Digitale Prozesse: Planung, Gestaltung, Fertigung 9783955530228, 9783920034355

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∂ Praxis

Digitale Prozesse Planung Gestaltung Fertigung

Moritz Hauschild Rüdiger Karzel

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Digitale Prozesse Planung Gestaltung Fertigung

Moritz Hauschild Rüdiger Karzel

Edition Detail

Autoren: Moritz Hauschild, Prof. Dipl.-Ing. M. Arch. Rüdiger Karzel, Prof. Dipl.-Ing. Arch., Dipl. NDS ETHZ Koautoren: Martin Berchtold, Dipl.-Ing. Arch. Holger Heilmann, Dipl.-Ing. Arch. Philipp Krass, Dipl.-Ing. Arch. Heike Matcha, Dipl.-Ing. Arch. Shozo Motosugi, Prof. Dr.-Ing. Christoph Motzko, Prof. Dr.-Ing. Oliver Tessmann, Dr.-Ing. Arch. Axel Wirth, Prof. Dr. iur.

Mitarbeiter: Ante Ljubas Sara Darvish Christoph Kühne

Verlag: Redaktion und Lektorat: Cornelia Hellstern, Dipl.-Ing.; Nicola Kollmann, Dipl.-Ing. Arch.; Eva Schönbrunner, Dipl.-Ing. Redaktionelle Mitarbeit: Katinka Johanning, M. A.; Florian Köhler; Peter Popp, Dipl.-Ing.; Verena Schmidt, Dipl.-Ing.

Zeichnungen: Dejanira Bitterer, Dipl.-Ing.; Ralph Donhauser, Dipl.-Ing.; Nicola Kollmann, Dipl.-Ing. Arch.; Elisabeth Krammer, Dipl.-Ing.

© 2010 Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, München Ein Fachbuch aus der Redaktion DETAIL

ISBN: 978-3-920034-35-5 Gedruckt auf säurefreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff. Alle Rechte vorbehalten, einschließlich das des auszugsweisen Abdrucks, der Übersetzung, der fotomechanischen Wiedergabe und der Mikrokopie. Die Übernahme des Inhalts und der Darstellungen, ganz oder teilweise, in Datenbanken und Expertensysteme, ist untersagt.

DTP & Produktion: Simone Soesters Druck: Firmengruppe APPL, aprinta druck, Wemding 1. Auflage 2010

Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG Hackerbrücke 6, D-80335 München Telefon: +49/89/38 16 20-0 Telefax: +49/89/39 86 70 www.detail.de

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Inhalt

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Einführung Die Evolution digitaler Prozesse

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Digitale Planungstechnologien Geografische Informationssysteme Analysetechniken – Mapping Simulation und Optimierung Computer-aided architectural design (CAAD) Regelbasierte Planung – Parametrik Digitale Erfassung – terrestrisches Laserscanning (TLS) Projektraum – das gläserne Projekt Digitale Schnittstellen im Bauwesen Rechtliche Herausforderungen im Rahmen digitalisierter Planungsprozesse

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Digitale Fertigungstechnologien Generative Verfahren Rapid Verfahren CNC-Betonfertigteile Robotergestützte Einzelteilfügung 3D-Drucken im Großformat Subtraktive Verfahren CNC-Laserschneiden CNC-Wasserstrahlschneiden CNC-Heißdrahtschneiden CNC-Fräsen Gelenkarmrobotik Umformende Verfahren CNC-Biegekanten CNC-Stanzen und -Nibbeln Druckumformung

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Projektbeispiele Digitale Tragwerksgenerierung Sphäre Deutsche Bank in Frankfurt Fußgängerbrücke in Reden Rolex Learning Center in Lausanne Hungerburgbahn Innsbruck Sanktuarium der Göttlichen Vorsehung in Warschau Taichung Metropolitan Opera House in Taiwan

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Anhang Glossar Literatur: Fachbücher und Fachaufsätze Hersteller, Firmen und akademische Institutionen Bildnachweis Sachregister

Die Evolution digitaler Prozesse

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Das vorliegende Buch stellt die unterschiedlichen digitalen Prozesse, die im Bauwesen zum Einsatz kommen, und ihre Möglichkeiten vor. Der Leser erhält einen Überblick darüber, welche softwarebasierten Methoden in welcher Phase eines Projekts zu einer Optimierung der Planung beitragen können. Es gliedert sich in drei Hauptkapitel: digitale Planungstechnologien, digitale Fertigungstechnologien und eines mit Projektbeispielen, anhand deren die zuvor beschriebenen Methoden dargestellt werden. Das Kapitel »Planungstechnologie« erläutert das breite Spektrum digitaler Methoden, die während der Entwicklung von Projekten zum Einsatz kommen. Kosten, Termine und Qualität sind bei jedem Bauprojekt immer noch die Herausforderungen für jeden Planer. Deshalb lautet eine alte Regel: Beziehung und Glück plus Kenntnis und Erfahrung plus Begabung und Fleiß ergibt Erfolg. Oder anders ausgedrückt: »Get the job done, do it right, don‘t get sued.« Diese noch immer gültigen Rezepte galt es in den vergangenen Jahren jedoch zu erweitern, da der Übergang von rein analogen Arbeitsweisen zu digitalen Arbeitsmethoden zur Neuorganisation des Planungsund Bauprozesses, zur Aufgabe vieler Einschränkungen und zum konstanten schnellen Umdenken zwingt. Im Zuge dieser Veränderungen müssen auch Regeln und Grenzen sowie rechtliche Modalitäten geklärt werden, da mit den neuen Planungstechnologien auch rechtliche Herausforderungen einhergehen. Nicht allein Architekt und Ingenieur organisieren heute Bauaufgaben. Es erscheint daher notwendig, in einem zusammenhängenden Prozess von der Zielsetzung über den Entwurf und die Herstellung bis hin zum eigentlichen Betrieb zu einem einzigen, lückenlosen Datenstrom zu

Palazzetto dello Sport in Rom (I) 1958, Pier Luigi Nervi. Das strukturelle System wurde in einem großmaßstäblichen 1:10-Modell erprobt, das zu einer Optimierung der Vorfertigung der Betonschalenelemente diente.

gelangen. Dazu müssen konventionelle Berufsbilder überprüft und erweitert werden. Insellösungen werden zu großen Arbeitsfeldern und gemeinsamen Datenbanken fusionieren. Das Individuum wird sich zunehmend in eine Gruppe aus Spezialisten einbringen. Pierre de Montreuil in der Gotik und Filippo Brunelleschi in der Renaissance waren noch herausragende Baumeister und damit sowohl Künstler als auch hervorragende Handwerker, die die wesentlichen Materialien der Zeit meisterlich anwenden konnten. Die Industrialisierung brachte einen enormen Zuwachs an absolutem Wissen mit sich. Schon im 19. Jahrhundert waren die erdenklichen technischen Möglichkeiten so umfangreich und der Umgang mit ihnen erforderte derart viel Know-how, dass man in Frankreich in der Ausbildung zum Bauen das umfangreiche neue Arbeitsfeld zwischen den Écoles des Beaux-Arts und den Écoles Polytechniques aufteilte: Die einen konzentrierten sich auf die Schönen Künste, die anderen auf die beweisbaren Fakten. Diese Trennung bedeutete eine erste tiefe Zäsur im beruflichen Selbstverständnis im Baugewerbe. Trotzdem gelang es einigen Planern, sich darüber hinaus auch im 20. Jahrhundert als Baumeister zu behaupten. Richtungsweisend waren u. a. die Gedanken und Bauten von Antoni Gaudí, Pier Luigi Nervi und Frei Otto, bei denen das gebaute Ergebnis kaum Rückschlüsse auf Ingenieur oder Architekt zulässt. Ihre Lösungen funktionieren und sind aus ihrer logischen und materiellen Ordnung heraus schön. Mittlerweile spricht man weniger über das eigentliche Bauen von Gebäuden. Nicht allein auf die Fertigstellung eines Produktes zielt die heutige Planung ab, sondern auf dessen umfassenden Lebensweg. Die digitale Simulation nimmt schon in der 7

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am Modell entwickelte, effiziente Kuppelkonstruktion mit schrägen Stahlbeton-Pfeilern, Sagrada Familia, Barcelona (E), ab 1883, Antoni Gaudí Gitterturm an der Oka (RUS), 1919, Vladimir uchov. Der russische Ingenieur entwickelte exerimentell derart zarte hyperparaboloide Rotationsschalen, dass sie nur schwierig gegen den hellen Himmel fotografiert werden konnten. Digitale Simulation eines Hängemodells mit Kangaroo Physics. Das Programm wurde von Daniel Piker entwickelt und ist eine Softwareerweiterung für das Programm Rhinoceros. Aufgrund der digitalen Prozesse in Planung und Fertigung werden immer leistungsstärkere Lösungen realisierbar. Zunehmend können reine Biege-

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konstruktionen durch effizientere Zugkonstruktionen ersetzt werden. Bestimmte das Handwerk die Qualität in der traditionellen Bauweise nur durch erlerntes menschliches Geschick, so eröffnen die Perfektion und Geschwindigkeit von digitalen Prozessen heute fast uneingeschränkte Schaffensräume. Beispielsweise erreichen CNC-Fräsen die Qualität einer handwerklichen Herstellung, sind dabei aber wesentlich präziser und schneller. Entwurf und Planung sowie der Bau eines Projekts nehmen nur einen sehr geringen Teil der gesamten Lebensdauer eines Gebäudes ein. Die Aufgaben der Planer sind umfangreicher geworden.

Planungsphase Fragen vorweg, die sich im Bauprozess oder im Lebenszyklus eines Gebäudes ergeben. Mit Hilfe der digitalen Techniken lassen sich Ziele bereits in der Planung bestimmen, dann anpassen und realisieren. Durch dieses Vorgehen ist es möglich, Leistungen effektiv zu antizipieren. Mögliche Veränderungen können digital simuliert und im Kontext realitätsnah quantifiziert werden.

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Durch diese veränderten Ansprüche an die Planung ist das allgemeine Bestreben verständlich, kontinuierlich möglichst aussagekräftige und überprüfbare Datenmengen zu erzeugen, sie dynamisch zu verknüpfen und zur Steuerung zu nutzen. Ähnliche Entwicklungen vollziehen sich in anderen Branchen: So sollen neue Autos nicht allein zuverlässiger funktionieren, sondern auch fast wie im Fischschwarm leise, kollisionsfrei und sicher sich in die Strukturen in unserem Leben einfügen. Während Autos und sonstige Konsumgüter allerdings durch ihre Herstellung in umfangreichen Stückzahlen viele Vorteile der industriellen Fertigung nutzen konnten, war ihnen das Bauen wegen selten erreichbarer Serienfertigung immer unterlegen, denn man baute in der Regel Unikate. Dies kann sich mit digitalen Arbeitsweisen ändern, wie sich in einer weiteren Branche gezeigt hat, nämlich der Textilindustrie. Nach der Einführung von Kleidermoden nach Jahr und Saison ist heute mass customization besonders im Konfektionsbereich eine Möglichkeit, Herstellungsmargen und neue Märkte aufzubauen. Mass customization und höchst individuelles Realisieren werden jedoch nur mit digitalen Arbeitsprozessen und Methoden möglich. Dem planenden Architekten wird in der vorliegenden Publikation aufgezeigt, dass die Effizienz anderer konstruktiver Branchen, wie des Automobilbaus oder des Produktdesigns, erreicht werden kann.

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Für den Planer bringt dies die Möglichkeit mit sich, zusätzliche Aufgabenfelder zu erschließen u. a. in der Datenerfassung, deren Auswertung, in der Optimierung von Lösungen und in der Simulation von geplanten Ergebnissen. Solche weiteren Spezialisierungen werden das alte Bild des zentralen Baumeisters zunehmend völlig ersetzen. Die Arbeit wird nur noch im Team möglich sein, um ganzheitliche und nachhaltige Gesamtlösungen zu erreichen. Dabei muss die Gefahr eines vordergründigen und stylishen Designs nicht zwangsläufig steigen, wenn alle angebotenen Technologien verstanden werden als Chancen für neue, zeitgemäße Lösungen, die selbstbewusst umgesetzt werden. Dazu sind umfangreiche Kenntnisse, Erfahrung, Begabung, Mut und Fleiß nötig. Gerade Fragen nach notwendiger Rentabilität und Haftung werden hoffentlich in der Zukunft nachhaltige Planungskonzepte zulassen. Ökonomie und Ökologie sollten zu einer einzigen Forderung verschmelzen.

chen Zielen, Ergebnissen und Leistungen geben wird, werden BIM (BauwerksInformations-Modell)-Softwarepakete die Planer, Hersteller und Nutzer übergreifend miteinander vernetzen. Im Idealfall simuliert ein BIM den Lebenszyklus eines Gebäudes vor der Umsetzung und ermöglicht eine Gebäudeperformanzanalyse. Die Anstrengungen einzelner Spezialisten können somit zu einem einzigen Datensatz zusammenwachsen, an dem, ungebunden von Ort und Zeit, grundsätzlich verlustfrei auf unterschiedlichsten Ebenen gearbeitet werden kann. Eine solche Arbeit in digitalen Projekträumen, wie sie in diesem Buch beschrieben wird, muss von Anfang bis Ende flüssig ablaufen und der digitalen Präzision entsprechen. Die ästhetische Gestaltung allerdings müsste die Folge von gewissenhaften Einzelentscheidungen sein. Genialität, ein Vorgehen nach der Trial-and-Error-Methode oder Überraschungen beim Betrieb gilt es generell auszuschließen.

Das vorliegende Buch soll einen Überblick geben über digitale Techniken und über Arbeitsweisen, die den Planeralltag erleichtern und um neue Lösungsmöglichkeiten erweitern. Da die Detail Reihe Praxis nicht als umfassende Enzyklopädie mit exakten »Rezepten« aufwartet, sondern nach bewusst individueller Auswahl konzipiert ist, werden einige wichtige Grundlagen zum besseren Verstehen und zur persönlichen Anregung aufbereitet. Wie bei den anderen Büchern der Reihe soll es dabei grundsätzlich nicht um Stilrichtungen gehen. Nicht um Blop-Architekturen oder um »glatte Kisten«, sondern um ein besseres Verständnis der heutigen Möglichkeiten von der Konzeption bis zum Betrieb, von Anfang bis Ende eines Bauwerks bzw. um die Frage der Gesamtbilanz im Lebenszyklus. Da es zukünftig noch viel mehr Daten zu mögli-

Konrad Wachsmann postulierte Raster und Module für eine intelligente Planung und Fertigung im 20. Jahrhundert. Die gestalterischen Ergebnisse waren durch den Wunsch nach geschlossenen Systemen und nach Serienfertigung bestimmt. Heute eröffnet die Technik den Planern hingegen neue Möglichkeiten: So könnte in der Planung mit digitalen Methoden zum Beispiel der Zwang zum rechten Winkel entfallen. Vergleichbar den Entwicklungen im Barock oder dem Rokoko, zwei Epochen, die sich lebensbejahend befreiten von Form- und Farbzwängen und dadurch unerreichte Lebensfreude bewiesen, ließe sich Neues erschließen. Auch die komplizierten Verhältniszahlen des Goldenen Schnitts müssten keine Probleme mehr bereiten, denn sie könnten automatisch berechnet und umgesetzt werden. Wohl proportionierte

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7 Planung Bau

Baubetrieb

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Lösungen könnten auf diese Weise entstehen und Harmonien in der Natur könnten Anlass geben, uralte Verhältnisse und Optimierungen in der Natur für das Bauen zu ergründen und zu nutzen. Mit digitalen Methoden ist dies heute grundsätzlich möglich, wenn wir den Mut haben, innovativ und verantwortungsvoll zu handeln. Da auch die notwendigen finanziellen Investitionen in Hardware immer geringer werden und da das unbegrenzte Arbeiten „open source“ und „über die Wolke“ – das sogenannte Cloud Computing – immer einfacher funktionieren wird, könnten wir uns auf das Wesentliche konzentrieren – die nachhaltige Planung. Vielleicht wird in der Auswahl der aktuell realisierten Beispiele deutlich, dass neben aller Technik auch der Sinn für das Schöne den Weg zum Richtigen und Verständlichen in der Architektur zeigen kann.

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Solardachfläche gemäß einer Effizienzanalyse ausgerichtet, Sportstadion in Kaohsiung (RC) 2009, Toyo Ito

Der zweite große Abschnitt des Buchs widmet sich dem Thema Fertigung, da die beschriebenen digitalen Planungsmethoden durch Innovationen in der nachgelagerten Produktionskette, der Vorfertigung und Bauausführung ergänzt werden. Das übergreifende Ziel ist die Etablierung einer durchgängigen digitalen Kette [1], die eine Verknüpfung aller Teilschritte des Bauprozesses ohne Redundanzen erzeugt. Die digitalen Produktionstechnologien sind in drei Sparten zu differenzieren: generativ, subtraktiv und umformend. Herstellungsverfahren werden exemplarisch analysiert und anhand von Referenzobjekten anschaulich vermittelt. Subtraktive und umformende Verfahren werden bereits seit 25 Jahren numerisch gesteuert, doch von Jahr zu Jahr nehmen die Leistungsfähigkeit und Einfachheit der Ansteuerung weiter zu. Das langfristig größte Potenzial der digitalen Produktionstechnologien liegt in den additiven Verfahren. Diese stehen für

den Maßstab der Architektur noch am Anfang ihrer Entwicklung, können jedoch mittelfristig zur größten Revolution der Bauformen beitragen. Zuletzt werden im dritten Hauptabschnitt sechs Projekte im Detail beleuchtet, deren Komplexität den Einsatz digitaler Prozesse erforderlich machte, was sie in unterschiedlicher Art und Weise geprägt hat. Ein intelligent programmierter Algorithmus generierte beispielsweise die Tragwerke einer Fußgängerbrücke in Reden und der sogenannten Sphäre für den neuen Hauptsitz der Deutschen Bank. Dieser Algorithmus beschreibt einen iterativen Annäherungsprozess, der schlussendlich zur besten und damit effizientesten Tragwerkslösung führt. Ein Mensch würde für diesen graduellen Optimierungsprozess unendlich viel Zeit benötigen und aus diesem Grund simplere, offensichtlich effiziente Lösungen bevorzugen. Bereits in der Vergangenheit haben Konstrukteure wie Félix Candela und Eladio Dieste bewiesen, dass Effizienz und Schönheit sehr nahe beieinander liegen. Ein sinnvoll programmierter Rechner kann eine neue, in der Regel auch ästhetisch überzeugende Lösungsvielfalt eröffnen. Das Projekt Hungerburgbahn demonstriert den Einsatz von projektspezifischen Sonderlösungen für eine geometrisch komplexe Fassadenkonstruktion. Nur durch die Variabilität der Software lässt sich die geometrische Varianz der gekrümmten Glasfassade erfassen, effizient planen und umsetzen. Die drei Projekte Sanktuarium in Warschau, Rolex Learning Center in Lausanne und Taichung Metropolitan Opera House sind hochgradig komplexe Betonschalentragwerke, ein jedes mit einem unterschiedlichen Aspekt der digitalen Bauplanung bzw. Bauausführung.

Einführung Die Evolution digitaler Prozesse

Beim Sanktuarium liegt der Schwerpunkt auf der Umsetzung der Planungsidee mittels einer digital konzipierten und kontrollierten Betonschalung und -armierung. Ohne Rechnerunterstützung wäre eine solche Konstruktion im 21. Jahrhundert aufgrund der deutlich gestiegenen Lohnkosten ökonomisch nicht mehr vertretbar. Das Learning Center in Lausanne entwickelt einen völlig neuen Gebäudetypus. Die Architekten nutzen in der Entwicklung eine permanente Rückkopplung zwischen architektonischer Planung, Tragwerkslogik und effizienter Bauausführung. Es 10 a ist gelungen, das radikale Konzept auch unter schwierigen Rahmenbedingungen beizubehalten. Der ursprünglich manuell entwickelte Konzeptansatz des Taichung Metropolitan Opera House wird in digitale Pläne und Modelle überführt, aus denen sich wiederum Rückschlüsse für die Planung ziehen lassen. Im Anschluss erfolgt die interdisziplinäre Arbeit mit Fachingenieuren wie Tragwerksplanern und Akustikern, die neue Parameter in die Planung einbringen. Eine permanente Rückkopplung zwischen allen Fachdisziplinen bestimmt die weitere Entwicklung. Der Architekt bleibt, nicht zuletzt dank der etablierten digitalen Methoden, der integrierende Teil in diesem Planungsprozess. Mithilfe der digitalen Prozesse kann es ihm gelingen, das ursprüngliche Konzept zu wahren und zu stärken.

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Anmerkung: [1] Schodek, Daniel: Digital Design and Manufacturing. CAD/CAM Applications in Architecture and Design. Hoboken 2005, S. 237ff.

10 Take Off, Flughafen München (D) 2003, Franken Architekten a digital modellierter Knotenpunkt b CNC-gefräster 3D-Knoten c montierter Verbindungspunkt

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Digitale Planungstechnologien

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Variierende Raumstruktur, die mittels CAD-CAM-Techniken vollständig rechnergesteuert umgesetzt wurde.

Digitale Prozesse nehmen in der Bauplanung stetig an Bedeutung zu. Im Gegensatz zur historisch verankerten, subjektivkünstlerisch geprägten Denkweise von Architekten objektivieren die neuen Methoden die Planung und schaffen fundierte Entscheidungsräume. Dieses Kapitel zeigt das breit gefächerte Spektrum digitaler Hilfen bei der Planung auf, zu deren Beginn stets Informationen zum Standort, Grundstück und zur Geografie erforderlich sind. Bis vor wenigen Jahren wurden diese in Einzelplänen erfasst und für die jeweilige Planungsaufgabe manuell zusammengeführt – heute stehen Geodaten in Echtzeit zur Verfügung. Die Daten aus Geoinformationssystemen (GIS) werden mit direkten Schnittstellen in die Planung eingebunden und stellen eine integrale Basis dar. Im Vorfeld kommen zudem digitale Analysetechniken wie das Mapping zum Einsatz, eine daten- und faktenbasierte Form der Grundlagenermittlung. Damit werden Informationen zusammengetragen, die früher aufwendig abstrahiert und anschließend in verwertbare Planungsdaten transferiert werden mussten. Klimatische Daten oder Bewegungsdiagramme, die aus komplexen Datensätzen bestehen, lassen sich beispielsweise nahtlos in die Planung einbinden. Differenzierte Simulationen sind in der Lage, digitale Planungen zu optimieren. Zur Zeit arbeitet Simulationssoftware meist noch entkoppelt von der Planungssoftware. Mittelfristig ist jedoch mit einem Zusammenwachsen beider Planungsebenen zu rechnen, was eine schnittstellenfreie Echtzeitsimulationen erlaubt. 2D-Computer-aided design- und Computer-aided architectural design-Programme existieren seit Anfang der 1980er-Jahre. Zunächst ermöglichten sie einen gegenüber dem Zeichenstift verbesserten Arbeitsablauf. Seit den 1990er-Jahren ist 3D-CAAD-Software in Architekturbüros im

Einsatz. Anfangs wurde sie primär für die Visualisierung von Räumen und Konstruktionen genutzt sowie für die Massenermittlung und zeitliche Visualisierung von Bauabläufen. Zu Beginn der Nullerjahre hält die objektbasierte (bauteilbezogene) Planung Einzug in die Büros und steigert die Effizienz der Planung bei der Arbeit mit repetitiven Elementen. Heute kommen mehr und mehr sogenannte regelbasierte (parametrische) Softwaretechniken zum Einsatz, deren programmierte Datenmodelle von architektonischen Planungen auf einfache Art und Weise zahlreiche Variantenstudien eröffnen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom »generativen Entwerfen«. Die Effizienz von Bestandsaufnahmen ist durch neue Methoden erheblich gestiegen. Fotogrammetrie und 3D-LaserscanTechnologie erzeugen vollwertige Datensätze von bestehenden Bauten, die um die fortgeführte Planung ergänzt werden. In Büros wie Gehry and Partners hat sich eine Methodik der Rückkopplung zwischen analogen und digitalen Modellen mittels 3D-Scannern entwickelt. Um Projekte effizient abwickeln zu können, ist eine digitale, vernetzte Projektorganisation, wie der beschriebene gläserne Projektraum, sinnvoll. Das voll integrierte Bauwerks-Informations-Modell ist eine Verdichtung der CAAD-Softwarebasierten Planung zu einem vollständigen digitalen Gebäudemodell. Es ermöglicht eine gesamtheitliche Bauprozessorganisation, die über die Planung und den Bau hinaus bis in das Facility-Management reicht. Im letzten Teil des Kapitels werden die rechtlichen Konsequenzen geschildert, die sich aus dem Einsatz der neuen Planungs- und Herstellungstechnologien ergeben.

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Digitale Planungstechnologien Geografische Informationssysteme

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Gebäude mit Aufstockungspotenzial (GFZ < 1)

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Darstellung der maximalen Aufstockungsmöglichkeiten

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Tabellen

Geometrien

Koordinaten

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Kindergartenstandort

Geografische Informationssysteme Das Kürzel GIS steht für »Geografisches Informationssystem«. Ein GIS dient der Erfassung, Organisation, Bearbeitung, Analyse, Darstellung und Präsentation von raumbezogenen Informationen. Bereits die populären und einer breiten Öffentlichkeit kostenlos zugänglichen Programme Google Earth oder Bing Maps können als »GIS« bezeichnet werden, deren Nutzung aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken ist. Die beiden genannten Programme besitzen allerdings keine Auswertungs- oder Analysefunktionen und sind für den professionellen Einsatz nicht ausreichend exakt. Ein vollwertiges GIS ist eine Software zur Darstellung und Verarbeitung raumbezogener Informationen in Form von Karten, Luftbildern, Höhenmodellen oder Sachdaten, die zudem quantitative und qualitative räumliche Zusammenhänge, wie z. B. Verschattungsdiagramme, effektiv und aussagekräftig analysieren und abbilden kann. Datenquellen Ein GIS besteht, vereinfacht gesagt, aus einer Softwareumgebung und Daten, die durch einen Dienstleister zusammengeführt werden müssen. Nicht selten herrscht die Vorstellung, in einem GIS wären bereits alle Informationen enthalten etwa wie in Google Earth. Für jedes Projekt müssen jedoch relevante, geeignete und verfügbare Daten erst einmal beschafft werden. Hierbei gibt es verschiedene Datenquellen: • kommerzielle Anbieter • Fachbehörden und -ämter, Planungsund Statistikstellen • Webdienste • selbst erzeugte bzw. erhobene Daten Diese bieten vielfältiges Daten- und Kartenmaterial, das sich unmittelbar in das GIS einbetten lässt.

