This thesis is concerned with the application of computation in the context of professional architectural practice and specifically towards defining complex buildings that are highly integrated with respect to design and engineering performance. The thesis represents applied research undertaken whilst in practice at Foster + Partners. It reviews the current state of the art of computational design techniques to quickly but flexibly model and analyse building options. The application of parametric design tools to active design projects is discussed with respect to real examples as well as methods to then link the geometric definitions to structural engineering analysis, to provide performance data in near real time. The practical interoperability between design software and engineering tools is also examined. The role of performance data in design decision making is analysed by comparing manual work-flows with methods assisted by computation. This extends to optimisation methods which by making use of design automation actively make design decisions to return optimised results. The challenges and drawbacks of using these methods effectively in real deign situations is discussed, especially the limitations of these methods with respect to incomplete problem definitions, and the design exploration resulting in modified performance requirements. To counter these issues a performance driven design work flow is proposed. This is a mixed initiative whereby designer centric understanding and decisions are computer assisted. Flexible meta-design descriptions that encapsulate the variability of the design space under consideration are explored and compared with existing optimisation approaches. Computation is used to produce and visualise the performance data from these large design spaces generated by parametric design descriptions and associated engineering analysis. Novel methods are introduced that define a design and performance space using cluster computing methods to speed up the generation of large numbers of options. The use of data visualisation is applied to design problems, showing how in real situations it can aid design orientation and decision making using the large amount of data produced. Strategies to enable these work-flows are discussed and implemented, focusing on re-appropriating existing web design paradigms using a modular approach concentrating on scalable data creation and information display.

The focus of this thesis is to develop a generic approach for solving reliability design optimisation problems which could be applicable to a diverse range of real engineering systems. The basic problem in optimal reliability design of a system is to explore the means of improving the system reliability within the bounds of available resources. Improving the reliability reduces the likelihood of system failure. The consequences of system failure can vary from minor inconvenience and cost to significant economic loss and personal injury. However any improvements made to the system are subject to the availability of resources, which are very often limited. The objective of the design optimisation problem analysed in this thesis is to minimise system unavailability (or unreliability if an unrepairable system is analysed) through the manipulation and assessment of all possible design alterations available, which are subject to constraints on resources and/or system performance requirements. This thesis describes a genetic algorithm-based technique developed to solve the optimisation problem. Since an explicit mathematical form can not be formulated to evaluate the objective function, the system unavailability (unreliability) is assessed using the fault tree method. Central to the optimisation algorithm are newly developed fault tree modification patterns (FTMPs). They are employed here to construct one fault tree representing all possible designs investigated, from the initial system design specified along with the design choices. This is then altered to represent the individual designs in question during the optimisation process. Failure probabilities for specified design cases are quantified by employing Binary Decision Diagrams (BDDs). A computer programme has been developed to automate the application of the optimisation approach to standard engineering safety systems. Its practicality is demonstrated through the consideration of two systems of increasing complexity; first a High Integrity Protection System (HIPS) followed by a Fire Water Deluge System (FWDS). The technique is then further-developed and applied to solve problems of multi-phased mission systems. Two systems are considered; first an unmanned aerial vehicle (UAV) and secondly a military vessel. The final part of this thesis focuses on continuing the development process by adapting the method to solve design optimisation problems for multiple multi-phased mission systems. Its application is demonstrated by considering an advanced UAV system involving multiple multi-phased flight missions. The applications discussed prove that the technique progressively developed in this thesis enables design optimisation problems to be solved for systems with different levels of complexity. A key contribution of this thesis is the development of a novel generic optimisation technique, embedding newly developed FTMPs, which is capable of optimising the reliability design for potentially any engineering system. Another key and novel contribution of this work is the capability to analyse and provide optimal design solutions for multiple multi-phase mission systems. Keywords: optimisation, system design, multi-phased mission system, reliability, genetic algorithm, fault tree, binary decision diagram

