Konzeption und Realisierung einer interaktiven Systems für Innenraumplanung unter ...

116 Pages·2007·1.94 MB·German

Konzeption eines interaktiven Assistenzsystems zur Innenraumaufteilung
im Rahmen architektonischer Entwurfsprozesse

Diplomarbeit

Betreuer: Dr. Thomas Barkowsky, Sven Bertel
Erstgutachter: Dr. Thomas Barkowsky
Zweitgutachterin: Prof. Dr. Kerstin Schill

vorgelegt von: Kai Hoffmann
Matrikelnummer 1443283
Ringstr. 111
27572 Bremerhaven
0471/4899935

[email protected]
Danksagung
Ich möchte Dr. Thomas Barkowsky und Sven Bertel für ihre fachliche Beratung und
stets konstruktive Unterstützung während der Entstehung dieser Arbeit danken.
Weiterhin danke ich meinen Eltern und Freunden, die mir während dieser Zeit den
Rücken gestärkt und mich unterstützt haben.
I I
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................ III
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................. VI
Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. VII
Definitionsverzeichnis .................................................................................................. VIII
1 Einleitung ...................................................................................................................... 1
1.1 Motivation .............................................................................................................. 1
1.2 Fragestellung der Arbeit ........................................................................................ 3
1.3 Zielsetzung ............................................................................................................. 3
1.4 Methodisches Vorgehen ........................................................................................ 4
1.5 Aufbau der Arbeit .................................................................................................. 5
2 Grundlagen .................................................................................................................... 7
2.1 Grundrissplanung im architektonischen Entwurfsprozess ..................................... 7
2.2 Einsatz von Computern in der Architektur ............................................................ 8
2.2.1 Funktionsspektrum kommerzieller CAAD-Software ................................... 9
2.2.2 Unterstützung konzeptueller Grundrissplanung ......................................... 10
2.3 Modellierung mit Constraints .............................................................................. 11
2.3.1 Deklarative Beschreibung von Designproblemen ...................................... 11
2.3.2 Constraints als deklaratives Modellierungsmittel ...................................... 11
2.4 Räumliche Layoutplanung ................................................................................... 12
2.4.1 Grundbegriffe ............................................................................................. 12
2.4.2 Planungsvorgaben ...................................................................................... 13
2.4.3 Constraints für räumliche Layoutplanung .................................................. 14
2.4.4 Konzeptionelle Einordnung ........................................................................ 14
2.4.5 Komplexität ................................................................................................ 16
2.4.6 Lösungen räumlicher Layoutplanungsprobleme ........................................ 17
2.5 Computerunterstützte Grundrissplanung ............................................................. 17
2.5.1 Grundrissplanung – Besonderheiten und Probleme ................................... 17
2.5.2 Interaktive Innenraumlayoutplanung ......................................................... 19
2.5.3 Paradigmen interaktiver Entwurfsunterstützung ........................................ 20
3 Räumliche Layoutplanung – State of the Art ............................................................. 22
3.1 Repräsentation von LP-Problemen ...................................................................... 22
3.2 Grundsätzliche Herangehensweisen .................................................................... 23
3.3 Allgemeine Strategien und Ansätze zur Verbesserung der Effizienz .................. 24
3.3.1 Optimale und heuristische Verfahren ......................................................... 24
3.3.2 Mehrstufige Lösungsverfahren .................................................................. 25
3.3.3 Interaktion .................................................................................................. 26
3.4 Constraint Satisfaction ......................................................................................... 26
3.5 Metaheuristische Verfahren ................................................................................. 27
3.5.1 Simulated Annealing .................................................................................. 27
3.5.2 Genetische Algorithmen ............................................................................. 28
3.6 Generative Verfahren ........................................................................................... 29
3.6.1 Rectangular Dissection ............................................................................... 29
3.6.2 Shape Grammars ........................................................................................ 29