Aufbau und Funktion In einem GIS sind eindeutig verortete (georeferenzierte) Geometriedaten wie Punkte, Linien oder Flächen mit Sachdaten (Attributen) verknüpft. Eine geometrische Information, z. B. eine Grundstücksfläche, kann anhand von Attributen wie Grundstücksgröße, Eigentümer, Nutzung etc. dargestellt, beschrieben und ausgewertet werden. Darüber hinaus lassen sich lagebasierte Analysen durchführen, um die Distanz von Objekten zueinander zu bestimmen. Neben diesen sach- und standortbezogenen Abfragen beherrscht ein GIS auch topologische Auswertungen, die räumliche Beziehungen zwischen den einzelnen Objekten betreffen – z. B. dass Objekt A sich innerhalb von B befindet oder A und B sich ein Liniensegment teilen. Auch komplexe räumliche Analysen, die unterschiedliche Informationen miteinander kombinieren, verschneiden oder verrechnen, sind möglich (z. B. Dichteanalyse, Raumstatistik u. v. m.). In einem GIS können Vektor- und Rasterdaten, Tabellen und Datenbanken, wie zum Beispiel die Faktoren für die Standortsuche für ein zentrales Parkhaus in einem Gewerbepark, das für die Mehrzahl der Beschäftigten in möglichst kurzer Zeit erreichbar sein soll, eingelesen, verarbeitet und ausgegeben werden (Abb. 4). Es existieren viele Schnittstellen und Austauschmöglichkeiten mit anderen Anwendungen, wie z. B. CAD- oder Simulationsprogrammen und Formaten; so werden z. B. bei der Raumnutzungsanalyse ausgewählter Zielgruppen Wegedaten mit GPS-Geräten aufgezeichnet, mit spezifischen Informationen attributiert und ausgewertet. Nutzen für Architekten und Planer Alle relevanten Basisdaten wie Stadtgrundkarten, Katasterdaten, Geländemodelle oder Orthofotos erzeugen und

Digitale Planungstechnologien Geografische Informationssysteme

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verbreiten die meisten datenführenden Stellen mittlerweile originär GIS-basiert. Architekten und Planer können diese Daten in einem GIS sehr einfach und ohne aufwendige Konvertierung einlesen und unmittelbar verwenden. Durch die eindeutige Georeferenz befinden sich alle Daten an der richtigen Position, und auch Projektdaten, etwa aus einem CAD-Programm, lassen sich lagerichtig zuladen. So kann beispielsweise die Berechnung von Nachverdichtungspotenzialen anhand von Katasterdaten über die Attribute Grundfläche, Geschosszahl und Grundstücksfläche erfolgen. Darüber hinaus sind GIS in der Lage, aus den für einen Sachverhalt relevanten Daten gut lesbare Karten- oder Planwerke zu erzeugen, die räumliche Zusammenhänge bildhaft und nachvollziehbar wiedergeben. Daher eignen sie

sich für Architekten und Planer insbesondere bei allen Projekten, bei denen die Verarbeitung umfangreichen räumlichen Datenmaterials erforderlich ist. Hierbei ist es möglich, ganz unterschiedliche Themen und Gegenstände mithilfe des Raumbezugs zu kombinieren, um städtische bzw. räumliche Qualitäten und Funktionsweisen besser lesbar zu machen und Entscheidungsprozesse transparenter, effizienter und anschaulicher zu gestalten. Einsatzbereiche sind hier vor allem Analysen komplexer Rahmenbedingungen bei Bau- und Planungsvorhaben, Standortanalysen und -bewertungen. Zudem kommen GIS bei der Simulation existierender oder zukünftiger räumlicher Entwicklungen zum Einsatz, wie dies z. B. bei einer gesamtstädtischen Kindergartenbedarfsplanung per Einwohnerdichteanalyse der Falll ist (Abb. 2). Martin Berchtold, Philipp Krass

komplexe räumliche Abfrage- und Berechnungswerkzeuge, z. B.

Geometrien

Karten, Pläne Dichteanalyse

Geo-Datenbanken Datenquellen hoheitlich, eigene, kommerziell, web 2.0

räumliche Statistik

Statistiken

Lagebeziehungen, Auswahlabfragen

3D-Modell

Attributierung

Datenformate

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Raster, Vektor, Tabelle Symbologie

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Dimension 2D, 3D

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Topologie Punkte, Lage, Beziehungen, ...

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Daten

... Erfassung Geocoding Datenorganisation

Anordnung, Layering

Datenmanagement

Datenbearbeitung und -analyse

Relation, Kombination, »Map Algebra«, ...

Darstellung Präsentation Datenvisualisierung

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Einwohnerdichteanalyse der Altersgruppe der 0 – 3-Jährigen zur Ermittlung von geeigneten Kindergartenstandorten (je dunkler, desto mehr Einwohner) Berechnung von Nachverdichtungs- bzw. Aufstockungspotenzial Ermittlung eines geeigneten Standorts für ein Parkhaus in einem Gewerbegebiet. Bedingung: schnelle Erreichbarkeit für möglichst viele Beschäftigte Informationsebenen eines GIS Raumnutzungsanalyse, Darstellung der zurückgelegten Wege (nach Verkehrsmittel) und Orte (nach Besuchszweck) Grafik der Abhängigkeiten einer GIS-Struktur

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Digitale Planungstechnologien Analysetechniken – Mapping

MobiGlobe, Autostadt Wolfsburg, Medieninstallation über die Automobilität. Das Forschungsprojekt nutzt interaktive, dreidimensionale Grafiken, um Themen wie die »Autobahnstadt« oder die »ÖlWelt« mit kritischer Information zu unterlegen. Visualisierung einer statistischen Auswertung von Vorfällen, bezogen auf einzelne Stadtgebiete

Flowmaps (Abb. 10) statistische GIS-Karten Conceptual- und Mindmaps Netzwerk-Maps radiale Maps

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Bei dieser Auswahl von Mappingmethoden lassen sich übergreifend folgende Visualisierungstypen unterscheiden: Prozessvisualisierungen (temporäre Sequenzen) oder aber Strukturvisualisierungen (Hierarchien oder Netzwerke), die entweder kreative oder analytische Denkprozesse in unterschiedlichen Detaillierungsgraden abbilden.

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Begriffsdefinition/Nutzung Der Begriff »Mapping« (engl. für Kartierung) beschreibt die Aufbereitung und Visualisierung von Informationen auf numerischer, schriftlicher und grafischer Ebene. Maps erschließen größere Datenmengen in einem kompakten Informationsdesign, das dem Nutzer eine schnelle Lesbarkeit ermöglicht. Plankarten, Piktogramme, Symbole und übergreifende Relationsdarstellungen vereinen unterschiedliche Darstellungsmodi bzw. Skalen in einer einzigen Grafik

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(Abb. 9). Die Anforderungen beim Dechiffrieren dieser Beziehungskarten wachsen mit der Komplexität der abgebildeten Daten. Der Architekt kann Maps nutzen, um Informationen und Wissen komprimiert aufzubereiten und damit allen im Planungsprozess beteiligten Interessengruppen Entscheidungsräume zu vermitteln. Eine parametrische Vernetzung der genutzten Daten ermöglicht dem Nutzer ihre grafische Simulation und Evaluation und damit eine Klärung von Zielsetzungen. Mapping erweitert die übliche Plandarstellung um Methoden wie:

Analysetechniken – Mapping

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10 Flowmap; das Layout ist das Resultat einer Programmierung. 11 Diagramm einer Erschließungssytematik sowie die Transformation des angegliederten Raumprogramms in eine bauliche Struktur 12 Analyse und visuelle Darstellung der Pendlerregionen der Schweiz und ihrer Wirtschaftskraft

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Digitale Planungstechnologien Analysetechniken – Mapping

Rolltreppe diagonale Aufwärtsbewegung

Treppen diagonale Auf- und Abwärtsbewegung

Aufzug vertikale Auf- und Abwärtsbewegung 10

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Datenerhebung Grundlagen für Mappings sind entweder eigene Datenerhebungen oder von externen Dienstleistern ermittelte Daten. Dabei kommen topografische, raum- und flächenbezogene, geometrische, sozialund konsumstatistische, physikalische oder chemische Daten zum Einsatz. Diese lassen sich sowohl über öffentliche Behörden, wie statistische Ämter und Kommunen, als auch über kommerzielle Datenanbieter beziehen.

werkdiagramme (Fuzzy Cognitive Maps) und Begriffslandkarten werden zur Dokumentation von Planungszielen, -gesprächen und -workshops genutzt, um daraus Raumprogramme für den Entwurf zu ermitteln. Diese Methoden eignen sich ebenfalls zur dynamischen Entwicklung von Raumprogrammen. FCMs nutzen meist zweidimensionale Relationen gewählter Gruppen oder Begriffe zueinander, vergleichbar mit Orten und Wegen einer Landkarte. Die Priorisierung erfolgt dabei über die Bindungsstärke sozialer Einheiten und die Wichtigkeit der Informationsflüsse in einer zunächst diffusen,

Methoden Qualitative Visualisierungen wie Netzmetropolitane Schweiz Die sechs großen Pendlerräume der Schweiz um Genf, Lausanne, Bern, Basel, Zürich und Lugano. Die Graphik zeigt jene Einzugsgebiete, deren Bewohner von urbaner Kultur geprägt sind: Die Schweizer Städte der Zukunft – und ihre Wirtschaftskraft.

räumlichen Organisation. In einem städtebaulichen Rahmen visualisieren FCMs die Beziehungen der Interessengruppen untereinander sowie zu Institutionen der Stadtplanung durch Nähegradienten. Begriffslandkarten (Conceptual Maps) bündeln auf der Basis formaler Modelle von Begriffen und ihrer Beziehungsqualitäten (semantischer Netze) die Ergebnisse einer planungsspezifischen Wissens- oder Ideensammlung (Brainstorming) in einer präzisen, logisch verknüpften Sortierung. Diese Methode zur Erstellung von Checklisten und Protokollen

Econopolis Großregion Zürich: 1 508 721 Erwerbstätige 162 011 Mio. CHF

Pharmapolis Großregion Basel: 370 429 Erwerbstätige 50 312 Mio. CHF

Olympolis Großregion Lausanne: 350 909 Erwerbstätige 33 994 Mio. CHF

Centropolis Großregion Bern: 645 865 Erwerbstätige 60 203 Mio. CHF

Unopolis Großregion Genf: 299 687 Erwerbstätige 36 753 Mio. CHF

Solepolis Großregion Lugano: 176 464 Erwerbstätige 16 986 Mio. CHF

12

17

Digitale Planungstechnologien Simulation und Optimierung

13

14

kommt durch ihre Nicht-Linearität dem menschlichen Denken entgegen, da sie Ergänzungen und Veränderungen zulässt. Die digitale Vernetzung von Begriffen, Skizzen und Bildern eröffnet eine umfassende Wissensaufschlüsselung. Baumartige Gedankenkarten (Mindmaps) bieten sich für reine Wissensstrukturvisualisierungen an. Die in Gedankenkarten dargestellten Themen sollten allerdings nur geringe Verwandtschaften zwischen den unterschiedlichen Verästelungen der Baumstruktur aufweisen, da sonst sowohl die Übersichtlichkeit als auch die Allgemeingültigkeit für Dritte verloren gehen. Der direkte Transfer des Mappings in Entwurfsprozesse lässt sich beim sogenannten diagrammatischen Entwerfen ablesen. Diese Methode nutzt die abstrakte Darstellung räumlicher Zusammenhänge in Form von Maps (z. B. eines Verkehrsflusses in einem Gebäude), um Begründungen für bestimmte architektonische Entscheidungen herzuleiten. Das für die Gesellschaft zukunftsträchtigste Potenzial des Mappings besteht in interaktiven, digitalen Erhebungsprozessen, die eine Echtzeitanalyse von stadtund hochbauplanerischen Kennwerten ermöglichen. Verhaltens- und Nutzungsmuster von Interessengruppen lassen

sich mittels digitaler Stadtkartierungstechniken (Data-Mining-Verfahren) erfassen. Die GPS-Ortungs-Technologie, in Kombination mit tragbaren Mobilfunkgeräten, vereinfacht zudem die personell aufwendigen Feldforschungsmethoden zur Erhebung von städtebaulichen Prozessen erheblich (Abb. 13). Diese seit 2008 technisch mögliche Methode muss aber datenschutzrechtlich abgesichert sein und setzt eine Einwilligung aller Beteiligten voraus. Vision Durch das in Entwicklung befindliche Semantic Web, ein mit interpretativer Intelligenz ausgestattetes Netz, können Informationen aus unterschiedlichen Quellen über das Internet teilautomatisiert zu neuen Dokumentenserien verknüpft werden. Das geplante Hochgeschwindigkeitsinternet wird digital-transparente Planungsabläufe (siehe »Projektraum«, S. 29ff.) sowie nutzerfreundliche OnlineSimulationen fördern. Die beschriebenen Methoden eröffnen Planern die Möglichkeit, Parameter der jeweiligen Projektphase komprimiert zu erfassen und darzustellen. Mappings werden durch die Integration fundierter Datenbestände zum Kommunikationsmittel zwischen Interes-

sengruppen und Planern oder gar zum Medium eines politischen Prozesses. Planer sind dazu aufgerufen, nutzungs- und entwicklungsspezifische Aspekte ihrer Planungen zu prognostizieren, zu verfolgen und zu verifizieren. Simulativ gekoppelte Planungsprozesse optimieren die Planungen und können somit einen breiten gesellschaftlichen Rückhalt schaffen. Simulation und Optimierung Definition/Nutzen Simulation nutzt wie das Mapping Algorithmen zur Aufbereitung und Verarbeitung von Information. Mit Simulationsverfahren lassen sich komplexe Systeme und Prozesse, wie z. B. Strömungsverhalten, in ihrem zumeist dynamischen Verlauf nachahmen. Man unterscheidet hierbei zwischen virtueller (softwarebasierter) Simulation, wie z. B. Finite-Elemente-Berechnung, und physischer (modellbasierter) Simulation, wie z. B. Kettenmodelle. Beide Simulationsmethoden liefern faktenbasierte Erkenntnisse für die Form und Struktur eines Entwurfs und stärken damit die Planungssicherheit in der Hochbaubzw. Bauleitplanung. Da die physische Simulation um ein Vielfaches aufwendiger als die virtuelle ist, versucht die Software-

Aufwand

IDA ICE 4 spezialisierte Tools

Kosten DPV Tool

Assistenzlevel Expertentool

angestrebter Planungsprozess

konventioneller Planungsprozess IDA Tunnel

gewöhnliche kommerzielle Gebäudesimulationstools gewöhnliche akademische Gebäudesimulationstools

Änderungsmöglichkeiten 15

18

Zeit

Standard-Level fortgeschrittener Level

Entwickler-Level 16

Digitale Planungstechnologien Simulation und Optimierung

17

Industrie mit ihren Programmen die Realität so exakt wie möglich abzubilden, um damit Zeit und Kosten zu sparen. Der folgende Beitrag beleuchtet das Potenzial der virtuellen Simulation. Immer schnellere Hardware und immer einfacher zu bedienende Software eröffnen eine Fülle von Simulationsbereichen wie: • Akustiksimulation • Brandverhaltenssimulation • Energieeffizienzsimulation • Lichtsimulation • Lüftungs-/Strömungssimulation (Abb. 17) • Raumbedarfssimulation • statische Simulation (Stabwerksprogramme und Finite-Elemente-Programme) • thermische Simulation (Abb. 21, S. 20) • Verkehrsstromsimulation Datenbasis für die Simulation Ähnlich wie das Mapping erfordert Simulationssoftware eine präzise Datenbasis. Der Nutzer kann diese Werte entweder selbst ermitteln oder der Simulationsaufgabe entsprechenden Kennwertdatenbanken entnehmen. Um dynamische Gebäudesimulationen zu erstellen, kommen Daten der Energie-, Wasser- und Kommunikationswirtschaft sowie statisti-

sche Daten öffentlicher Institutionen zum Einsatz. Beispielsweise definiert die EnEV (DIN 18 599 »Energetische Bewertung von Gebäuden«) die Datengrundlagen für eine Wärmebedarfssimulation. Software, wie z. B. IDA ICE, unterstützt den Nutzer durch intelligent strukturierte, intuitiv zu bedienende Oberflächen und Eingabemasken (Abb. 16), die den Eingabeaufwand reduzieren. Damit werden Redundanzen vermieden und der frühzeitige Einsatz im Entwurf unterstützt. Interaktive Simulationen setzen nicht nur Eingabewerte in Beziehung zum Planungsobjekt, sondern führen im Entwurfsprozess zu einer faktenbasierten, digitalen Formfindung und -strukturierung. Mittelfristig werden Planungs- und Simulationsumgebungen zusammenwachsen. Zur Zeit wird die Schnittstelle über grafische Scriptingtools überbrückt, die im Kapitel »Einsatz von Programmierung in der Architektur« (S. 24f.) erläutert werden. Eine Echtzeitalgorithmik, wie sie beispielsweise in die Software Kangaroo von Daniel Piker integriert ist, unterstützt interaktive Geometrieveränderungen. Mit dieser dynamischen Simulationssoftware präzisiert man die bisher händisch erstellten Kalkulationen der beteiligten Fachplaner.

Einsatz Die Visualisierung von dreidimensionalen Formen mit Texturen und Belichtungssituationen als räumliche Simulation ist seit vielen Jahren Standard architektonischer Entwurfspraxis. Das gleiche volumetrische Datenmodell ist die Basis für die im Folgenden beschriebenen, von Fachplanern eingesetzten Simulationssoftwarelösungen. Ein zentraler Bereich der Simulationsanwendung ist die statisch-bauphysikalische Optimierung von Konstruktionen durch strukturmechanische Berechnungen mit FEM-Software (FiniteElemente-Methode). Ingenieurbüros sind durch den Einsatz von Software wie Abaqus oder Ansys in der Lage, komplexe, mit klassischen Stabwerksmethoden nur schwer erfassbare Konstruktionen zu simulieren und schrittweise zu optimieren. Luftströmungssimulationen (Computer-Fluid-Dynamics) werden um ortsspezifische Umweltfakoren ergänzt und verbessern so die statischen Grundannahmen. So kann beispielsweise die Geometrie eines Bergrestaurants (Abb. 18) hinsichtlich der zu erwartenden Windlasten optimal ausgeformt werden.

Druck 3206,1 1948,3 690,4 -567,4 -1825,2 -3083,0 -4340,8 -5598,7 -6856,5 -8114,3 -9372,1 [Pa]

18

13 »Seven Year Drawing«, in Berlin zwischen 2003 und 2009 zurückgelegte Wege, aufgezeichnet via GPS-Tracking 14 Diagramm eines programmatischen Stadtteilaktivitätspattern 15 Chancen eines frühen Einsatzes von Simulationssoftware 16 Anwendungs- und Funktionalitätslevels von Simulationssoftware am Beispiel IDA ICE4 17 Strömungssimulation an einem Restaurant auf dem Hohen Kasten, St. Gallen (CH) 18 Staudrucksimulation am Restaurant

19

Digitale Planungstechnologien Simulation und Optimierung

Max: 0,241 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Min: 0

19

20

Bei der Entwicklung neuer Materialsysteme oder Gebäudekomponenten kommen sogenannte Multiphysik-Simulationsprogramme zum Einsatz, die thermostrukturelle Wechselwirkungen (Abb. 19) unterschiedlicher Materialien untersuchen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts an der TU Darmstadt wurde der gegenläufige Ausdehnungskoeffizient von Carbonfaserverbundwerkstoff (CFK) und Polyvinylchlorid (PVC) in der Software Comsol simuliert. Die Geometrie eines Bauteils mit zwei unterschiedlichen Materialkomponenten wird dabei im Rechner modelliert und mit den im Programm bereitgestellten Materialparametern, wie z. B. Wärmeausdehnungskoeffizient, belegt. Anschließend simuliert das Programm einen Anstieg der Umgebungstemperatur um beispielsweise 20 Grad Celsius. Die

unter 42,95 °C 42,95 bis 46,76 °C 46,76 bis 50,57 °C

19 Simulation eines Materialsystems aus CFK und PVC in der Software Comsol 20 thermodynamisch expansive Struktur auf Basis eines Materialsystems aus CFK und GFK 21 Simulation der Physiologisch Equivalenten Temperatur (PET) des Stadtteils Freiburg-Vauban

20

21

50,57 bis 54,38 °C 54,38 bis 58,20 °C 58,20 bis 62,01 °C

modellierten Komponenten beschreiben eine exakt erfassbare dynamische Verformung. Die in den Werkstätten der TU Darmstadt im Anschluss erstellten physischen Prototypen bestätigten die Ergebnisse des virtuellen Prototyps. Fazit Der frühe Einsatz von Simulation hilft, strukturell bedingte Schwächen im Planungsverlauf zu vermeiden (Abb. 15, S. 18). Zu Beginn eines Projekts werden beispielsweise die potenziell kostenrelevanten Faktoren, wie Trägerspannweiten, definiert und der Simulation als konkrete Parameter zugrunde gelegt. Auf diese Weise schafft man eine früh greifende Instanz zur Kostenkontrolle. Das idealtypische Ziel der virtuellen Simulationstechnik ist eine antizipierte Lebenszyklus-

62,01 bis 65,82 °C 65,82 bis 69,63 °C 69,63 bis 73,44 °C

über 73,44 °C Min: 39,14 °C Max: 77,25 °C

Digitale Planungstechnologien Computer-aided architectural design (CAAD)

analyse des betrachteten Gebäudes, die beispielsweise die Erfassung des Energieverbrauchs über die kommenden 20 Jahre mit unterschiedlichen Nutzungsszenarien zulässt. Am zukunftsfähigsten sind diejenigen Simulationslösungen, die so unkompliziert einsetzbar sind, dass nicht nur Experten in der Lage sind, mit ihnen zu arbeiten. In der Zukunft wird sich eine immer engere Kopplung von Planungssoftware und Simulationssoftware ergeben. Daher entwickelt sich die richtige Interpretation der Simulationsergebnisse zur Schlüsselqualifikation zukünftiger Planer.

22 Detaillierung des Planungsinstruments entlang der Aufgabenkomplexität

Computer-aided architectural design (CAAD) Architekturbüros setzen seit Mitte der 1980er-Jahre CAAD- oder rechnerunterstützte Planung ein. Dabei werden Planungsunterlagen mithilfe von spezieller Software erstellt, bei der man zwischen 2D-, 2 ½D- und 3D-CAD-Programmen differenziert. 2D-CAD-Systeme sind primär ein erweiterter Zeichentisch – die Methode ist die gleiche, lediglich das Werkzeug ist ein anderes. Alle Zeichenelemente folgen der vektorbasierten Ordnung Punkt, Linie, Linienzüge, Kreisbögen, Splines und Flächen. Die Organisation von Zeichnungen mittels Ebenen und Symbolen sowie die logische Verknüpfung zwischen einzelnen Zeichnungselementen steigern die Effizi-

hoch

Detaillierungsgrad der Planungsinstrumente

MZ + komplexer CFD

zu aufwendiges Planungsinstrument für die gestellte Aufgabe

Temperaturschichtung, natürliche Lüftung, Entrauchung, industrielle Anwendungen

mittel

Raumluftströmung, Zugluftrisiko, Kaltluftabfall

Berücksichtigt mehrere Räume oder ganze Gebäude inkl. Anlagenkomponenten.

Mehrzonenmodell (MZ)

Temperatur- und Lastverläufe einzelner Räume

niedrig

Einzelzonenmodell (EZ)

22

Bei 2 ½ D Programmen handelt es sich um eine simulierte 3D-Technologie, bei der sich der Anwender in einer 2D-Zeichnungsebene für den Einsatz von 3D-Objekten entscheidet. Diese Bauelementgruppen wie Wände, Decken, Fenster usw. stellt entweder das Programm in einer Bibliothek zur Auswahl bereit, oder der Nutzer importiert sie von verschiedenen Herstellern. Da seine Grundlogik leicht verständlich ist, kommt dieser Programmtyp in einem Großteil der Planungsbüros vor allem für Projekte überschaubarer Komplexität zum Einsatz. Es besteht allerdings die Gefahr, dass diese optimales Planungsinstrument zur Bewältigung der Aufgabe

MZ + Störungssimulation (CFD)

Erfahrungswerte

enz. Durch sogenannte Plug-ins, kleine Softwareerweiterungen, kann die Funktionalität erweitert oder benutzerspezifisch angepasst werden.

Normen und Richtlinien (Stand der Technik) CEN, SN, SIA, SWKI, etc. tief

Planungsinstrument kann die hohe Komplexität der Aufgabe nur unzureichend bewältigen.

mittel

hoch

21

Digitale Planungstechnologien Computer-aided architectural design (CAAD)

23

Programme einen bestimmten architektonischen Duktus fördern und damit weniger vielfältige Entwürfe hervorbringen. 3D-Software wird notwendig, sobald der Architekt mit mehrsinnig gekrümmten Flächen, mit variierender Kurvengeometrie oder dynamischen Strukturen arbeitet. Die Programme entstammen zumeist Branchen wie dem Produktdesign und dem Automobilbau und werden seit Mitte der 1990er-Jahre an die Anforderungen der Architektur angepasst und eigens dafür entwickelt. Die Software bietet dem Planer eine große Freiheit, Geometrien zu modellieren und diese über vielfältige Operatoren (programmspezifische Softwareoptionen) zu modifizieren. Als Erweiterung dazu ermöglicht parametrische 3D-Software die assoziative Vernetzung der virtuellen Bauelemente und damit die intelligente Strukturierung von Planungen. Die Programmierung sogenannter Plug-ins oder Scripte (projektspezifischer Softwareerweiterungen) erlaubt spezifische Funktionen wie z. B. die graduelle, lastfallbestimmte Veränderung eines Trägerquerschnitts. Die interaktive Kopplung, beispielsweise mit einer Tragwerksplanungssoftware, ermöglicht so einen Feedbackloop, der bereits in der Planungsphase zu einer Optimierung des Projekts beiträgt.

