옥토퍼스와 갈라파고스의 성능적 특성 비교 연구 - 일사량 기준 최적 볼륨도출 실험을 중심으로 -

이우형

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자료유형: 학술저널

저자정보: 이우형 (남서울대학교)

저널정보: 한국공간디자인학회 한국공간디자인학회 논문집 한국공간디자인학회 논문집 제16권 제8호

발행연도: 2021.12

수록면: 213 - 224 (12page)

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(연구배경 및 목적) 최근 건축설계분야에서 파라메트릭 기반 분석툴의 등장과 유전알고리즘과의 접목으로 분석결과와 연동된 자동화 솔루션 도출에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이러한 변화는 기존의 전통적 설계방식이 가지는 한계를 보완할 수 있는 과정적 효율성과 과학적 객관성을 제공하며, 특히 건축설계에 요구되는 상충되는 다수의 조건을 만족시키기 위한 최적화 설계를 가능하게 하는 기술적 혁신을 지원한다. 그러나 그 실질적 활용은 관련 툴의 특징과 장단점에 대한 이해 부족으로 적합한 활용 툴의 선정 및 활용에 대한 제약을 받는다. 또한 도출 결과물의 속성에 대한 이해와 해석의 부족으로 적용상의 신뢰도에 대한 한계를 가진다. 이에 본 연구는 최근 라이노 그라스하퍼 환경에서 주목받는 다중목적 유전알고리즘 기반 최적화 툴인 옥토퍼스를 중심으로 갈라파고스와의 비교실험을 통해 그 활용적 특징 및 실증적 해석을 도출한다. 이를 통해 건축설계부문에 있어 과정적 합리성과 기술적 전문성을 확보하는 다중목적 최적화의 활용적 검증을 통해 그 범용성의 확대를 도모한다. (연구방법) 본 연구는 최근 주목받는 다중목적 최적화 툴인 옥토퍼스를 연구대상으로 선정하고, 현재 가장 대중적으로 활용되는 단일목적 유전알고리즘 기반 툴인 갈라파고스와의 성능적 비교를 수행한다. 이를 위해 본 연구는 첫째, 최적화에 대한 이론적 고찰을 수행함으로 단일목적, 다중목적 최적화 문제의 분류 및 특징과 다양한 최적화 알고리즘의 분류, 메타휴리스틱스 알고리즘, 선정된 분석 툴의 특징을 살펴본다. 둘째, 각 툴을 활용한 최적화 연산을 위한 예제를 설정하여 다양한 솔루션 탐색을 실시한다. 이 예제는 환경분석 툴인 레이디벅과 연계하여 일사량과 연동된 건축물 외피의 최적형태도출을 목표한다. 셋째, 각 툴로 도출된 솔루션이 가지는 적합도 및 유전적 특징의 비교분석을 통하여 각 툴간의 성능적 비교를 진행한다. (결과) 옥토퍼스와 갈라파고스의 도출된 솔루션의 비교를 통해 1)각 연산별 솔루션이 가지는 적합도 수준 및 변화패턴을 비교하여 각 툴의 최적화 연산에 대한 성능적 비교결과를 도출하였다. 2)각 연산별 도출된 솔루션들의 속성에 대한 비교를 통해 각 툴로 도출되는 솔루션의 다양성 관점의 비교결과를 도출하였다. (결론) 옥토퍼스가 제공하는 솔루션을 대상으로 갈라파고스와의 비교 분석을 통하여 다수의 조건을 충족해야하는 건축설계의 본질적 문제에 대한 옥토퍼스의 성능 측면의 우수성을 검증하였으며 또한 옥토퍼스의 활용적 측면에서의 우수함과 이에 대한 갈라파고스와의 복합적 활용방안 및 활용성 확대를 위한 제안을 도출하였다. 이를 통해 본 연구는 건축설계부문에 있어 그 과정적 합리성과 기술적 전문성을 지원하는 다중목적 최적화 툴의 활용적 검증에 기반한 실증적 근거를 제시함으로 그 범용성의 확대를 도모한다.

(Background and Purpose) Recently, in the field of architectural design, various studies are being conducted on deriving automation solutions linked with analysis results due to the emergence of parametric based analysis tools in conjunction with genetic algorithms. These changes provide efficiency and scientific objectivity that can supplement the limitations of the traditional design methodology, and in particular, technological innovation that enables optimized design to satisfy a number of conflicting conditions required for architectural design. However, its application is limited by the lack of understanding of tools itself, which limits the appropriate selection and application. In addition, there is a limit to the reliability due to the lack of interpretation of the results derived. Therefore, this study aims its usage features and empirical interpretations, focusing on Octopus, a multi objective genetic algorithm based optimization tool that has recently received attention in the Rhino Grasshopper environment by comparative experiment with Galapagos. Through this, it seeks to expand its universal applicability through practical verification of multi objective optimization that secures procedural rationality and technical expertise in the field of architectural design. (Method) This study focuses on Octopus, a multi objective optimization tool, and carry out a performance comparison with Galapagos, the most popular single objective genetic algorithm based tool. To this end, this study is structured as follows. First, a theoretical study on optimization is conducted. Second, various solutions are explored by setting exemplary design for optimization by each tool. This exemplary design aims to derive the optimal shape of the building envelope linked to the insolation level in conjunction with Ladybug, an environmental analysis tool. Third, the performance comparison results for the optimization between tools are derived through comparative analysis of the level and changing pattern of the fitness value of the solutions, and the inherent genetic feature. (Results) Through the comparison of the solutions derived from Octopus and Galapagos, 1)the fitness value and changing patterns of the solutions were compared to derive the performance comparison results for the optimization operation of each tool. 2)Through comparative analysis on the properties of the solutions, results were derived from the diversity of solutions. (Conclusions) Through comparative analysis with the Galapagos for the solutions provided by Octopus, the relative superiority of Octopus was verified for the architectural design that must satisfy a number of different conditions, Composite application methods and proposals for expanding usage were derived. Through this, this study seeks to expand its versatility by presenting empirical evidence based on the practical verification of multi objective optimization tool that provides procedural rationality and technical expertise in the architectural design.

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참고문헌 (15)

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Attia, S. / 2013 / Assessing Gaps and Needs for Integrating Building Performance Optimization Tools in Net Zero Energy Buildings Design / Energy & Buildings 60:110~124

Catarina G., Belem / 2018 / Optimization of Time-Consuming Objective Functions :14~31

Cemre C. / 2019 / OPTIMUS: Self-Adaptive Differential Evolution with Ensemble of Mutation Strategies for Grasshopper Algorithmic Modeling / Algorithms 12:141

Cichocka, A. / 2017 / SILVEREYE – The Implementation of Particle Swarm Optimization Algorithm in a Design Optimization Tool, CAAD Futures / CCIS 724:151~169

Ekici, B. / 2018 / Performative Computational Architecture Using Swarm and Evolutionary Optimisation: A review / Build. Environ 147:356~371

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