Digitale Optimierungsprogramme unterstützen heutzutage die Planungsprozesse mehr denn je. Dennoch klafft zwischen den meist immer noch analog beginnenden Entwurfsprozessen und der häufig schon digital begleiteten Ausführungsphase von Projekten eine Übertragungslücke. Diese Lücke zu überbrücken hat sich das Projekt „CDP // Collaborative Design Platform“ unter der Leitung von Dr.-Ing. Gerhard Schubert vom „Lehrstuhl für Architekturinformatik“ von Prof. Dr.-Ing. Frank Petzold an der Technischen Universität München zum Ziel gesetzt.

Kein Entweder-oder

Wie können angestammte Entwurfswerkzeuge der Planer*innen wie die Handskizze oder das physische Modell mit den Möglichkeiten einer datenbasierten Entwurfsoptimierung kombiniert werden? Diese Frage verfolgt die „CDP // Collaborative Design Platform“. Dabei geht es den Macher*innen darum, die Vorteile beider Herangehensweisen zu beizubehalten – kein Entweder-oder. Analoge Techniken sollen nicht von computergestützten Techniken ersetzt werden. Die Idee ist es, digitale Simulationen und Analysen auch in die frühen und kreativeren Phasen der Planung einzubetten. Auf diese Art könnte der gesamte Entwurfsprozess von Anfang an mit hilfreichen Daten unterfüttert werden und es käme zu weniger Informationsbrüchen in den einzelnen Entwurfsstadien. Das Grundkonzept baut auf einem entscheidungsunterstützenden System auf. Individuell skizzierte Gedankengänge kann eine Software direkt mit objektiven Faktoren abgleichen. Den Entwerfer*innen soll so Entscheidungslast abgenommen werden. 

Dem Projekt geht die Dissertation von Gerhard Schubert aus dem Jahre 2014 mit dem Titel „Interaktionsformen für das digitale Entwerfen – Konzeption und Umsetzung einer rechnergestützten Entwurfsplattform für die städtebaulichen Phasen in der Architektur“ voraus. Schubert ging es darum, mithilfe einer digitalen Entwurfsplattform Schnittstellen zwischen der analogen und digitalen Sphäre zu generieren. 

Direkt von der Hand auf den Bildschirm

Basis für die praktische Umsetzung des Konzeptes ist ein großformatiger, analog und digital bespielbarer Multitouchtisch. Er bildet die Interaktionsfläche für die Nutzer*innen. Während auf dem Tisch mit physischen Modellen und Skizzen hantiert wird, nimmt eine Tiefenkamera diese Arbeitsschritte auf und überträgt sie in den digitalen Raum. Auf einer vertikal zum Tisch montierten Projektionsfläche ist dann die entsprechende Entwurfsszene als perspektivische Darstellung zu sehen. Jede Änderung des physischen Modells schlägt sich automatisch in der digitalen Skizze nieder. Die Software ist ebenfalls als flexibles System durchdacht. Durch Plug-Ins können Planer*innen je nach Aufgabe Simulationen wie Verschattungsanalysen oder Wegeberechnungen direkt in ihren Workflow integrieren.

Energetisch experimentieren

Ein konkretes Anwendungsbeispiel hat der Lehrstuhl mit dem „CDP // Energy“-Projekt vorgelegt. Zusammen mit dem Münchner „Lehrstuhl für Gebäudetechnologie und klimagerechtes Bauen“ von Prof. Thomas Auer hat ein interdisziplinäres Team Algorithmen für die Auswertung von städtebaulichen Ideen auf energetischer und raumklimatischer Basis entwickelt. Im Maßstab 1:500 können Stadtplaner*innen damit Entwürfe auf Versorgungsmöglichkeiten mit Fernwärmenetzen oder das Potential für solare Energieerzeugung und oberflächennahe Geothermie untersuchen. Zwei weitere Plug-Ins simulieren Tageslichtverläufe und den thermischen Energieverbrauch.