Wichtige Entscheidungskriterien beim Kauf eines Produktes sind u. a.: Geometrieoptionen, BIM-Anbindung, AVAAnbindung und die Vielfalt der integrierten Schnittstellen (Tabelle T 1). Die meisten Softwarepakete erfordern umfassende Kenntnisse, um das volle Potenzial der Programme nutzen zu können. Einen häufigen Wechsel zwischen den einzelnen Softwaresystemen sollte der Planer vermeiden. Die Zukunft der digitalen Bauplanung liegt in der engen Kopplung der Software aller beteiligten FachplanungsDisziplinen; dafür ist ein reibungsloser Datentransfer über eine standardisierte Schnittstelle elementar. Bisher konnten sich die Softwarehersteller aber auf kein einheitliches Austauschformat einigen, das sämtliche Informationen bündelt. Seit Mitte der 1990er-Jahre hat sich das dxf/dwg-Format zu einem in allen Programmen verwendeten Standard entwickelt, der einen 2D-Austausch zulässt. Unternehmen wie Metall- und Holzbauern, deren Fertigung computergesteuert abläuft (siehe Kapitel »Fertigungstechnologien)«, ist so bereits die direkte Übertragung der Planungs- in die Produktionsdaten möglich.

Seit 1999 ist das herstellerunabhängige, universelle IFC-Format (Industry Foundation Class) in der Entwicklung. Es überträgt Bauteilinformationen, die über die reine Geometrie hinausgehen, wie Massen, Material, Kosten etc. Diese Schnittstelle eliminiert Reibungsverluste und Fehler bei der Übertragung von digitaler Information und führt zu einer deutlichen Effizienzsteigerung. Sie wird von einem nicht-kommerziellen Konsortium aus Softwareherstellern, Architekten und Baufirmen zu einem Industriestandard entwickelt. Sofern sich die Industry Foundation Class zu einem Standard wie das dxf/dwgFormat entwickelt, wird es zu einer durchgehenden Kopplung bzw. Interaktion mit vor- (Fachplaner) und nachgelagerter (AVA-Ausschreibung-Vergabe-Abrechnung/Facility-Management) Software kommen. Zur Überbrückung haben verschiedene Softwarehäuser bereits individuelle Schnittstellen für die Verbindung zur AVA-Software geschaffen, doch der Nutzer muss sich damit für ein immer umfangreicheres Softwarepaket entscheiden. IFC ermöglicht indes eine individuelle Zusammenschaltung der für die jeweilige Planungsaufgabe erforderlichen Software.

Handlauf

Pressrost

23 integrales CAD-Modell der begehbaren Großskulptur Landmarke Angerpark, Duisburg 24 Landmarke Angerpark, exemplarische Isometrie des variierenden Stufenverlaufs 25 Landmarke Angerpark, parametrische Varianz der Querträger

22

exemplarischer Querträger Haupttragrohr 24

240

241

242

243

220

221

222

223

200

201

202

203

exemplarisches Bauelement Geländerfüllung

25

Digitale Planungstechnologien Computer-aided architectural design (CAAD)

T1: Vergleich gängiger Architektur-Software Schnittstellenformate

kommerzielle/ StudentenVersion [€]

Software

zusätzliche Aufsätze

Betriebssysteme

primäre Anwendung

2D/ 3D

Geometriebasen

objektbasiert

BIM Para- Speichermeformat trik

Alias Sketch/ Sketchbook Pro (2004)

Plug-ins und Add-ons

Windows/ Mac OS

Konzept-/Setdesign/ Illustrationen/ Storyboarding

•/-

2D-Pixelgrafik

-

-

keine

BildBildformate formate

179/0

Illustrator (1987)

anwendungsbez. Plug-ins/Add-ons

Windows/ Mac OS

Illustrationen

•/-

2D-Vektorgrafik

-

-

keine

ai

ai, dxf, dwg, eps, fxg, pdf, svg, swf, Bildformate

599/199 [$]

Corel Draw (1989)

anwendungsbez. Plug-ins/Add-ons

Windows

Illustrationen

•/-

2D-Vektorgrafik

-

-

keine

cdr

ai, cgm, docx, dwg, dxf, pdf, psd, raw, Bildformate

630/99

Inkscape (2003)

anwendungsbezogene Extensions

Windows/ Mac OS/ Linux

Illustrationen

•/-

2D-Vektorgrafik

-

-

keine

svg/ pdf

dxf, Bildformate

0/0

Architecture inkl. Auto CAD (Architecture) 3D-BauteilBibliothek, (1982) Speedikon

Windows/ (Linux)

alle Planungsphasen/ 3D-Visualisierung

•/•

(Poly)Linien, Kreise, Bögen, Splines; Flächen-, Netz-, Volumenmodellierung als Volumenkantendarst.

(•)

•

2D

dwg

3ds, adsk, dwf, dwfx, dwg, dws, dwt, dxb, dxf, dxx, ifc, LandXML, mdb, mwx, pdf, plt, sdf

1189/0

Allplan Architektur (1984)

BCM, Planungsdaten, Allfa

Windows

alle Planungsphasen/ 3D-Visualisierung

•/•

wie zuvor, gekoppelte • Flächenfüllungen

•

Bauteil

ndw

dwg, dxf, 3ds, a4d, c4u, ifc, wrl, u3d, 3dm, 3ds, skp, ifc, iges

1495/0

ArchiCAD (1984)

EcoDesigner, TeamBuilding

Windows/ Mac OS

alle Planungsphasen/ 3D-Visualisierung

•/•

wie zuvor, gekoppelte • Flächenfüllungen

•

Bauteil

pln

3ds, atl, c4d, dgn, dwg, dwf, dxf, eps, epx, fact, ifc, ifcxml, lp, obj, pdf, plt, sat, sgi, skp, u3d, wrl, Bild- und Mischformate

2950/0

Microstation (1985)

Bentley Architecture, Speedikon, Generative Components (2003)

Windows

alle Planungsphasen/ 3D-Visualisierung

•/•

wie zuvor, gekoppelte • Flächenfüllungen

•

2D

dgn

3dm, dwg, dxf, gbxml, ifc, iges, pdf, rvt, skg, stl, step, u3d, x_t

7378/95

VectorWorks Architektur (1985)

Innenarchitektur, Stadt- und Landschaftsplanung

Windows/ Mac OS

alle Planungsphasen/ 3D-Visualisierung

•/•

wie zuvor, gekoppelte • Flächenfüllungen

•

Bauteil

vwx

3ds, atl, dxf, dwg, epsf, hdri, ifc, iges, kml, pdf, sat, shape, skp, stl, x_t, Bildformate

4450/0

FormZ (1991)

Plug-ins

Windows/ Mac OS

3D-Modellierung/ 3D-Visualisierung

•/•

wie zuvor, nur bessere Flächen-/Volumenmodellierung

(•)

•

•

fmz

ai, atl, dae, dem, dwg, dxf, eps, epx, 1049/32 fact, iges, kmz, lw, lp, obj, pdf, plt, ib, sat, skg, step, stl, zpr, Bildformate

Rhino (1992)

Grasshopper (2007), VisualArq, Rhiknowbot, Rhinoparametrics, weitere Plug-ins

Windows/ (Mac OS)

•/• alle Planungsphasen/ 3D-Konstruktionsentwicklung/Parametrisierung komplexer Geometrien/3D-Visualisierung

wie zuvor, nur bessere Flächen-/Volumenmodellierung

(•)

(•)

(•)

3dm

3dm, 3ds, ai, dwg, dxf, iges, step, sat, VDA, x_t, obj, pov, raw, rib, stl, udo, VRML, wmf, DirectX, csv/txt, slc, zpr, GHS, WAMIT, fbx, XGL, cd, lwo, kml, ply

1184/232

Revit Architecture (1999)

Plug-ins/Erweiterungen, z. B. D-ACH für Berechnungen

Windows

alle Planungsphasen/ 3D-Visualisierung

(•)/• wie zuvor

•

•

•

rvt

rvt, dwg, dwf, dxf, 3ds, ifc, dgn, sat, gbXML

5500/0

SketchUp (2000)

viele Plug-ins und Rubyscripte

Windows/ Mac OS

bis Entwurfsplanung/ 3D-Skizzen + Modellierung + Visualisierung

•/•

wie zuvor, einfache Flächen-/Volumenmodellierung

•

(•)

(•)

skp

0 – 373 3ds, dae, dem, ddf, dwg, dxf, eps, epx, fbx, kmz, obj, pdf, vrml, wrl, xsi, Bildformate

Windows/ Mac OS

alle Planungsphasen/ 3D-Skizzen + Modellierung + Visualisierung

•/•

wie zuvor, nur bessere Flächen-/Volumenmodellierung

•

-

Objekte

bnz

3ds, ai, atl, dwg, dxf, eps, epx, kmz, lwo, obj, psd, qt, sat, w3d, stl, Bildformate

459 €/40 $

bonzai3d (2009)

ghx

Grasshopper 0/0

3D Max Design (1990)

viele Plug-ins

Windows/ (Mac OS)

3D-Visualisierung/ Animation

-/•

wie zuvor, nur bessere Flächen-, Netz-, Volumenmodellierung

•

-

(•)

3ds

ai, asc, ase, dwg, dxf, fbx, iges, obj, prj, sat, shp, skp, stl, wrl, wrz, Film- und Bildformate

4641/148

Cinema 4D (1993)

viele Plug-ins

Windows/ Mac OS/ Linux

3D-Visualisierung/ Animation

-/•

wie zuvor, nur bessere Flächen-, Netz-, Volumenmodellierung

•

-

(•)

c4d

3dmf, 3ds, ai, bva, bvh, dae, dem, dwg, dxf, eps, fbx, iges, lw, mon, ndw, obj, pln, rib, rpc, stl, swf, vwx, wrl, wrz, 25 Formate via Polytrans

1500/96

Houdini (1996)

Plug-ins

Windows/ Mac OS

3D-Visualisierung/ Animation

-/•

wie zuvor, nur bessere Flächen-, Netz-, Volumenmodellierung

•

-

•

geo/ bgeo

dxf, eps, iv, lw, med, obj, pc, ply, poly, rib, sdl, wrl, Bildformate

1195/6995 [$]

Blender (1998)

Plug-ins

Windows/ Mac OS/ Linux

3D-Visualisierung/ Animation

-/•

wie zuvor, nur bessere Flächen-, Netz-, Volumenmodellierung

•

-

(•)

blend

3ds, ac, dae, eps, fig, flt, dec, lwo, map, md2, mot, ms3d, obj, dxf, ps, slp, stl, svg, vrml, x3d, xsi

0

Maya (1998)

viele Plug-ins

Windows/ Mac OS/ Linux

3D-Visualisierung/ Animation

-/•

wie zuvor, nur bessere Flächen-, Netz-, Volumenmodellierung

•

-

(•)

ma/mb

ai, dxf, eps, fbx, flt, ge2, iges, iv, mel, obj, ps, rib, rtg, wire, wrl, wrz, svg, swf, t3m, Film- und Bildformate

3495/166,60

City Engine (2007)

-

Windows/ Mac OS/ Linux

3D-Modellierung/ Stadtwachstumssimulation

-/•

wie zuvor, schnelle Geometrieerzeugung (Shape Grammar)

•

-

•

cej/ cga

3ds, dae, dxf, fbx, mas, ml, osm, rib, obj, shp, Bildformate

495 – 4950/ 149 [$]

UGS NX (1981)

Erweiterungen und Plug-ins

Windows/ Automotive/ Mac OSX/ Maschinenbau/ Linux/Unix Industriedesign

(•)/• wie zuvor, aber echte Volumenmodellierung

•

-

•

ug

asm, ca4, cat, dwg, dxf, iges, jt, mf1, step, sw, stl, x_t

8000+/199

Catia (1982)

Digital Project, Primavera, Imagine & Shape, Photo Studio

Windows/ Unix/ Solaris

Architektur/ Maschinenbau/ Luftfahrt

(•)/• wie zuvor, aber echte Volumenmodellierung

•

•

•

catpart/ catproduct

3dxml, cgm, csv, dwg, dxf, iges, pdf, plt, step, stl, vrml, xls

10000+/75 o. Digital Project 17 000+ $/ 180 p. a.

Alias (1985)

Teilkomponenten Design, Surface & Automotive

Windows/ Mac OS

Automotive/ Maschinenbau/ Industriedesign

(•)/• wie zuvor, hybride Flächen-, Netzmodellierung, Sketching

•

-

-

wire

dxf, dwf, iges, step, catia, ugs nx, prt/asm, ptc granite, jt, slddrw, Bildformate

4000 – 89 000/ 0 [$]

ProEngineer (1989)

viele Spezialaufsätze

Windows/ Solaris

Maschinenbau/ Industriedesign

(•)/• wie zuvor, aber echte Volumenmodellierung

•

-

•

prt/ asm

dxf, iges, step, set, vda, ecad, cgm, cosmos/m, patran, supertab, sla, render, vrml

6850 –34 200/99

CoCreate (1995)

viele Spezialaufsätze

Windows

Maschinenbau/ Industriedesign

(·)/·

wie zuvor, dynamische Modellierung

•

-

(•)

pkg

cat, dwg, dxf, iges, pcb, pdf, olt, ps, 0 – 3170 p. a. sat, slddrw, step, stl, ug, x_t, vrml ...

Windows

Maschinenbau/ Industriedesign

(·)/·

wie zuvor, aber echte Volumenmodellierung

•

-

•

slddrw

dxf, dwg, Parasolid, iges, step, acis, stl, u3d, vrml, 3dxml, catia

Solid Works (1996)

9995/99

23

Digitale Planungstechnologien Regelbasierte Planung – Parametrik

26

27

28

Regelbasierte Planung – Parametrik Die Natur operiert selten mit orthogonalen Systemen. Sie wählt effiziente, materialoptimierte Lösungen. Ein Libellenflügel beispielsweise demonstriert den Einsatz eines belastungsspezifischen Struktursystems, das sich in einem evolutionären Prozess entwickelt hat (Abb. 26). Im Gegensatz dazu arbeitet man im Bauwesen aus Gründen der Effizienz primär mit rechtwinkligen Systemen, die in vielen Fällen Redundanzen zur Folge haben. Digitale Planung und Produktion eröffnen heute das Potenzial spezifischer Lösungsvarianten, die zu neuen Strukturformen in der Architektur führen. Parametrische Planungsmethoden bilden hierfür den digitalen Grundstock. Um das Potenzial der Parametrik und ihrer Umsetzungsstrategien in der Architektur zu erfassen, ist zunächst eine Begriffsbestimmung wichtig. Der Begriff »Parameter« stammt aus der Mathematik und wird fachübergreifend genutzt, um Faktoren zu beschreiben, die eine Reihe von Variationen bestimmen. Im Bauwesen bezieht sich der Begriff meist auf kon-

krete Gebäudekennwerte oder Umweltfaktoren, die bestimmte Grenzparameter und Variablen vorgeben. Die Beziehungen unter und zwischen allen Elementen eines digitalen Gebäudemodells werden damit in der parametrischen Software definiert und in Abhängigkeit voneinander gesetzt. Änderungen des Gebäudemodells sind so bei gleichzeitig maximaler Konsistenz möglich. Für die Aktualisierung der Zeichnungen oder Verknüpfungen sind keinerlei Maßnahmen durch den Benutzer erforderlich; die Software selbst aktualisiert bei jeder Änderung umgehend sämtliche Elemente. Die Basis hierfür bilden die Vernetzungsinformationen, die während der Konzeption des parametrischen Modells erfasst werden. Heike Matcha

ermöglichen. Beim klassischen Entwurfsprozess definiert man diese Programme zumeist weich oder setzt sie eher unterbewusst ein. Werden sie jedoch genau festgelegt, entstehen fest definierte Freiräume für Variantengenerierung und Optimierung, die sich mithilfe von Computertechnologie im Rahmen eines generativen Designprozesses nutzen lassen.

Einsatz von Programmierung in der Architektur Seit langem werden in der Architektur Programme erstellt, die Gestaltungsprinzipien konzeptionell festlegen und auf dieser Basis Entwurfsentscheidungen

In der Praxis können solche Entwurfsprinzipien anhand von parametrischen Modellen abgebildet werden. Ihre Erstellung verläuft in der Regel über bestehende CAD-Software mit entsprechenden Erweiterungen. Hintergrund ist der direkte Zugriff auf vorhandene Daten in den CAD-Formaten und die Möglichkeit der flexiblen Steuerung programmeigener Funktionen. Einige CAD-Hersteller bieten unterschiedliche Möglichkeiten der Interaktion mit ihren Programmen, die sich in ihrer Leistungsfähigkeit und Komplexität unterscheiden. Man differenziert zwischen Scripting, der Erstellung kleinerer Programme mit vergleichsweise einfachen Programmier-

Sliderschrittweite:

15 92,6176 104,2245 245,2852 287,7565 229,8561 216,6764 224,2239 190,3368

26 Flügel einer Libelle mit graduellem, lastfallangepasstem Übergang von Zellenstrukturen 27 Studienmodell eines Messestandes in Form eines polygonalen Möbiusbandes 28 realisierter Messestand auf Basis einer Lösungsvariante der Software Matlab, der mit einer durchgehenden digitalen Kette realisiert wurde 29 geometrische Auflösung der Möbiusstruktur in der Software Matlab

24

223,1923 165,416 231,9035 218,504 229,0802

29

290,903

Digitale Planungstechnologien Regelbasierte Planung – Parametrik

klassischer Entwurf

initialer Entwurf mit Programmierung

folgende ähnliche Entwürfe mit Programmierung

Analyse 30

Umsetzung

Recherche Varianten 1+2

sprachen, und der eigentlichen Programmierung mit komplexeren Programmiersprachen, aber auch wesentlich höherer Leistungsfähigkeit, wie beispielsweise bei der direkten Steuerung von CNCMaschinen. Überblendet wird diese Unterscheidung durch das relativ neue Konzept der visuellen Programmierung, wie sie z. B. die Grasshopper-Entwicklungsumgebung (Abb. 31) für das CAD-Programm Rhinoceros liefert. Anstatt einer Beschreibung in Textform werden hier grafisch vordefinierte Komponenten, die Bearbeitungsschritte repräsentieren, mit der Maus verknüpft, was eine logische Konstruktionsabfolge definiert. Änderungen an einem Punkt dieser Definition übernehmen die parametrischen Verknüpfungen an allen relevanten Punkten des Gesamtmodells direkt. Eine einmal definierte Konstruktionslogik lässt sich auf verschiedene Ausgangsgeometrien anwenden. Um den Arbeitsablauf und die Potenziale beim Entwerfen mit parametrischen Modellen zu verdeutlichen, werden diese im Folgenden beispielhaft anhand eines

Konzeption Ausführung

Formstrukturierungsprozesses mit Anbindung an eine Tragwerksanalysesoftware illustriert. Dieser Entwurf entstand im Rahmen der Bearbeitung eines Wettbewerbs für ein Gewächshaus in Bozen. Als Basis für den Formstrukturierungsprozess diente eine festgelegte Gebäudehüllfläche, auf der über ein Grasshopper Script Varianten möglicher Lagen der Stahlunterkonstruktionen parametrisch definiert wurden. Da die Dimension der Stahlquerschnitte maßgeblichen Einfluss auf das Erscheinungsbild und die Verschattung im Inneren des Gebäudes hat, wurden diese über eine Strukturanalyse automatisiert errechnet und in das Modell übertragen. Hierfür legte man zunächst die Stützenpositionen durch Teilung der Hüllfläche parametrisch fest und übermittelte sie dann wieder über eine Programmierschnittstelle an das Tragwerksanalyseprogramm (Abb. 36, S. 26). Neben den reinen Strukturdaten ließen sich auch Lasteinzugsflächen auf Basis der Flächenteilung ermitteln und über ein vordefiniertes Flächengewicht als Stablasten

auf das Berechnungsmodell setzen. Durch schrittweise (iterative) Berechnung (Abb. 32 und 33, S. 26) und Justierung wurde danach der Querschnitt festgelegt und an das parametrische Modell zurückübertragen. So war es möglich, die Bauteildimensionierung und damit das Erscheinungsbild in Abhängigkeit von der Flächenteilung direkt zu untersuchen. Trotz des hohen Automatisierungsgrades wählten die Beteiligten die zu untersuchenden Parameter-Sets gezielt aus und grenzten so den Lösungsraum manuell ein. In erster Linie war diese Vorgehensweise der Verhältnismäßigkeit des Zeitaufwandes geschuldet. Auf eine Berechnung aller möglichen Parameterkombinationen und die anschließende computergesteuerte Filterung von hunderten, teils sehr ähnlichen, teils unwirtschaftlichen Lösungen konnte daher verzichtet werden. 30 Entwurfsteilprozesse; der Schwerpunkt des Entwurfs verlagert sich auf die Konzeption des Prozesses. 31 visuelle Programmierumgebung – Grasshopper

31

25

Digitale Planungstechnologien Regelbasierte Planung – Parametrik

35

32, 33 automatisiert erstellte statische Berechnungsmodelle mit unterschiedlichen Rasterabständen und daraus resultierenden Profilstärken 34 parametrisches Modell des Gewächshauses Schloss Trautmannsdorf (Entwurf: Judith Reitz, Daniel Baerlecken, BFR Lab, mit Imagine Structure) in der Programmumgebung Rhinoceros 35 Wettbewerbsvisualisierung Gewächshaus Schloss Trautmannsdorf 36 schematischer Programmaufbau für die Schnittstelle zum Berechnungsprogramm 36

26

33

Ein Vorgehen dieser Art ist nur ein Beispiel für den Einsatz von Programmierung. Die Spanne der Anwendungsmöglichkeiten reicht von der Lösung zeitraubender Aufgaben, wie des automatisierten Layouts von Ausführungsplänen, über die direkte Ableitung von Fertigungsdaten für CNC-Maschinen aus 3D-Modellen bis hin zu Logistikanwendungen wie der Bauteilauszeichnung mit Barcodes. Allen Beispielen ist jedoch gemein, dass sie generative Designprozesse um den Aspekt fachplanerischer Analysen erweitern und damit den Entwicklungsprozess feedbackbasiert optimieren. Insbesondere geometrisch komplexen Entwürfen kommt diese simulative Arbeitsweise entgegen, da die Datenkette vom Entwurf bis zur Fertigung ungebrochen erhalten und ableitbar bleibt. Bei jeder dieser Programmierungsaufgaben gibt es Aspekte, die ausschließlich für die spezifische Herausforderung entwickelt werden, und andere, die auch bei anderen Aufgabenstellungen wieder zum Einsatz kommen könnten. Ein klar gegliederter, modularer Aufbau des Programmiercodes ist wichtig, um einzelne Codeteile für andere Projekte wiederverwenden zu können und die Grundlage für büroeigene digitale Workflows zu

bilden. Dies führt zu erheblicher Zeitersparnis bei ähnlichen Problemstellungen. Vergleicht man den so entstandenen Arbeitsablauf mit dem des klassischen Entwurfsprozesses – bestehend aus Analyse, Recherche, Konzeption, Umsetzung, Variantenbildung und Ausführung –, so ist eine Verschiebung in der Gewichtung der einzelnen Teilprozesse zu erkennen (Abb. 30, S. 25). Die Entwicklung und Formulierung des Konzepts wird aufwendiger und zugleich abstrakter – die Umsetzung und Variantenbildung hingegen geschehen in direkter Rückkopplung. Bei der Bearbeitung ähnlicher Aufgaben reduziert sich demnach der Aufwand für die Formulierung des Konzepts, während die schnelle Umsetzung erhalten bleibt. Es besteht die Chance, dass sich durch den Einsatz von Programmierung in der Architektur im Laufe der Zeit neue, schnellere und leistungsfähigere Planungsabläufe etablieren. Diese werden sich nicht nur durch integratives Arbeiten mit anderen Fachplanern auszeichnen, sondern auch durch neue Gestaltungsformen und -konzepte. Martin Manegold, Arne Künstler

parametrisches Grasshopper-Modell Initialisierung des Vorgangs für einen Parameter

Übernahme der Parameter in das Grasshopper-Modell

Input Interpretation · Punkte als Lager definieren · Spline Kurven segmentieren · Profildrehung berechnen · Lasten aus Fläche berechnen

Output Interpretation · errechnete Profile als Grasshopper-Parameter übertragen

Strukturdaten und Belastungsdaten übertragen

34

32

Berechnungssoftware

Steuerung der Berechnungssoftware · Berechnung starten · Ergebnisse evaluieren · finales Berechnungs-Modell speichern Strukturdaten auf Basis der Evaluation gegebenfalls verändern und neu berechnen

Digitale Planungstechnologien Digitale Erfassung

37

abstand von 2 mm aufzunehmen. Ihre Genauigkeit beträgt dabei einige mm auf 50 m. Damit stehen Aufnahmen von Objekten wie Gebäudefassaden zur Verfügung, aus deren Projektion auf eine Fläche sich Abstände und Längen mithilfe eines zuvor bestimmten Maßes ermitteln lassen. Um dreidimensionale Strukturen wie Gebäude, Geländetexturen oder Straßenzüge zu erfassen, werden Reflexionspunkte an strategischen Positionen aufgebracht, die die Nachbearbeitung und Zusammenführung der Fotografien erleichtern. Je nach Größe des Gebäudes und Genauigkeit der Messungen tastet der Laser im Gerät die Oberfläche von mindestens drei verschiedenen Standpunkten aus ab und sendet die Impulse an einen Rechner. Eine spezielle Software kombiniert die aufgenommenen Laserimpulse mit den Daten der Kamera und führt sie zu einem integralen Datensatz zusammen. Über Winkel und Raumstrecken bestimmt eine trigonometrische Operation die genauen Koordinaten aller gemessenen Punkte in Bezug auf den Standpunkt. Durch eine Überlagerung aller aufgezeichneten Bilder der einzelnen Standpunkte werden sie später zum Gesamtkoordinatensystem des Projekts in Bezug gesetzt und zu

Digitale Erfassung – terrestrisches Laserscanning (TLS) Digitale Verfahren gibt es nicht nur in der Neuplanung – auch in der Bestandsplanung kommen Erfassungsmethoden wie die Fotogrammetrie und das TLS zum Einsatz. Bei der Luftbildfotogrammetrie werden von einem Flugzeug aus orthogonale Bilder aufgenommen und zu Bildverbänden in einem gemeinsamen Koordinatensystem gefügt. Aus dem orientierten Bilderverband und optional gemessenen Distanzdaten entstehen digitale Geländemodelle (DGM). Die Nahbereichsfotogrammetrie bezeichnet die zweidimensionale oder dreidimensionale Erfassung von Objekten in einem Größenbereich von wenigen Zentimetern bis zu 500 m. In der Architektur und Archäologie nutzt man sie zur Bauaufnahme auf der Basis von verzerrungsfreien Fotografien, die mit Messdaten überlagert werden. Die Apparatur zur Erfassung besteht aus einem Lasermessgerät, einer hochauflösenden Digitalkamera und einem Laptop. Mit einem Abstand von 1 bis 2000 m zum Objekt sind die neuesten Geräte in der Lage, bis zu 900 000 Punkte pro Sekunde bei einem minimalen Punkt-

38

39

37 Grauwerte-Aufnahme (verdichtete Punktwolke) eines Laserscans; Küche Schloss Schwarzenberg 38 Orthoscan (Level 1): Ausschnitt aus dem gerechneten Längsschnitt des Südflügels von Schloss Schwarzenberg 39 Dreiecksvermaschung ohne Textur: Raumausschnitt Schloss Schwarzenberg

27

Digitale Planungstechnologien Digitale Erfassung

40 a

einem 3D-Modell aufbereitet. Da ausschließlich die vorderste Ebene abgefahren wird, kann man mit dieser Methode allerdings keine Hinterschneidungen erfassen. Der große Vorteil des Aufmaßes mit dem 3D-Laserscanner liegt in seiner Schnelligkeit. Im Vergleich zu herkömmlichen Bauaufnahmemethoden nimmt diese nur ein Viertel der Zeit in Anspruch und ermöglicht damit eine Effizienzoptimierung – vor allem beim Erfassen von schwer zugänglichen Baustrukturen wie großen Brücken oder historischen Bauwerken. Ein Mitarbeiter kann beispielsweise eine 18 000 m2 große Industrieanlage mit einem Laserscanner innerhalb von ca. einem Werktag komplett vermessen. Die Dauer des Aufmaßes beträgt bei einer typischen Auflösung pro Standpunkt wenige Minuten. Die Anzahl der Scanpunkte und damit die

40 Infrarot-Laserscan beim Einsatz in der Denkmalpflege a Scanvorlage b Resultat in der Softwareumgebung

b

Körnung der Aufnahme bestimmt die Präzision. Die Nachbearbeitung zu einem 3D-Modell erfolgt standortunabhängig in ca. 60 Stunden. Objekte, die zu klein sind, um vom Scanner erfasst zu werden, lassen sich mittels der fotografischen Information nachführen. Eine ähnliche Technik der digitalen Erfassung, jedoch im Modellmaßstab, setzen Architekten wie Frank Owen Gehry in der Konzeptentwicklung ein. Der Planungsprozess ist mit dem des Industriedesigns vergleichbar und erfolgt primär am physischen Modell. Die Freiformgeometrien des Büros Gehry lassen sich mit klassischen Plänen nur unzureichend abbilden. Daher werden maßstäbliche Modelle erstellt, die ein 3D-Messarm über das physische Abtasten dreidimensional erfasst. Der Scan liefert eine digitale Punktwolke, aus der Programme ein exaktes 3D-Flächenmodell erstellen, das den Ausgangspunkt für weitere Arbeitsschritte bildet. Mit dieser Arbeitsweise ergibt sich eine

kontinuierliche Wechselwirkung zwischen analogem und physischem Modell. Der Entwerfer kann die intuitive Methode des Modellbaus nutzen und parallel mit einer exakten digitalen Übersetzung dieser Form arbeiten. Die Abhängigkeit vom physischen Modell begrenzt dabei die Variationsmöglichkeiten der parametrischen Planungstechnologien (siehe S. 24), und faktenbasierte Planungsparameter fließen erst in nachgelagerten Schritten ein. Der beschriebene Erfassungsprozess ist auch mit stationären oder handgeführten Laserabtastgeräten möglich. Diese Technologie kommt häufig in der Denkmalpflege zum Einsatz, um geometrisch anspruchsvolle Ornamente digital aufzunehmen. Ein Laserscanner überführt das in Abb. 40 a dargestellte Original in Geometriedaten (Abb. 40 b). Die Nachbearbeitung in einem 3D-Modellierprogramm ergänzt fehlende Segmente der Geometrie. Im Anschluss erstellt eine CNC-Fräse eine originalgetreue Replik aus einem massiven Sandsteinblock.

