The invention of the computer caused profound transformation in most fields of human activity. Architecture is not an exception. Computer aided architectural design programs, for example, make it possible to calculate all plans and sections as well as three-dimensional models from a single digital model. This model can easily be edited, evaluated and optimised before the actual construction, thus greatly simplifying the work process. However, even though architects use the computer extensively, its use in many aspects only mirrors the functionality of traditional non-digital tools, like the drawing board, or wood and paper models. The most central and difficult parts of architectural design, in other words, the decision process concerning the structure of an architectural entity, or the design of the actual shapes used to realise it, are in most cases still accomplished without the help of computers.

This thesis addresses the limits of present computer use in architectural design cited above from an interdisciplinary point of view, and offers the application of methods from artificial intelligence, formal linguistics and computational geometry as problem-solving strategies for architectural design. It proposes design constraint systems (DCS) as a grammar-based approach for the formalisation of the structural and morphological knowledge underlying architectural 'design families' (for example, buildings of a certain function, architectural style, or type). The grammars resulting from this approach can be seen as formal theories of these design families.

In addition to being of interest as theories of design families, these formal theories can also be used in combination with strategies of evolutionary computation to generate new instances of the design families, and thereby become a tool to support the architect in the difficult task of solving design problems. Other examples of their application include parametric house designs, and the manipulation of architectural structures and shapes on an abstract level, facilitating their evaluation, and therefore the solution of complex problems. In combination with methods of digital simulation and fabrication, this creates an interesting range of possibilities for the architectural practice.

DCS, the approach to grammar-based generative architectural design introduced in this thesis, are based on three different levels of abstraction connected by two subsystems mediating between them. The design level corresponds to the actual three-dimensional shape; the design structure level represents an abstract description of the design; finally, the level of the design grammar encompasses the rules and constraints that define the design structures in a generative way. The component responsible for the generation of the design structures from the design grammar is modelled as a type constraint system (TCS) and inspired by formal linguistic approaches such as the well-known head-driven phrase structure grammar (HPSG). The component used for the translation of the design structures into the visual models of the designs, on the other hand, is implemented as a formal language with a three-dimensional semantic, and is referred to as the design description language. This component is part of the architectural model and depends on the design family modelled.

To demonstrate the developed DCS, and their application to complex architectural examples, the theoretical description of the system is followed by a case study. The case study used a family of traditional architectural compounds from Burkina Faso, characterised by irregular circular shapes, which are difficult to model with conventional computer-based design approaches. Four representative compounds of different sizes and structures were selected for the case study. A design description language based on methods from computational geometry was developed for the description of their shapes. Bezier-curves were used to model the irregular circular shapes of the compounds; Boolean operations were used to calculate overlapping and adjacent areas; and the extrusion of two-dimensional ground plans into three-dimensional structures was used to generate the final models. Making use of the abstract descriptions defined by this language, a design grammar was then written, to generate the design structures, which describe the compounds in terms of the design description language. Finally, the design grammar was constrained to generate structures similar to the compounds in the corpus to prove the viability of the model.

Outline of the thesis structure

The thesis is in four main parts: an introduction to grammar-based architectural design, a description of DCS, a case study where a DCS is used to model a family of traditional compounds from Burkina Faso, and a conclusion.

I. Introduction

The field of grammar-based generative architectural design is introduced, together with other research and literature related to the current research. The main differences between the symbolic approach introduced in this thesis and other related fields are explained.

II. The formal description framework

A short overview of the formal description framework is followed by a detailed description of its components. The first chapter introduces type constraint systems, and explains type hierarchies, typed feature structures, type constraints, resolution, random and evolutionary resolution strategies and numeric constraints.

Chapter 2 introduces design description languages by explaining their function in the system, their general concepts and some simple examples for their application to the description of different domains.

Chapter 3 gives a more detailed example of a minimal DCS, which models simple towers composed from stacked cubes, to illustrate through a concrete example how design grammar and design description language work together to define a design family.

III. Case study: A model of traditional compounds from Burkina Faso

Following the introduction of DCS in Part II, Part III shows how such a system can be applied to the description and modelling of a group of traditional African compounds from Burkina Faso.

In Chapter 4, the compounds selected for the corpus are briefly introduced, while Chapter 5 explains the design description language for their structure and morphology, which are both characterised by overlapping irregular circular shapes, organised in several hierarchical levels. Chapter 6 gives a general grammar for the generation of design structures for this kind of circular morphology. Finally, the general grammar is customised and further constrained to mirror the individual settings corresponding to the four example compounds, thus proving that the rules and constraints constituting the system are able to generate models similar to the original compounds in the corpus.