II I
3.7 Sonstige Verfahren .............................................................................................. 29
3.8 Existierende LP-Systeme ..................................................................................... 30
3.8.1 LOOS ......................................................................................................... 30
3.8.2 WRIGHT .................................................................................................... 31
3.8.3 IDIOM ........................................................................................................ 33
3.9 Zusammenfassung ............................................................................................... 34
4 Konzeption .................................................................................................................. 35
4.1 Definition und Abgrenzung des Funktionsumfangs ............................................ 36
4.2 Überlegungen zum Lösungsverfahren ................................................................. 37
4.3 Charakterisierung des interaktiven Entwurfsprozesses ....................................... 38
4.4 Modellierung des Grundrissproblems .................................................................. 39
4.4.1 Konkretisierung des Grundrissplanungsproblems ..................................... 39
4.4.2 Räumliches Datenmodell ........................................................................... 41
4.4.2.1 Anforderungen ................................................................................ 41
4.4.2.2 Optionen ......................................................................................... 42
4.4.2.3 Entwicklung des räumlichen Datenmodells ................................... 43
4.4.2.4 Operationen auf der räumlichen Datenstruktur .............................. 46
4.5 System-Architektur .............................................................................................. 47
4.5.1 Komponenten und Module ......................................................................... 48
4.5.2 Prozessablauf .............................................................................................. 49
4.5.3 Prozesssteuerung ........................................................................................ 54
4.5.4 Entscheidungsbaum .................................................................................... 55
4.6 Constraints für konzeptuelle Grundrissplanung .................................................. 56
4.6.1 Auswahl der Constraints ............................................................................ 56
4.6.2 Operationalisierung von Constraints .......................................................... 58
4.6.3 Charakterisierung der Constraints .............................................................. 62
4.7 Heuristiken ........................................................................................................... 64
4.7.1 Platzierungsheuristiken .............................................................................. 64
4.7.2 Objekt-Auswahl-Heuristiken ..................................................................... 65
4.7.3 Heuristiken zur Verbesserung der Raumausnutzung ................................. 66
4.8 Constraintverarbeitung ........................................................................................ 67
4.8.1 Constraint Propagation ............................................................................... 67
4.8.2 Fehlende Bezugsobjekte ............................................................................. 68
4.8.3 Look-ahead ................................................................................................. 69
4.8.4 Berücksichtigung constraintspezifischer Charakteristika .......................... 70
4.8.5 Algorithmen ............................................................................................... 72
4.8.5.1 Constraint Processing Algorithmus ................................................ 73
4.8.5.2 Algorithmus für Konsistenzprüfung ............................................... 76
5 Implementierung ......................................................................................................... 79
5.1 Funktionsumfang ................................................................................................. 79
5.2 Allgemeines zur Implementierung ...................................................................... 80
5.2.1 Räumliche Datenstruktur ............................................................................ 80
5.2.2 Repräsentation und Verarbeitung von Grundrissplanungsproblemen ....... 84
5.2.3 Grafische Benutzeroberfläche .................................................................... 87
5.3 Demonstration ...................................................................................................... 92
6 Fazit ............................................................................................................................ 97
6.1 Zusammenfassung ............................................................................................... 97
IV
6.2 Ausblick ............................................................................................................... 98

