روش‌ها و الگوریتم‌های بهینه‌سازی در طراحی معماری و شهرسازی، راهکارهای ریاضی پایه

طراحی ساختمان فعالیتی کاملاً پیچیده و چندوجهی است که در آن تیمی از طراحان تلاش می‌کنند بین پارامترهایی متنوع و متضاد که خود تابعی از قیدهای متنوع هستند تعادل برقرار کنند. به‌دلیل همین پیچیدگی، ابزارهای شبیه‌سازی عملکرد ساختمان ابداع شده‌اند و به دنبال آن، استفاده از روش‌های بهینه‌سازی، عموماً به‌عنوان ابزار تصمیم‌گیری آغاز شده است.پژوهش حاضر مروری بر روش‌ها و الگوریتم‌های بهینه‌سازی مورد استفاده در طراحی ساختمان است و تلاش می‌کند تا علت انتخاب آنها را کشف کند، مسایل عملی و قابلیت‌های آنها را نشان دهد و خصوصیات کلیدی آنها را معرفی نماید. عدم شناخت معماران نسبت به این موضوعات و عقب‌ماندگی آنان نسبت به سایر رشته‌های مربوط به طراحی و نگهداری ساختمان، اهمیت موضوع را دوچندان می‌کند.مهم‌ترین اصل برای انتخاب استراتژی بهینه‌سازی مناسب، طبقه‌بندی الگوریتم‌های بهینه‌سازی و همچنین انتخاب الگوریتم مناسب برای یک مساله مشخص است. به همین دلیل پژوهش‌های متعددی در این حوزه بررسی شده‌اند و براساس آن، الگوریتم‌های بهینه‌سازی طراحی معماری به سه دسته تکاملی،‌ جست‌وجوی مستقیم و ترکیبی تقسیم‌بندی شده‌اند. یافته‌ها نشان می‌دهد الگوریتم‌های تکاملی و به‌خصوص الگوریتم ژنتیک کاربرد بیشتری از سایر الگوریتم‌ها در بهینه‌سازی داشته است. در این پژوهش‌ها متغیرهای کلی طراحی نیز مصالح ساختمانی، فرم و جهت ساختمان، طراحی و ساختار سایه‌اندازی و نیز سیستم تهویه متبوع، بوده‌اند. در ضمن،‌ تعداد مقالات پژوهشی که از این الگوریتم‌ها برای بهینه‌کردن طراحی ساختمان استفاده کرده‌اند، هنوز در مقابل تعداد مقاله‌های بهینه‌سازی کنترل ساختمان، خیلی کم است.

Optimization Methods and Algorithms in Architectural and Urban Design, Basic Mathematical Solutions

Building design is a quite complex activity where a team of designers working on diverse and contradictory parameters to make the balance between them. Because of this complexity, building performance simulation tools were developed and subsequently, the use of optimization methods, generally, as a decisionmaking tool is started.The current study is a review of the optimization methods and algorithms which are used in the design of the building and trying to discover the cause of their choice, practical issues, and demonstrate their capabilities and introduce key attributes. The lack of knowledge of architects about these issues and their backwardness compared to other disciplines related to design and maintain buildings double its importance.The most important basic rules to choose optimization strategy are classification algorithms and find suitable one for a specific problem. Several research papers in this area are investigated and according to them, optimization algorithms are divided into three categories including evolutionary algorithms, direct search (derivatives free), and the hybrid. The findings show that evolutionary algorithms and especially genetic algorithm application are more popular than other algorithms. The most study objectives to optimize are the environmental impact, the cost of initial investment, operating costs, and comfort criteria. In these studies, the design variables are construction materials, form and orientation of the building, cast shadows, and HVAC. In addition, the number of research papers that have used this algorithm to optimize the design of the building, than the number of articles on optimizing building control, is very low.