T2: Vergleich der Erfassungstechnologien AbtastenRoland: MDX-20

Digitale Fotogrammetrie Gom: Atos III

Infrarot: 3D Creator FreeScan

RIEGL VZ-400 Laser Scanner

Methode

Scanner mit Piezo-Sensor (RAPS) fast alles scannbar

Streifenmuster wird auf Objekt projiziert/von 2 Kameras eingelesen.

Infrarot und Streifenlicht Scanner mit einem Taststift

Lasermessung für Häuser, Straßenzüge etc.

Führung

stationär

stationär oder Roboter

Hand/stationär

stationäre oder mobile, dynamische Erfassung mit Anbindung an ein geeignetes INS-System

Präparation

nicht nötig

nicht nötig

nicht nötig

nicht nötig

2D-/3D-Erfassung

3D-Erfassung auch für Sonder-Materialien

3D (Messung von Hinterschnitten mit GOM-Stift)

3D mit Infrarot-Leuchtdioden

3D-Laser

Präzision (Messpunktabstand)

X/Y= 0,02 – 0,197, Z= 0,001, in 0,002"-Schritten

0,07 –1,0 mm Messpunktabstand

± 2 mm Genauigkeit

5 mm Genauigkeit (3 mm Wiederholbarkeit)

Geschwindigkeit (Punkte/Sekunde)

4 –15 mm/s

bis 4 000 000 P/s

bis 48 000 P/s

122 000 P/s

Geometriedefinition

dxf, vrml, stl, 3dmf, Grauraster

STL-Netzdaten

STL-Netzdaten

3dd, dxf, ascii, sop, 3pf, asc, ptc, obj, STL, ply, pol, vrml

Software

Modela Cam, Picza

ATOS-Software

Geomatic, PolyWorks, Reshaper

RiSCAN PRO

Kosten Gerät

ca. 4100 €

ca. 150 000 €

20 000 – 35 000 €

84 500 €

28

Digitale Planungstechnologien Projektraum – das gläserne Projekt

Projektraum – das gläserne Projekt Als erstes Hochbauprojekt, dessen Scheitern dokumentiert ist, gilt der Turmbau zu Babel: das »babylonische Sprachengewirr«, das in der Bibel beschrieben ist, führte bekanntermaßen zum Projektabbruch. Miteinander sprechen, miteinander Wissen austauschen – einander verstehen: geregelter, kontrollierter und protokollierter Informationsaustausch ist die Basis jeder Zusammenarbeit. Kommunikation ist der wichtigste »Baustoff« in der Planung und Realisation eines Projekts. Zum Austausch von Wissen muss zwischen den Projektbeteiligten eine strukturierte und einvernehmlich verständliche Verbindung aufgebaut sein. Dies ist nur möglich durch eine gemeinsame Sprache, was bedeutet, die Kommunikationspartner müssen auf das gleiche Repertoire an Zeichen und Regeln zurückgreifen. Das gilt sowohl für direkte Kontakte zwischen Individuen als auch für deren Kontakte innerhalb einer Gruppe und natürlich damit übergeordnet für die Kontakte zwischen den Gruppen. Jeder muss jeden verstehen können, jede Gruppe muss sich nach innen und nach außen mitteilen können und verstanden werden. Um eine Vorstellung von einem virtuellen Projektraum zu erlangen, sei er im Folgenden verglichen mit »lake knowledge«, einem »See des Wissens«, wie er in Abb. 47 (S. 31) dargestellt ist. Hier werden die gesamte Kommunikation und alle Prozesse abgebildet, die in der realen Welt vorkommen. Das gilt folglich auch für Lieferverpflichtungen und Leistungen aus geschlossenen Verträgen. Jede Information wird nach gemeinsamer Regel Einzelnen, Gruppen oder allen zugeschickt und/oder verfügbar gemacht. So

ist beispielsweise ein Plan, der als Revision A einmal eingestellt wurde, nachvollziehbar und kann nicht mehr aus dem Raum verschwinden. Wird der Plan dann verschickt, so wird dieser Liefer- und Empfangsprozess, vergleichbar einer Einschreiben-Rückschein-Funktion, gespeichert. Informationsflüsse sind somit entsprechend den Vereinbarungen aus Verträgen der betroffenen Beteiligten mit allen Konsequenzen transparent – das Projekt ist gläsern. Virtueller Projektraum Spezialisierte IT-Dienstleister stellen im Internet virtuelle Projekträume bereit. Alle direkten Projektbeteiligten, also Planer, Bauherr, ausführende Firmen, Behörden, Projektmanagement und Facility-Management (FM), bilden die Gemeinschaft (Community) der Projektraumteilnehmer. Entsprechend den Projektzielen sowie der Organisation wird der virtuelle Projektraum konfiguriert. Zugriffsrechte und Arbeitsabläufe orientieren sich an den tatsächlichen Verträgen und werden mit der Community selbst festgelegt. Die Administration des Projektraums und die Einhaltung der Regeln überwacht im Auftrag aller Teilnehmer das Projektmanagement. Diese Rolle kann sowohl der Anbieter als auch einer der Projektbeteiligten, z. B. Projektsteuerer oder Generalplaner, mit entsprechender Qualifikation ausüben. Jeder den Projektzielen dienende Informationsaustausch wie Rechnungs-, Planfreigaben etc. geschieht über den virtuellen Projektraum. Formen des Datenaustausches sind z. B. das Einstellen von Plänen oder Plansätzen mit Bearbeitungs-/Koordinationsanfrage oder das Hochladen von Entscheidungsvorlagen etc. für definierte Teilnehmer-, Bearbeiteroder Entscheiderkreise. Die Daten folgen hierbei festgelegten Bearbeitungszeiten (Workflow) und Verteilerschlüsseln, deren

definierte Empfänger wiederum den Eingang der Information innerhalb eines festgesetzten Zeitraumes bestätigen und ihre Weiterverarbeitung gewährleisten müssen. Das Zeitverhalten der Workflows wird im System zentral gesteuert und mit dem zu Projektbeginn gemeinsam definierten Zeitgerüst abgeglichen. Zu Anfang wird ebenfalls festgelegt, ab wann ein Zeitplan als gefährdet gilt, Alarm gegeben werden muss sowie mögliche Folgen aufgezeigt werden müssen. Dies gibt der Projektsteuerung die Möglichkeit, geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Da die »Sprache« im Projektraum – damit ist die Projektsprache in internationalen Projekten, aber auch die Festlegung von Formaten, Prozessen und Abläufen gemeint – für alle gleich ist und somit von allen gesprochen und verstanden wird, fordert und fördert der »virtuelle Projektraum« die konsequente Überwachung und Einhaltung gemeinsam gesetzter Projektziele der Beteiligten. Modellabbildungen Projektraum Der klassische Projektraum, in dem Pläne sowie Text- und Tabellendateien hochgeladen und für verschiedene Personen zugänglich gemacht werden können, existiert bereits seit über 10 Jahren und ist heute – zumindest bei größeren Projekten – unverzichtbar. Mit der frühen Gewinnung von FM-relevanten Daten während der Projektentwicklung und Ausführung lässt sich schon zu diesem Zeitpunkt der logische Schritt zum späteren FM-System mit integriertem Raumbuch vollziehen. Dieser sogenannte ILM-Ansatz (ILM = Immobilien Lebenszyklus Management) erfährt derzeit grundlegende Impulse, die u. a. auf den ILM-Konferenzen und -Fachmessen intensiv von Experten diskutiert wer29

Digitale Planungstechnologien Projektraum – das gläserne Projekt

den. Diese ganzheitlichen Erweiterungen sind der eigentliche Sinn von »lake knowledge« und steigern seine Bedeutung als universeller Kommunikator.

Spitze

spezial Experte

allgemein 41

Spitze

Spitze

spezial

spezial

Experte

Experte

allgemein

allgemein

42

Spitze

spezial Experte

allgemein

Spitze

spezial Experte Experte

allgemein

43

41 menschlicher Wissensaustausch; Problem der Kommunikation 42 Austausch von gegenseitigem Gruppenwissen 43 Austausch von vielspartigem Wissen innerhalb der Gruppe

30

Design & Modellierung Eine auf wesentliche Geometrien und Elementinformationen übersetzte 3D-Modellierung formt jedes Bauteil eines Hochbauprojekts in Echtdimension nach und ist auf dieser Basis sowohl registrierbar als auch abfragbar. Die Modellierung erfolgt nach den Festlegungen der Industry Foundation Classes (IFC, siehe S. 34) oder nach Absprache mit den Projektpartnern auch als originäres grafisches Datenmodell. Dieses Projektmodell stellt das Skelett des Projekts dar und ist für alle Projektteilnehmer die geometrische Basis ihrer Arbeit. Teilweise interpretierendes Lesen und Übersetzen von 2D-Plänen durch die Projektteilnehmer entfällt. Die Prüfung der Gesamtplanung auf Konfliktfreiheit erfolgt in unmittelbarer Zusammenarbeit aller Planungsbeteiligten. Nach Abschluss der Gesamtplanung lassen sich aus dem 3D-Modell heraus die traditionellen Grundrisse, Schnitte und Ansichten erzeugen. Bauwerks-Informations-Modell Das Konzept der 3D-Modellierung entwickeln viele Softwarehäuser, basierend auf der Idee der IFC, in der grafischen Datenverarbeitung zum Projektdatenmodell Bauwerks-Informations-Modell (BIM) weiter. Dieses Modell ist in der Lage, sämtliche Gebäudedaten abzubilden. Es verwaltet also nicht nur die dreidimensionalen Daten, d. h. komplette Bauteilund Rauminformationen mit Raumbuch, Türliste, Fensterliste usw., sondern zusätzlich die vierte Dimension »Zeit«. So lassen sich auch Bauteil- und Gebäudeverhalten erfassen und während ihrer Nutzungsdauer verfolgen. Gerade unter dem Aspekt der zunehmenden Bedeu-

tung der Nachhaltigkeit und der geforderten Zertifizierungsverfahren (z. B. LEED oder DGNB Zertifikat) sind diese Daten wertvoll und für das Gebäudemanagement des Nutzers unverzichtbar. Pflichten und Rechte des Projektraums Als zentrale Einrichtung der Projektsteuerung dient der virtuelle Projektraum nicht nur als Dateiablagesystem mit Plan- und Dokumentenverteilung. Mit dem Trend zu nachhaltigem Bauen und dem Bedürfnis, alle Schritte des Projekts nachvollziehbar abzubilden sowie notwendige Daten in Planung, Bau und Betrieb greifbar zu machen, gewinnt der virtuelle Projektraum an Bedeutung. Er ist heute aus Projekten sowohl national als auch international nicht mehr wegzudenken. Abgesehen von den projektbezogenen Chancen des Arbeitens im virtuellen Projektraum entstehen den Projektteilnehmern jedoch auch Pflichten. So sollte jeder entsprechend seinen vertraglichen Verpflichtungen von ihm zu liefernde Informationen über den virtuellen Projektraum kommunizieren und für ihn bestimmte Daten regelmäßig abholen. Hier handelt es sich nicht, wie oft befürchtet, um Mehrarbeit, sondern um eine für das Projekt zielgerichtete und für alle gleiche Regel. Zudem ergeben sich durchaus nützliche Vorteile. Die permanent und lückenlos dokumentierten Handlungen der Projektbeteiligten im Projektraum gelten als »gerichtsfest«, d. h. der Zeitpunkt, zu dem Pläne und Anordnungen ihren Empfänger erreichen, ist nicht manipulierbar und vor allem jederzeit nachvollziehbar. Das solchermaßen »gläserne Projekt« lebt von der Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten, um gemeinsam mit der Erreichung der anfangs gesetzten Ziele den Projekterfolg herbeizuführen.

Digitale Planungstechnologien Projektraum – das gläserne Projekt

Highlander – »Es kann nur einen geben« Natürlich gibt es technische Grundvoraussetzungen für das erfolgreiche Arbeiten mit virtuellen Projekträumen. Eine ausreichend leistungsfähige Internetverbindung sowie die entsprechenden Softwarelizenzen sind notwendig. Das Positive am SaaS-Prinzip (SaaS = Software as a Service) der virtuellen Projekträume ist, dass keine neue Hard- oder Software beschafft werden muss und damit keine zusätzlichen Kosten entstehen. Eine genaue vertragliche Regelung zwischen den Beteiligten hinsichtlich der Nutzung des Raums ist sehr hilfreich und reduziert Akzeptanzprobleme bereits zu Beginn. Regelungsbedürftige Punkte sind die Einbeziehung aller Projektbeteiligten, die Zugangs- und Zugriffsberechtigungen, Namenskonventionen und Planschlüssel, Sicherheit und Vertraulichkeitsschutz sowie der Ausschluss von doppeltem Schriftverkehr. Der Wille und das Durchhaltevermögen der Projektbeteiligten spielen eine entscheidende Rolle im Kommunikationsund Arbeitsprozess. »Es kann nur einen geben« heißt, dass tatsächlich alle Projektschritte ausschließlich über den virtuellen Projektraum ausgeführt werden und dokumentiert sein dürfen – es darf keine »Baustelle neben der Baustelle«, demnach keinen Datenaustausch und keine Kommunikation am virtuellen Projektraum vorbei, geben. Die Umsetzung dieses für das Funktionieren des virtuellen Projektraums, des »transparenten Projekts«, wichtigsten Punkts ist schwierig. Das menschliche Streben nach Individualität, gepaart mit dem natürlichen Widerstand gegenüber hoher Kontrolle durch die Gemeinschaft, kann dazu führen, dass Einzelne sich der Teilnahme am Projektraum entziehen wollen. Ein weiteres Hindernis kann eine zu niedrige Datenübertragungsrate sein, die das Antwort-Zeitverhalten der Anwendung verzögert und

den Beteiligten Zeit und Nerven raubt. In der heutigen Zeit ist das bei den niedrigen Internet-Kosten insbesondere in Deutschland aber ein reines Infrastruktur-Problem, das sich sehr einfach lösen lässt. Neben der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit des Projektraums ist eine hohe Anwenderfreundlichkeit eine Grundbedingung für seine Akzeptanz seitens der Nutzer. Deshalb konzentrieren sich Schulungsmaßnahmen von anwenderfreundlichen Anbietern nicht auf die Software, sondern auf die Erläuterung der vereinbarten, abgebildeten Prozesse und Standards. Mit dem Ziel, das Vertrauen der Kunden in die Sicherheit ihrer Daten im Projektraum zu stärken, erhöhen die Anbieter ihre Sicherheitsstandards. Die Qualität in diesem Bereich lassen sich Unternehmen nicht nur durch ihre Kunden, sondern auch durch unabhängige Institute bestätigen. Hilfreich bei der Auswahl des Anbieters ist der Nachweis von Prüfzertifikaten, z. B. TÜV. Nähere Hinweise dazu finden sich typischerweise in einem technischen »Whitepaper« auf der Homepage des Anbieters. Sollte die Projektleitung (aus welchen Gründen auch immer) in Projektteilbereichen den (einvernehmlich beschlossenen) Projektraum umgehen, folgt so gut wie sicher ein Planungsdesaster. Dies führt vermutlich nicht zum Projektabbruch, erschwert die Arbeit jedoch erheblich. Lehnen die Beteiligten den Einsatz des Projektraums in der Folge zunehmend ab, besteht die Gefahr, dass der »Kommunikationsraum zum Projekt« sehr schnell wieder nur zum Festplattenspeicher im Internet wird. Statt »lake knowledge« droht trüber Datensumpf.

44

Schnittstellenmedium zur Vermittlung des Spitzenwissens 45

lake knowledge fachübergreifende Architektur – Schnittstellenstruktur Schnittstellenmedium zur Vermittlung des Spitzenwissens 46

lake knowledge 44 Austausch von Gruppenwissen zwischen verschiedenen Interessengruppen 45 Kommunikation: Verbindungsflüssigkeit zur Abdeckung von Wissensspitzen 46 verständliche Verbindung alles Wissens 47 lake knowledge – gläserner Projektraum

fachübergreifende Architektur – Schnittstellenstruktur

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Schnittstellenmedium zur Vermittlung des Spitzenwissens

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Digitale Planungstechnologien Projektraum – das gläserne Projekt

Aktuelle Entwicklungen Um den Nutzern den Umgang mit Projekträumen kontinuierlich zu erleichtern, entwickelt man diese ständig weiter. Ein Ansatz ist hiebei die Integration gewohnter Kommunikationskanäle, wie zum Beispiel E-Mail, in die Arbeit mit dem Projektraum. Einige Anbieter haben hier über ein sogenanntes E-Mail-Gateway eine Möglichkeit geschaffen, die es erlaubt, auch Randbeteiligte oder schwer zu integrierende Parteien einfach einzubinden. Die Kommunikation läuft dann via E-Mail, wobei der komplette Schriftverkehr trotzdem über den Projektraum mit-

geschnitten wird und nach wie vor alle Daten an einer Stelle vorliegen – ein enorm wichtiger Schritt zur Akzeptanzerhöhung. Daneben sind folgende Mindestfunktionen sehr hilfreich: • Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit (∫ geringer Schulungsaufwand) • Wiederfinden von Dokumenten durch Volltextsuche • Mehrsprachigkeit; insbesondere für internationale Projekte sollten Anwender in ihrer Muttersprache arbeiten können. • einfache Abbildung von Abläufen wie Plan- oder Rechnungsfreigabe, inkl.

geeignetem Support in diesen Fragen • Web-basierte IT-Lösung; damit kein Installationsaufwand, simpel für externe Partner, mobil einsetzbar Virtuelle Projekträume sind heute sowohl im nationalen als auch im internationalen Projektgeschäft unabdingbar. Die aus ihrer Nutzung resultierenden Vorteile sparen nachgewiesenermaßen Zeit und Geld. Als wirtschaftlich erweist sich ein virtueller Projektraum ab einer Projektgröße mit einem Bauvolumen von ca. 5 Mio. Euro. Holger Heilmann

T3: Erfassung wesentlicher Projektmerkmale

Dialog Top3 Extrapolation zur Minimalanforderung

Gebäudekunde

BGF/(MF-G1 + MF-G2) MF-G1/MF-G2

Wasted-on-the-way-areas

Nutzung und Ertrag

Quartier

Lage

Gebäude

Komplexanbindung

Zonierung

Erschließung

Mietbereiche

Orientierung

Räume

Findbarkeit

Dimensionen

h≈l≈b

rechnerische Effizienz

tatsächliche Effizienz

konzeptionelle Effizienz

Nutzung und Folgen

Auf-den-ersten-Blick-Optimierung

Wertigkeit, Nutzung und Ertragschance Nutzungsproblematiken Problemlösungen, Machbarkeit und Aufwand

Konstruktion

Problem-

32

entwerferische Komplexität

Nutzung und Anspruch

notwendige und formale Komplexität

konstruktive Komplexität

Effizienz und Konstruktion

technisch

Tragwerk

formal

Erschließung

Bauzeit

Installation

Baukosten

Fassade

Anspruch

Licht und Schall

Nutzung

Innenausbau

Ist städtebaulicher Maßstab

Soll städtebaulicher Maßstab

Erkennung Feststellung Lösung

Danger Zones Trouble Spots & Trouble Shootings

Konzeption

Konzeption

Gebäudekunde

Gebäudekunde

Konstruktion

Konstruktion

Haustechniksystem

Haustechniksystem

Digitale Planungstechnologien Digitale Schnittstellen im Bauwesen

Digitale Schnittstellen im Bauwesen Bauprojektorganisationen zeichnen sich durch Heterogenität der Projektbeteiligten und komplexe Schnittstellen im Umfeld einer Unikatfertigung aus. Die Schnittstellen sind das Ergebnis der historisch belegbar voranschreitenden Arbeitsteilung zwischen Bauherr, Architekt, Fachplaner, Bauausführung, Genehmigungsbehörden und weiteren Akteuren. Sie dienen der Kommunikation und dem Austausch von Daten, Informationen, Entscheidungen und anderen Werten. In solch komplexen Organisationsstrukturen besteht die Gefahr von Brüchen in den Arbeitsabläufen und von Datenverlusten oder Datenverzerrungen an den Übergängen von einem Projektbeteiligten zum anderen. Das Interesse von Bauprojektorganisationen besteht deshalb darin, die Prozesskette Bauwerksentwurf-Bauwerksplanung-Bauproduktionsplanung-Bauausführung-Bauwerksbetrieb mithilfe integrativ konzipierter, computergestützter Systeme durchzuführen und zu dokumentieren. Diese Systeme sollen das Konglomerat von zeitvarianten Arbeitsergebnissen (jeder Projektbeteiligter leistet in gegenseitiger Abhängigkeit über die Projektdauer Beiträge zur Entstehung des Bauobjekts) in Bezug auf die Koordination der Leistungen, auf die Logik des Aufbaus der einzelnen Leistungen und auf die Dokumentation des Entstehungsweges sowie der Ergebnisse handhabbar machen. Die Zieldefinition dieser Arbeitsergebnisse wird durch Entscheidungen des Bauherrn gesteuert, welcher, je nach Repräsentationsausweis, Träger der Erklärungskomponente mit oder ohne Begründungsbeitrag ist. Das heißt, dass der Bauherr zunächst das Zielesystem und die Ausprägung dessen einzelner Komponenten vorgibt. Durch die Kommu-

nikation von Zwischenergebnissen aus der Arbeit der Bauprojektorganisation entsteht eine Grundlage für Entscheidungen des Bauherrn bezüglich der Fortsetzung oder der Modifikation des eingeschlagenen Wegs. So kann die monetäre Bewertung (zum Beispiel eine Kostenschätzung) eines Planungsstandes dazu führen, dass der Bauherr bestimmte Änderungen in der Gestalt eines Bauwerks anordnet, um die Baukosten zu senken. Der Bauherr selbst ist ein Repräsentant seiner selbst (zum Beispiel ein privater Investor) oder einer Organisation (zum Beispiel der Vorstand einer Aktiengesellschaft, die einen Bauauftrag vergibt, als Repräsentant der Aktionäre). Die Begründung bestimmter Entscheidungen des Bauherrn kann in die Bauprojektorganisation kommuniziert werden, sie muss es aber nicht. Die in dieser komplexen und zeitvarianten Projektstruktur entstehenden Daten-, Entscheidungs-, Finanzund Güterströme sowie weitere Austauschgrößen befinden sich in einer permanenten Interaktion zwischen den Projektbeteiligten – Architekten, Fachingenieuren, ausführenden Unternehmen, Lieferanten, Behörden und der eigentlichen Bauherrenorganisation. Geregelt wird diese Interaktion durch Schnittstellendefinitionen auf der Grundlage von Werk- und Dienstverträgen, technischen und legislativen Vorgaben (siehe Kapitel »Rechtliche Herausforderungen im Rahmen digitaler Planungsprozesse«, S. 41ff.) respektive Informationsintentionen (beispielsweise werden bestimmte Datensätze nur für interne Zwecke eines Projektbeteiligten generiert) sowie verfügbaren Werkzeugen der Datenverarbeitung und Dokumentation. Abb. 48 (S. 34) verdeutlicht die Komplexität von Schnittstellen in einer Bauproektorganisation (exemplarisch mit Generalunternehmereinsatz) sowie die hohe 33

Digitale Planungstechnologien Digitale Schnittstellen im Bauwesen

Dichte der Austauschgrößen. Die intraorganisationalen Schnittstellen beziehen sich in der Regel auf das Bausoll und die damit verbundene Vergabe von Planungs- und Ausführungsleistungen innerhalb definierter Unternehmereinsatzformen einerseits sowie die an Nachunternehmer zu vergebenden Leistungen andererseits. Vergleichbare Schnittstellenanforderungen existieren für Auftraggeber, Behörden, Versorgungsunternehmen und andere Projektbeteiligte, welche zwar außerhalb der eigentlichen Ausführungsorganisation liegen, deren Leistungen für die Realisierung des Projekts aber ebenso unerlässlich sind. Es handelt sich um ein dynamisches, arbeitsteiliges System, das durch Koordinations- und Kommunikationsprozesse, eine Organisationsstruktur mit Qualifika-

tionen und Kompetenzen sowie durch einen Ressourceneinsatz charakterisiert ist. Seine Komplexität erhöht sich durch die Integration der Betriebsphase in die Vorgangsstruktur deutlich. Bedeutend für die Zusammenarbeit in Bauprojektorganisationen ist die Frage nach Schnittstellen in der Software der einzelnen Projektbeteiligten. Hierbei sind die Datenaustauschstrukturen des Gemeinsamen Ausschusses Elektronik im Bauwesen (GAEB) zu nennen – ein Zusammenschluss von Architekten, Ingenieuren, öffentlichen und privaten Auftraggebern und der Bauwirtschaft, jeweils durch deren Spitzenorganisationen vertreten. Der GAEB arbeitet unter anderem an der Erstellung und Überarbeitung von standardisierten Texten zur Beschreibung von Bauleistungen und Zeitvertragsarbeiten sowie an Regelwer-

ken für den elektronischen Datenaustausch und stellt damit die normative Schnittstelle zum Austausch der fachlichen Informationen in den Phasen der Ausschreibung, der Vergabe und der Abrechnung zwischen den am Bau Beteiligten zur Verfügung (Abb. 49 ). Ergänzend dazu ist das objektorientierte Produktdatenmodell IFC (Industry Foundation Classes) zu nennen. Es dient dem Austausch von relevanten Daten in den Bereichen Architektur, echnische Gebäudeausrüstung und Tragwerksplanung, sodass eine verlustfreie Kommunikation zwischen den entsprechenden Softwaresystemen möglich wird. Initiator ist die internationale Vereinigung »buildingSMART – International Alliance for Interoperability«. Namhafte Software-Anbieter bieten IFCzertifizierte Software an.

