Research
Algoritmos Genéticos como Estrategia de Diseño en Arquitectura
Carlos Ignacio de la Barrera Poblete Programa de Doctorado “Comunicación Visual en Arquitectura y Diseño” Escola Tècnica Superior d’Arquitectura de Barcelona Universitat Politécnica de Catalunya Director: Dr. Javier Monedero Barcelona, Septiembre 2010 Dpto. Expresión Gráfica Arquitectónica
NOTA_
El 27 de Enero 2011, presenté la tesis para doctor en la ETSAB-UPC, sobre Algoritmos Genéticos AGs aplicados a la arquitectura. La tesis se divide básicamente en 4 partes.
- La primera parte explica que son los AGs, que partes tienen, como funcionan, etc.
- La segunda parte corresponde al estado del arte, que se ha hechos antes. Aquí encontrarán ejemplos (sólo unos pocos) de AGs, aplicados a la arquitectura e ingeniería.
- La tercera parte explica los diferentes programas que probé para crear los AGs
- Y finalmente la cuarta parte son 4 proyectos donde se aplican AGs a problemas relacionados con la arquitectura.
RESUMEN_
Este trabajo de investigación consiste en el desarrollo de una serie de Algoritmos Genéticos (AGs) aplicados a diferentes escalas arquitectónicas. El objetivo consiste en desarrollar una serie de AGs aplicados a la arquitectura para optimizar y proponer diseños.
La selección natural de Darwin, plantea que el medio ambiente puede favorecer o desfavorecer la reproducción de organismos dependiendo de sus características. Los descendientes de los organismos heredan parte de sus características y propiedades que determinan su adaptación al medio. Por lo tanto, los organismos menos aptos tienen menos opciones de sobrevivir que los más. Iterar este proceso es lo que se conoce como evolución de las especies.
Entre los años 1950 y 1960 una serie de científicos comenzaron a estudiar de manera independiente la evolución de las especies, con la idea de que podría ser usada como herramienta de optimización y búsqueda. El proceso consiste en crear aleatoriamente una población de candidatos a un problema. Luego cada individuo es evaluado y ordenado dependiendo de su resultado. Los individuos más aptos (mejor evaluados) tendrán más opciones de cruzarse que los menos. Por lo tanto su ADN (digital) se propagará más rápido por la población. Con esto, la media de resultado de la población mejora con cada generación del AG.
Los Algoritmos Genéticos fueron inventados por John Holland entre los años 1960 y 1970. Su objetivo general fue estudiar el fenómeno de adaptación que ocurre en la naturaleza y desarrollar las vías en el cuál estos mecanismos de adaptación natural pueden ser importados a sistemas computacionales. Durante la tesis se desarrollaron 4 AGs aplicados a la arquitectura.
Estos son:
MACRO ESCALA_
Un AG para resolver el problema Travelling Sales Problem (TSP) es adaptado para encontrar el camino más cortó entre una lista de edificios, proponiendo volumetría y orientación de acorde a los más cercanos en la ruta. Por cada uno de los puntos donde pasa la ruta, existe un volumen que representa un edificio, este se escala dependiendo de la distancia entre los otros edificios y también se orienta dependiendo del sentido de la ruta. El resultado es una serie de volúmenes relacionados espacialmente entre sí. Que crean espacios, los cuales pueden ser reconocidos como plazas, caminos, zonas más abiertas y otras más protegidas.
MEDIA ESCALA_
Un AG deberá satisfacer una serie de restricciones espaciales y volumétricas que se oponen entre ellas. Este AG propone formas en base a restricciones. Una lista de 1s y 0s (1010) representa una serie de cubos apilados entre sí forman un paralelepípedo de base para las pruebas. Las restricciones que debe cumplir son: Maximizar el volumen, minimizar el área de ocupación de suelo, buscar información dentro de su ADN y penalizar la distancia de cubos a objetos. La forma final es el resultado de todas las restricciones buscando el óptimo que no perjudique a ninguna sin tener que favorecer a otra.
MICRO ESCALA_
Se utiliza un AG para organizar espacialmente un recinto, dependiendo de sus áreas y su ubicación dentro del perímetro del edificio. El proceso está basado en un diagrama de Voronoi, para subdividir el espacio y un AG para ajustar las áreas de los diferentes recintos dentro de la planta.
OPTIMIZACIÓN_
Este proyecto responde la pregunta de cuál es la mejor forma, distribución y tamaño de ventanas que consuma el menor gasto de calefacción y aire acondicionado durante el día más caliente y más frio del año. La propuesta de este trabajo consiste en optimizar un edificio modificando sus aperturas y geometría para reducir los consumos de calefacción y aire acondicionado. El objetivo consiste en mantener la temperatura a 20ºC en el día más caliente y más frio del año usando la menor energía posible.
DOCUMENTACIÓN_
Está es la versión de tesis final.
La portada de la tesis.
La imagen central de la tesis está tomado del libro de Dirk Bornhorst, “Arquitectura Ciencia y Tao”, publicado en Caracas y editado por Ecología y Artitura en 1991. pág 78. El dibujo es de Marcelo Maturana.
El índice de la tesis, si quieres inspeccionarla, te recomiendo que comiences por descargarte el indice y así sabrás a que capitulo referirte.
En este capitulo el margo de trabajo del doctorado, los objetivos, la idea y las hipótesis.
Un poco de biología y programación.
Reflexión personal de como, creo yo, hemos visto la arquitectura. Casí 5 páginas de polémica.
Que son como funcionan, para que, porque y todas las partes de los algoritmos genéticos. Una guía de los AGs y algunos ejemplos de operadores genéticos.
Otras técnicas de búsqueda. Una clasificación general de Algoritmos.
Lo que se ha hecho antes.
Análisis de diferentes tipos de software y lenguajes de programación. Software para la generación de modelos y para diferentes tipos de análisis. Si tienes que elegir una plataforma para desarrollar algún trabajo te recomiendo que hagas tu propia evaluación. Como sabrás los programas y los lenguajes cambian con el tiempo.
Acá están los 4 experimentos desarrollados durante mi tesis.
Las Conclusiones
Bibliografía usada, hay libros para empezar a entender este mundo como el de J.G. Segarra hasta verdaderos quebraderos de cabeza como el Numerical recipes.
Definición de términos. ideal para tener una idea de lo que se esta hablando o por si quieres impresionar a alguien.
El resumen de la tesis en castellano.
The Phd thesis was written completely in spanish. Only the abstract was made in English. Nevertheless you can find really good English explanations about GAs. If you you wan a quick start, check the glossary (glosario).