Anhang ............................................................................................................................ 99
Anhang A: Tabellarischer Vergleich von LP-Systemen ............................................. 99
Anhang B: Klassendiagramm zum GeoLayer .......................................................... 100
Anhang C: Inhalt der CD .......................................................................................... 101
Literatur .................................................................................................................... 103
Erklärung .................................................................................................................. 108

V
Abkürzungsverzeichnis
EB Erfüllungsbereich eines Constraints
EB Gesamterfüllungsbereich für ein zu platzierendes Objekt unter Be-
gesamt
rücksichtigung der mit ihm verbundenen Constraints
CAD Computer Aided Design
CAAD Computer Aided Architectural Design
CSP Constraint Satisfaction Problem
GDI Graphics Device Interface, eine Grafik-Programmierschnittstelle des
Betriebssystems Microsoft Windows
GIS Geoinformationssystem
GPP Grundrissplanungsproblem
GUI Graphical User Interface
ID Identifikationsnummer
ILPA Interaktiver Layoutplanungsassistent
IP-1 Ilpa Prototyp 1
KI Künstliche Intelligenz
LP Layoutplanung (räumliche)
LPP Layoutplanungsproblem
MFC Microsoft Foundation Classes, objektorientierte Klassenbibliotheken
zur Realisierung grafischer Benutzeroberflächen
NEB Nichterfüllungsbereich eines Constraints
OO Objektorientiert
OOP Objektorientierte Programmierung
QSR Qualitative Spatial Reasoning
RKG Raumkonfigurationsgraph
STL C++ Standard Template Library
UML Unified Modeling Language
VLSI Very Large Scale Integration, Entwurf hochintegrierter Schaltungen
VO Visualisierungsobjekt (zur Darstellung eines Datentyps über das GUI)
XML Extensible Markup Language

V I
Abbildungsverzeichnis
Abb. 2.1 Unterstützung verschiedener Designphasen bei aktuellen CAAD-Anwendungen .............. 10
Abb. 4.1 Bestandteile einer Planungsspezifikation in ILPA ............................................................... 40
Abb. 4.2 Repräsentation eines Grundrisses durch einen Raumkonfigurationsgraph .......................... 43
Abb. 4.3 Konzeptionelle Architektur von ILPA ................................................................................. 48
Abb. 4.4 Flussdiagramm zum Ablauf des interaktiven Entwurfsprozesses. ....................................... 50
Abb. 4.5 Flussdiagramm zum Ablauf bei der interaktiven Platzierung eines Objekts. ....................... 51
Abb. 4.6 Flussdiagramm zum Ablauf der manuellen Platzierung eines Objekts ................................ 52
Abb. 4.7 Schematische Darstellung der Bereinigung der Freifläche .................................................. 59
Abb. 4.8 Schematische Darstellung des sliding-Algorithmus ............................................................ 60
Abb. 4.9 Kategorien der in ILPA unterstützten Constraints ............................................................... 63
Abb. 4.10 Constraint Processing-Algorithmus. ................................................................................... 74
Abb. 4.11 Constraint Propagation-Algorithmus .................................................................................. 75
Abb. 4.12 Subroutine zur Ermittlung des Erfüllungsbereichs eines Objekts. ...................................... 75
Abb. 4.13 Algorithmus zur Validierung einer gegebenen Raumkonfiguration .................................... 77
Abb. 5.1 Schematische Darstellung der RKG-Datenstruktur ............................................................. 81
Abb. 5.2 UML-Klassendiagramm zur RKG-Datenstruktur ................................................................ 82
Abb. 5.3 UML-Klassendiagramm zur Planungsaufgabe .................................................................... 84
Abb. 5.4 Hauptfenster von IP-1.. ........................................................................................................ 87
Abb. 5.5 Planungsjob-Editor von IP-1 ................................................................................................ 88
Abb. 5.6 Constraint-Editor von IP-1 ................................................................................................... 89
Abb. 5.7 Raumkonfigurations-Explorer von IP-1.. ............................................................................. 91
Abb. 5.8 Planungsaufgabe des Beispielszenarios. .............................................................................. 92
Abb. 5.9 Anzeige des NEB des markierten save-doors-Constraint für Büro3 ............................. 93
Abb. 5.10 Anzeige des EB des markierten neben-Constraint für Büro3 ............................................ 94
Abb. 5.11 Anzeige des NEB des markierten minDist-Constraint für Büro3 .................................... 94
Abb. 5.12 Anzeige des Gesamterfüllungsbereich für Büro3 ................................................................ 95
Abb. 5.13 Instanzierung von Büro3 ...................................................................................................... 96
Abb. 6.1 Tabellarischer Vergleich von LP-Systemen ......................................................................... 99
Abb. 6.2 UML-Klassendiagramm zum GeoLayer ............................................................................ 100
Abb. 6.3 Tabellarische Auflistung der wichtigsten Quellcode-Dateien ............................................ 102