Afin de rendre les piles à combustible à membrane échangeuse de protons viables économiquement dans le domaine automobile, des problèmes de durabilité et de coût sont à résoudre. La compréhension et le contrôle des dégradations à l'intérieur de la cellule et surtout de l'AME sont toujours le centre d’intérêt de nombreux laboratoires mais aussi d'industriels. Les milliers d'arrêt-démarrages subis par la pile provoquent une importante corrosion du support carbone. Le platine utilisé étant un catalyseur onéreux, la modélisation numérique permet l'analyse de phénomènes à moindre coût.Dans ces travaux, deux modèles ont été développés afin de modéliser les phases transitoires que sont les arrêt-démarrages. Tout d'abord, une étude sur les performances de la pile a été effectuée en utilisant le modèle. Le couplage entre les modèles le long du canal et dent/canal est introduit. Ensuite, une analyse des phénomènes se déroulant durant les arrêt-démarrages est effectuée. Des phases temporelles sont proposées afin de découper ces différents phénomènes. Le mécanisme des courants inverses (durant lequel la corrosion du carbone apparaît) est minutieusement détaillé avec l'aide du modèle. L'accent est porté sur les hétérogéneités de dégradations apparaissant entre l'entrée et la sortie mais aussi entre le canal et la dent. Enfin, le modèle est utilisé afin de simuler et proposer des stratégies de mitigations. Les tendances attendues par la littérature sont confirmées mais aussi évaluées. Parmi les idées suggerées, l'optimisation du design dent/canal tout au long du canal est proposée afin de limiter les dégradations. / In order to make Proton Exchange Membrane Fuel Cells economically viable for an automotive application, durability and cost problems have to be addressed. Understanding and mitigating degradations inside the cell especially in the MEA are still the focus of several laboratories and also industrials. The several thousands startups and shutdowns that the fuel cell underwent induce severe corrosion of the carbon support. As the catalyst used is expensive, namely platinum, modeling is a great asset to comprehend and analyze this phenomenon costwise.In this work, two models were developed for modeling the transient phases that are the startup and shutdown. First a performance study is presented to validate the use of the model and to introduce the coupling between the along the channel model and the rib/channel model. Then an analysis of the phenomena occurring during the startup (and shutdown) is carried out. Phases are suggested to break down the different phenomena. The reverse-current decay mechanism, when carbon corrosion occurs, is thoroughly detailed using the model. Degradation heterogeneities are highlighted whether they are between inlet and outlet or rib and channel. Finally the model is used to emulate and suggest mitigation strategies. Degradation trends are confirmed and evaluated. New ideas like an original flow field design are tested to mitigate degradation.

This master's thesis deals with proposals for solutions to increase the stiffness of the slide for CNC horizontal boring standing in order to optimize the design of the slide. Selected problem was solved by sensitivity analysis using desegin of experiment in conditions of linear regression analysis. Data for the sensitivity analysis were obtained by using computational modeling using finite element method. The solution provides a view of the degree of influence on the deformation of the examined elements of the slide. Based on these results were selected elements with the greatest influence and created three ideological designs for improvement. Of these designs, was chose an optimal variant by PATTERN method acoording on the technical, economic and technical-economic aspect. This work offers a new look for the innovating the design to increase rigidity.

Decisions taken during the initial design stage determine 60% to 95% of the total cost of a product. So there is a significant need to concurrently consider performance, cost, production and design complexity issues at the early stages of the design process. The main obstacle to this approach is the lack of convenient and reliable cost and performance models that can be integrated into a complex design process as is used in the shipbuilding industry. Traditional models and analysis methods frequently do not provide the required sensitivity to consider all the important variables impacting performance, cost, production and ships life cycle. Our challenge is that achieving this sensitivity at the early design stage almost requires data available during the detail design analysis. The traditional design methods do not adequately include, early enough, production and life cycle engineering to have a positive impact on the design. Taking an integrated approach throughout the life cycle of the ship and using concurrent engineering analysis tools can improve these traditional design process weaknesses. Innovation is required in structural design and cost assessment. The use of design for X, and particular design for production and cost schemes, during the design is the solution: to reduce failure during a ships life caused by design misconception, to reduce the overall design time and to shorten the build cycle of ships, to enlarge the number of design alternatives during the design process. The author has developed some assessment methods for cost effectiveness and complexity measurements intended to be used by ship designers for the real time control of cost process. The outcome is that corrective actions can be taken by management in a rather short time to actually improve or overcome