Auf IT gebaut - Bauberufe mit Zukunft

Mrokon, Thomas 2005
(1. Preis/Einzelarbeit)

Architektur steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der menschlichen Wahrnehmung. Und die menschliche Wahrnehmung steht in direkter Abhängigkeit zu räumlichen Begebenheiten und der Möglichkeiten einer freien Bewegung durch den Raum.

Dieser Aspekt der Bewegung durch den Raum ist eine funktionsprägende Eigenschaft jedes Gebäudes. Somit ist die Analyse von Bewegungsströmen in Gebäuden immer auch eine Analyse von deren Funktionalität. Architektur beeinflusst Bewegungsabläufe von Nutzern in einem Gebäude. Mit einem dynamischen Computermodell lassen sich diese menschlichen Bewegungsströme simulieren. Damit können Prozessabläufe im Entwurfsstadium analysiert werden, um die Funktionalität der geplanten Architektur zu optimieren.

Grundlage für das prospektive Planungswerk zeug ist die Entwicklungen einer Diplomarbeit aus dem Bereich Architektur. Durch den Einsatz neuester Software und Programmierung wurde ein universelles Tool für die Stadtplanung entwickelt. An zwei weiteren realisierten Projekten aus den Bereichen Büroraumplanung und Gebäudeoptimierung soll das breite Anwendungsspektrum der Simulationstechnik demonstriert werden.

Diplomarbeit

Als erstes Anwendungsgebiet wurde ein städtebaulicher Planungsmaßstab analysiert. Dazu diente eine Blockrandstruktur in der Innenstadt von Amsterdam, welche durch ein Höchstmaß an Personenverkehr eine ideale Simulationsumgebung darstellte. Ziel der Untersuchung war die Messung von baulichen und funktionalen Gestaltungspotenzialen innerhalb dieses Blockrandes. Aspekte der Untersuchung waren die Erreichbarkeit verschiedener Funktionen und die Messung des gesamten Veränderungspotenzials von baulichen und funktionalen Eingriffen.

Büroraumoptimierung

Mit der congena GmbH wurde ein Bauplaungsprojekt realisiert, welches die Untersuchung von Grundrissen im Hinblick auf informelle Kontakte zum Ziel hatte. Baulich waren ein Kamm- und ein Atriumsgrundriss zu vergleichen, in denen jeweils Zellen- und Kombibüros analysiert wurden. Mit vorhandenen Erfahrungswerten aus dem Tätigkeitsbereich der Büronutzer wurden unterschiedliche Agentenprofile erstellt.

Wahrnehmungsanalyse

Ein weiteres Anwendungsgebiet für Bewegungssimulationen sind Messen. Für ein Pilotprojekt in diesem Einsatzbereich konnte mit der Firma FairControl GmbH ein kompetenter Partner in der Messeberatung gefunden werden. Als Untersuchungsobjekt wurde ein großer Messestand im Computer nachgebaut und mit allen für den Messebetrieb wichtigen Einrichtungen aus gestattet. Mit einem so genannten Blickfeldsensor war es möglich die Wahrnehmungspotentiale der virtuellen Besucher für bestimmte Objekte zu messen.

Panayotov, Martin; Penev, Miroslav
2006 (2. Preis/Gruppenarbeit)

Staus quo im Bauwesen

Der Status quo im Bauwesen ist deutschland- und europaweit dadurch gekennzeichnet, dass mehr als die Hälfte aller Bauplanungen im Kontext existierender Bausubstanz realisiert werden.

Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist die Konzipierung eines integrativen Ansatzes computergestützter Planung im Bestand. Im Einzelnen wird die Systemarchitektur für diesen Ansatz entwickelt, unter Berücksichtigung unterstützender Bereiche wie Software, Computernetzwerke, Datenverwaltung, digitales Aufmass, nicht-digitale Mittel sowie weitere innovative Technologien.

Mensch und Computer

Eine Planung im Bestand setzt relevante Bestandsunterlagen voraus. Falls sie nicht vorliegen oder den Planungsanforderungen nicht gerecht werden, muss eine Bauaufnahme durchgeführt werden. Eine entscheidende Rolle bei der computergestützten Bauaufnahme spielt die Interaktion Mensch-Maschine. Ausgehend davon, dass nicht die Maschine, sondern der Mensch im Zentrum der heutigen Informationsgesellschaft stehen soll, wird diese Interaktion aus der Sicht der Psychologie, der Arbeitswissenschaft, der Kognitionswissenschaft, der Software-Ergonomie und des Interaction-Designs untersucht.

