Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. ir.-architect Pieter Uyttenhove EEN PROTOTYPE VAN SOFTWARE TOOL VOOR DE ANALYSE VAN GEBOUWSTRUCTUREN door Wendy Geeraert Promotor: prof. dr. Ronald De Meyer Scriptiebegeleiders: drs. ir.-architect Ruben Verstraeten, dr. ir.-architect Pieter Pauwels, drs. ir.-architect Tiemen Strobbe Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: architectuur Academiejaar 2011–2012 Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. ir.-architect Pieter Uyttenhove EEN PROTOTYPE VAN SOFTWARE TOOL VOOR DE ANALYSE VAN GEBOUWSTRUCTUREN door Wendy Geeraert Promotor: prof. dr. Ronald De Meyer Scriptiebegeleiders: drs. ir.-architect Ruben Verstraeten, dr. ir.-architect Pieter Pauwels, drs. ir.-architect Tiemen Strobbe Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: architectuur Academiejaar 2011–2012 iii Voorwoord Dankwoord Graag zou ik de mensen die hun steentje hebben bijgedragen bedanken, want zonder hen zou dit werk niet zijn wat het nu is. Vooreerst gaat mijn dank uit naar mijn thesisbegeleiders, drs. Ruben Verstraeten en drs. Tiemen Strobbe, hen wil ik bedanken voor de grote hoeveelheid tijd en energie die ze in mij en dit werk stopten, voor hun geduld met mij wanneer ik kwam aankloppen met het zoveelste programmeerprobleem. In deze druk ik ook mijn dankbaarheid uit voor de commentaren en suggesties van dr. Pieter Pauwels. Tevens wens ik mijn promotor, prof. dr. Ronald De Meyer, te bedanken voor het vertrouwen en de geboden kans. Verder wens ik hen allen te danken voor hun advies, ondersteuning, waardevolle feedback en geduldig doorlezen van mijn teksten en script. Mensen voor wie geen dank te veel kan zijn, zijn mijn ouders. Het zijn zij die mij de kans gegeven hebben om te studeren en mij ten volle gesteund hebben in mijn keuzes. Zij hebben mij de mogelijkheden gegeven om te staan waar ik nu sta, om mij te verdiepen in mijn interesses, mij te ontwikkelen. Wie zeker aandacht verdient in deze passage, is Frederik, die ook steeds opnieuw en opnieuw klaarstond om mijn thesis te doorlezen en zonder wie dit werk nooit tot stand was gekomen. Verder wil ik nog een aantal mensen bedanken die hier niet bij naam vermeld zijn maar toch op een of andere manier voor mij een uitlaatklep geweest zijn, mij gesteund hebben tijdens mijn studies en dit jaar in het bijzonder. Bedankt. Toelating tot bruikleen “De auteur(s) geeft(geven) de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te te kopi¨eren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef.” “The author(s) gives (give) permission to make this master dissertation available for consultation and to copy parts of this master dissertation for personal use. In the case of any other use, the limitations of the copyright have to be respected, in particular with regard to the obligation to state expressly the source when quoting results from this master dissertation.” Wendy Geeraert, 10 augustus 2012 Een prototype van software tool voor de analyse van gebouwstructuren door Wendy Geeraert Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: architectuur Academiejaar 2011–2012 Promotor: prof. dr. Ronald De Meyer Scriptiebegeleiders: drs. ir.-architect Ruben Verstraeten, dr. ir.-architect Pieter Pauwels, drs. ir.-architect Tiemen Strobbe Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Universiteit Gent Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. ir.-architect Pieter Uyttenhove Samenvatting Onderhavige thesis probeert een oplossing te bieden voor de integratie van de structuur- analyse in het architecturaal schetsontwerp. Dit wordt bekomen door een theoretisch studie en de ontwikkeling van een prototype. Hoofdstuk 2 vertrekt van de analyse van de ontwerpfasen (§1),om te eindigen met de ontwerpprogramma’s (§2). Hoofdstuk 3 behan- delt de evaluatie van bestaande structuuranalyse-programma’s. Gebaseerd op de bevin- dingen uit voorgaande hoofdstukken wordt er een prototype ontwikkeld in hoofdstuk 4. Hoofdstuk 5 bevat de handleiding bij dit prototype. Trefwoorden Schetsontwerpfase, structuur, analyse, optimalisatie, generisch A prototype for a structural analysis and optimization software WendyGeeraert Supervisor(s): prof. dr. R.DeMeyer,drs. ir.-architectR.Verstraeten,dr. ir.-architectP.Pauwels,drs. ir.