V II
Definitionsverzeichnis
Def. 4.1 Raumkonfigurationsgraph ……………………………………………………. S. 44
Def. 4.2 Raumecke ……………………………………………………………………... S. 44
Def. 4.3 Raumkante ……………………………………………………………………... S. 44
Def. 4.4 Raum …………………………………………………………………………… S. 44
Def. 4.5 Elementarkante ………………………………………………………………….. S. 45
Def. 4.6 Verbundkante …………………………………………………………………… S. 46

VI II
1 Einleitung
In dieser Arbeit werden räumliche Layoutprobleme aus dem Bereich der Architektur
betrachtet: die Konzeption von Innenraumaufteilungen im Rahmen des architektoni-
schen Gebäudeentwurfs, die auch kurz als Grundrissplanung bezeichnet werden kann.
1.1 Motivation
Neben Aspekten der äußeren Gestaltung ist ein durchdachtes Innenraumkonzept ein
entscheidendes Qualitätskriterium für Architektur. Die Innenraumaufteilung wirkt sich
unmittelbar auf die Performance, das heißt die Relation zwischen der erwarteten Funk-
tionalität und dem tatsächlichen Nutzwert bzw. Gebrauchsverhalten eines Gebäudes,
aus. Die einzelnen Räume eines Grundrissentwurfs stehen in einer wechselseitigen Be-
ziehung: Entscheidungen über die Form, Dimensionierung und Position eines Raumes
schränken die Möglichkeiten und Freiheiten bei der Planung weiterer Räume ein. Eben-
so können sich durch das Hinzufügen eines einzelnen Raumes erhebliche Auswirkungen
auf die Performance anderer Räume und des Gebäudes insgesamt ergeben [nach
Rick00].
Die Entwicklung von Gebäudeentwürfen mit hoher Performance ist ein erklärtes Ziel
der Architekturplanung. Im Vorfeld der Grundrissplanung müssen funktionale Anforde-
rungen als konkrete Planungsvorgaben formuliert werden. Bei der Konzeption von In-
dustrie- und Bürogebäuden kommt es beispielsweise darauf an, dass die Innenraumauf-
teilung an die Erfordernisse der betrieblichen bzw. funktionalen Abläufe angepasst ist
[Wal97]. In diesem Bereich könnten Performancevorgaben etwa folgendermaßen aus-
sehen:
• Einzelne Räume, aber auch ganze Abteilungen, zwischen denen häufig verkehrt
wird, sollten benachbart sein oder nahe beieinander liegen.
• Räume, deren Nutzungszwecke miteinander in Konflikt stehen, sollten räumlich
getrennt werden (Lärm- und Geruchsentwicklung, Sicherheitsbestimmungen,
Brandschutz, Hygiene, soziale Aspekte) [Rick00]. Bei Räumen mit ähnlichen
Anforderungen kann hingegen eine Gruppierung sinnvoll sein [Zhang99].
• Räume, die von vielen Stellen des Gebäudes aus regelmäßig frequentiert wer-
den, sollen möglichst zentral liegen.
• In das Gebäude einfallendes Tageslicht sollte optimal genutzt werden
[Zhang99].
• Das Gebäude soll (trotz seiner Größe) übersichtlich strukturiert sein, alle Ge-
bäudeteile sollen gut erreichbar sein.
Je größer und weitläufiger ein Gebäude ist, desto wichtiger ist ein durchdachtes räumli-
ches Konzept. Bei zunehmender Gebäudegröße wird die Planung der Innenraumauftei-
1
lung aber immer komplexer: Mit der Anzahl der Räume erhöht sich auch die Anzahl der
wechselseitigen Beziehungen und Abhängigkeiten. Dabei wird der Architekt mit ver-
schiedenen Problemen konfrontiert: Das Planungsproblem wird zunehmend unübersich-
tlich, es wird immer mühsamer und zeitaufwendiger alle planungsrelevanten Informa-
