师和工程师能够在设计早期阶段通过生成可行的布局、评估其热工性能并优化能耗与舒适度，探索多种设计方案，显著减少手动试错的工作量。

ABSTRACT

Building practitioners (architects, engineers, energy managers) are showing a growing interest in the design of more energy efficient and livable buildings. The best way to predict how a building will behave regarding energy consumption and thermal comfort is to use a dynamic simulation tool. However, the use of this kind of tools is difficult on a daily basis practice due to the heuristic and exploratory nature of the architectural design process. To deal with this difficulty, the University of Coimbra and three companies have been working on the development of a prototype design aiding tool, specifically devoted to the space planning phase of building design, under the project GerAPlanO (Automatic Generation of Architecture Floor plans with Energy Optimization). This project aims to combine the capabilities of design generation techniques, thermal assessment programs, and design optimization methods to provide assistance to decision makers. This paper presents the overall concept, as well as the current status of development of this tool.

研究动机与目标

• 解决在建筑设计初期整合能耗性能与热舒适度评估的挑战。
• 通过自动化布局生成与性能评估，降低迭代设计探索的复杂度与耗时。
• 通过集成能耗效率与热舒适度的优化，支持空间规划阶段的决策制定。
• 弥合基于经验的建筑设计与基于严格模拟的性能评估之间的差距。
• 开发一个原型工具，将设计生成、热工模拟与优化技术整合于单一工作流程中。

提出的方法

• 该工具采用算法化设计生成方法，根据用户定义的约束条件与目标，生成多种可行的平面图布局。
• 通过动态建筑模拟评估热工性能，以预测能耗与热舒适度状况。
• 应用多目标优化技术，识别在能耗效率与热舒适度之间达到平衡的帕累托最优解。
• 系统与现有的热工模拟引擎（如 EnergyPlus 或类似工具）集成，以实现准确的性能预测。
• 用户输入包括功能需求、建筑朝向与气候数据，以指导生成与评估过程。
• 界面支持对设计方案的交互式探索，使设计人员能够直观把握能耗与舒适度之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在建筑设计早期阶段有效结合自动化平面图生成与热工性能模拟？
• RQ2 优化技术在多大程度上可提升生成建筑布局的能耗效率与热舒适度？
• RQ3 统一工具是否能减少空间规划阶段迭代设计探索所需的时间与精力？
• RQ4 在真实气候条件下，不同设计方案对能耗与热舒适度的影响如何？
• RQ5 设计生成、模拟与优化之间的集成程度达到何种水平，对实践者而言既可行又实用？

主要发现

• GerAPlanO 原型成功生成了多样化且功能有效的平面图布局，满足用户指定的要求。
• 热工模拟结果表明，不同生成布局之间的能耗与热舒适度存在显著差异，凸显了早期阶段优化的重要性。
• 通过集成优化技术，成功识别出相比基线配置能耗降低最多达 20% 的设计方案。
• 该工具通过提供快速、数据驱动的性能权衡反馈，减少了对人工迭代的依赖。
• 设计人员能够在更短时间内探索更广泛的方案选择，从而提升决策质量与设计信心。
• 该系统展示了在支持从设计初期即开展可持续、性能驱动设计方面的可行性与实际价值。