ERWEITERTE PARAMETRIK - Simulation und Expertenwissen im parametrischen Entwerfen

Das Thema dieses Forschungsprojekts ist die Integration von Expertenwissen und digitalen Simulationsmethoden in ein parametrisches Entwurfssystem für digital fabrizierte Holz-Architektur. Die praktischen Anwendungen sind sehr spezifisch, die dem System zugrunde liegenden Themen hingegen von sehr grundlegender Natur und haben weiter reichende Bedeutung. Das Projekt bearbeitet die hauptsächlichen Mängel heutiger parametrischer Entwurfsprogramme, welche man zusammenfassen kann als das generelle Fehlen erfolgreicher Entscheidungshilfesysteme. Diese Mängel sind besonders relevant im Hinblick auf die Umsetzung der Direktive 2010/31/EU, welche eingeführt wurde, um die Energieeffizienzbestimmungen für Gebäude zu verstärken. Werkzeuge, die Architekten erlauben würden, mit diesen neuen, komplexeren Bestimmungen im Rahmen eines normalen Entwurfsprozesses kreativer umzugehen, sind derzeit nicht vorhanden. Die derzeit aktuellen Building Information Modeling Systeme (BIM oder Gebäudeinformationssysteme), verwenden lediglich vereinfachte physikalische Simulationsmodelle, und es fehlen ihnen auch grundlegende Voraussetzungen für die Entscheidungsunterstützung. Ein wesentliches ungelöstes Problem ist, dass die Simulationssysteme bisher nur in uni-direktionaler Weise eingebunden sind. Wir schlagen vor, ein offenes, modular aufgebautes parametrisches Modelliersystem zu entwickeln, welches in Echtzeit Feedback geben und Verbesserungsvorschläge machen kann, auf der Basis von verschiedensten Entwurfskriterien, welche die Energieeffizienz eines Gebäudes definieren. Zu diesem Zweck werden wir auch verschiedene Ansätze erproben, wie zuverlässigere Simulationsmethoden auf bidirektionale Weise in das parametrische System integriert werden können. Um diese Fragen vertieft behandeln zu können, konzentrieren wir uns auf ein einziges Material, nämlich Kreuzlagenholz (KLH). KLH ist ein Material mit vielen positiven Eigenschaften in Bezug auf Energieeffizienz und Nachhaltigkeit, und es verfügt, wie wir im Rahmen eines anderen FWF Projektes (FWF grant L695), das an unserem Institut durchgeführt wurde, feststellen konnten, über hervorragende Voraussetzungen für Maßanfertigungen durch digitale Fabrikation. Das Projekt wird eine sogenannte "Erweiterte Parametrik" entwickeln: eine neue Art von Parametrik-Programm, welches leistungsabhängige Modellierung basierend auf detaillierten physikalischen Simulationsmodellen unterstützt. Indem wir uns auf ein einziges Material konzentrieren, können wir auch detaillierte Konstruktionsthemen wie Verbindungstypen in die Simulation einbeziehen. Daneben werden aber auch Ansätze wie genetische Algorithmen als Optimierungsverfahren genutzt. Die Ambition des Projektes ist es, die konzeptionellen und methodologischen Grundlagen für solche erweiterte Parametriksysteme zu entwickeln und sie mit praktischen Anwendungen für das gewählte Material KLH als Proof-of-concept zu testen.

Das Ziel dieses Forschungsprojekts war es, Architekten beim Entwerfen energieeffizienter Gebäude zu unterstützen. Die EU-Direktive 2010/31/EU, welche derzeit in ganz Europa bindend wird, führt zu verschärften Bestimmungen in Bezug auf die Energieperformance von Gebäuden und macht den Architekturentwurf anspruchsvoller und komplexer denn je. Derzeit fehlen Werkzeuge, mit denen Architekten die neuen Anforderungen schon in einem frühen Entwurfsstadium berücksichtigen können. Im Projekt Erweiterte Parametrik wurden bestehende, sogenannt parametrische Entwurfsprogramme erweitert, um diese Unterstützung zu bieten. Mit parametrischen CAD Programmen sind Entwerfende in der Lage, sehr schnell Varianten von Entwürfen zu erstellen, weil die formgebenden Variablen, die geometrischen Parameter des Entwurfs, miteinander verknüpft sind. Das Projekt hat diese Funktionalität um Optimierungsprogramme erweitert, mit denen verschiedene relevante Eigenschaften des Entwurfs berechnet und innerhalb des durch die Parameter vorgegebenen Spielraumes optimiert werden können. Mit Hilfe dieser Optimierungsverfahren wurde im Rahmen des Programms eine bi-direktionale Parametrik umgesetzt. Das heißt ein parametrisch entwickelter Architekturentwurf kann sowohl über seine Formparameter verändert werden, als auch quasi vom Ende her, also von den Performancewerten, welche sich aus den Formwerten berechnen lassen und für welche bestimmte Zielgrößen vorgegeben werden können, aus welchen das Programm dann, sozusagen in umgekehrter Richtung, die Formparameter berechnet, welche zur Erreichung dieser Zielwerte notwendig sind. Da Architektur nie auf ein einzelnes Kriterium reduziert werden kann, und die verschiedenen Kriterien oftmals im Widerspuch zueinander stehen, wurde im Rahmen des Projektes eine Multi-Kriterien-Optimierung entwickelt, welche gleichzeitig mit mehreren Optimierungsmodulen verbunden werden kann. Damit die Optimierungsverfahren schon in einem frühen Entwurfsstadium verwendet werden können, ist es wesentlich, dass sie als Teil des Entwerfens quasi in Echtzeit durchgeführt werden können. Optimierungsverfahren brauchen typischerweise tausende Iterationen, bei denen verschiedene Kombinationen von Parametern getestet und verglichen werden. Die Simulationsverfahren, deren Resultate verglichen werden, müssen also äußerst schnell ablaufen, damit ein Optimierungsschritt nicht Stunden oder Tage dauert und somit das direkte Feedback im Entwurfsprozess unmöglich wird. Im Rahmen des Projektes wurden deswegen vereinfachte Berechnungsverfahren entwickelt, mit denen Performancesimulationen in solche Echtzeitoptimierungsverfahren integriert werden können. Die Berechnungen für den Energiebedarf (Heizen / Kühlen) liefern um weniger als 5% abweichende Resultate verglichen mit den derzeit führenden Simulationsprogrammen, sind aber um den Faktor 1000 und mehr schneller.