tionen und Vorgaben im Blick zu behalten und angemessene räumliche Entscheidungen
zu treffen [Zhang99]. Es wird immer schwieriger Entwürfe zu finden, die möglichst
allen Anforderungen gerecht werden. Je komplexer das Problem ist, desto eher kommt
es zu Konflikten zwischen verschiedenen Planungsvorgaben, eine optimale Lösung ist
dann unter Umständen gar nicht möglich. In solchen Fällen gilt es Kompromisse einzu-
gehen, um zu einem akzeptablen Entwurf zu gelangen [Wal97].
Hier können sich rechnerbasierte Ansätze zur Bewältigung der wachsenden Komplexi-
tät als sinnvoll erweisen [Bay95]. Die Automatisierung bestimmter Arbeitsschritte, etwa
die Überprüfung von (formal erfassbaren) Planungsbedingungen, könnten dazu beitra-
gen Planungsfehler zu verhindern oder frühzeitig zu erkennen [Koch91] und die Quali-
tät der produzierten Entwürfe insgesamt zu verbessern [Bay95]. Die Visualisierung pla-
nungsrelevanter Informationen, etwa von verletzten Planungsbedingungen, könnte ge-
rade bei umfangreicheren Planungsproblemen zu mehr Transparenz führen und dazu
beitragen, die Entscheidungsfindung zu erleichtern. Durch Ansätze zur Entscheidungs-
unterstützung in Verbindung mit den allgemeinen Vorteilen rechnerbasierter Lösungen
bei der Verwaltung von Daten wird ein schnelles Erkunden und Vergleichen alternativer
Innenraumaufteilungen ermöglicht [Reff05].
Weitere Möglichkeiten liegen im Bereich der (teil-) automatisierten Generierung von
Innenraumlayouts. Denkbar ist, dass ein solches System, von einem fertigen Entwurf
ausgehend, eine Reihe alternativer Layoutentwürfe mit ähnlichen Eigenschaften ermit-
telt. In der Literatur sind verschiedene Systeme beschrieben, die zu einer formal spezifi-
zierten Layoutplanungsaufgabe (z.B. einer Menge von vorgegebenen oder parametrisch
bestimmten Räumen und einer Menge von Planungsvorgaben) eine Reihe von Innen-
raumlayout-Entwürfen generieren (vgl. Kapitel 3). Die Entwürfe solcher Layoutgenera-
toren sind (aufgrund verschiedener noch darzulegender Einschränkungen) nicht immer
praxistauglich (vgl. 2.5.1), können dem Planer aber neue Impulse und Denkanstöße für
die Entwicklung eigener Designalternativen geben [Zhang99].
In bisherigen (kommerziellen) Softwareanwendungen für Architekturplanung wird die
frühe Phase der Grundrissplanung meist ausgespart oder nur rudimentär unterstützt (vgl.
2.2.2). Architekten arbeiten hier traditionell meist mit handgefertigten Skizzen [Nagl05,
Lip00, Haap00], obwohl sie gerade in diesem - tendenziell fehleranfälligen und zeit-
aufwendigen - Entwurfsstadium von rechnergestützten Entwurfsmethoden profitieren
könnten.
Diese Ausführungen zeigen, dass der Einsatz von computerbasierten Planungsunterstüt-
zungs- und Validierungswerkzeugen (softwarebasierten Modellierungswerkzeugen,
interaktiven Assistenzsystemen) zu einer Verbesserung (Vereinfachung, Beschleuni-
gung, Intensivierung, Ergebnisorientiertheit) des Entwurfsprozesses beitragen kann und
somit auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten interessant ist.
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