Alte Technik neu virtuell interpretiert: Der Großteil des weltweiten Ressourcenverbrauchs liegt im Bausektor. Um der dadurch resultierenden Rohstoffknappheit entgegenzuwirken, gibt es diverse Ansätze. Einer davon ist die Umstellung auf zirkuläre Bausysteme. Am Institut „Entwerfen und Bautechnik" an der Fakultät für Architektur des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erforscht die Professur „Digital Design and Fabrication“ (DDF) unter der Leitung von Tenure-Track-Prof. Mag. Arch. Moritz Dörstelmann computerbasierte Entwurfsmethoden und digitale Fertigungsverfahren für neuartige Konzepte zur Kreislaufwirtschaft im Bauwesen. Erklärtes Ziel ist die prototypische Entwicklung kreislauffähiger digitaler Bauprozesse und innovativer Material- und Konstruktionssysteme. Letztere sollen in anwendungsorientierten Demonstrationsprojekten im Maßstab 1:1 erprobt werden. Hierbei sollen alle Aspekte des Bauens vom Architekturentwurf über Bauteilproduktion, Montage, Umnutzung und Rekonfiguration bis zum Rückbau und Recycling in einem integralen digitalen Prozess berücksichtigt werden.

Design Studio und Lehrveranstaltung „Digital Wicker“

Das von der Professur DDF betriebene forschungsorientierte Design Studio „Digital Wicker“ hat sich im Rahmen einer gleichnamigen Lehrveranstaltung im Wintersemester 2021/22 die Entwicklung von nachhaltigen Kreislaufbaukonzepten zum Ziel gesetzt, die durch digitale Gestaltung und Fertigung ermöglicht werden sollen. Die Konzepte sehen vor, dass nachwachsende Rohstoffe am Ende ihres Lebenszyklus in die Biosphäre zurückgeführt werden. Die Untersuchungen des Design Studios konzentrierten sich dabei nicht primär generell auf das Material Holz, sondern nehmen vor allem die Kombination von den schnell nachwachsenden Bäumen Weide und Pappel mit Ton und Lehm in den Blick.

Im ersten Schritt haben die Studierenden eine Recherche zu natürlichen Materialien, digitalen Fabrikationstechniken sowie historischen und zeitgenössischen Referenzen durchgeführt. Darauf folgte eine Phase des explorativen Prototypenbaus. Die Ergebnisse aus dieser zweiten Phase sind in die Gestaltung und Entwicklung eines Designs für ein Demonstrationsprojekt eingeflossen. Im Sommersemester 2022 wird im Rahmen der Lehrveranstaltung „Digital Wicker 2.0“ aufbauend auf den Ergebnissen aus dem Wintersemester ein exemplarischer Prototyp im Maßstab 1:1 konzipiert und gebaut, der im Juli 2022 auf dem Karlsruher Festival „Das Fest“ präsentiert wird.

Alte Technik zukunftsfähig gedacht

Der Name des Design Studios (Wicker = dt. Weide) leitet sich von der traditionellen Technik des Weidenflechtens ab, bei der lange dünne Zweige, Halme oder Schilfrohre zu Körben geflochten werden. Durch das geometrische Anordnen der flexiblen Halme kann im Endprodukt eine Steifigkeit erreicht werden, die der einzelne Zweig nicht besitzt. Übertragen auf die Arbeit des Studios kann die Namensgebung dahingehend ausgelegt werden, dass mit dem richtigen Know-How und neuen (digitalen) Tools das volle Potential von nachwachsenden Materialien ausgeschöpft werden kann.

Historisch betrachtet war Weidengeflecht bis zur Industriellen Revolution im 18. und 19. Jahrhundert ein fester Bestandteil des architektonischen Repertoires. Beispielsweise kam die traditionelle Technik in Form von Flechtwerkwänden zum Einsatz, die später zum Fachwerk weiterentwickelt wurden. Der Begriff „Wand“ verweist heute noch auf dieses ursprüngliche Handwerk des Flechtens, denn er ist etymologisch mit dem Verb „winden“ verwandt. Die Grenzen dieser alten Bauweisen liegen in darin, dass sie aufgrund ihrer Komplexität und der dafür benötigten handwerklichen Fachkenntnisse nicht in einem großen Maßstab skalierbar sind. An dieser Stelle setzt das Forschungsteam an und möchte mit digitalen Mitteln diese Grenzen überwinden.