Modellbildung

Die Datenakquisition bei einer Bauaufnahme erfolgt immer als ein Prozess der Modellbildung, gleichwohl ob das Ergebnis ein detailliertes 3D-Modell, ein 2D-Plan oder eine fotografische Aufnahme ist. In der vorliegenden Arbeit wurde berücksichtigt, wann eine objektorientierte Modellbildung bei einer computergestützten Planung im Bestand von Vorteil wäre und wann nach weiteren Lösungen gesucht wer den soll. Richtungweisend dabei ist die Überlegung, dass eine Bauaufnahme nicht nur geometrische Informationen enthält, sondern auch andere formalisierbare und informale Informationen einschließt.

Prozesse

Die Bauaufnahme wird als Teilprozess der Planung im Bestand angesehen und in drei Phasen gegliedert: Vorbereitung, Datenakquisition und Datenverwaltung. Im Kontext des Gesamtplanungsprozesses werden einerseits die gesetzlichen Vorgaben und andererseits die Rolle der Software, der Telekommunikation, der Netzwerke, der mobilen Geräte, der Virtual /Augmented Reality und der Robotik untersucht. Trotz der formalen Prozessgliederung stellt die Bauauf nahme einen aktiven Prozess dar, d. h. sie lässt laufzeitdynamische Änderungen und Interaktion mit der Planung zu.

Datenakquisition und -verwaltung

Die Analyse vorhandener Geräte, Aufmassmethoden, Aufmasssysteme und der Datenverwaltung im Projektraum dient als Vergleichsbasis für die Arbeit. Dabei werden die Möglichkeiten untersucht, den derzeitigen starken Informationsverlust beim Informationsaustausch zwischen allen an der Bauplanung, -ausführung und -verwaltung beteiligten Berufsgruppen durch innovative Datenformate oder Datenverwaltungssysteme zu minimieren.

Integrativer Ansatz

Die Konzipierung der Systemarchitektur eines integrativen Ansatzes computergestützter Planung im Bestand basiert auf der Auswertung der oben beschriebenen Themengebiete.

Systemarchitektur

Der Kern der Systemarchitektur ist ein Datenverwaltungssystem. Dabei werden in einem Datenpool sowohl geometrische als auch formalisierbare und informale Informationen zwischen allen Projektbeteiligten verlustfrei ausgetauscht. Dem Nutzer ist während der Datenakquisition die Option überlassen, Ordnungsstrukturen laufzeitdynamisch zu ändern oder neue zu erstellen.

Allgemein

Im Kontext der computergestützten Planung im Bestand wird das Berufsbild des Architekten evaluiert und aktualisiert.

Lömker, Dr.-Ing. Thorsten Michael
2008 (2. Preis/Einzelarbeit)

Die Bauaufgaben der Zukunft liegen in der Auseinandersetzung mit bestehender Architektur. Die planerische Herausforderung besteht im Verzicht auf den Neubau durch die Umnutzung oder den Umbau existenter Gebäude. Beide Vorgehensweisen können als Werterhaltungsstrategien verstanden werden, die den Lebenszyklus eines Gebäudes als integralen Bestandteil der Planung betrachten. Ihr Ziel ist es, ungenutzte Bestandsgebäude durch keine oder nur geringe bauliche Eingriffe organisatorisch so zu verändern, dass sie einer Weiternutzung zugeführt werden können.

Als Alternative zum Neubau ist der Erfolg beider Strategien entscheidend davon abhängig, dass der Architekt schon zu Beginn der Planung zu der Entscheidung gelangt, ob sich ein Gebäude unter Anwendung dieser Vorgehensweisen weiternutzen lässt. In der Praxis wird diese Entscheidung vom Architekten durch einen aufwändigen und damit kostenintensiven Vergleich des Soll-Zustands (Raumprogramm) mit dem Ist-Zustand des Gebäudes getroffen. Da dieser Vergleich jedoch im Wesentlichen eine kombinatorische, d. h. mathematische Problemstellung darstellt, wird in dieser Forschungsarbeit dargelegt, dass durch den Einsatz von Optimierungsverfahren in der Grundrissplanung Lösungen für Umbau- und Umnutzungsaufgaben automatisiert erzeugt werden können.