Investor

Nutzer

Genehmigungsbehörde

Auftraggeber

· Bauaufsichtsamt · Umweltamt · Amt für Arbeitssicherheit · Oberste Baubehörde

verantwortlicher Planer (Architekt, Fachplaner) interorganisationale Schnittstellen

direktes Verhältnis indirektes Verhältnis 48

34

Dokumente

Daten

Nachunternehmer Fassade

Entscheidungen

intraorganisationale Schnittstellen Finanzstrom

· Architekt · Fassadenberater · Brandschutz · Bauphysik · Haustechnik · Sicherheitstechnik · technische Überwachung

Generalunternehmer

Güterstrom

Fachplaner / Berater des Generalunternehmers

Digitale Planungstechnologien Digitale Schnittstellen im Bauwesen

Eine systematisierte Integration der in den Projekt- und Objektphasen erzeugten Daten und Informationen führt zur Entstehung eines Bauwerks-InformationsModells (BIM). Die Struktur eines raumbuchgestützten Dokumentationssystems, das im Kern ein mit der vollsphärischen Fotografie visualisiertes BIM beinhaltet, ist in Abb. 50 (S. 36) dargestellt. Sie verdeutlicht das Ziel beim Einsatz von BIM: systematische und verlustfreie Erfassung, Bereitstellung und Langzeitbewahrung relevanter Bauwerksinformationen in einem Dokumentenspeicher über den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks. Von besonderer Bedeutung ist die Eliminierung der gegenwärtig durch die angewendeten Arbeits- und Dokumentationssysteme verursachten Datenverluste an den Übergängen der Lebenszyklusphasen Planung – Projekt-

GAEB Planung

DA

D 81

D 82

Leitungsbeschreibung

Kostenansatz

Architekt Fachingenieur

XML

Datenaustausch

D 83 Angebotsaufforderung

Auftraggeber (Bauherr)

errichtung – Objektphase/Nutzung. Die bereits angesprochene Offensive der Bauwirtschaft in der Entwicklung von Softwaresystemen zur vernetzt-kooperativen Bearbeitung und Dokumentation von Bauprojekten ist mit der Anwendung neuer Arbeitsmethoden gekoppelt. Insbesondere ist die modellorientierte Arbeitsweise zu nennen, welche die zeichnungsorientierte Arbeitsweise zumindest ergänzen und an vielen Stellen ersetzen wird, wie es schon seit langem im Automobil-, Flugzeug- oder Schiffbau der Fall ist. Das rechnergestützte modellorientierte Arbeiten findet sein Abbild in automatisierten Mengenermittlungen, 4D-Simulationen, Animationen bei der Tragwerksbemessung (FEM-Anwendungen) oder in der Konstruktion von Schalungen für Bauteilstrukturen als Freiformen.

Ausführung

Bieter

D 86 Auftragserteilung

U n t e r n e h m e r

49

D 40* allgemeine Kataloge

D 94 Preisangebote Hersteller D 96 Bestellung Handel D 97 Auftragsbestätigung

Auftragsnehmer D 89 Rechnung

D 31* Mengenermittlung

Produkte

Bewerber

D 84 Angebotsabgabe D 85 Nebenangebot

D 93 Preisanfrage

RME cat

*in Vorbereitung

D 50* Baukostenkataloge

D 51* Kostenermittlung

D 61* Raumbuch

D 71* AblaufPlanung

D 80* LVKataloge

48 Schnittstellendefinition und Wertefluss zwischen den Bauprojektbeteiligten 49 normative Schnittstellen zum Datenaustausch in Bauprojektorganisationen nach GAEB

35

Digitale Planungstechnologien Digitale Schnittstellen im Bauwesen

50 Beispielstruktur eines raumbuchgestützten, mit vollsphärischer Fotografie dokumentierten BIM

36

das raumbuchgestützte Dokumentationssystem Ziel ist die ganzheitliche Informationserfassung in der Bauphase und die verlustfreie Abgabe an die Nutzungsphase. Analyse und Dekomposition des Dokumentationsobjektes · Topologie/Raumbuchstruktur · Volumen- und Flächengliederung nach DIN 277 · funktionale Gliederung · Konstruktionsgliederung nach DIN 276

CAD-System

AVA-System

zentrales Anforderungsprofil Planung

Daten Information

Modellorientierte Arbeitsweise Nicht nur die Integration von Daten, sondern auch die Komplexität der Bauaufgaben sowie die Notwendigkeit, Planung, Bauausführung und Bauwerksbetrieb zu koppeln, führte zur Entwicklung von Bauwerks-Informations-Modellen (BIM). Der wesentliche Unterschied der hierbei üblichen modellorientierten Arbeitsweise zur zeichnungsorientierten liegt in ihrer spezifischen Semantik begründet. In zeichnungsorientierten Systemen lösen Punkte, Linien oder Texte Interpretationen des Anwenders aus. Im BIM dagegen ist die Semantik im System enthalten und ermöglicht somit eine komplexe Bearbeitung durch definierte Projektbeteiligte, welche die Daten mehrfach verwenden. Mit verschiedenen Softwarelösungen lassen sich derartige Modelle erstellen. Der Vorteil bei der Anwendung solcher Softwaresysteme liegt im Zusammenhang zwischen CAD-Daten und der weiteren Verwendung für Mengen sowie der Generierung von Leistungsverzeichnissen und Terminplänen (Abb. 52). Im 3D-CADModul werden Elemente definiert, die unter anderem über Mengen und Qualitäten beschrieben sind. Die Verbindungen zwischen den 3D-Objekten und den daraus ermittelten Mengen werden in der Datenbasis gespeichert (Mengenzeile). Aus den Mengenzeilen werden Positionen eines Leistungsverzeichnisses erzeugt. Die Verknüpfung dieser Positionen mit den Vorgängen eines Terminplans ermöglicht eine 4D-Simulation (Abb. 53 a – c, S. 38). Bei der Einführung einer modellorientierten Arbeitsweise ist zu beachten, dass sich die Prozesse, insbesondere in der Planung, aber ebenso in der Ausführung, verändern werden. Die Veränderung ergibt sich im Wesentlichen aus der Wiederverwendung von Daten sowie Informationen und den dadurch entstehenden

Erstellung

Objektphase Nutzung irrelevant

irrelevant relevant irrelevant

Bauwerks-Informations-Modell relevant

Zeit Planungsraumbuch als zentrale Soll-Vorgabe Soll-Vorgaben

Planungsraumbuch

Realisierungsraumbuch

Bestandsraumbuch

Qualität, Quantität, Zeit, Kosten

baubegleitende Dokumentation der Bauphase in einem Realisierungsraumbuch 360° 180°

der raumbuchgestützte Leistungsviewer Anzeige des Planungsraumbuches und der Raumbuchkalkulation das raumbuchgestützte Berichtswesen Bautagebuch – Betonierungstagebuch – Planverzeichnis Bildverzeichnis – Besprechungsprotokoll – Projektbeteiligung weitere aufgabenspezifische Dokumentationssysteme

Bau-Ist Ist-Feststellung Qualität, Quantität, Zeit, Kosten

vollsphärische Fotografien

im Raumbuch verortete Bauwerksinformationen Nutzeroberfläche

visuelles Datenbank-Managementsystem

Bau-Ist visuelle Bauwerksinformation

Bauwerks-Informations-Modell visuelles Bauwerks-Informations-Modell Publikation

Realisierungsraumbuch Leistungsstand der Baustelle zum Stichtag Abnahme-/Übergabedokumente verlustfreie Erstellung des Bestandsraumbuchs

50

entwickelte Softwaresysteme

verwendete und angepasste Softwaresysteme

Digitale Planungstechnologien Digitale Schnittstellen im Bauwesen

51 Konzeption eines Bildinformationssystems im Dienst eines BIM 52 modellbasiertes Bearbeiten eines Bauprojekts – Mehrfachverwendung der Basisdaten georeferenzierte und orientierte Digitalfotografien

interaktives 4D-Modell Kopplungsprozess

Raum realistische Abbildungen

virtuelle Abbildungen Plan- und Ist-Daten Zeit

Transformation

Transformation

alphanumerischer Datenbestand Geometrie und Topologie – Termine, Kosten, Qualitäten, Quantitäten 51

Ausstattungselemente Innenwände C 30/37 Schalung SII Ortbeton Wände C 30/37 d > 25 cm Ortbeton Wände C 30/37 d ≤ 25 cm Leibungsschalung Öffnungen>190 cm² CAD 3D-Element ID = »W1« Type = »Wall« Level = »OG01«

Mengenzeile W1, Schalung für Decken SII, 12 m² Mengenzeile W1, Ortbeton in Wänden d > 25, 12 m² Mengenzeile W1, Bewehrung Bst 500s, 34 kg

3D-Element ID = »W2« Type = »Wall« Level = »OG01«

Mengenzeile W2, Schalung für Decken SII, 15 m²

1.1 Ortbeton C 30/37 400 m² W1, 12 m² W2, 30 m² W3, 8 m² 1.2 Bewehrung 85L500s 170 kg W1, 34 kg W2, 54 kg W3, 32 kg manuell, 50 kg 1.3 Schalung 61 m² W1, 12 m² W2, 30 m² W3, 8 m²

Mengenzeile W2, Ortbeton in Wänden d> 25, 20 m² Mengenzeile W2, Bewehrung Bst 500 s, 54 kg

3D-Element

Mengenzeile W3, Bewehrung Bst 500 s, 14 kg

ID = »W3« Type = »Wall« Level = »OG01«

Mengenzeile W3, Ortbeton in Wänden d> 25,8 m²

52

Leistungsverzeichnis, Kalkulation

Mengenzeile manuell Bewehrung Bst 500 s, 50 kg

Terminplan 1.3 Wände herstellen OG01 32 m². Id Dauer = 0,4d “ 1d W1, 12 m W2, 20 m 1.4 Wände herstellen OG02 8 m². Id Dauer = 0,1d “ 1d W3, 8 m

inhaltlichen und zeitlichen Abhängigkeiten zwischen den Teilprozessen. Bildinformationssysteme Verantwortliche Planer und ausführende Unternehmen haben die Pflicht zur regelmäßigen Berichterstattung gegenüber dem Bauherrn bezüglich der Quantität sowie der Qualität der erbrachten Bauleistung. Die Erstellung dieser Berichte dominieren gegenwärtig manuelle Prozesse, die durch digitale Fotografie ergänzt werden. Solche Prozesse sind wenig effektiv, denn die umständliche Archivierung und aufwendige Suche zur Rekonstruktion bestimmter Zustände während der Bauphase kosten wertvolle Zeit. Die modellorientierte Arbeitsweise lässt sich um weitere digitale Prozesse erweitern. Nachfolgend wird der explorative Prototyp eines Bildinformationssystems vorgestellt, das gegenüber 4D-Modellen erweiterte Funktionalitäten aufweist und diese integrativ verarbeitet. Das System wurde am Institut für Baubetrieb der Technischen Universität Darmstadt entwickelt. [1] Während des gesamten Bauprozesses verknüpft das System ein digitales Bauwerksmodell mit digitalen Bildaufnahmen und dokumentiert auf diese Weise den Baufortschritt und die Qualität der Bauausführung (Abb. 56, S. 39). Den Ausgangspunkt des Systems mit der Bezeichnung »BIS-Bau« bildet ein objektorientiertes 3D-Modell des zu erstellenden Bauwerks, das sämtliche Elemente als parametrisierte Objekte (u. a. Konstruktionselemente des Rohbaus, Elemente der TGA oder der Fassade) beinhaltet. Das Bauwerksmodell ist in seiner Struktur an die Erstellungsprozesse angepasst und steht allen Projektbeteiligten digital zur Verfügung. Durch die Verknüpfung der geometrischen Daten mit weiteren Attributen wie Materialeigenschaften, bauphysikalischen Kennwerten, Oberflä37

Digitale Planungstechnologien Digitale Schnittstellen im Bauwesen

53 a

  
 
    


53 a – c Screenshots aus der Software iTWO, welche die modellbasierte Arbeitsweise belegen – Integration aller Prozesse in einen Objektkern einschließlich 4D-Simulation

    


 
 

   


 



  


  
 
 


   


  


b

c

38

  
    


chenbeschaffenheit, Kosten und Terminen wird ein 4D-Modell generiert. Den Kern der Funktionalität von BIS-Bau bildet die Integration von Ist-Daten, im Speziellen von georeferenzierten und orientierten Digitalfotografien des realen Objekts. Hierzu wurde ein sensorgesteuertes Positionierungssystem entwickelt, das in Abb. 55 schematisch dargestellt ist. Die Besonderheit besteht darin, dass das System eine Positionierung und Orientierung von Bildaufnahmen und die Identifikation von darin enthaltenen Bauteilen in Innenräumen ermöglicht. Eine exemplarische Anwendung im Bereich des Leistungs- und Qualitätsnachweises ist in der Bildfolge in Abb. 56 a – d dargestellt. Mehrere georeferenzierte und orientierte Digitalfotografien dokumentieren zusammen mit dem 4D-Modell den Bauzustand. In Abb. 54 sind Standort und Blickrichtung der von der Kamera erfassten Bildausschnitte mit Kreissegmenten angezeigt. Diese Standortdokumentation erzeugt das Aufnahmesystem automatisiert im Computer. In den Teilbildern ist der semi-automatisierte, da stets um eine Verifikation durch den Bearbeiter ergänzte, Vorgang der Statusidentifikation des Baufortschritts zwischen realem Bild und dem 4D-Modellausschnitt dargestellt. Der sachverständige Bearbeiter wird aber die vom Computer erzeugten Informationen immer darauf überprüfen müssen, ob sie mit der Realität konform sind. Dadurch wird deutlich, dass die diskutierten Computersysteme den Sachbearbeiter/Experten nicht ersetzen können, sondern dessen Arbeit unterstützen. Das aufbereitete Bauwerksmodell beinhaltet sämtliche Elemente der vertraglichen Leistungsdefinition (Plan-Daten) wie Pläne, Leistungsbeschreibungen oder etwaige technische Vertragsbedingungen bezüglich der zu erstellenden Bauteile. So ist jederzeit eine Gegenüberstellung des vertraglich geschuldeten Bau-Solls eines Bauteils mit

Digitale Planungstechnologien Digitale Schnittstellen im Bauwesen

Bild 6

Bild 5

Bild 4

Bild 1

Bild 2 Bild 3 54

55

der real erbrachten und mithilfe des Systems dokumentierten Bauleistung möglich. Zudem halten die realistischen Abbildungen der Digitalfotografien in Verbindung mit den Raum-Zeit-Strukturen des 4D-Modells die vertragsgemäße Ausführung einer Leistung glaubhaft und nachweislich fest. Alle Erstellungsprozesse bzw. einzelne Ist-Bauzustände sind unmissverständlich rekonstruierbar, da Angaben zum Geschoss, zu Raum, Zeit und Bauteil sowie weitere Informationen, wie Ausführender, verwendete Technologien und gegebenenfalls während der Ausführung festgestellte Mängel, vorliegen. Weiterhin ist es möglich, Vorleistungen respektive nachträglich verdeckte Leistungen zweifelsfrei nachzuweisen. Maße von Bauteilen lassen sich mithilfe einer Bildmessung im 4D-Modell prüfen. Zur Bestimmung der Lage von Objekten werden von einem Aufnahmestandpunkt in zwei unterschiedlichen Höhen oder von unterschiedlichen Standpunkten aus digitale Bilder erzeugt und in ein entsprechendes Auswertsystem übertragen. Anhand der Fotos ist es außerdem möglich, neben den Maßen auch Oberflächenqualitäten (z. B. Porigkeit von Betonflächen oder Farbstruktur) zu kontrollieren. Das Bildinformationssystem bietet darüber hinaus die Möglichkeit, eine Bestandsdokumentation zu entwickeln, die alle erforderlichen Nachweise gegenüber Bauherren oder weiteren Projektbeteiligten wie Behörden oder Versorgungsunternehmen liefert. Hilfreich ist das System auch beim Erlangen von Zertifizierungen, zum Beispiel dem DGNB Zertifikat. Der Bauherr kann zudem auf der Grundlage der Dokumentation visualisierte digitale Nutzerhandbücher für Mieter oder für die Verwaltung entwickeln. Mithilfe eines solchen Systems kann der Nutzer beispielsweise das Bauwerk als geometrische Struktur aufrufen und darin die relevanten

Informationen zu einem bestimmten Bauteil durch einfaches »Anklicken« abrufen, ohne unübersichtliche Listen studieren zu müssen. Das als explorativer Prototyp entwickelte Bildinformationssystem wurde bei der Realisierung des Bauvorhabens »inHaus2« in Duisburg im Zeitraum 2007– 2008 getestet. Die Ergebnisse belegen die Richtigkeit des gewählten Lösungsansatzes, zu dem man die Forschung weiter vorantreibt. Sensoren Die Entwicklungen im Bereich digitaler Prozesse sind untrennbar mit der Entwicklung von Sensoren verbunden. Als Beispiel sind Interaktionen in virtuellen Umgebungen zu nennen, wie sie zunehmend in der Architektur bei bidirektionaler Abstimmung bzw. Prüfung von Planungszuständen oder Änderungsverfolgungen (Design Review) stattfinden. Die Interaktion in immersiven virtuellen Umgebungen, in denen Realität und Simulation für den Agierenden verschmelzen, entsteht nicht mithilfe von Tastatur und Maus, sondern mithilfe von Sensoren, die kontinuierlich Position und Orientierung des Betrachters ermitteln und so eine Interaktion mit den Objekten der virtuellen Umgebung ermöglichen. [2] Auch für das zuvor dargestellte Bildverarbeitungssystem war die Entwicklung intelligenter Sensoren erforderlich, welche die Georeferenzierung von Digitalfotografien in einem digitalen Bauwerksmodell unterstützen. Entwicklungen im Bereich der Prozesssteuerung, ergänzt um die Überwachung von logistischen Ketten oder Materialflüssen, sind nur möglich, da gegenwärtig eine enorm schnelle Entwicklung im Bereich von Sensoren stattfindet. Nachfolgend werden zwei Sensortechnologien gegenübergestellt: die Radio Frequency Identification (RFID), die bereits Einzug ins Bauwesen gehalten hat, sowie

56 a

b

c

d

54 Zuordnung der Standpunkte 55 schematischer Messungsaufbau für die Indoor-Positionerung 56 Bildfolge – georeferenzierte und orientierte Digitalfotografien des realen Objekts (linke Seite) und der entsprechende Bauwerksmodellausschnitt (rechte Seite) a Ausschnitt Bild 1 im Modell b Ausschnitt Bild 2 im Modell c Ausschnitt Bild 3 im Modell d Ausschnitt Bild 4 im Modell

39

Digitale Planungstechnologien Digitale Schnittstellen im Bauwesen

57

die NanoLOC-Technologie [3], die sich in der Entwicklungsphase befindet. RFID ist eine Funktechnologie zur automatischen Identifikation, mit der sich digitale Daten, die sich auf sogenannten Tags befinden, mithilfe eines Handgeräts schreiben und auslesen lassen. Die Tags werden an Bauteilen oder Gegenständen befestigt und beinhalten in der Regel Informationen zu eben diesen Objekten. Die RFID-Technologie wendet man in verschiedenen Branchen an, unter anderem im Flugzeugbau, im Großhandel, in der Schalungsindustrie oder im Gesundheitswesen und in der Pflege. Hauptsächlich werden RFID-Tags eingesetzt als: • Barcodeersatz: Die Anbringung eines Etiketts (Electronic Product Code), das automatisch gelesen werden kann, bietet die Möglichkeit zur Überwachung der gesamten Logistikkette von der Produktion bis hin zum Verbraucher. • Schutz gegen Diebstahl Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen in den Bereichen der Zutrittskontrolle, der Freigabe von Maschinen, der Dokumentation von Arbeitsprozessen, der mobilen Zeiterfassung, der Positionierung und Ortung sowie im Mietobjektmanagement. Trotz zahlreicher bereits erkennbarer Vorteile befindet sich die RFID-Technologie noch in der Phase der Entwicklung. Dies betrifft unter anderem folgende Problembereiche: • hohe Kosten mancher Komponenten wie des Lesegerätes • Anfälligkeit gegen Wassereinwirkung, statische Entladung oder hohe magneische Felder (z. B. Blitzschlag) • RFID-Tags können berührungslos, auch unbefugt, unwiderruflich zerstört werden (Vandalismus). • Abschattungen: Es kann vorkommen, dass sich auch nahe liegende Tags im Bereich von Funklöchern befinden 40

• Reichweite: RFID-Tags können nicht gut gelesen werden, wenn leitfähige Hindernisse zwischen Tag und Lesegerät vorhanden sind. Eine mögliche Lösung dieser Problematik ist die NanoLOC-Funktechnologie. Den Kern dieser Technologie bildet der NanoLOC-Chip, der auf Basis der Chirp Spread Technologie (CSS) sowohl die Datenkommunikation als auch die Distanzermittlung mithilfe von Chirp-Impulsen ermöglicht. Dieses HochfrequenzFunkmodul arbeitet im weltweit frei verfügbaren ISM-Band von 2,4 GHz. Der Chip verfügt über eine standardisierte Schnittstelle und kann damit eigenständig die im Folgenden beschriebenen Daten erheben. Durch die hohe Bandbreite der Impulse (80 MHz) weisen NanoLOC-Systeme besondere Merkmale auf: • 3D-Positionierung der Objekte: Jeder NanoLOC-Funkknoten ist in der Lage, die Raumdistanz zu einem beliebigen anderen Knoten, sowohl im Innen- als auch im Außenbereich, zu bestimmen. Durch die Möglichkeit der Vernetzung lässt sich damit ein Positionierungssystem für dynamische Netze mit beweglichen Knoten aufbauen. Die erwartete Positionsgenauigkeit kann mit 2 bis 5 m im Innenbereich angegeben werden. Damit lässt sich beispielsweise die Lage von Betonfertigteilen im Raum sowohl im Bauzustand als auch im fertigen Bauwerk bestimmen. • Immunität gegenüber Abschattungen aufgrund der vorhandenen Frequenzdiversität • Sicherheit: Durch das verwendete CSS-Verfahren und eine zusätzliche Verschlüsselung sind die NanoLOCSysteme immun gegenüber jeglichen Abhörversuchen von unbefugten Teilnehmern. • Reichweite bis 900 m im Freien und

60 m in Gebäuden – beliebig erweiterbar durch die Möglichkeit der Vernetzung • zuverlässige Verbindung auch unter schlechten Bedingungen • Sensorik und Datenübertragung: Die NanoLOC-Transceiver bieten die Möglichkeit, mit ihnen weitere Sensoren zu steuern und die erhaltenen Daten weiterzuleiten. In den NanoLOC-Transceiver ist ein vollwertiger Rechner integriert, der den Empfang, die Modifikation und die Weiterleitung von Daten ermöglicht. • Stromverbrauch: Aufgrund des geringen Energieverbrauchs und der Kompaktheit der NanoLOC-Module erscheint die NanoLOC-Technologie durchaus geeignet für den Aufbau eines stromsparenden Sensornetzwerks. Zudem besteht die Möglichkeit, unter bestimmten Voraussetzungen die NanoLOC-Systeme als Zero-EnergySysteme zu betreiben. Die in den Abschnitten zuvor gezeigten digitalen Prozesse sind die Grundlage für BIM-Systeme und fördern eine modellorientierte Arbeitsweise. Eine projektbegleitende 4D-Visualisierung und Kreation von Bauwerks-Informations-Modellen sowie der Echtzeitdetektion mithilfe von Sensorsystemen eröffnen transparente Zustandsbeschreibungen aller Projektund Objektphasen. Christoph Motzko

57 digitale Prozesse als zentrales Element der Kommunikation in Bauprojektorganisationen

Digitale Planungstechnologien Rechtliche Herausforderungen im Rahmen digitalisierter Planungsprozesse