predicted unfavourable performance. Fundamentally, these methods will provide design engineers with objective and quantifiable cost and complexity measures making it possible to take rational design decisions throughout the design stages. The measures proposed in this PhD are based on several techniques like decision analysis, data mining, neural network, fuzzy logic. They are objective facts, which are not dependent on the engineers interpretation of information, but rather on a model generated to represent the ship design. The objectivity aspect is essential when using the complexity and cost measures in a design automation system. Finally, with these tools, the designers should obtain well-defined and unambiguous metrics for measurement of the different types of cost effectiveness and complexities in engineered artefacts. Such metrics help the designers and design automation tools to be objective and perform quantitative comparisons of alternative design solutions, cost estimation, as well as design optimization. In this PhD, these metrics have been applied and validated with success in real industrial conditions on the design of passenger ships. Les décisions prises au cours de la phase initiale de conception déterminent 60% à 95% du coût total dun produit. Il y a donc un besoin important denvisager simultanément des aspects de performance, de coût, de production, de complexité au stade précoce du processus de conception. Le principal obstacle à cette approche est le manque de commodité et de fiabilité des modèles de coûts et des modèles danalyse de performance qui peuvent être intégrés dans un processus de conception aussi complexe que celui utilisé dans lindustrie de la construction navale. Les modèles traditionnels et les méthodes danalyse les plus fréquemment utilisés ne fournissent pas la sensibilité nécessaire pour examiner toutes les variables de conception importantes qui ont une influence sur la performance, le coût, la production et le cycle de vie des navires. Notre défi est quatteindre cette sensibilité au niveau de la conception initiale demande presque toujours des données uniquement disponibles lors de la conception détaillée. Les méthodes de conception traditionnelles ne prennent pas suffisamment en compte, suffisamment tôt, la production et lingénierie du cycle de vie afin davoir un impact positif sur la conception. Adopter une approche intégrée sur lensemble du cycle de vie des navires et utiliser lingénierie simultanée peuvent améliorer les faiblesses des processus de conception traditionnels. Linnovation est nécessaire dans la conception structurelle et lévaluation des coûts. Lutilisation du concept de "design for X", et en particulier le design en pensant à la production et à la réduction des coûts lors de la conception est la solution : pour réduire les dysfonctionnements qui peuvent apparaître pendant la vie du navire causés par des erreurs de conception, de réduire le temps total de conception et de raccourcir le cycle de la construction de navires, délargir le nombre dalternatives de conception évaluées au cours du processus de conception. Lauteur a développé quelques méthodes dévaluation des coûts et des techniques de mesure de la complexité destinées à être utilisés par les concepteurs de navire pour le contrôle en temps réel de la conception. Le résultat est que les actions correctives peuvent être prises par la direction dans un temps assez court pour améliorer réellement ou surmonter les prévisions de performance défavorables. Fondamentalement, ces méthodes offrent aux ingénieurs de conception des mesures quantifiables des coûts et de la complexité qui rend possible la prise de décisions rationnelles tout au long des étapes de conception. Les mesures proposées dans cette thèse sont basées sur plusieurs techniques telles que lanalyse à la décision, lanalyse de données, les réseaux de neurones ou encore la logique floue. Ce sont des faits objectifs, qui ne dépendent pas de linterprétation de linformation par lingénieur, mais plutôt dun modèle généré pour représenter le design du navire. Laspect de lobjectivité est essentiel pour lutilisation de la complexité et la mesure des coûts dans un système dautomatisation de la conception. Finalement, avec ces outils, les concepteurs obtiennent des mesures bien définies et non ambigües des paramètres de mesure de coûts, defficacité et de complexité des artefacts dingénierie. De telles mesures aident les concepteurs et les outils dautomatisation de la conception, à être objectifs et à comparer de manière quantitative les différentes alternatives lors de la conception, de lestimation des coûts, ainsi que de loptimisation. Dans cette thèse, ces paramètres ont été appliqués et validés avec succès et dans des conditions industrielles réelles sur la conception de navires à passagers. Las decisiones tomadas en la etapa inicial de un diseño determinan el 60% al 95% del total del costo de un producto. Por esta razón, es necesario considerar al mismo tiempo rendimiento, costo, producción y la complejidad en el proceso de la fase inicial del diseño. El principal obstáculo de este enfoque es la falta de práctica y fiabilidad de costos y de modelos de análisis de rendimiento, que puedan ser integrados en un proceso complejo de concepción utilizado en la industria de la construcción naval. Los modelos tradicionales y los métodos de análisis frecuentemente no tienen la sensibilidad necesaria para examinar todas las variables importantes que influyen en el rendimiento, costo, producción y la vida útil del buque. Nuestro reto es el que logrando de que ésta sensibilidad en la fase inicial de diseño casi siempre requiera de datos únicamente disponibles durante un análisis