Simple genetic algorithm applied to geometric design : an analysis on building energy performance towards automatic design

This thesis is about showing how evolutionary processes can be applied to building design. The conceptual basis of this thesis are the bioclimatic approach architecture theories and evolutionary programming; the aim is to use both the concept to study and apply specialized evolutionary processes to building shape optimization. The starting point will be the observation that the natural selection is applied also in vernacular architecture, and that it follows straight rules that have been observed and described by Victor Olgyay in 60s. These rules will be applied to the concept of evolutionary algorithm to produce a solver that is more specialized in optimize building shape from the energy efficiency point of view. After that will be analysed and described the different components needed to apply the mentioned theories. These are used to produce procedural mutations of a given building model, to calculate the raw fitness score and to select the individuals that, having the higher fitness, will survive to the next generation. This stage’s role is aimed to generate a series of buildings, or individuals, which inherit preliminary specifications of building components, but with different characteristics. The final part will be an analysis, showing the results, of a prototype built to study how genetic algorithm work. The analysis will be done generation by generation showing pros and cons of the system and all the mechanism that make it work.

La tesi tratta di come gli algoritmi genetici possano essere applicati al design degli edifici, le basi concettuali della tesi sono l’approccio alle teorie dell’architettura bioclimatica e la programmazione evolutiva. L’obiettivo è quello di usare entrambi i concetti per studiare a applicare un processo evolutivo in forma specializzata per ottimizzare la forma di un semplice edificio. Il punto di partenza sarà l’osservazione di come la selezione naturale viene applicata nell’architettura vernacolare e seguirà la definizione delle regole osservate e descritte da Victor Olgyay negli anni ’60. Queste regole saranno applicate al concetto di algoritmo evolutivo per produrre un risolutore più specializzato dei tipici solutori generici per ottimizzare la forma di un edificio la punto di vista dell’efficienza energetica. Dopodiché saranno analizzate e descritte le diverse componenti necessarie ad applicare le teorie analizzate, Queste sono usare per produrre mutazioni procedurali ad un semplice modello di edificio per calcolare un valore definito “raw fitness score” utilizzato per selezione gli individui, che, caratterizzati da un fitness score più alto, sopravviveranno di generazione in generazione. L’obiettivo di questa parte sarà quello di generare una serie di edifici, o individui, che erediteranno tratti specifici delle componenti degli edifici ma con caratteristiche differenti. La parte finale sarà quella di analizzare questi edifici, mostrando i risultati, prodotti da un prototipo costruito apposta per studiare il comportamento degli algoritmi evolutivi. L’analisi verrà fatta generazione dopo generazione mostrando aspetti positivi e negativi e tutti i meccanismi che permettono all’algoritmo di funzionare.