Rechtliche Herausforderungen im Rahmen digitalisierter Planungsprozesse Die zunehmende Digitalisierung führt zu einer Komprimierung und Dynamisierung verschiedener Abläufe im Rahmen von Planungs- und Bauprozessen. Hierdurch entstehen einerseits Potenziale für Effektivitäts- und Qualitätssteigerungen. Andererseits wird der Architekt mit neuen technologischen, organisatorischen sowie administrativen Herausforderungen konfrontiert. Aus rechtlicher Sicht stellen sich hierbei Fragen wie: • Wer ist bei einem arbeitsteiligen Zusammenwirken wofür verantwortlich? • Sind moderne Kommunikationsmittel wie E-Mail und virtuelle Datenräume zu nachweisbaren Informations- und Dokumentationszwecken geeignet? • Innerhalb welcher Fristen und Termine muss der Planer seine Leistung erbringen? • Welche Möglichkeiten bietet das Honorarrecht, angesichts gestiegener technologischer Anforderungen an die Planung eine auskömmliche Vergütung sicherzustellen? Verantwortlichkeiten bei der Zusammenarbeit Dem Architekten kommt unter allen Planungs- und Baubeteiligten die zentrale Rolle zu. Damit korrespondiert auch ein strenger Haftungsmaßstab. Aus der besonderen Vertrauensstellung des Architekten im Verhältnis zu seinem Auftraggeber resultieren vor allem erhöhte Beratungs- und Hinweispflichten. Ein arbeitsteiliges Zusammenwirken von Architekt, Sonderfachleuten und Bauunternehmern an der Planung führt aber zu sich überlagernden Pflichtenkreisen und damit oftmals zu gesamtschuldnerischen Konstellationen. Bei einem Bauüberwachungsfehler des Architekten haf-

ten somit Architekt und Bauunternehmer als Gesamtschuldner gegenüber dem Bauherrn. Dieser kann wählen, wen er wegen des gesamten Schadens in Anspruch nimmt. Ein späterer Rückgriff (Regress) des vom Bauherrn in Anspruch genommenen Architekten bzw. seines Haftpflichtversicherers gegen den Bauunternehmer scheitert oft an dessen mangelnder Solvenz. Die Zahl der Unternehmensinsolvenzen ist im Jahr 2009 auf fast 34 000 angestiegen – ein weiterer Anstieg wird für 2010 erwartet. An und für sich ist bei der Zusammenarbeit von Architekten und Fachplanern jeder allein für seinen Leistungsbereich verantwortlich; es besteht von Haus aus keine Gesamtschuld. Anders ist es jedoch, wenn • der Fachplaner – für den Architekten erkennbar – von unzutreffenden tatsächlichen Voraussetzungen ausgeht • der Architekt Fehler in einer Fachplanung übersieht, die zum »Allgemeinwissen« eines Architekten gehören (z. B. das Erfordernis von Gleit- und Bewegungsfugen – Kammergericht, Urteil vom 13.12.2005 – 6 U 140/01) • der Architekt Widersprüche in einer Fachplanung nicht erkennt (z. B. andere Bewehrungsstärken in den Bewehrungsplänen als in der Hauptstatik – OLG Schleswig, Urteil vom 11.04.2006 – 3 U 78/03) In jedem Fall ist v. a. von Seiten des Architekten eine sorgfältige Abstimmung und intensive Überprüfung erforderlich. Er ist es, der das ordnungsgemäße Ineinandergreifen aller Fachbeiträge zu verantworten hat; Planungen Dritter darf er nicht kritiklos übernehmen. Ein besonderer Sorgfaltsmaßstab ergibt sich aus der sogenannten Sachwalterstellung des Architekten: Dies bedeutet, dass

der Architekt erster Ansprechpartner und wichtigste Vertrauensperson des Bauherrn während des gesamten Planungsund Baugeschehens ist. So hat er dem Bauherrn bei der Durchsetzung von dessen Ansprüchen gegen die anderen Bauund Planungsbeteiligten (z. B. Mängeloder Schadensersatzansprüche) behilflich zu sein. Auch muss er in der Regel seine Vertragspartner über seine eigenen Fehler aufklären (zuletzt BGH, Urteil vom 23.07.2009 – VII ZR 134 / 08). Diese besondere Vertrauensstellung mit den daraus resultierenden Sachwalterpflichten unterscheidet den Architekten von Fachplanern und Bauunternehmern. Digitalisierte Planungsprozesse mit einer Vielzahl von – scheinbar gleichrangigen – Beteiligten bergen indes die Gefahr, dass der Architekt seine Sachwalterstellung nicht auszufüllen vermag. Gerade diese führt aber zu einem strengeren Haftungsmaßstab als bei anderen Planungsbeteiligten. Um den daraus resultierenden Anforderungen, vor allem im Rahmen der Beratung des Bauherrn, gerecht zu werden, muss der Architekt seine zentrale Rolle im Planungs- und Bauprozess mit dem gebotenen Selbstbewusstsein aktiv ausfüllen. Dabei sollte ihm stets bewusst sein, dass er auch für Leistungen anderer Beteiligter (z. B. Projektsteuerer, Fachplaner) haften kann. E-Mail und virtuelle Datenräume Moderne Planungsprozesse sind ohne die Verwendung elektronischer Kommunikationsmittel wie E-Mail und ohne die Nutzung von digitalen Datenräumen nicht mehr vorstellbar. Jedoch ist die elektronische Kommunikation nicht für sämtliche im Laufe eines Projekts abzugebenden Erklärungen gegenüber dem Bauherrn oder Dritten gleichermaßen geeignet. Bei der Frage, ob eine elektronische Erklärung genauso wirksam ist wie eine 41

Digitale Planungstechnologien Rechtliche Herausforderungen im Rahmen digitalisierter Planungsprozesse

schriftliche, also auf Papier fixierte Erklärung, gilt im deutschen Recht der Grundsatz der Formfreiheit. Eine Erklärung ist vollinhaltlich wirksam, gleich ob sie schriftlich, mündlich, durch schlüssiges Verhalten (z. B. eine Handbewegung oder Geste) oder eben per E-Mail abgegeben wurde. Es gibt allerdings Ausnahmen. Für bestimmte Erklärungen ist die Schriftform vorgeschrieben, beispielsweise für den Bauantrag (§ 60 Abs. 5 der Hess. Bauordnung) oder für Honorarvereinbarungen, mit denen vom Mindestsatz abgewichen werden soll (§ 7 Abs. 6 HOAI). Bei VOB/B-Verträgen ist z. B. für Vertragskündigungen (§§ 8 Nr. 5, 9 Nr. 2 Satz 1 VOB / B) oder die förmliche Abnahme (§ 12 Nr. 4 Satz 2 VOB/B) die Schriftform vorgeschrieben. Ist dies der Fall, ist es mittels einer E-Mail nicht möglich, die beabsichtigten Rechtsfolgen herbeizuführen. Ist keine Schriftform vorgeschrieben, sind auch per E-Mail übermittelte Erklärungen wirksam, sobald sie dem Erklärungsempfänger zugehen. Entscheidend hierbei ist der Zeitpunkt, zu dem der Empfänger unter normalen Umständen die Möglichkeit hat, von der Erklärung Kenntnis zu nehmen. Diese Voraussetzung ist erfüllt, wenn die E-Mail in der Mailbox des Empfängers oder der seines Providers abrufbar gespeichert ist. Geschieht dies nach Geschäftsschluss, geht die Erklärung erst am nächsten Werktag zu. Sind E-Mails mit einer qualifizierten elektronischen Signatur nach dem Signaturgesetz versehen, gelten sie in der Regel als der Schriftform gleichwertig, da hier ein Identitätsnachweis möglich ist. Dies unterscheidet sie von »einfachen« E-Mails, bei denen der Absender nicht sicher identifiziert werden kann. Die qualifizierte elektronische Signatur erfolgt, indem ein auf einer Smart card gespeicherter privater Schlüssel unter Eingabe einer PIN über ein Zusatzgerät in den PC eingelesen 42

wird. Architektursoftwaresysteme werden bereits mit integrierter Signaturkomponente angeboten. Damit im Streitfall nachgewiesen werden kann, dass die E-Mail dem Empfänger auch tatsächlich zugegangen ist, muss der Absender den Zugang beim Empfänger beweisen. Juristisch diskutiert, aber noch ungeklärt ist, ob dem Absender eine Beweiserleichterung zukommt, wenn eine Empfangsbestätigung des Empfängers vorliegt, da auch in diesem Fall Manipulationen nicht ausgeschlossen sind. Gleiches gilt bei Fragen des Zugangs und Zugangsnachweises bei der Benutzung von internetbasierten Datenräumen. Aufgrund der mit dem Zugangsnachweis verbundenen Unwägbarkeiten müssen E-Mail und Datenräume derzeit noch auf den Austausch von Informationen beschränkte Kommunikationsmittel bleiben. Bei rechtsgeschäftlichen oder haftungsrechtlich relevanten Erklärungen ist eine nachweisbare Zustellungsform vorzugswürdig. Fristen und Termine Die Dynamik digitaler Planungsprozesse wirkt sich auch in zeitlicher Hinsicht signifikant auf die Leistungserbringung des Architekten aus. Moderne Kommunikationsmittel erzeugen die Erwartungshaltung, Informationen seien immer und überall sofort verfügbar. Demgegenüber benötigen intellektuelle Vorgänge, wie die Entwicklung einer Architektenplanung, ungeachtet aller digitalen Unterstützung nach wie vor Zeit. Zwischen der Erwartungshaltung des Bauherrn und der Leistungsfähigkeit des Architekten können sich daher Diskrepanzen ergeben. Diese bergen für den Architekten eine besondere Brisanz, da seine Berufshaftpflichtversicherung für Schäden aufgrund verzögerter Leistungserbringung nicht eintritt.

Die Frage ist, zu welchem Zeitpunkt der Architekt seine Leistung zu erbringen hat. Hierbei gilt es zwischen den Begriffen Erbringbarkeit, Fälligkeit der Leistung und Verzug mit der Leistungserbringung zu unterscheiden. • Erbringbarkeit: Zeitpunkt, ab dem der Architekt seine Leistung erbringen kann. Dabei sollte der Architekt darauf achten, dass er seinem Bauherrn Fristen zur Freigabe setzt bzw. entsprechende Fristen im Vertrag vereinbart werden. • Fälligkeit: Zeitpunkt, ab dem der Bauherr die Leistung des Architekten verlangen kann • Verzug: Ab Verzugseintritt stehen dem Bauherrn weitere Ansprüche gegen den Architekten zu (z. B. Verzugsschadensersatz) bis hin zur Kündigungsmöglichkeit. Wird keine Terminvereinbarung der Vertragspartner für die Architektenleistung getroffen, richtet sich die Fälligkeit danach, welcher Zeitaufwand nach den Umständen des Einzelfalls für die Leistung angemessen ist (OLG Düsseldorf, Urteil vom 29.11.1996 – 22 U 116/96). Für beide Seiten wird jedoch oftmals strittig sein, was »angemessen« ist. Haben die Vertragspartner für die Architektenleistung eine Terminvereinbarung getroffen, wird die Leistung des Architekten gemäß der vertraglichen Vereinbarung fällig. Zwar ergibt sich daraus ein höheres Maß an Kalkulierbarkeit, zugleich erhöht sich aber der Zeitdruck für den Architekten. Bei Nichtleistung durch den Architekten trotz Fälligkeit kommt dieser nicht zwangsläufig sofort in Verzug. Hierzu bedarf es im Regelfall einer Mahnung, die nach Eintritt der Fälligkeit erfolgt. Wichtige Ausnahmen: Verzug tritt ohne Mahnung bereits mit Fälligkeit ein, wenn für die Fälligkeit ein kalendarischer Ter-

Digitale Planungstechnologien Rechtliche Herausforderungen im Rahmen digitalisierter Planungsprozesse

min bestimmt war (Formulierungsbeispiel: »Fertigstellung Vorentwurf: 30.11.2009«). Gleiches gilt, wenn die Fälligkeit an ein hinreichend klar bestimmtes Ereignis geknüpft wird und sich der Termin von diesem Ereignis an kalendarisch berechnen lässt (Formulierungsbeispiel: »Freigabe der Werk- und Montageplanung des Bauunternehmers innerhalb von 6 Werktagen ab Eingang beim Architekten«). Folglich kann bei kalendarischer Bestimmung bzw. Bestimmbarkeit jede schuldhafte Überschreitung eines Fälligkeitstermins durch den Architekten zum Verzugseintritt und damit zu – nicht haftpflichtversicherten – Schadensersatzansprüchen des Bauherrn führen. Als Konsequenz sollte der Architekt Vorsorgemaßnahmen gegen eigene Fälligkeitsüberschreitungen und Verzug durch folgende Maßnahmen treffen: • permanente bürointerne Termin- und Fristenkontrolle • Dokumentation von Verzögerungsursachen, die von anderen Beteiligten oder vom Bauherrn selbst gesetzt wurden (insoweit liegt kein Verschulden des Architekten vor, sodass er nicht in Verzug gerät, § 286 Abs. 4 BGB) • unverzügliche Anzeige derartiger »Behinderungssachverhalte« gegenüber dem Bauherrn (möglichst Schriftform mit Zugangsnachweis) Der rechtzeitigen Erbringung seiner Leistung muss der Architekt wegen des fehlenden Versicherungsschutzes besondere Aufmerksamkeit widmen. Verursachen andere Beteiligte oder der Bauherr selbst Verzögerungen, muss der Architekt dies dem Bauherrn stets unverzüglich anzeigen. Stoppt beispielsweise ein Nachbar, der aus der Sphäre – also dem Bereich – des Bauherrn stammt, den Baubeginn, ist der Bauherr zwar nicht direkter Verursacher der Verzögerung, dennoch

ist sie ihm zuzurechnen (sogenannte Sphärentheorie). Honorarrecht Technologische Fortschritte erfordern Investitionen und verursachen laufende Kosten. Das Honorarrecht bietet Möglichkeiten, zusätzliche Kosten durch Vereinbarung einer höheren Vergütung zu kompensieren. Die Leistungsbilder – und damit auch die verbindlichen Honorare der HOAI – umfassen nur solche Leistungen, die zur ordnungsgemäßen Erfüllung eines Auftrags im Allgemeinen erforderlich sind. Honorar für sonstige Leistungen kann gesondert frei vereinbart werden (§ 3 Abs. 2 und 3 HOAI, Fassung 2009). Entstehen dem Architekten Kosten durch zusätzlichen EDV-Aufwand, stellt sich die Frage, ob es sich hierbei um Leistungen handelt, die zur ordnungsgemäßen Erfüllung eines Auftrags im Allgemeinen erforderlich sind. Ist dies nicht der Fall, können die Vertragspartner eine zusätzliche Vergütung frei vereinbaren. Wenngleich moderne Werkzeuge wie CAD oder virtuelle Datenräume heute in der Praxis zum Standard gehören, sind sie in den Leistungsbildern – z. B. für Gebäude und raumbildende Ausbauten gemäß Anlage 11 zur HOAI – noch nicht abgebildet. Dies lässt die Annahme zu, dass derartige Instrumente nach der Vorstellung des Verordnungsgebers im Allgemeinen nicht zur ordnungsgemäßen Erfüllung eines Auftrags erforderlich sind. Für den Architekten ergibt sich hieraus ein Argument für eine mögliche gesonderte freie Honorierung. Dafür spricht auch der Katalog der Besonderen Leistungen in Anlage 2 zur HOAI (z. B. Ziffer 2.6.2 für Gebäude und raumbildende Ausbauten). Danach stellt das »Anfertigen von Darstellungen durch besondere Techniken, wie zum Beispiel Perspektiven, Muster, Modelle« eine

Besondere Leistung im Rahmen der Vorplanung dar. Darunter könnten auch digital generierte 3D-Modelle fallen, die heute zwar üblich sind, aber zur ordnungsgemäßen Erfüllung eines Auftrags im Allgemeinen eben nicht erforderlich. Eine gesonderte freie Honorierung ist also auch hierfür möglich. Des Weiteren gibt es eine neue Nebenkostenregelung in § 14 Abs. 2 Nr. 1 HOAI: Hier werden ausdrücklich Kosten für Datenübertragungen erwähnt. An den Internetprovider zu zahlende Entgelte können demnach als Nebenkosten neben dem Honorar abgerechnet werden, und zwar entweder nach Einzelnachweis oder – im Falle einer schriftlichen Vereinbarung bei Auftragserteilung – als Pauschale (§ 14 Abs. 3 HOAI). Die HOAI bietet Ansätze, zusätzliche Vergütungen auf dem Vereinbarungsweg zu generieren. Für jede Leistung, die über das hinausgeht, was im Allgemeinen zur ordnungsgemäßen Erfüllung eines Auftrags erforderlich ist, können die Vertragspartner ein gesondertes Honorar neben dem Grundhonorar der HOAI vereinbaren. Der Architekt benötigt hierfür allerdings solide Kenntnisse des Honorarrechts. Axel Wirth

Anmerkungen: [1] Pflug, Christoph: Ein Bildinformationssystem zur Unterstützung der Bauprozesssteuerung, Diss., Institut für Baubetrieb, TU Darmstadt, 2008 [2] Encarnaçao, José Luís: Cybertechnologien als Werkzeuge im Bauwesen. In: IT verändert das Bauen. Stiftung Bauwesen. Stuttgart 2008 [3] Mehr, Oliver; Norrdine, Abdelmoumen: RFID und NanoLOC im Vergleich, Bericht, Institut für Baubetrieb, TU Darmstadt, 2009

43

Digitale Fertigungstechnologien

Rund 98 % der Planung, Berechnung, Optimierung, Ausschreibung und Vermarktung im Bauwesen finden auf der Basis digitaler Daten statt. Damit geht eine immer direktere Schnittstelle zwischen der computerisierten Planung und der physischen Ausführung einher. Dieses Kapitel erläutert Produktionstechnologien, die eine nahtlose digitale Ansteuerung ermöglichen. Der Leser erhält Kenntnisse und Kompetenzen, die zur strategischen Auswahl von Fertigungstechniken beitragen. Dadurch werden innovative architektonische Konzepte angeregt und wird die Kommunikation mit Fachplanern, Spezialisten und ausführenden Firmen erleichtert. Die digitalen Produktionstechnologien differenziert man in vier Prinzipien: • Generative Verfahren – auch Urformen genannt – beschreiben Technologien, in denen aus formlosem Stoff, z. B. winzigen Partikeln, ein Werkstück hergestellt wird. In die Architektur übertragen, entstehen größere Bauelemente aus kleinen Einzelteilen (z. B. 3D-Drucken). • Subtraktive Verfahren trennen den Werkstoffzusammenhang an der Bearbeitungsstelle. Dabei differenziert man zwischen zerteilenden, spanenden und abtragenden Verfahren (z. B. Fräsen). • Umformende Verfahren erhalten den Stoffzusammenhang und erzeugen Werkstücke durch eine bleibende Formänderung von Rohteilen. In der Regel lässt sich damit eine Optimierung des Ausgangszustands erzielen (z. B. Biegen). • Fügende Verfahren vermehren den Zusammenhalt durch eine langfristige Verbindung mehrerer Werkstücke (z. B. Schweißen). Dieses Verfahren wird nicht weiter erläutert, weil hier der Automatisierungsgrad in der

Architekturbranche noch nicht weit genug entwickelt ist. Das Kapitel fokussiert auf regelbasierte, veränderbare Verfahren, die eine fein abgestufte numerische Ansteuerung der Prozessschritte zulassen. Die übergreifende Logik einer regelbasierten Planung (siehe Kapitel »Digitale Planungstechnologien«, S. 24) liefert die Information und Datengrundlage für die dargestellten Verfahren. Die beschriebenen Produktionstechnologien lassen einen schnittstellenfreien Transfer der Planungsinformation an die Produktion zu. Rechnerbasierte Planungsmethoden führen zu einer Effizienzsteigerung in der Planung. Damit kann sich auch ein kleines Büro gegenüber großen Konkurrenten entscheidende Wettbewerbsvorteile verschaffen. Um dieses Ziel zu erreichen und anspruchsvolle Architektur überzeugend umzusetzen, ist das Verständnis der Fertigungstechnologie elementar. Ausgeführte oder im Prototypenstadium befindliche Beispiele illustrieren die jeweiligen Verfahren. Der Transfer in das realisierte Projekt ermöglicht es, das Potenzial der jeweiligen Technologie zu erfassen.

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numerisch gesteuerter Roboter beim Erstellen von plastisch verformten Öffnungen in einer Wand, Gramazio & Kohler, ETH Zürich

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Generative Verfahren

2

Der Begriff »generativ« leitet sich vom lateinischen Wort »generare« – erzeugen, hervorbringen – ab. Chemische und physikalische Prozesse schaffen aus formlosen Materialien, wie Flüssigkeiten, Pulvern, Gasen, Fasern oder Spänen, feste Körper mit den Materialeigenschaften des Ausgangsproduktes. Da der Werkstoff zum ersten Mal gezielt geformt wird, weisen diese Verfahren eine sehr große Flexibilität und ein hohes wirtschaftliches Potenzial auf. Zu den wichtigsten urformenden Verfahren gehören das handwerklich ausgeführte Gießen und Blasformen sowie das numerisch (von Daten) gesteuerte Sintern, Schäumen und die Extrusion. In den 1980er-Jahren wird die Stereolithografie als erstes generatives Fertigungsverfahren bis zur Markttauglichkeit entwickelt. Mittlerweile existieren ca. 50 unterschiedliche generative Verfahren mit verschiedenen physikalischen und funktionalen Prinzipien. Sie alle lassen sich während einer Produktentwicklungskette von der Ideenphase bis zur Produktion nutzen und ermöglichen die Herstellung von Werkstücken mit uneingeschränkt komplexer Geometrie und individuell gestalteten Oberflächen – auch in kleiner Stückzahl. Es müssen allerdings noch Einschränkungen in der Materialwahl in Kauf genommen werden. Für die Produktion werden dreidimensionale Geometriedaten eines CAD-Modells, das als Grundlage dient, in einzelne Ebenen zerlegt, die Schicht für Schicht die gewünschten Körper aufbauen. Ein besonderes Potenzial liegt in der Herstellung multimaterieller Bauelemente, bei der urformende Verfahren mit Nachfolgeverfahren kombiniert werden. Der Anspruch an die Verfahrensgeschwindigkeit steigt zwar permanent, das Hauptentwicklungspotenzial liegt jedoch in der Weiterentwicklung geeigneter Werkstoffe. 46

Rapid Verfahren Man fasst unterschiedliche generative Verfahren unter dem Oberbegriff »Rapid Verfahren« zusammen. Das weitläufig bekannte »Rapid Prototyping« (RP), also der schnelle Prototypenbau, ist der Sammelbegriff für generative Verfahren, die Vorstufen von Endprodukten erzeugen. Ziel ist es, auf der Basis von CAD-Daten schnell und ohne manuelle Umwege ein physisches 3D-Werkstück herzustellen. Dabei werden komplexe Geometrien auf eine große Anzahl von übereinanderliegenden 2D-Fertigungssschritten reduziert. Unter den Rapid Verfahren haben sich mittlerweile klare Einsatzgebiete und Begriffe etabliert, zu denen übergreifende Bezeichnungen wie Rapid Prototyping für den Prototypenbau oder Rapid Manufacturing für die direkte Endfertigung gehören. Darüber hinaus definieren Begriffe wie Concept Modeling für den Bau von Konzeptmodellen und Rapid Tooling für den Werkzeugbau enger gefasste Einsatzgebiete dieser Verfahren. Das für die Rapid Verfahren gängigste Dateiformat, das auch die meisten 3D-Modellierungs-Programme anbieten, ist das STL-Format. Über diese Abstraktion der Datenschnittstelle wird das Projekt anschließend an das Produktionsverfahren übergeben. Es gibt drei generative Methoden, die das Schichtbauprinzip verfolgen und den Maßstab von Bauprojekten ermöglichen: • Beton-Fertigteilbau Der CNC-gesteuerte Beton-Fertigteilbau ist auf zweidimensionale Bauteile wie Wände begrenzt, die jedoch hochintegriert hergestellt werden können. • Robotik-Schicht-Verfahren Ein Rechner zerlegt die Geometrie von Bauelementen, wie beispielsweise Mauerziegeln oder Holzbauelementen,

in die Form von Großpixeln. Die Schichtung in differenzierten Bauformen führt ein Mehrachs-Greifarm-Roboter aus. • Rapid Manufacturing im Maßstab 1:1 Das sogenannte Contour Crafting und das D-shape Verfahren transferieren das Prinzip der Rapid Verfahren zur Herstellung von Modellen oder Prototypen in den 1:1 Maßstab für das Bauwesen. Die Methoden arbeiten mit einem betonähnlichen Material, das Bauteilgeometrien schichtweise aufbaut. Tabelle T1 zeigt als vergleichende Übersicht die wichtigsten Technologien und den Stand der Technik. Für den Einsatz im Bauwesen eignen sich primär die zuvor beschriebenen Verfahren. Die meisten Verfahren befinden sich noch im Prototypenstadium für die Architektur; bedingt durch die Komplexität neuer Bauformen ist allerdings eine rasante Weiterentwicklung zu erwarten. In der Architektur werden Rapid Verfahren primär zur schnellen und kostengünstigen Fertigung von hochkomplexen, individuellen und dauerhaften Modellen, Mustern, Prototypen und Bauelementen bis zu einer Größe von maximal 1 ≈ 1 ≈ 1 m eingesetzt. Sie eignen sich ideal für eine »mass customization«, also die kunden-

2

Übersetzung einer komplexen räumlichen Skizze mittels 3D-Software in einen Datensatz und mittels 3D-Drucker in ein physisches Modell

Digitale Fertigungstechnologien Generative Verfahren/Rapid Verfahren

T1: Übersicht über die wichtigsten generativen Verfahren mit einem Vergleich der wichtigsten für den Planer relevanten Prozessparameter Technologie

CNC-BetonFertigteile

Multi Jet Modeling (MJM)

3D-Printing (3DP)

Fused Deposition Modeling (FDM)

Selektives Lasersintern (SLS)

Stereolithografie (STL)

Contour Crafting (CC) D-Shape

robotergestütztes Schichten

Baumaterial

Polymere Thermoplast AcrylnitrilButadienStyrol (ABS) Wachs

Polymere Thermoplast AcrylnitrilButadienStyrol (ABS) Wachs

Silikon Keramik Aluminium Kunststoffe Zement Beton

Polymere AcrylnitrilButadienStyrol (ABS) Wachs

Polymer Polyamid Polycarbonat Polystryrol kunsttoffummantelter Sand

Polymer Epoxidharz Vinyletherharz Acrylharz

künstlicher Sandstein

Ziegel Holz

maximale Baugröße [mm]

10 000 3000 500

298 185 203

600 500 400

600 500 600

720 500 450

1000 800 500

6000 3000 3000

3000 3000 3000

Genauigkeit

± 5 mm

± 0,5 mm

± 0,2 mm

± 0,2 mm

von ± 0,1 mm bis +± 0,02 mm

± 0,05 mm

± 20 mm

± 10 mm

Nachbearbeitungsmöglichkeit

Lasur Polieren

Sandstrahlen Polieren

Infiltration Sintern

Wärmebehandlung Epoxidharz oder Lackieren Schleifen

Infiltration mit Epoxidharz oder niederschmelzenden Metallen

Sandstrahlen Schleifen

Verputzen Schleifen Dämmen

Verputzen Schleifen

Geometrie Daten Input

.dxf .dwg

.stl .iges .step

.stl .iges .step

.stl .iges .step

.stl .iges .step

.stl .iges .step

.stl .iges .step

.stl .iges .step

Hersteller

3D Systems

3D Systems

3D Systems

Stratasys

3D Systems

3D Systems

Monolite UK

KUKA PrototypeEntwicklung ETH ZÜRICH

Zeit/mm Bauhöhe/m2

10 s

45 s

20 s

90 s

120 s

150 s

60 s

10 s

Einsatz

Bauindustrie

Automobilindustrie Porzellan industrielle Formgestaltung

Modellbau Designindustrie Architektur

Modellbau

Elektroindustrie Büromaschinen Automobilindustrie

Modelbau Elektroindustrie Medizintechnologie Schmuckindustrie

Bauindustrie Großprototypen

Bauindustrie

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Digitale Fertigungstechnologien Rapid Verfahren

3

individuelle Massenfertigung, (siehe S. 50) und eine Produktion nach Bedarf. Automobilindustrie und Medizintechniker stellen mit diesen Verfahren z.T. fertige Komponenten her. Die schnelle Herstellung lässt eine frühzeitige Überprüfung der Bauteile nicht nur in ihrer geometrischen Form und Ästhetik, sondern auch in ihrer Funktionalität zu. Dies dient einer raschen Verbesserung des Produkts oder Entwurfs. Weitere Vorteile sind: • Der Datensatz kann jederzeit und immer wieder verändert werden. • Das Material trägt sich selbst, es ist keine Stützkonstruktion notwendig. • Kostspielige Werkzeuge sind überflüssig. • Eine hohe Komplexität ist möglich. • Feinheit (Wandstärken bis zu 0,1 mm) • Präzision (Genauigkeit von 0,25 %) • Eine Nachbehandlung wie z. B. Lackierung ist möglich. • Wirtschaftlichkeit Daraus resultiert, dass nicht die Stückzahl, sondern das Material und die Arbeitszeit den Preis bestimmen. Rapid Verfahren sind vor allem dann interessant, wenn sie aufwendige Vorläufer-

prozesse wie Fräsungen oder Formenbau ersetzen können oder eine große Zahl leicht unterschiedlicher Bauteile zu erstellen ist. So kann beispielsweise ein komplexer Knoten direkt aus dem Endmaterial, wie z. B. Metall, gesintert werden, was eine sehr wirtschaftliche und materialökonomische Methode darstellt. In der Folge werden fünf Rapid Verfahren im Detail vorgestellt, die im Bauwesen für den Modellbau sinnvoll einzusetzen sind. Stereolithografie – STL In der Apparatur befindet sich ein flüssiger, lichtempfindlicher Kunststoff. Der Laser wandert über dieses Rohmaterial und härtet es punktuell aus. Nach jedem Schritt sinkt das Werkstück einige Millimeter tiefer in die Flüssigkeit. Das Endprodukt sind kunststoffähnliche Körper mit sehr feingliedriger Bauteildimension. Eine solche Maschine kann z. B. Objekte bis 300 ≈ 300 ≈ 500 mm Größe herstellen. Das Stereolithografieverfahren eignet sich für Architekten primär als Modellbaumethode. In kurzer Zeit können sie komplexe Geometrien anhand von physischen Raummodellen überprüfen. Das Verfahren erstellt 10 mm Volumengeometrie in ca. 8 Minuten.