de diseño require detallado. Los métodos tradicionales de diseño no incluyen temprana y adecuadamente, la producción y la ingeniería del ciclo de vida para tener un impacto positivo en el diseño. Adoptando un enfoque integrado a lo largo del ciclo de vida de la nave usando la ingeniería concurrente y herramientas de análisis se pueden mejorar estas debilidades del proceso tradicional de diseño. Se requiere innovación en el diseño estructural y la evaluación de los costos. La utilización del concepto diseño para X, y en particular el diseño pensando en la producción y en la reducción de costos durante la concepción es la solución: para reducir errores durante la vida útil de los buques causados en la concepción del mismo, para reducir el tiempo total de diseño y acortando el ciclo constructivo del buque, para ampliar el número de alternativas durante el proceso de diseño. El autor ha desarrollado algunos métodos de evaluación de costos y de técnicas de medida de la complejidad destinadas a ser utilizadas por los diseñadores de barcos para el control en tiempo real del proceso de costos. El resultado es que las acciones correctivas pueden ser adoptadas por la dirección en un tiempo suficientemente corto para realmente mejorar o superar el rendimiento desfavorable proyectado. Fundamentalmente, estos métodos ofrecerán a los ingenieros diseñadores con medidas objetivas y cuantificables de costos y complejidad haciendo posible tomar decisiones racionales a lo largo de todas las etapas de diseño. Las medidas propuestas en esta tesis doctoral se basan en varias técnicas tales como análisis de decisión, análisis de datos, redes neuronales y lógica difusa. Son objetivos hechos, que no dependen de la interpretación que el ingeniero realice sobre la información, sino más bien en un modelo generado para representar el diseño de los buques. El aspecto de la objetividad es esencial cuando se usa las medidas de complejidad y costos en un sistema de automatización del diseño. Finalmente con estas herramientas, los diseñadores podrían obtener medidas bien definidas y no parámetros de medición ambiguos de costos, de eficacidad y de complejidad en los artefactos de ingeniería. Estas medidas ayudan a los diseñadores y a las herramientas automatizadas de diseño, a ser objetivos y a comparar de manera cuantitativa las diferentes alternativas de solución del diseño, estimación de costos, así como también la optimización del diseño. En este doctorado, estos parámetros han sido aplicados y validados con éxito sobre el diseño de buques de pasajeros en condiciones industriales reales. In der Anfangsphase einer Produktentwicklung getroffene Entscheidungen definieren 60% bis 90% der Gesamtkosten eines Produktes. Daher ist es absolut notwendig Performance, Kosten, Produktion, Designkomplexität in der Entstehungsphase eines Produktes zu betrachten. Das Haupthindernis hierbei ist das Fehlen von praktikablen und zuverlässigen Kosten- und Performancemodellen, welche sich in den komplexen Designprozess wie in der Schiffbauindustrie integrieren lassen. Konventionelle Modelle und Analysemethoden berücksichtigen oft nicht all die wichtigen Performance-, kosten-, produktion-, und Lebenszyklus-relevanten Variablen. Unsere Herausforderung, dass das Erreichen dieser Sensibilität in der Anfangsphase der Produktentwicklung, benötigt fast immer Daten, die erst in der Phase der Detailkonstruktion zur Verfügung stehen. Die konventionelle Entwurfsmethoden berücksichtigen nicht angemessen und früh genug die Produktion und das Lebenszyklen-Engineering, welche eine positive Auswirkung auf das Design haben. Ein integrierter Ansatz entlang des Lebenszyklus eines Schiffes und das Praktizieren von Concurrent Engineering können die Schwäche des konventionellen Entwurfsprozesses beseitigen. Innovation ist notwendig im Strukturentwurf und in der Kostenanalyse. Die Anwendung von Design for X und besonders Design for Production and Cost Scheme während der Entwurfsphase ist die Lösung: Um die Fehlerquote verursacht durch Missverständnisse und die Entwurfs- und Produktionszeit zu reduzieren, sowie um eine höhere Anzahl von Entwurfsvarianten zu ermöglichen. Der Autor hat einige Analysemethoden für Kosteneffektivität und Komplexitätsmaßnahmen für die Anwendung durch Schiffsentwerfer für die Echtzeit-Steuerung von Kostenprozess entwickelt. Das Ergebnis ist, dass das Management korrigierende Maßnahmen in kurzer Zeit treffen kann, um eine ungünstige Performance zu verbessern bzw. zu vermeiden. Im Grunde beschaffen diese Methoden den Entwurfsingenieuren mit objektiven und quantifizierten Kosten- und Komplexitätsmaßnahmen. Dies vereinfacht das Treffen von vernünftigen Entwurfsentscheidungen über die gesamte Entstehungsphase eines Schiffes. Die in dieser Arbeit vorgestellten Maßnahmen basieren auf Techniken wie die Entscheidungsanalyse, das Data-Mining, neurale Netze und die Fuzzy-Logik. Es sind objektive Fakten, welche nicht von der Interpretation des Ingenieurs abhängen, sondern von einem generierten Model, um den Schiffsentwurf darzustellen. Der objektive Aspekt ist essenziell bei der Anwendung von Komplexitäts- und Kostenmaßnahmen in einem automatisierten Entwurfssystem. Mit diesen Werkzeugen sollte der Entwerfer gut-definierte und eindeutige Werte für Maßnahmen von unterschiedlicher Natur von Kosteneffektivität und -komplexität erhalten. Diese Werte helfen dem Entwerfer und automatisierten Entwurfssystemen, objektive zu sein. Ferner, ermöglichen diese Werte quantitative Vergleiche von Entwurfsvarianten, Kostenabschätzung und Entwurfsoptimierung. Diese Werte wurden im Rahmen eines Studienfalles mit realen Voraussetzungen (Entwurf von Passagierschiffen) erfolgreich angewendet und validiert.