-architectT.Strobbe Abstract—This dissertation will explore the possibilities to incorporate structiveanalysisandoptimizingtoolstoarchitecturaldesigners structuralanalysisintotheearlyarchitecturaldesignstage. Theaimisto during the early architectural design stage. This is an impor- developadesignsupporttool,insteadoftheusualanalysistools. tant limitation, because, as was indicated above, this stage is Keywords—Early architectural design stage, structural, analyse, opti- oneofthemostimportantstepsofthecompleteiterativedesign mizing,generic process,duringwhichsomeofthemostcrucialdecisionsabout the design are made (Reitman, 1964). Such a tool should thus I. INTRODUCTION alsosupporttheiterativedesignoftheearlyarchitecturaldesign NUMEROUStechnological advances have been made dur- stage.Structuralelementsandstructuralfeaturesarepartofsuch ing the last decennia, resulting in a lot of complex tech- adesignprocessandaresubjecttosuchcrucialdecisions. Re- nologieswithasignificantimpactontheworld. Consequently, alityshowsthatonlyexperienceddesignersarecapabletodeal complexitiesinarchitecturaldesigngrewatanequallyfastpace. withthekindofcomplexityresultingoftheinteractionofstruc- Examples of the high level of complexity can be found in ar- tural aspects with other aspects at play in the design process. chitecturaldesignprojectsthatthriveoncollaborationbetween Besidethiscomplexity,thelargeofferofstructuralanalysissoft- multiplesub-areasofexpertise. Becauseofthisincreasinglevel waremakesitdifficulttoselecttherightsoftwarepackage. Ad- of complexity, new technologies are needed again, resulting in ditionally, most of these software packages are stand-alone so- a vicious circle. The complexity and the innovative character lutions. This implies that the designer, who typically works in ofdesignstimulatedthecontinuedsearchfornewdesigntools. a pure 2D or 3D modelling environment, needs to redraw the There are few systems that assist users in the optimization and designinthestructuralanalysissoftwareeverytimehewantsto designofthestructureinspiteofthestrongneedforsuchcom- doastructuralanalysisofthedesign. Thismakesitimpossible putational tools. Dorsey states: ’Most of recent developments to efficiently use structural analysis software during the design havefailedtotapthepotentialofthecomputerasadesigntool. process. There are a lot of tools and plug-ins, such as Build- Instead, computers have been relegated largely to the status of ing Performance Analysis tools, rendering tools etc., available draftinginstruments,sothatthe’D’inCADstandsfordrafting formodellingenvironments. SketchUp(SU)forexamplehasa ratherthandesign’(Dorsey,1998). whole library of plug-ins and ’rubies’ but no structural analy- Totackletheissuesoutlined,previousresearchprojectshave sistoolthatenablestheusertoevaluatehisbuildingduringthe investigatedcomputationaldesign. Researchersinthisresearch earlyarchitecturaldesignstage. Atoolorsoftwarepackagethat domain seek to understand the design process and to use com- offersanintegratedsolutionandonethatisuser-friendlyisnot puters to help the designer during this process by applying a availabletoday. computational approach that complements the capabilities of To develop a framework for this kind of plug-in, we have the designer in a general and flexible way. This has resulted investigated structural analysis software. The outcome of this in computational design tools that typically provide a process evaluationshowthestrengthsandweaknessesofdifferenttools thatflexiblycreatesavarietyofforms. Aspecificallypromising andapproaches. Theseeventuallyserveasguidelinesinthede- methodologyinthisregardistheGenerativeDesignMethodol- velopmentofaprototype. Thegeneralconclusionoftheevalu- ogy(GDM).Thismethodologyoffersawayofconceptualising ationwasasfollowing: andproducingdesignproblemsandsolutions. TheGDsoftware therearetoomanydifferenttools, withdifferentfunctionali- is finally able to produce the most optimal solution within the • ties;thismakesitdifficulttochoose, boundaries of the problem space defined by the designer. This most of the tools are too complex and detailed to use during process continuously starts anew, until a satisfactory solution • theearlyarchitecturaldesignstage. Inmostcaseyouneedtobe is obtained. This iterative process of coding and prototyping anexperttoworkwiththetools, isnowadaystypicallyperformedbyateamofexpertsandthus thetoolsaretoooftenstand-alonetoolswithaninteroperabil- onlyavailabletolargecompanies. • ityproblem, thefasterausergetsresultandthefeweractionneededtodo II. STRUCTURALANALYSISTOOLS • so,thebetter, Construction has had only a limited impact on the architec- anoptimizingfunctionisrecommended, • turaldesignprocess,mainlyintheformoftoolsandexpertsthat theamountofcontrolcomponentsmustbeaslessaspossible, • are consulted when the design is almost final. We argue that the learning time must be short; the manual can’t be too ex- • thislimitedimpactiscausedbythelimitedaccessibilityofcon- tensive,