Selektives Lasersintern – SLS In einem Becken befindet sich ein Pulver, das knapp unter Schmelztemperatur vorgeheizt wird. Entsprechend der vorgegebenen Kontur bewegt sich ein datengesteuerter Laser über das Becken. Das Pulver absorbiert punktuell die Energie des Lasers, was zu lokal begrenztem Sintern bzw. Verschmelzen der Partikel führt. Die Absenkung der Plattform um 1–3 mm bestimmt die Auflösung der Geometrie. Nach der Beschichtung der Plattform mit einer weiteren Pulverlage beginnt der Zyklus erneut, und es baut sich eine weitere Schicht auf. Als Materialien kommen Feinpolyamid (auch glasfaser- oder carbonfaserverstärkt), Elastomere sowie keramische Pulver zum Einsatz. Mit SLS können real nutzbare Objekte, wie der faltbare Hocker »ONE_SHOT.MGX«, (Abb. 7) in einem durchgängigen Prozess gefertigt werden. Sitzfläche, Füße sowie alle beweglichen Gelenke entstehen in einem Verfahren. Der Stuhl wird im geschlossenen Zustand aus weißem Polyamid gesintert und lässt sich anschließend in einer fließenden Bewegung auseinanderfalten. Das Produkt weist bedingt durch den pulverförmigen Werkstoff eine für das Verfahren typische, leicht poröse Oberfläche auf.

a b

5a

c

b

d

c d e z-Achse

4

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Digitale Fertigungstechnologien Rapid Verfahren

6

8

7

Selective Laser Melting – SLM Das Metall-Laser-Melting wurde im Jahr 2002 auf den Markt gebracht. Vergleichbar dem SLS-Verfahren wird ein Metallpulver gezielt mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen und mit seiner Unterschicht verbunden. Mit dieser Technologie lassen sich Werkzeuge, Formen und individuelle Einzelteile sowie medizinische Implantate in 100 % dichtem Stahl, Kobalt-Chrom, Gold und Titan erzeugen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung hoch beanspruchter Bauteile, wie beispielsweise in sich unterschiedlicher Tragwerksknoten. Bei der Herstellung von vielen selbstähnlichen Bauelementen ist das Verfahren der Produktion mit individuellen Gussformen ökonomisch überlegen.

den anderen beschriebenen Verfahren in Dimensionen bis zu 1 ≈ 1 ≈ 1 m realisieren.

Three-dimensional Printing – 3DP Bei diesem Verfahren wird pulverförmiges Baumaterial durch rechnergesteuerte Druckerdüsen definiert verteilt und mit einem Binder schichtweise verklebt. Das Bauteil wird auf einer Plattform hergestellt, die jeweils um eine Schichthöhe abgesenkt wird. Da das Baumaterial selbsttragend ist, ist kein Stützmaterial notwendig. Das dreidimensionale Drucken hat Einschränkungen in der Stabilität der realisierten Bauteile, lässt sich jedoch im Gegensatz zu

In allen RP-Disziplinen versucht man derzeit, die vergleichsweise hohen Kosten zu senken, um ein breiteres Nutzerspektrum anzusprechen. Für das Rapid Manufacturing wird an thermoplastischen Kunststoffen geforscht, die stabiler sind und sich mit kleineren Toleranzen auftragen lassen.

eingesetzt. FDM hat den Vorteil, dass Betreuungsaufwand und Platzbedarf geringer sind als beim Lasersintern, da keine Nachhärteanlage nötig ist. Die Maschinenkosten sind beim FDM günstiger gegenüber dem Lasersintern. Die Materialeigenschaften beim FDM werden laufend verbessert und nähern sich denen des Lasersinterns an.

Fused-Deposition-Modeling – FDM FDM ist ebenfalls ein Schichtungsverfahren. Eine beheizte Extrudierdüse trägt ein thermoplastisches Kunststoffmaterial entlang der Bauteilgeometrie auf einer Bauplattform auf, die in Schichten abgesenkt wird. Der heiße Werkstoff aus der Extrudierdüse verbindet sich mit dem darunterliegenden, bereits vorgefestigten Gefüge. Da das Baumaterial langsam aushärtet, ist für den Bauvorgang ein Stützmaterial notwendig. Dieses hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Baumaterial und wird nach Abschluss des Drucks herausgeschmolzen.

3 4

5

6

7

Im Dienstleistungsbereich ist Lasersintern zurzeit etwas schneller und billiger als FDM und 3DP und wird für die Serienproduktion am Ende der Entwurfskette

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9

lasergesintertes Modell, Centre Pompidou Metz (F) 2010; Shigeru Ban, Jean de Gastines Bauprinzip einer Stereolithografiemaschine mit Flüssigkeitsbad und Laserumlenkung a Laser b Schieber c Flüssigkeitsbad d Bauobjekt e Arbeitsplattform Prozesszyklus eines Stereolithografieverfahrens a Eine Geometrie in horizontale 2D-Querschnitte von 0,1 – 0,2 mm Höhe zerlegt b Belichtung des Pulvers mittels computergesteuertem Laserstrahl c Absenkung der Bauplattform um die Höhe einer Pulverschicht d Neu-Beschickung mit Pulver Schichtdicke: ca. 0,1 mm Leuchte, deren parametrisch skalierbare »Blätter« im Rapid Manufacturing-Verfahren hergestellt werden faltbarer Hocker, ONE_SHOT.MGX (h = 650 mm,  110 mm (gefaltet), h = 400 mm,  320 mm (entfaltet) von Patrick Jouin Tragetasche mit beweglichen Maschen; Rapid Verfahren erlauben den Bau von dynamischen Strukturen. Tragetasche, Zoom auf die bewegliche Maschenstruktur

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Digitale Fertigungstechnologien CNC Betonfertigteile

5,50 m

max. 1

max. 3,0

m

m

0c

x. 3

ma max. 8 cm ma

x.

8c

m

a

b

c

d

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CNC-Betonfertigteile Herkömmliche Betonfertigteile werden von Hand geschalt; Sonderformen, Aussparungen oder Einlegeteile lassen sich daher nur mit großem manuellen Aufwand erstellen. Diesen Vorgang übernimmt beim hier vorgestellten Verfahren ein Schalungsroboter mit CNC-Ansteuerung. Rahmenelemente werden mittels CAD-Daten auf horizontalen Schalungstischen positioniert und mit Magneten fixiert. Anschließend legt der Roboter die vorgefertigte Armierung ein und befüllt die vordefinierten Flächen mit Beton. Individuell gegliederte Wände lassen sich schnell und ökonomisch produzieren. Die Effizienz bei der computergestützten Fertigung kann so um den Faktor 3,7 höher sein als bei der Herstellung von manuell hergestellten Fertigteilen. In 8 Stunden entstehen mit dieser Methode ca. 50 Produktionspaletten – das entspricht ca. 110 Wänden. Bedingt durch die Schalungstische und die Platzhalter ist das Verfahren auf zwei Dimensionen begrenzt. Die maximale Bauteilgröße unterliegt dem Limit für übliche Transportgrößen (12 ≈ 3 ≈ 0,5 m), primär in der Bauteilhöhe. Das Potenzial der Methode liegt in der Möglichkeit,

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parametrische Strukturen effizient zu produzieren. Damit findet der Gedanke der »mass customization« in den Massivbau Eingang. Feine Varianzen sind auch im Fertigteilbau ohne Mehrkosten realisierbar. Das robotergesteuerte Verfahren erlaubt es zudem, die Bauteile hochintegriert vorzufertigen. Es ist möglich, Zusatzfunktionalitäten wie Dämmschichten, Haustechnik oder spezifische statische Anforderungen in den Produktionsprozess einzubinden. Damit lässt sich der Montageaufwand auf der Baustelle deutlich reduzieren. Der direkte Einbau von weiterführenden Gewerken, wie Fenster oder Innenausbauschichten, kann den Grad der Vorfertigung zusätzlich steigern. Zukünftiges Entwicklungspotenzial liegt in der Möglichkeit, mehrsinnig gekrümmte Bauteile zu schalen und zu fertigen, dank neuer faserarmierter und lastfallangepasster Betonmischungen auf die Einlage von Bewehrung zu verzichten und die Fertigung somit weiter zu optimieren.

Bauwesens. Eine der klassischen Techniken in der Bauindustrie ist das Schichten von Mauerwerkssteinen. Seit den 1980er-Jahren gab es zahlreiche Versuche, diesen Prozess zu automatisieren, die sich jedoch aufgrund der Anfälligkeit der eingesetzten Maschinen nicht durchsetzen konnten. Hinter der Forschung an der ETH steht nicht nur der Wunsch nach Effizienzsteigerung, sondern auch nach einer höheren Leistungsfähigkeit und einer neuen ästhetischen Erscheinung des Baumaterials. Das Forschungsprojekt nutzt einen 6-Achs-Industrieroboter, der Mauerwerkswände vorfertigt. Ein Dünnschicht-Kleber verbindet die Mauerwerksschichten und nimmt Schubkräfte während des Transports der vorgefertigten Bauelemente auf. Um die Gestaltung der Wände zu entwickeln, wird handelsübliche 3D-Modellier-Software genutzt. Der Transfer an den Bauroboter erfolgt durch ein individuell entwickeltes Programm. In einem prototypischen Bauprojekt entstand eine ca. 200 m lange Wand für den Schweizer Biennalepavillon in Venedig (Abb. 14). Der mögliche Vorteil der roboterisierten Mauerwerksherstellung gegenüber manueller Arbeit

Robotergestützte Einzelteilfügung Die D-Fab Forschungsgruppe an der ETH Zürich forscht seit 2003 an der Entwicklung additiver Verfahren im Maßstab des

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Digitale Fertigungstechnologien Robotergestützte Einzelteilfügung

ma x. 3 ,0 m

e

f

50

15,

m

85˚

g

liegt in der Fähigkeit des Roboters, jeden Stein ohne einen zusätzlichen Mess- oder Schalungsaufwand unterschiedlich zu positionieren. Um diesen Vorteil nutzen zu können, muss der Architekt über eine Software verfügen, die die räumliche Disposition der Mauerwerkswand definiert. Man verfolgt zwei Zielrichtungen, um die Positionierung der Mauersteine zu kontrollieren. Bei der ersten Methode wird die räumliche Konfiguration auf die Wand projiziert, und jeder Stein wird um seine zentrale Achse rotiert; daraus entstehen logarithmische Muster. Die zweite Methode verfolgt einen intuitiveren Ansatz: Der Architekt erzeugt und verformt Oberflächen unter Berücksichtigung spezifischer struktureller Parameter, wie minimale Steinüberlappung und maximaler Überhang, in einer 3D-ModellierSoftware. Anschließend projiziert ein Programm Mauerwerkssteine auf die Geometrie dieser Oberflächen. Die Planungsdaten werden direkt genutzt, um die Kontrolldaten für den Roboter zu generieren. Es ist kein zusätzlicher Programmieraufwand notwendig – ein ökonomisch relevanter Faktor, da häufig der Planungsaufwand mit der Anzahl der Einzelteile überproportional ansteigt.

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x. ma

Die Fabrikation basiert auf der Nutzung eines kommerziell verfügbaren Gelenkarmroboters mit einer Reichweite von 3 ≈ 3 ≈ 8 m, der 110 kg heben kann. Als Mörtel dient ein Epoxidharz, das erheblich höhere Festigkeitswerte als herkömmlicher Mörtel erreicht. Damit wird eine Zusatzarmierung zwischen den Mauerwerkslagen überflüssig, die nur aufwendig in den Bauprozess zu integrieren wäre. Die in Abb. 13 dargestellte Fertigungseinheit benötigt ca. 30 Sekunden für das Setzen eines Ziegelsteins und kostet in ihrer Standardkonfiguration ca. 150 000 Euro.

h

10 Ablauf der CNC-Fertigteilherstellung a horizontale Stahltische mit Stahl-Konturschalung b variable Stahl-Rahmenteile c CNC-gesteuerte Positionierung d Fixierung mittels Magneten e Einbringen von Beton und Verdichtung durch Tischrüttlung f Aushärtzeit ca. 6 Stunden, Entnahme aus der Schalung g Vertikalstellung durch Kipptisch h Transport und Montage 11 Präparation des Schalungstisches mit der robotergesteuerten Positionierung von Schalungselementen 12 automatisiertes, durch die Programmierung gesteuertes Einbringen des Betons 13 D-Fab-Roboter im Produktionsprozess mit Verfahreinheit, die den Arbeitsraum vergrößert 14 roboterbasiert hergestellte Mauerwerkswand auf der Biennale in Venedig (I) 2008, Gramazio & Kohler

Das Verfahren setzte man bei der Realisation der 400 m2 großen Fassade des Weingutes Gantenbein in Graubünden ein. Die Fassade schützt den Innenraum vor direkter Sonneneinstrahlung. Sie setzt sich aus 72 Segmenten zusammen, die vorgefertigt auf die Baustelle transportiert wurden. Der Preis der vorfabrizierten Mauerwerkselemente, die von Hand nur mit beträchtlichem Aufwand erstellt werden könnten, beträgt ca. 110 €/m2. Das Ideal der Zukunft ist ein Fabrikationsroboter, der die Montage direkt auf der Baustelle in situ vornimmt.

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Digitale Fertigungstechnologien 3D-Drucken im Großformat

Anlagengröße Höhe max. Druckgröße Zahl der Düsen Düsen-Eingriffszeit Kontrolleinheit Stromversorgung Korngrößenmetrik Produktivität Bedienpersonal Pixeldimension min. Schichtdicke max. Schichtdicke Gewicht (exkl. Nachfüllmechanismus) Gewicht (inkl. Nachfüllmechanismus)

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3D-Drucken im Großformat Für das Bauwesen ist eine Skalierung der hergestellten Produkte interessant. In England (D-Shape) und den USA (Contour Crafting) wird an zwei 3D-Druck-Verfahren geforscht, die es ermöglichen, bis zu 6000 ≈ 6000 ≈ 6000 mm große Bauten/Bauteile herzustellen; darin könnte die Zukunft des schalungslosen Freiformbauens liegen. Das D-Shape-Verfahren, entwickelt vom Ingenieur Enrico Dini, überträgt die Prinzipien des 3D-Printings für das Bauwesen in den Maßstab 1:1. Es basiert auf 2 –10 mm dicken Schichten aus Sandstein-Partikeln, die von einem anorganischen Binder vernetzt werden. Der Planungsprozess entspricht dem üblicher 3D-Planung. Die Geometriedaten eines Entwurfs werden in einer Finite-Element-Software strukturell überprüft, ggf. optimiert und anschließend in STL-Daten überführt. Dieser Datensatz wird dem Rechner übertragen, der den D-Shape-Druckkopf kontrolliert. Anschließend beginnt der Herstellungsvorgang, vergleichbar dem Druckvorgang bei einem klassischen Tintenstrahldrucker. Das System verteilt wechselweise Sandsteinpartikel und Bindemittel an definierten Punkten. Der Produktionsvorgang erfolgt in einem kontinuierlichen Ablauf, der alle Bauteile ohne eine Hilfskonstruktion sofort erstellt. Die Konstruktion wächst in 5 –10 mm großen Schritten in die Höhe; jede Schicht ist in sich tragfähig für die folgende. Die Aushärtung der Gesamtstruktur nimmt ca. 24 Stunden in Anspruch. Zurzeit befindet sich die Technologie im fortgeschrittenen Prototypenstatus, denn es gibt noch erhebliche Verbesserungspotenziale in der Effizienz und Geschwindigkeit. Die Maschine besteht aus einem 6 ≈ 7,5 ≈ 7,5 m großen Aluminiumgerüst, 52

7,5 ≈ 7,5 m 3 / 6 / 9 /12 /18 m 6≈6m 300 auf 20 mm zw. Achsen 10 –15 ms PC-PLC Siemens mit Profibus 380 V – 220 V – 50Hz 0,1 – 60 mm 30 cm mit zwei Rotationen 2 5 mm 5 mm ± 0,5 mm 60 mm 1300 kg 5000 kg

das den Bauraum definiert. Die Struktur ist sehr leicht und lässt sich daher einfach transportieren und in wenigen Stunden errichten. Mit der heutigen Technik können Gebäude bzw. Bauelemente bis zu einer Grundfläche von 6 ≈ 6 m ohne händische Zwischenschritte hergestellt werden. Die Bauhöhe ist theoretisch unbegrenzt und primär durch die Eigentragfähigkeit des Baumaterials limitiert. An den Ecken der Konstruktion heben elektro-pneumatische Pressen die Apparatur mit einer Präzision von 0,1 mm in die Höhe. In der Horizontalebene führt ein Rechner den Druckkopf mit 300 Düsen entlang einer Brücke und legt Partikel entsprechend des CNC-definierten Pfades ab. Der Vorschub variiert zwischen 0 und 500 mm/s. Die wichtigste Innovation des Verfahrens liegt in der Entwicklung eines passenden Materialsystems für den großformatigen 3D-Druck. Das D-Shape-Verfahren operiert mit einer »strukturellen Tinte«, einem chemisch veredelten Sandsteinstaub mit niedriger Viskosität und hoher Oberflächenspannung, der eine außerordentlich hohe Vernetzungsfähigkeit hat. Damit wird eine schnelle Taktungsrate der Düsen möglich. Es ist ein Zweikomponentensystem, das aus einem Feststoff und einem flüssigen anorganischen Binder besteht. Der Feststoff wird über einen Schieber schichtweise verteilt, während eine wartungsarme Düse den flüssigen Teil zuführt. Dieses Bindemittel wird zwischen dem gekörnten Material verteilt und bildet dank seiner extrem feinen Korngröße eine homogene Masse. Das körnige Material, zum Beispiel Sandstein, hat eine Korngrößenverteilung zwischen

15 D-Shape-Konfiguration im Großversuch und Maschinenparameter der D-Shape-Anlage

Digitale Fertigungstechnologien 3D-Drucken im Großformat

Reservoir Werkstoff 3dimensional verfahrbares Portal

Extrudierdüse

Kellen halbflüssiger Werkstoff Kunststoffe / Zement / Beton

Bauteil 16

19

17

18

0,01 und 65 mm und ist aktiv an der katalytischen Reaktion beteiligt. Es ist ein mineralisches Material, das dank seiner mikrokristallinen Struktur einen hohen Härtegrad und eine hohe Zugfestigkeit hat. Die katalytische Reaktion geschieht sehr schnell, sodass das Konglomerat in kurzer Zeit aushärtet und eine Zugfestigkeit entwickelt, die nahe der finalen Zugfestigkeit liegt. Im Prozess kann eine Faserarmierung (z. B. Glasfaser, Carbonfaser oder Nylonfaser) zugeführt werden. Das erhöht die Zugfestigkeit und die Steifigkeit des Materialsystems. Der Prozess versetzt Sand, Staub oder Schotter zurück in seine ursprüngliche Steinform; der entstehende Kunststein ist Marmor sehr ähnlich. Die Radiolaria-Struktur dient als prototypisches Referenzobjekt. Die drei Meter hohe, monolithische Sandsteinstruktur wurde in zwei Wochen hergestellt; das eingesetzte Material hat ca. 70 € für Sand und Bindemittel gekostet (Abb. 19 und 20).

Das Extrusionsverfahren hat Behrokh Khoshnevis an der University of Southern California in Los Angeles entwickelt. Dort wird ebenfalls an spezifischen Werkstoffen, wie schnell härtendem Beton, für das Verfahren geforscht. Der Contour Crafter nutzt eine digitale Geometriedefinition, die wie im D-Shape-Verfahren in horizontale Schichten aufgegliedert ist. In der Produktion benötigt das CC einen konstanten Zufluss von halbflüssigen Baumaterialien wie Kunststoff, Zement oder Beton, die schnell aushärten, um dem Eigengewichtsdruck der folgenden Schichten standhalten zu können. Die computergesteuerte Spritzdüse des Contour Crafters legt dünne Spuren des Baumaterials auf den Untergrund, die zwei seitlich fixierte Kellen in ihre endgültige Form bringen. Um strukturell tragfähige Wände zu errichten, kann der CC-Roboter zunächst hohle Wände konstruieren, die er dann in einem zweiten Schritt mit Beton auffüllt; es wird gleichsam eine verlorene Schalung erstellt.

Contour Crafting – CC In den USA wird an einem vergleichbaren Verfahren gearbeitet – dem Contour Crafting.

Die Vision der großformatigen 3D-Druckverfahren ist es, anspruchsvolle Geometrien direkt am Bauplatz unter Verzicht auf aufwendige Schalungsstrukturen herzu-

Untergrund / Boden

stellen, und zwar innerhalb eines Tages und ohne den Einsatz menschlicher Handarbeit. Es besteht ein noch großes Verbesserungspotenzial bei diesem Verfahren. Für die Zukunft lässt sich prognostizieren, dass es auf den Einsatz von anorganischen, ökologischen und günstigen Bindemitteln ankommt.

16 D-Shape Produktionsvorgang, dessen erste Druckschicht auf dem Arbeitstisch aufgebracht wurde 17 Ende des Produktionsvorgangs nach Aufbringen von 400 Schichten in einer Arbeitszeit von 18 Stunden 18 Schichtungsprinzip des D-Shape-Verfahrens 19 3D-Modell der Struktur 20 fertige Struktur, die von Restpartikeln befreit ist

20

53

Subtraktive Verfahren

Materialtrennende oder subtraktive Verfahren dienen zur örtlichen Aufhebung eines Materialzusammenhalts. Dabei werden Partikel vom Werkstoff getrennt, sodass sich das Ausgangsvolumen des Bauteils verringert.

Schnittkante. Damit lassen sich kraftschlüssige Verbindungen durch direkten, passgenauen Zuschnitt erzeugen. Ein roboterarmgeführter Strahlschneidekopf kann auch dreidimensionale Werkstücke bearbeiten, beispielsweise Rohre.

Bei den wichtigsten Verfahren differenziert man zwischen der schneidenden und der zerspanenden Bearbeitung. Besonderes Augenmerk liegt auf Verfahren, die sich über CNC-Daten ansteuern lassen und somit eine direkte Schnittstelle zwischen digitaler Planung und Ausführung ermöglichen.

Das Plasma- oder Autogenschneiden nutzt ein thermisch hochaufgeheiztes, elektrisch leitfähiges Argon-Gas. Eine Düse fokussiert das Gas auf eine hohe Energiedichte und lenkt das Plasma mit mehr als 350 km/h in Richtung Werkstück. Der Plasmabogen erzeugt Temperaturen von bis zu 30 000 °C, die in Verbindung mit der hohen kinetischen Energie eine sehr hohe Schneidgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Materialdicke erzeugen. Die Werkstoffe müssen zwingend elektrisch leitfähig sein.