Diese Lösungen werden durch den Tausch (Umnutzung) oder die Verschiebung (Umbau) existenter Flächen erzeugt. Durch den computergestützten Einsatz dieser Verfahren ist es möglich, zu plausiblen Planungslösungen, die dem Architekten als Grundlage für die weitere Bearbeitung der Planung dienen, zu gelangen. Dabei werden zunächst jene Lösungen ermittelt, welche allesamt die vom Architekten zuvor definierten Rahmenbedingungen und Ziele erfüllen. Ist die Erfüllung aller Bedingungen mathematisch, d. h. planerisch unmöglich, können die verwendeten Optimierungsalgorithmen Näherungslösungen berechnen. Ferner ist es möglich, Bedingungen zu gewichten. Zu Gunsten eines bestimmten Zieles (z. B. Minimierung der Verkehrsfläche) werden andere Bedingungen (z. B. Ausrichtung eines Raumes) vernachlässigt.

Auf diese Weise können Planungslösungen erzeugt werden, deren Performance eindeutig mess- und bewertbar ist.

Langenhan, Christoph
2009 (1. Preis/Einzelarbeit)

Das Konzept „a.vista“ beschreibt eine IT-basierte Systematik zur Speicherung und Suche von Architektur in einer semantischen Online-Datenbank. Hier werden die Gebäudepläne architekturgerecht abgelegt und mit Metainformationen versehen. Die Architektenschaft baut kollaborativ einen Datenbestand auf, um diesen anschließend abfragen zu können. Damit weist diese Internetplattform für den Architekten klassische Merkmale von „Web 2.0“ Anwendungen auf.

Die elektronische Suche von Architektur wird heute durch Verschlagwortung der Inhalte erreicht. Räumliche Zusammenhänge werden auf Typologien reduziert und mit einer verbalen Beschreibung versehen. Das Abbilden architektonischer Situationen können diese Begrifflichkeiten jedoch nicht leisten.

Das Vokabular des Architekten ist die Symbolik der Pläne. Diese Zeichenhaftigkeit beschreibt und charakterisiert ein Projekt. Der Grundriss enthält als visuelle Information die räumliche Konfiguration des Gebäudes. Anhand dreier Parameter – Strukturgruppen, deren Erschließung sowie Benachbarung – wird die zeichenhafte Qualität des Grundrisses von dem Architekten analysiert und eingegeben (Bild 2). Die Information des Grundrisses wird in dem digitalen Fingerabdruck gespeichert. Diese Semantik kann in Form einer Topologie graphentheoretisch ausgewertet und abgefragt werden. Diese unverwechselbare Signatur des Projekts ist die Grundlage der Recherche nach Referenzprojekten.

Die Eingabe eines Projektes sowie dessen semantischer Fingerabdruck geschehen auf der graphischen Benutzeroberfläche. Die Struktur des Grundrisses und dessen Merkmale werden extrahiert und in die Datenbank aufgenommen. Es handelt sich um die graphischen Metadaten des Projektes.

Die Suchanfrage (Bild 3) erfolgt durch skizzenhafte Eingabe des Problems. Vielfältige Möglichkeiten der graphischen Verfeinerung und sprachlichen Qualifizierung stehen dem Nutzer zur Verfügung. Typische Muster innerhalb der Topologien lassen Rückschlüsse auf ähnliche architektonische Situationen zu. Während des Suchprozesses werden im ‚retrieve‘ die Merkmale der Suchskizze und dessen digitale Signatur mit den digitalen Fingerabdrücken in der Datenbank auf Übereinstimmung geprüft. Dem Nutzer werden Projekte präsentiert, welche die gesuchte architektonische Situation enthalten. Architektur wird speicherfähig und anhand seiner raumstrukturellen Eigenschaften abrufbar. Der Entwurfsprozess wird verkürzt und vorangetrieben.

Rössel, Timm 2010
(1. Preis/Einzelarbeit)

Die politischen Weichenstellungen in Europa und den USA deuten auf eine flächendeckende Umsetzung des Null-Energie-Standards im Neubaubereich in absehbarer Zeit hin. Das für die Siemens AG entwickelte Excel-Tool unterstützt den Planer bei der Konzeption eines Gebäudes im Null-Energie-Standard. Bilanziert wird der Endenergiebedarf für Heizung, Kühlung, Beleuchtung, Hilfsenergie (Pumpen, Ventilatoren) und Aufzugsanlagen. Optional können Arbeitsmittel in die Bilanzierung integriert werden.

