Micro-Atmospheres: Investigating Portable and Wearable Solutions to Support Individual Thermal Comfort in Open-Plan Offices

PhD ThesisThis thesis aims to challenge existing approaches to the study of thermal comfort by addressing it through the design of wearable and portable personal thermal devices. Engineering-led approaches to thermal comfort have developed norms and standards to provide comfortable environments. Nevertheless, thermal comfort is very often difficult to achieve, especially in shared environments, as the perception of what is comfortable is highly subjective and varies among occupants. Accordingly, the focus of enquiry is shifting towards personal solutions, however, this has not included yet a critical investigation of their use in context, of design aspects and affordances. To address these open questions, a Research through Design approach was implemented to reframe the problem space using design artefacts as vehicles for the enquiry. Mixed methods from two domains, namely, thermal comfort research and HCI, were employed to study in the field how thermal comfort is achieved and perceived, and to derive implications for the design of future personal wearable and portable thermal solutions. The investigation was based on a human-centred design process, which included an initial analysis phase and a design phase with three iterations of low-fidelity and mid-fidelity prototype development and testing. Due to its transdisciplinary nature, this work contributes to the fields of thermal comfort research, HCI and wearable design. Contributions to thermal comfort research are made through findings in respect to the complexity of the achievement of thermal comfort, which include exploration, adaptation and the transcendence of different comfort layers. Implications on the design of personal thermal devices derived from the investigation contribute to the body of knowledge in wearable design and HCI and include utility-related aspects but also a need for openness in design and for emotional design to support exploration, adaptation, and the social role of the artefact at the crossroads between functional element and fashion item

Augmented Urban Model: Ein Tangible User Interface zur Unterstützung von Stadtplanungsprozessen

Im architektonischen und städtebaulichen Kontext erfüllen physische und digitale Modelle aufgrund ihrer weitgehend komplementären Eigenschaften und Qualitäten unterschiedliche, nicht verknüpfte Aufgaben und Funktionen im Entwurfs- und Planungsprozess. Während physische Modelle vor allem als Darstellungs- und Kommunikationsmittel aber auch als Arbeitswerkzeug genutzt werden, unterstützen digitale Modelle darüber hinaus die Evaluation eines Entwurfs durch computergestützte Analyse- und Simulationstechniken. Analysiert wurden im Rahmen der in diesem Arbeitspapier vorgestellten Arbeit neben dem Einsatz des Modells als analogem und digitalem Werkzeug im Entwurf die Bedeutung des Modells für den Arbeitsprozess sowie Vorbilder aus dem Bereich der Tangible User Interfaces mit Bezug zu Architek¬tur und Städtebau. Aus diesen Betrachtungen heraus wurde ein Prototyp entwickelt, das Augmented Urban Model, das unter anderem auf den frühen Projekten und Forschungsansätzen aus dem Gebiet der Tangible User Interfaces aufsetzt, wie dem metaDESK von Ullmer und Ishii und dem Urban Planning Tool Urp von Underkoffler und Ishii. Das Augmented Urban Model zielt darauf ab, die im aktuellen Entwurfs- und Planungsprozess fehlende Brücke zwischen realen und digitalen Modellwelten zu schlagen und gleichzeitig eine neue tangible Benutzerschnittstelle zu schaffen, welche die Manipulation von und die Interaktion mit digitalen Daten im realen Raum ermöglicht

Generierung von Grundriss-Layouts mithilfe von Evolutionären Algorithmen und K-dimensionalen Baumstrukturen