IV. Conclusion

The findings of the research are summarised, followed by a section on future directions, which discusses the limits and possibilities for further research and development.

近年、建築設計の実務においてコンピュータが盛んに活用されているが、その実態は、従来はアナログで行っていた図面作成や模型制作をデジタル化し、モニター上の仮想世界に表現しているにすぎない場合が多い。単なる機能の代替ではなく、コンピュータをより有効に設計活動に導入するためには、建築物のもつ複雑な形態や構成を文法として抽出し、それに基づいて形態を生成し、それらを組み合わせて建物を構成するという論理的なプロセスを確立しなければならない。本論文は、knowledge representation、artificial intelligence、formal linguistics、computational geometry等の手法を用いて建築物の構成文法を記述し、それを設計制約条件のもとに形態に変換することにより、建築形態を生成論的に再構成する試みである。

論文は、全7章から成り、4つのPARTに分かれている。

PART I

先ず、これまでの建築設計におけるコンピュータの役割が、設計行為や模型制作の代替えにすぎず、複雑で混沌とした事象を対象とした科学的でファーマルな方法論になっていない現況を概観し、コンピュータを真のデザインツールとして活用するためには、形態を語る文法と生成則が重要であるとしている。次いで第1章でcomputational linguistics、formal language、formal grammar、knowledge representation、logic programming、type constraint systemなどの関連分野における既往研究をレビューしている。

PART II

第2章はtype constraint systemに関する説明で、typed feature structureとしてB.Carpenterが1992年に提唱した枠組みを応用している。最初に簡単な立体図形を用いて用語と概念を説明している。次いでtypeの説明があり、type hierarchy、subsumption、unificationと続き、typed feature structureを解説している。そして、これらを統合して建築の形態を生成するためのシステムとしてtype constraint systemを説明している。また、図形に位置や大きさを与えるものとしてvolume constraintを導入している。

第3章は前章で導入した図形の構成の表記法を、実際の形に変換するdesign description languageに関する説明である。本論文では、図形化するためのソフトウェアとしてPython とBlenderを用いている。建物の形態を言語学的に記述する先行研究としてWilliam John Mitchellの"The Logic of Architecture"があるが、その内容を本論文と対比しながら解説している。

第4章は簡単なタワー状の図形を例に、type constraint systemとdesign description languageがどのように図形に適用され、形態の生成がなされるかを説明している。3次元のタワーを表現する文法と、それに基づいて形態が生成される過程について詳述している。

PART III

第5章はブルキナファソのコンパウンドを事例として、これまでに述べた方法論を適用している。その視点は純粋に形態学的なもので、抽象的な構成や配列則から生成される形態のみを扱っている。"AFRICAN SPACES:designs for living in upper volta(Jean-Paul Bourdie、Trinh Minh-Ha)"から4つのコンパウンドを選択し、各コンパウンドについて図面や写真を用いてその平面構成を解説している。

第6章は 生成文法をどのように適用するとコンパウンドの形態を再現できるかの説明である。ふたつに分かれていて、ひとつは構造物をどのように抽象的な形で表現するかということで、いまひとつはそれをどのように形態に翻訳するかということである。コンパウンドの単位となる単純な形態の生成と、それらが集合化してより複雑な形態になる様子を文法の記述方法と図版で示している。

第7章は第5章で解説した4つのコンパウンドを対象に、その構成や寸法をモデル化して再現することを試みている。複雑な構成は単純なモデルを再帰的に適用して生成している。これらの実験の結果として、コンパウンドの構成をtype constraint systemを用いて生成論的に説明できるとしている。

PART IV

結論としては、ブルキナファソのコンパウンドのフィジカルな構成を抽象的なモデルにして、それを形態を生成させるモデルと統合することにより、現実に近い形で再現できたことを挙げている。

将来的な展望としては、こうした生成論的なアプローチは必ずしも伝統的な住居に固有なものではなく、同様の手法を現代的な建物に適用することも可能で、有機的な構成を持つ新たな建築デザインの可能性があるとしている。

以上要するに、本論文はコンピュータ言語学的な視点から建築物の組成をモデル化することにより、生成論的にその形態を再構成できることを示したもので、従来の形態文法とは異なる手法で建築物を論理的に記述できることを示したものである。この手法は単なる記述のためのツールに留まらず、実際の設計活動に容易に実装できるもので、建築デザインの分野に新たな方法論を提示したものとして高く評価できる。本理論は、コンピュータおよびその周辺で展開されている様々な言語学的な理論を実際の3次元の形態生成に結びつけることが可能であることを実証したもので、将来的な展開と活用が大いに期待できるものである。これは建築計画学の分野に新たな方法論を導入するもので、その意義は極めて大きい。

よって、本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。