Das Null-Energie-Potenzial eines Bürogebäudeentwurfs kann mit dem Excel-Tool in einer frühen Planungsphase abgeschätzt werden und der Einfluss verschiedenster Gebäude- und Technikparameter wird aufgezeigt. Somit ist eine interaktive Sensitivitätsanalyse möglich.

Abgebildet werden die Parameter des Gebäudeentwurfs (Fensterflächenanteil, Geometrie, Orientierung, Tageslichtnutzung etc.), aber auch andere Einflussgrößen, wie z. B. der Luftwechsel, die Beleuchtungssteuerung oder die Art der Lüftung. Die Wärme- und Kältebereitstellung kann über die Jahresarbeitszahl (Heizung) bzw. den Energy Efficiency Ratio (Kühlung) eingestellt werden. So ist es möglich, den Einfluss z. B. verschiedener Wärmequellen oder Systemtemperaturen einer Wärmepumpe zu untersuchen. Auch die Effizienz passiver Kühlmethoden, wie Grundwasserkühlung, kann entsprechend eingestellt werden. Zudem ist es möglich, die Verluste der Verteilung, Speicherung und Übergabe in die Bilanzierung mit einzubeziehen.

Programmiert wurde das ExcelTool in VBA („Visual Basic for Applications“). Mittels Scrollbars kann der Nutzer den Einfluss von typischen Gebäude- und Technikkenngrößen darstellen und das Null-Energie-Gebäude-Potenzial ermitteln. Alle möglichen Varianten wurden nach DIN V 18599 „Energetische Bewertung von Gebäuden“ bilanziert und in einer Datenbank hinterlegt. Durch Veränderung der Scrollbars und somit der Parametereinstellungen wird auf den entsprechenden Wert in der Datenbank zurückgegriffen.

Schleinkofer, Matthias
2010 (3. Preis/Einzelarbeit)

Modellbasierte Planung gestattet die Durchführung einer Vielzahl von Planungsaufgaben in einer ganzheitlichen Sicht auf das Bauobjekt. Während diese in zunehmendem Maß bei Neubauten eingesetzt wird, findet sie im Bereich der Umbau- und Sanierungsplanung eher geringen Zuspruch. Als wesentlicher Grund für den beschränkten Einsatz im Altbausektor ist das Fehlen eines räumlichen Bauwerksmodells anzusehen, welches bislang nur unter großem manuellem Einsatz erstellt wird.

Die vorliegende Arbeit stellt einen Weg vor, um unter der Prämisse eines hohen Automatisierungsgrades den Baubestand geometrisch zu erfassen und als planungstaugliches Produktmodell aufzubereiten. Der Einsatz terrestrischer Laserscanner erlaubt es, einen wirtschaftlich effizienten Messablauf einzuführen. Berührungslos und in kurzer Zeit werden die Objektoberflächen automatisch und in hoher Genauigkeit abgetastet. Als resultierende Messdaten stehen Punktwolken mit einer sehr großen Anzahl an Einzelpunkten zur Verfügung. Die weitere Bearbeitung kann in örtlicher Distanz zum Objekt erfolgen.

Die Punktwolken werden zu einer Gesamtpunktwolke vereinigt und ausgedünnt – Letzteres, um die Verteilung der Messpunkte zu homogenisieren. Im nachfolgenden Schritt findet eine Dreiecksvernetzung der Punkte statt. Benachbarte Dreiecke, die eine analytische Fläche approximieren, bilden Segmente. Aus der Verschneidung aneinandergrenzender Segmente entsteht ein Oberflächenmodell, aus welchem sich Volumenkörper ableiten lassen.

Zu deren weiteren Analyse werden künstliche neuronale Netze verwendet. Mit ihnen ist es möglich, die zunächst unbestimmten Körper als Bauteile zu klassifizieren, ohne konkrete Entscheidungsregeln dafür festlegen zu müssen. Diese leiten sich aus zuvor erlernten Beispielen in Form von bestehenden CAD-Modellen ab. Gemäß der Klassifizierung werden schließlich, entsprechend der aufgemessenen Geometrie, in einem Produktmodell Objekte erzeugt.