K-dimensionale Bäume, im Englischen verkürzt auch K-d Trees genannt, sind binäre Such- und Partitionierungsbäume, die eine Menge von n Punkten in einem multidimensionalen Raum repräsentieren. Ihren Einsatz finden K-d Tree Datenstrukturen vor allem bei der Suche nach den nächsten Nachbarn, der Nearest Neighbor Query, und in weiteren Suchalgorithmen für beispielsweise Datenbankapplikationen. Im Rahmen des Forschungsprojekts Kremlas wurde die Raumpartitionierung durch K-d Trees als eine Teillösung zur Generierung von Layouts bei der Entwicklung einer kreativen evolutionären Entwurfsmethode für Layoutprobleme in Architektur und Städtebau entwickelt. Der Entwurf und die Entwicklung von Layouts, d.h. die Anordnung von Räumen, Baukörpern und Gebäudekomplexen im architektonischen und städtischen Kontext stellt eine zentrale Aufgabe in Architektur und Stadtplanung dar. Sie erfordert von Architekten und Planern funktionale sowie kreative Problemlösungen. Das Forschungsprojekt beschäftigt sich folglich nicht nur mit der Optimierung von Grundrissen sondern bindet auch gestalterische Aspekte mit ein. In der entwickelten Teillösung dient der K-d Tree Algorithmus zunächst zur Unterteilung einer vorgegebenen Fläche, wobei die Schnittlinien möglichen Raumgrenzen entsprechen. Durch die Kombination des K-d Tree Algorithmus mit genetischen Algorithmen und evolutionären Strategien werden Layouts hinsichtlich der Kriterien Raumgröße und Nachbarschaften optimiert. Durch die Interaktion des Nutzers können die Lösungen dynamisch angepasst und zur Laufzeit nach gestalterischen Kriterien verändert werden. Das Ergebnis ist ein generativer Mechanismus, der bei der kreativen algorithmischen Lösung von Layoutaufgaben in Architektur und Städtebau eine vielversprechende Variante zu bereits bekannten Algorithmen darstellt

Automatische Grundstücksumlegung mithilfe von Unterteilungsalgorithmen und typenbasierte Generierung von Stadtstrukturen

Dieses Arbeitspapier beschreibt, wie ausgehend von einem vorhandenen Straßennetzwerk Bebauungsareale mithilfe von Unterteilungsalgorithmen automatisch umgelegt, d.h. in Grundstücke unterteilt, und anschließend auf Basis verschiedener städtebaulicher Typen bebaut werden können. Die Unterteilung von Bebauungsarealen und die Generierung von Bebauungsstrukturen unterliegen dabei bestimmten stadtplanerischen Einschränkungen, Vorgaben und Parametern. Ziel ist es aus den dargestellten Untersuchungen heraus ein Vorschlagssystem für stadtplanerische Entwürfe zu entwickeln, das anhand der Umsetzung eines ersten Softwareprototyps zur Generierung von Stadtstrukturen weiter diskutiert wird

Evolutionäre Generierung von Grundriss-Layouts mithilfe von Unterteilungsalgorithmen

Das Unterteilen einer vorgegebenen Grundfläche in Zonen und Räume ist eine im Architekturentwurf häufig eingesetzte Methode zur Grundrissentwicklung. Für deren Automatisierung können Unterteilungsalgorithmen betrachtet werden, die einen vorgegebenen, mehrdimensionalen Raum nach einer festgelegten Regel unterteilen. Neben dem Einsatz in der Computergrafik zur Polygondarstellung und im Floorplanning zur Optimierung von Platinen-, Chip- und Anlagenlayouts finden Unterteilungsalgorithmen zunehmend Anwendung bei der automatischen Generierung von Stadt- und Gebäudegrundrissen, insbesondere in Computerspielen. Im Rahmen des Forschungsprojekts Kremlas wurde das gestalterische und generative Potential von Unterteilungsalgorithmen im Hinblick auf architektonische Fragestellungen und ihre Einsatzmöglichkeiten zur Entwicklung einer kreativen evolutionären Entwurfsmethode zur Lösung von Layoutproblemen in Architektur und Städtebau untersucht. Es entstand ein generativer Mechanismus, der eine Unterteilungsfolge zufällig erstellt und Grundrisse mit einer festgelegten Anzahl an Räumen mit bestimmter Raumgröße durch Unterteilung generiert. In Kombination mit evolutionären Algorithmen lassen sich die erhaltenen Layoutlösungen zudem hinsichtlich architektonisch relevanter Kriterien optimieren, für die im vorliegenden Fall Nachbarschaftsbeziehungen zwischen einzelnen Räumen betrachtet wurden

Evolutionäre Generierung von Grundriss-Layouts mithilfe von Unterteilungsalgorithmen