Beteiligte:

• Lehrende: T. T. Prof. Moritz Dörstelmann, Eszter Olah, Erik Zanetti
  
• Studierende: Lukas Benz, Ani Chachanidze, Adrian Frach, Michael Hosch, Matthias Raffael Köllner, Thibaud Lhoest, Michelle Montnacher, Elisa Sophie Muhr, Saskia Nehr, Deniz Meliha Okurogullari, Yannick Robin Scherle, Sascha Seidt, Paula Mercedes Seifert, Clement Potier, Otto von Zastrow-Marcks
  

Die aktive Teilhabe von Bürger*innen an der Gestaltung ihrer gebauten Umwelt ist eines der erstrebenswertesten Ziele in der aktuellen Stadtplanungspraxis. Es besteht jedoch die Frage, wie sich die große Varianz der individuellen Wünsche, wie sie in den hochkomplexen Gefügen von Städten vorliegt, in Planungsprozesse einbetten lässt. Mit „U_Code” hat das Wissensarchitektur Laboratory of Knowledge unter der Leitung von Prof. Jörg Rainer Noennig an der Technischen Universität Dresden eine digitale All-in-One-Beteiligungsplattform für die Verkehrs- und Stadtplanung geschaffen. Dieses datenbasierte Tool macht es möglich, die Stadtbevölkerung und die Planenden in einen engen ko-kreativen und ergebnisorientierten Dialog zu bringen.

Digital = Flexibilität

Der Vorteil von Beteiligungsverfahren im digitalen Raum besteht in der Geschwindigkeit der Auswertung und der Möglichkeit, die gesammelten Informationen direkt in anschauliches grafisches Material zu überführen, was sich rückwirkend positiv auf die Beteiligungsbereitschaft der Bevölkerung auswirken kann. Eine Integration von „Gamification“-Elementen ermöglicht die spielerische Erkundung der zu beplanenden Gebiete im virtuellen Raum und schafft so weitere Anreize zur Beteiligung. Zudem entfällt die Ortsgebundenheit; die Plattform ist immer abrufbar. Das Tool ist in der Lage, raumbezogene sowie textbezogene Daten im Laufe eines Designprozesses aufzunehmen und zu verarbeiten. Die Plattform ist als multifunktionales Werkzeug konzipiert, das je nach Bedarf individuell auf die Planungsaufgabe zugeschnitten werden kann. Ob eine mehrmonatige Kampagne oder ein kurzer Workshop: Mit „U_Code” können unterschiedliche Planungsmaßstäbe begleitet werden. Das gilt ebenso für den räumlichen Maßstab, der von einzelnen Gebäuden bis hin zu ganzen Stadtquartieren reicht.

Stimmungsbilder

„U_Code” bedient sich bei der Auswertung der eingespeisten Informationen mehrerer KI-basierter Tools. Das sogenannte Citizen Voting ermöglicht es den Teilnehmenden, bestehende Entwürfe zu bewerten. Das so entstehende Beliebtheitsranking der Vorschläge entsteht durch eine Punktevergabe, die durch einzelne Textbeiträge ergänzt werden kann. Dadurch erhalten die Planenden ein differenziertes Meinungsbild. „Heatmaps“ ermöglichen durch das Übereinanderlegen mehrerer Entwürfe herauszufinden, welche Gebäude- oder Flächennutzungsarten die künftigen Bewohner*innen an welcher Stelle präferieren. Die Stadtplaner*innen sollen damit eine nützliche Positionierungshilfe erhalten. Gleiche Gestaltungsmuster in verschiedenen Designs können mit dem „Design-Pattern“-Tool herausgearbeitet werden. Oft wiederkehrende Muster im Urban Fabric, beispielsweise eine kompakte Blockrandbebauung, können als Annäherung an ein optimiertes Ergebnis fungieren. Schließlich erlaubt es die „Sentiment“-Analysis, Kommentare sogar nach ihrer Tonalität zu filtern. Das Stimmungsbild zu einem Projekt kann „U_Code” anhand der Anzahl positiver oder negativer Worte ermitteln.

Musterbeispiel Fritz-Foerster-Platz

2020 fand mithilfe von „U_Code” das städtebauliche Beteiligungsverfahren zur Zukunft des Dresdner Fritz-Foerster-Platzes statt. In der ersten, zwei Monate langen Wissenskampagne haben die Teilnehmenden mit Umfragetools Ideen in das Programm eingespeist. Anschließend konnten in der einmonatigen „Co-Design“-Phase eigene Entwürfe erstellt werden. Virtuell konnten die Partizipient*innen volumetrische 3D-Modelle erstellen oder Funktionsprogramme formulieren. Im Laufe der Phasen entstanden aus 1200 Designobjekten 90 qualifizierte Entwürfe. Der finale Schritt war dann die zweckorientierte Auswertung der Daten mit den KI-gestützten Methoden. Die Ergebnisse konnten anschließend in die Planungen einfließen.