Seifert, Nils; Mühlhaus, Michael
2011 (1. Preis/Gruppenarbeit) 

Mit dem städtebaulichen Entwurfstool haben wir für den Architekten eine innovative Arbeitsumgebung geschaffen. Sie verbindet das kreative Potenzial des skizzenhaften Entwerfens mit dem Informationsgehalt von Analyse- und Simulationswerkzeugen. Das Überwachen der planerischen Rahmenbedingungen und baugesetzlichen Vorschriften wird automatisiert. Dadurch richtet sich der Fokus auf den kreativen Prozess des Entwerfens, bei dem der Planer durch vielseitige objektive Simulations- und Analysemethoden unterstützt wird. Visuelles Feedback fließt direkt in neue Entwurfsentscheidungen ein. So entsteht ein kreativer Kreislauf, der sich letztendlich auf die Qualität des Entwurfes niederschlägt.

Wir haben mit unserem Projekt die Frage gestellt, wie der Computer auch für den Entwerfer ohne Programmierkenntnisse Ratgeber und Werkzeug sein kann, ohne dabei die Urheberschaft über den Entwurf zu übernehmen. Der Schlüssel hierzu ist der Dialog mit dem Computer: das Prinzip von Frage und Antwort, das wir in einem städtebaulichen Entwurfstool realisiert haben.

Die implementierten Analysemethoden lassen sich in drei Gruppen einteilen. In der ersten Gruppe „Licht und Schatten“ werden die durch Sonnenlicht erzeugte Belichtung und Verschattung der gezeichneten digitalen Skizze simuliert. Hierbei kann entweder eine bestimmte Tageszeit zu einem bestimmten Datum ausgewählt oder der Sonnenverlauf eines gesamten Tages als Farbgradient angezeigt werden. In diese Simulation sind auch die Fassaden der Gebäude einbezogen. Die zweite Gruppe „Erreichbarkeit und Distanzen“ beschäftigt sich mit der Frage, wie schnell, wie einfach und auf welchem Weg sich verschiedene Punkte auf dem gezeichneten Areal erreichen lassen. Mit der dritten Gruppe „Raum und Blickbezüge“ lässt sich visualisieren, welche Punkte besonders öffentlich, also von vielen anderen Stellen aus einsehbar oder ab - geschirmt sind. Außerdem können hier die Flussrichtung des Raumes und Raumschwerpunkte angezeigt oder bestimmte Areale auf bestehende Blickbeziehungen hin untersucht werden.

Löbner, Benjamin; Prigge, Friedrich
2011 (3. Preis/Gruppenarbeit)

ZipTech bezeichnet ein neues Verfahren zur Planung und Herstellung von Freiformen in der Architektur. Der große Vorteil: Es ist deutlich günstiger als alle konventionellen Produktionsverfahren.

Es ist eine Weiterentwicklung des „Zipshape“: In zwei Platten werden Zähne gefräst, deren Maße mit Hilfe eines Scripts so berechnet wurden, dass sie nur in einer Form ineinanderpassen. Nun ermöglicht ZipTech die exakte Herstellung beliebiger Kegelflächen.

Kostenvorteil

Preisgünstig wird das Verfahren vor allem durch das Verleimen der Formstücke in einem Vakuumsack ohne Pressformen. In der Herstellung von Einzelstücken spart das viel Zeit und Geld. Bei einfach zylindrisch gekrümmten Formstücken kommt dieser Vorteil weniger zum Tragen, da entsprechende Formlehren noch recht einfach herstellbar sind. Bei kombinierten Kegelflächen hingegen entsteht ein Kostenvorteil von bis zu 50 Prozent.

Materialien

Durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe können die Eigenschaften der Formstücke gezielt verändert werden. Soll beispielsweise das Tragverhalten erhöht werden, wird ein günstiges Trägermaterial mit einem Schichtstoff belegt, der hohe Zugkräfte aufnehmen kann. Die Zahnungen werden anschließend nur in das Trägermaterial gefräst. Nach dem Fügen bildet der Schichtstoff die Außenhaut des Formstücks.

Anwendungsbereiche

Entwickelt wurde ZipTech für die Gestaltung komplexer Fassadenstrukturen aus einer Vielzahl individuell gekrümmter Einzelteile. Es hat sich allerdings schnell gezeigt, dass es sich auch für die Nutzung in vielen anderen Bereichen anbietet, wie beispielsweise im Messe- und Ladenbau.

Weitere Informationen auf www.ziptech.de