Das Unterteilen einer vorgegebenen Grundfläche in Zonen und Räume ist eine im Architekturentwurf häufig eingesetzte Methode zur Grundrissentwicklung. Für deren Automatisierung können Unterteilungsalgorithmen betrachtet werden, die einen vorgegebenen, mehrdimensionalen Raum nach einer festgelegten Regel unterteilen. Neben dem Einsatz in der Computergrafik zur Polygondarstellung und im Floorplanning zur Optimierung von Platinen-, Chip- und Anlagenlayouts finden Unterteilungsalgorithmen zunehmend Anwendung bei der automatischen Generierung von Stadt- und Gebäudegrundrissen, insbesondere in Computerspielen. Im Rahmen des Forschungsprojekts Kremlas wurde das gestalterische und generative Potential von Unterteilungsalgorithmen im Hinblick auf architektonische Fragestellungen und ihre Einsatzmöglichkeiten zur Entwicklung einer kreativen evolutionären Entwurfsmethode zur Lösung von Layoutproblemen in Architektur und Städtebau untersucht. Es entstand ein generativer Mechanismus, der eine Unterteilungsfolge zufällig erstellt und Grundrisse mit einer festgelegten Anzahl an Räumen mit bestimmter Raumgröße durch Unterteilung generiert. In Kombination mit evolutionären Algorithmen lassen sich die erhaltenen Layoutlösungen zudem hinsichtlich architektonisch relevanter Kriterien optimieren, für die im vorliegenden Fall Nachbarschaftsbeziehungen zwischen einzelnen Räumen betrachtet wurden

KREMLAS: Entwicklung einer kreativen evolutionären Entwurfsmethode für Layoutprobleme in Architektur und Städtebau

Die im vorliegenden Buch dokumentierten Untersuchungen befassen sich mit der Entwicklung von Methoden zur algorithmischen Lösung von Layoutaufgaben im architektonischen Kontext. Layout bezeichnet hier die gestalterisch und funktional sinnvolle Anordnung räumlicher Elemente, z.B. von Parzellen, Gebäuden, Räumen auf bestimmten Maßstabsebenen. Die vorliegenden Untersuchungen sind im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsprojekts entstanden

KREMLAS: Entwicklung einer kreativen evolutionären Entwurfsmethode für Layoutprobleme in Architektur und Städtebau

Die im vorliegenden Buch dokumentierten Untersuchungen befassen sich mit der Entwicklung von Methoden zur algorithmischen Lösung von Layoutaufgaben im architektonischen Kontext. Layout bezeichnet hier die gestalterisch und funktional sinnvolle Anordnung räumlicher Elemente, z.B. von Parzellen, Gebäuden, Räumen auf bestimmten Maßstabsebenen. Die vorliegenden Untersuchungen sind im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsprojekts entstanden

Comparing two evolutionary algorithm based methods for layout generation: Dense packing versus subdivision

We present and compare two evolutionary algorithm based methods for rectangular architectural layout generation: dense packing and subdivision algorithms. We analyze the characteristics of the two methods on the basis of three floor plan scenarios. Our analyses include the speed with which solutions are generated, the reliability with which optimal solutions can be found, and the number of different solutions that can be found overall. In a following step, we discuss the methods with respect to their different user interaction capabilities. In addition, we show that each method has the capability to generate more complex L-shaped layouts. Finally, we conclude that neither of the methods is superior but that each of them is suitable for use in distinct application scenarios because of its different propertie

Computational urban design prototyping: Interactive planning synthesis methods—a case study in Cape Town

This article is motivated by the fact that in Cape Town, South Africa, approximately 7.5 million people live in informal settlements and focuses on potential upgrading strategies for such sites. To this end, we developed a computational method for rapid urban design prototyping. The corresponding planning tool generates urban layouts including street network, blocks, parcels and buildings based on an urban designer’s specific requirements. It can be used to scale and replicate a developed urban planning concept to fit different sites. To facilitate the layout generation process computationally, we developed a new data structure to represent street networks, land parcellation, and the relationship between the two. We also introduced a nested parcellation strategy to reduce the number of irregular shapes generated due to algorithmic limitations. Network analysis methods are applied to control the distribution of buildings in the communities so that preferred neighbourhood relationships can be considered in the design process. Finally, we demonstrate how to compare designs based on various urban analysis measures and discuss the limitations that arise when we apply our method in practice, especially when dealing with more complex urban design scenarios