Schneiden wird zum Trennen flacher und in der Materialdicke wenig variierender Werkstoffprofile eingesetzt. Es wird unterschieden zwischen Scherschneiden, Strahlschneiden und Thermoschneiden. Beim Scherschneiden, auch als Nibbeln bekannt, wird ein Schneidkopf CAMgesteuert über das Werkstück geführt. Der gleichbleibende Schneidkopf führt an numerisch bestimmten Positionen eine Auf- und Abbewegung aus, die das Material (Blech bis maximal 10 mm Stärke) teilt. Das Scherschneiden ist ein reines 2D-Verfahren, da der Scherkopf eine Dimension hat, die bei der 3D-Bearbeitung hinderlich wäre. Beim Strahlschneiden wird im Gegensatz zum konventionellen Scherschneiden keine Schneidkante zur Abtrennung von Materialteilen benutzt, sondern ein Strahl. Dieser entsteht entweder durch Bündelung von Energie (Laserstrahlschneiden) oder eines Mediums wie Gas (Brennschneiden, Plasmaschneiden) oder von Wasser (Wasserstrahlschneiden). Strahlschneidtechniken weisen daher eine hohe Flexibilität in Bezug auf die zu schneidenden Materialien und Schneidbedingungen auf. Von Vorteil ist ein sehr geringer Materialverlust entlang der 54

Bei der zerspanenden Bearbeitung, allgemein Fräsen genannt, versetzt ein Motor das Werkzeug in eine Drehbewegung und führt es über das Werkstück. Fräsmaschinen eignen sich rein zweidimensional, als Zuschnittwerkzeug. 3-Achs-, 5-Achs- und 7-Achs-Maschinen bieten jedoch die Möglichkeit, Werkstücke mit hochkomplexen Geometrien zu fertigen. Dadurch ergibt sich für die Bearbeitung sowohl von Platten als auch von Vollmaterialien eine hohe Einsatzflexibilität. Die Maschinen können mit unterschiedlich großen Fräsköpfen bestückt werden, die je nach Anwendung ein entsprechendes Zerspanvolumen haben. Von den Fräsköpfen hängt ebenfalls die Bandbreite des zu bearbeitenden Materials ab. Die Technologie findet primär bei der Bearbeitung von Holz- und Kunststoffmaterialien Anwendung. Doch auch mineralische und metallische Werkstoffe lassen sich mit hochwertigen Fräsköpfen bearbeiten. Großmaßstäbliches Heißdrahtschneiden ist ein Exot unter den subtraktiven Verfah-

ren, der für den Schalungsbau und die Herstellung leichter, volumenhaltiger Bauteile sehr gut geeignet ist. Bei diesem Verfahren wird eine vollumfängliche CNCAnsteuerung eingesetzt. Der Heißdraht bleibt linear, allerdings lassen sich durch eine kontinuierlich veränderbare Führungsposition und ein rotierbares Werkstück hochgradig spezifische Geometrien herstellen. Als Werkstoff kommen aufgeschäumte Materialien wie Styropor oder Styrodur zum Einsatz. Übergreifend bieten subtraktive Verfahren ein großes Potenzial für die Umsetzung individualisierter Bauformen in der Architektur. Bei der Wahl der Methode stellt sich jedoch stets die Frage nach der Materialökonomie. So erscheint es nicht sinnvoll, aus einem Block Vollmaterial ein spezifisches Einzelstück zu fräsen, wenn sich dadurch nicht ein entscheidender Mehrwert ergibt. Tabelle T2 gibt einen vergleichenden Überblick über die wichtigsten Technologien mit den für das Bauwesen entscheidenden Parametern und dem Stand der Technik.

Digitale Fertigungstechnologien Subtraktive Verfahren

T 2: Übersicht über die wichtigsten subtraktiven Verfahren mit einem Vergleich der wichtigsten für den Planer relevanten Prozessparameter. Vor Auftragsvergabe wird stets ein Vergleich der Wirtschaftlichkeit und ggf. notwendigen Nachbearbeitung empfohlen. Die Herstellung von Bearbeitungsmustern bietet sich an. CNC-Stanzen TruPunch 5000

Lasern

Wasserstrahl (rein)

Wasserstrahl (abrasiv)

Nibbeln TruMatic 5000

Plasmaschneiden MicroStep

Fräsen 2-Achs Bima 310

Fräsen 5-Achs HERMLE C50U dynamic

robotisches Lasern (Multiachs) ABB IRB 6650S

Material

Bleche aus Stahl, Edelstahl, Messing, Aluminium und Kupfer

fast alle Materialien

Gummi, Kunststoff, Folie, Textilien, Sperrholz, Schaumstoff, Papier, Lebensmittel

Beton, härtere Metalle, Glas, Keramik, auch: mehrlagige und Kombimaterialien

Bleche aus Stahl, Edelstahl, Messing, Aluminium und Kupfer

leitfähige metallische Werkstoffe

Holz, (Aluminium), Schaumstoff, Karton

alle gängigen Materialarten, inkl. weicher Kunststoffe

alle gängigen Materialien

Materialstärke

bis 8 mm

400 mm (Rohrdurchmesser)

bis 350 mm

bis 350 mm

bis 8 mm

3000 mm

bis ca 250 mm (mit 100 mm Bohrer)

Ø 700 mm bis Ø 1150 mm

laserabhängig

Bauteilgröße

2550 ≈ 1280 mm 3070 ≈ 1660 mm

4000 ≈ 3000 mm 6000 ≈ 2000 mm 16 ≈ 2.5m

3000 ≈ 4500 mm

2000 ≈ 1000 mm 4000 ≈ 3000 mm

2500 ≈ 1250 mm 3000 ≈ 1650 mm

30 000 ≈ 8000 mm

1450 ≈ 3900mm 1630 ≈ 5000mm

Ø 700 mm bis

fast beliebig, Arm: 3,9 m

Geschwindigkeit (materialabhängig)

1400 Hübe/ min

300 m/min

35 m/min

35 m/min

1200 – 2800 Hübe/min

6 m/min

ca. 10 m/min

bis 40 m/min

laserabhängig

Präzision

± 0,1 mm

0,05 mm

0,025 mm

0,025

0,03 – 0,1 mm

0,2 – 0,5 mm/ materialart-/ formabhängig

0,1 – 0,2 mm

sehr genau, im μ-Bereich

laserabhängig

Schnittqualität

2

/3 der Länge ist Bruchkante

sehr gut, kann schwarze Spuren hinterlassen

rau bis sehr gut

rau bis sehr gut

2

/3 der Länge ist Bruchkante

keine durchgehend glatte Schnittfläche / Rautiefe / verwaschen

geriffelt bis glatt

sehr gut

laserabhängig

Verschnitt durch Werkzeug

0 bis 3 mm

0,1 – 0,5 mm

0,1 – 0,25 mm

1 mm

0 bis 5 mm

0,8 –1,5 mm

1 mm, abhängig vom Fräskopf

wenig, Werkzeugabhängig bis in den μ- Bereich

laserabhängig

Nachbearbeitung nötig

ja, Kanten schleifen

materialabhängig

materialabhängig

materialabhängig

ja, Kanten schleifen

ja, schleifen

schleifen

nicht nötig

laserabhängig

Parametrierbarkeit

nein

ja

ja

ja

nein

ja

ja

ja

ja

Geometrieoptionen

2D

2D (3D)

2D

2D

2D

2D (3D)

2D (3D)

5 Achs 3D

Multiachs (6) 3D

Gesamtenergieverbrauch

25 – 50 kW

100 kW

37 kW pumpenabhängig

37 kW pumpenabhängig

25 – 50 kW

ca. 80 A

18 kW

39 – 60 kW

laserabhängig

Ansteuerungsdaten

z. B. dxf

z. B. dxf

2D-Konstruktionsdaten, z. B. dxf

2D-Konstruktionsdaten, z. B. dxf

z. B. dxf

z. B. dxf

dxf, dwg, IGES, STEP

IGES, SEP

laserabhängig

Zwischensoftware

TrueTops

TrueTops Laser

nein, plug & play

nein, plug & play

ToPs 300

AsperWin

Imawop

z. B. ITNC 530

MechanicalCut/laserabhängig

Ø 1150 mm Großfräse bis 15 ≈ 60 m

55

Digitale Fertigungstechnologien CNC-Laserschneiden

21 SXM-Pavillon, ETH Zürich (CH) 2001, aus 974 in sich unterschiedlichen 1,5 mm starken Edelstahlblechelementen; die Bauteile wurden geschnitten und erhalten durch die Abkantung die notwendige Eigensteifigkeit. 22 Lasergeschnittene Großbauteile zeigen, dass die Technologie keiner Beschränkung unterliegt. 23 Schnittkantenqualität; auf eine Nachbearbeitung kann meist verzichtet werden. 24 Spezielle Laserroboter ermöglichen den Zu21 schnitt von 3D-Bauteilen wie Röhren.

Als Schneidewerkzeug wird das Verfahren erstmals in den 1970er-Jahren eingesetzt. Seit Mitte der 1980er-Jahre baut man autonome Laseraggregate und Schneideanlagen, deren Leistung und Schnittgeschwindigkeit sich konstant steigern. Laserschneiden eignet sich für Bauteile, deren Schnittformen (Abb. 22) kompliziert sind oder deren Form innerhalb einer Serie variiert. In Kombination mit einer CNC-gesteuerten Maschinenprogrammierung eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten in der Entwicklung von Bauteilen. Am Computer entworfene, simulierte und berechnete Formen lassen sich schnell und effizient in reale

23

22

56

turen. Dadurch ist der Schneidbrenner wiederum dem Schmelzschneider wirtschaftlich überlegen, denn er schafft es, gleich dicke Bleche mit deutlich weniger Energieaufwand zu schneiden.

Konstruktionen umsetzen. Freie Formen sind leicht realisierbar, da beim CNC-Laserschneiden die Modularisierbarkeit und damit Reproduzierbarkeit der einzelnen Elemente keine Rolle spielt. Die Bearbeitungsgröße für Werkstücke ist durch die Maschinengröße limitiert; es kommen bereits großformatige Portallaser (bis zu 10 ≈ 50 m) im Schiffsbau zum Einsatz. Für die industrielle Bearbeitung werden Kohlenstofflaser und Neodymlaser (ND:YAG) eingesetzt. Eine beispielhafte Maschine mit einer Leistung von 6000 W ist in der Lage, in einem Arbeitsbereich von 6 ≈ 2 m Baustahl (bis 25 mm), Aluminium (bis 15 mm), Edelstahl (bis 20 mm), Zink (bis 20 mm) und Kupferblech (bis 20 mm) zu schneiden. Die Steuerung des Geräts erfolgt in x- und y-Achse und gleicht eventuelle Unebenheiten im Blech durch eine automatische z-Achsjustierung aus. Der beschriebene Laser ist ein CO2-Schmelzschneider. Der Vorteil gegenüber dem Schneidbrennen (Zusatzgas Sauerstoff) besteht darin, dass das Metall nicht oxidiert und somit glatte, unverfärbte Schnittkanten erzeugt werden. Durch die Zufuhr von Sauerstoff während einer Verbrennung entstehen wesentlich höhere Tempera-

CNC-Laserschneiden Das Schneiden mit einem hochenergetischen Lichtstrahl (Laser) zählt zu den thermischen Trennverfahren. Der Strahl wird in einem Lasermedium durch Energiezufuhr erzeugt und dann kontrolliert entnommen. Der zu schneidende Werkstoff absorbiert die im Laser enthaltene Energie und erwärmt sich dadurch in kürzester Zeit sehr stark. Anschließend bläst ein sogenanntes Prozessgas das geschmolzene Material aus dem Schnittspalt nach unten.

Die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit liegt heute bei ca. 40 m/min, wodurch sich eine hohe wirtschaftliche Effizienz erreichen lässt. Ist der Laser perfekt eingestellt, müssen die Schnittkanten (Abb. 23) nicht nachbearbeitet werden. Das Verfahren ist praktisch abnutzungsfrei und der Energieverbrauch zwar relativ hoch, jedoch vergleichbar mit mechanischen Bearbeitungsmethoden für identische Bauteile. Mit einer besonderen Führung des Laserkopfes lassen sich auch Röhren (Abb. 24) bearbeiten. Dabei ist es notwendig, dass der Laserstrahl permanent den gleichen Abstand zum Werkstück hat. CNC-Modellbaulaser Die Lasertechnologie eignet sich sehr gut für den Architekturmodellbau. Dxfbzw. dwg-Daten definieren, gleich einem Tintenstrahldrucker, die Pfade des Laserstrahls mittels Vektoren. 2D-Zeichnungen werden für die Erstellung von Modellbauelementen aus flächigen

24

Digitale Fertigungstechnologien CNC-Laserschneiden

b

a bis 600 mm

c

m

0m

d

0 s3

Schnittrichtung

bis 156 mm

bi

e h f

Düsenabstand 1– 5 mm g

25

26

T3: Vergleichstabelle von Modellbaumaterialien; natürliche Materialien eignen sich am besten für die Verarbeitung mit dem Laser Stärke

Geschw./ min

Umläufe

Eignung

Schneiden/ Gravieren

1,0 mm

3,8 m/min

1

+

ja/ja

1,5 mm

1,5 m/min

1

+

ja/ja

0,5 mm

6,0 m/min

1

+

ja/ja

3,0 mm

1,2 m/min

1

+

ja/ja

0,6 mm

4,2 m/min

1

+

ja/ja

3,0 mm

1,5 m/min

2

+

ja/ja

1,0 mm

2,3 m/min

1

+

ja/ja

1,0 mm

3,0 m/min

1

+

ja/ja

Braunpappe

Finnpappe

Graupappe Schwarzpappe Linde 6,0 mm

2,0 m/min

3

+

ja/ja

0,5 mm

2,5 m/min

1

+

ja/ja

2,0 mm

1,7 m/min

2

+

ja/ja

1,0 mm

2,0 m/min

1

+

ja/ja

6,0 mm

1,0 m/min

3

+

ja/ja

0,3 mm

5,5 m/min

1

+

ja/ja

2,0 mm

4,0 m/min

4

+

ja/ja

0,5 mm

5,0 m/min

1

+

ja/ja

8,0 mm

1,0 m/min

5

+

nein/nein

Glas

–

nein/ja

Stoff

+

ja/ja

Vollholz Flugsperrholz

MDF/HDF

Resopal (gut zu bearbeiten) Kunststoffe Polystyrol

Acrylglas

27

28

Schnittfuge 0,1–0,5 mm

Materialien eingesetzt. Die Produktion läuft analog zu der von großformatigen Laserzuschnitten ab. Während der Bearbeitung lässt sich das Werkstück entweder mit Unterdruck auf dem Hubtisch befestigen oder alternativ mit kleinen Magneten arretieren. Der Laser kann das Material entweder schneiden oder gravieren und dabei fast alle Festkörpermaterialien bearbeiten. Die Gravur kann als Codierung oder Positionsmarkierung für den späteren Zusammenbau dienen. Gleichen die Abmessung und Materialstärke des Modells maßstabsgetreu denen des Originals, ist eine statische Überprüfung des Systems möglich. Der Planer kann sowohl das Gesamtsystem beurteilen als auch die einzelnen Bauteile im Detail. Der Wechsel zwischen Rechner und Modell optimiert das Konstruktionsprinzip Schritt für Schritt. Aufgrund der präzisen Fertigung ist die Fügung der Modellbauelemente mit kleinteiligen Steckverbindungen möglich. Der CNC-gesteuerte Modellbau ist eine effiziente Methode, die häufig vollständig in den virtuellen Raum verlagerte Planung mit physischen Objekten zu untermauern.

25 professioneller Laser mit Arbeitsraumdimension von 1000 ≈ 600 mm 26 Aufbau eines Laserschneidkopfes a Schneiddüse b Laserstrahl (gebündeltes Licht) c Linse d Prozessgas e fokussierter Laserstrahl f Schneidestrahl g ausgeblasenes Schnittmaterial h Werkstück 27 organischer Brückenquerschnitt aus Pappe, der manuell nur mit hohem Aufwand herzustellen ist 28 Modellbaulaser in der Produktion repetitiver Elemente

57

Digitale Fertigungstechnologien CNC-Wasserstrahlschneiden

Schwenkarm mit Schneidkopf Wasser unter Normaldruck

Schneidtisch

Wasser mit 4000–6000 bar

cm

Portalhöhe 25 cm Portalhöhe mit Schwenkarm und Schneidkopf

Wasserbecken unter Schneidtisch dient als Strahlfänger. Brauchwasser wird in Kreislauf zurückgeführt.

Sc hn eid tis ch län ge

60

0

Hochdruckpumpe

Schneidtischbreite 400 cm

29

Reinwasserschneiden

Düse mit 0,1–0,5 mit Öffnung Abstand passt sich der Materialoberfläche an bis12 cm

4000 – 6000 bar 800 – 1000 m / s

0,1 – 0,5 mm Schneidspalt

Abrasivwasserschneiden Abrasivmittel

bis 100 cm

Reinwasserdüse mit 0,25 bis 0,4 mm Öffnung

Abrasivdüse mit 0,3 bis 1,3 mm Öffnung

0,3 –1,3 mm Schneidspalt

30

31 29 Aufbau einer Wasserstrahlschneidemaschine mit einem Arbeitstisch von 4000 ≈ 6000 mm; Großportalgeführte Maschinen erreichen Dimensionen bis zu 10 ≈ 20 m. 30 Vergleich von Reinwasser- und Abrasivwasserschneiden 31 Unterschiedliche Schnittqualitäten von Stahl; mit reduzierter Geschwindigkeit des Verfahrens nimmt die Schnittqualität zu. 32 Messestand der TU Darmstadt zur HOBIT 2008 aus 84 unterschiedlichen Schnittsegmenten aus Wellpappe; die Produktion erfolgte in einem durchgängigen CAD-CAM Wasserstrahlverfahren; der Schneidstrahl ist so schnell, dass es nicht zu einer Durchnässung der Pappe während der Bearbeitung kommt. 32

58

CNC-Wasserstrahlschneiden In der Architektur setzt man das Wasserstrahlschneiden primär für den 2D-Zuschnitt von festen Materialien wie Stein, Metall oder Kunststoff ein. Die Ansteuerung erfolgt vollständig CNC-gesteuert auf der Basis von Vektordaten und ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien mit feinen Konturen. Bei diesem Verfahren wird Wasser zu einem Strahl geformt, der sich mit bis zu 1000 m/s aus einer Schneidedüse bewegt. Dabei wandelt sich die potenzielle Energie in kinetische Energie um, die dem Strahl seine trennende Wirkung gibt. Während Reinwasserschneiden zur Bearbeitung hauptsächlich weicher Materialien (z. B. Papier, Sperrholz, Dichtungsmaterialien, Schaumstoffe, Kunststoffe und Textilien) ausschließlich die Strahlenergie des Wassers nutzt, befinden sich beim Abrasivverfahren zusätzliche Schleifpartikel im Schneidstrahl. Das Abrasivmittel (z. B. Granatsand) wird über eine kleine Öffnung im Schneidkopf in die Mischkammer zugeführt und vermischt sich dort mit dem Wasserstrahl.

Eine nachgeschaltete Abrasivdüse fokussiert das Gemisch, das schließlich mit einem Durchmesser von 0,5 –1 mm austritt. Auf diese Weise lassen sich harte Materialien auch von großer Dicke bearbeiten, wie Edelstahl (bis 400 mm), Kupfer, Titan, Glas, Stein, Beton (bis 180 mm) und Keramiken. Auch mehrlagige Materialien können problemlos geschnitten werden. Die Bearbeitungszeit steigt dabei exponentiell mit der Stärke des Materials an. Die Technologie ermöglicht zuletzt auch das Schneiden unregelmäßiger Oberflächen, da, anders als beim Laserschneiden, kein spezifischer Fokuspunkt im Material notwendig ist. Die Schnittkanten der Wasserstrahlzuschnitttechnologie erfordern so gut wie keine Nachbearbeitung. Eine derartige Maschine (Abb. 29) hat beispielsweise eine Arbeitsfläche von 4 ≈ 6 m, auf der Materialstärken von bis zu 500 mm geschnitten werden können. Aufgrund der schnellen computergesteuerten Konfiguration der Maschinen ist das Lohnschneiden schon einer

Digitale Fertigungstechnologien CNC-Heißdrahtschneiden

technische Daten max. Blockgröße

5100 ≈ 1350 mm

Arbeitsbereich

5000 ≈ 1250 mm

Blocktiefe

bis zu 5000 mm

max. Positioniergeschwindigkeit

3000 mm/min

Schnittgeschwindigkeit

50 –1000 mm/min

Positioniergenauigkeit

< 0,1 mm/300 mm

Wiederholgenauigkeit

0,05 mm

Konturgenauigkeit

± 0,2 mm/m

Stromversorgung

230 V/50 Hz –1500W

Steuerrechner

handelsüblicher PC

33

kleinen Stückzahl bzw. bei Einzelanfertigungen kostenneutral. Da das Verfahren nicht auf bestimmte Materialien, Materialstärken oder -formen beschränkt ist, findet es in fast allen Bereichen der Industrie Anwendung. CNC-Heißdrahtschneiden Diese Technik bietet dem Architekten die Möglichkeit, großvolumige Geometrien sehr effizient herzustellen. Die Bandbreite reicht von eigenständigen Bauelementen, wie Komponenten für dreidimensionale Sandwichelemente, bis hin zu Formteilen als Basis für weiterführende Produktionsschritte. Bei diesem Verfahren bearbeitet ein erhitzter, CNC-gesteuerter Draht ein Schaumstoffmaterial. Auch bei den derzeit größten computergesteuerten 4-Achs-Heißdrahtschneideanlage, die Objekte aus expandiertem oder extrudiertem Polystyrolschaum schneiden, garantiert die CNC-Bearbeitung absolute Präzision und Reproduzierbarkeit. Das Raumgewicht des Rohmaterials kann zwischen 15 kg/m³ und 50 kg/m³ liegen. Die Technik kommt bei der Herstellung von

34

übergroßen Formen wie Schiffsrümpfen oder Windkraftturbinenflügeln zum Einsatz. Der mechanische Aufbau der Maschine besteht aus zwei Portalen aus Aluminium-Systemprofilen und einem Führungs- und Antriebssystem auf einem Chassis. Der Portalabstand und die Länge des dazwischen gespannten Schneidedrahts sind variabel und passen sich an die zu fertigenden Teile optimal an, um saubere Ergebnisse zu erzielen. Die Rohmaterialblöcke werden über Rollenbahnen von der Vorderseite in die Maschine befördert, was auch die Handhabung großer und schwerer Blöcke problemlos möglich macht. Die x-Achsen sind als Rollenführung auf 10 mm Stahlwellen ausgeführt. Ein Schrittmotor mit Untersetzungsgetriebe bewegt die beiden Achsen mithilfe von Zahnstangen entlang dieser Konstruktion und führt damit den erhitzten Schneidedraht durch das Werkstück. Bei konischen Schnittkonturen gleicht eine elektronische Drahtspannvorrichtung die Längenänderung des heißen Drahts aus. Die Schneidesoftware reguliert über einen Trafo die Tem-

peratur des Schneidedrahts und steuert die gesamte Anlage. Der Steuer-PC befindet sich zusammen mit der Elektronik in einem unabhängigen Schaltschrank. Optional ist die Maschine mit zwei Vertikalschneidedrähten zum senkrechten Bearbeiten der Formteile ausrüstbar. Durch mehrmaliges Überfahren eines Werkstücks sind hochkomplizierte Geometrien möglich. Die fertiggestellten Schaumstoffelemente sind zunächst empfindlich. Eine GFK-Beschichtung auf sogenannter Gelege- oder Sprühbasis wird in der Folge schichtweise aufgetragen, um die Bauelemente zu schützen; damit eignen sie sich auch für den Außeneinsatz. Große Volumen werden aus zusammengesetzten Bauelementen hergestellt, deren Stoßfugen verklebt und mit Gewebe und Spachtel überdeckt werden. Mit dem CNC-Heißdrahtschneiden lassen sich Objekte mit feinvarianter Abstufung sehr kosteneffizient herstellen. Die Technologie ist gut geeignet für temporäre Bauten sowie für die Erstellung von Prototypen im Maßstab 1:1.

33 Maschine mit technischen Daten, die den Bauraum darstellen 34 Bushaltestelle in Hoofddorp (NL) 2003, NIO Architecten; die Struktur ist aus PolystyrenSchaum hergestellt und misst 50 ≈ 10 ≈ 5 m; die Oberfläche ist mit einem GFK-Gelege gechützt worden. Die Baukosten lagen bei 1 Mio €; in Beton oder Stahl wären sie doppelt so hoch gewesen.

59

Digitale Fertigungstechnologien CNC-Fräsen

35

CNC-Fräsen Fräsen bezeichnet das spanabhebende Bearbeiten von Metallen, Holz oder Kunststoffen mittels eines Fräswerkzeuges. In der Architektur liegt das Potenzial dieser Methode primär in der mehrachsigen Bearbeitung von harten Baumaterialien. Zweidimensionale Objekte lassen sich einfach aus Plattenware fräsen. Die Fräsdaten erstellt der Planer mit StandardCAD-Programmen. Das Fräsprogramm kontrolliert die Frästiefen und die Verfahrgeschwindigkeiten. Es ist sinnvoll, den Fräsvorgang vor Arbeitsbeginn zu simulieren, um mögliche Programmierfehler zu entdecken. Zweidimensionales CNC-Fräsen setzt man für Materialien ein, die mit dem Laser oder dem Wasserstrahl weniger gut zu bearbeiten sind. Dabei verhält sich der Fräskopf wie ein Zuschnittwerkzeug. Nachteile des Verfahrens sind eine langsame Bearbeitungsgeschwindigkeit, ein größerer Materialverlust durch den Fräskopf und die Einschränkung auf fräskopfspezifische Radien an Innenecken. Für dreidimensionale Objekte kommt eine 3D-Datei, zumeist im STL-Format, zum Einsatz. Fast alle modernen 3D-CADSysteme erzeugen dieses Dateiformat und bieten einen einfachen Datenaustausch. Das Fräsprogramm legt die Werkzeugparameter, den Maschinen-Vorschub und

die Genauigkeit fest und gibt diese Informationen als NC-Programm aus. Es lassen sich bis zu 7-achsige Maschinen über eine CNC-Steuerung programmieren. Unterschiedliche Fräsköpfe werden abhängig von der Anforderung an Oberflächengüte, Präzision oder Geschwindigkeit aus einem Wechselmagazin entnommen. Um komplexe 3D-Konturen zu generieren, fährt das Fräswerkzeug das Werkstück in vielen nebeneinanderliegenden Pfaden ab. Mit Mehrachsfräsen kann das Werkstück unter freien Winkeln bearbeitet werden, wodurch die Fertigung von anspruchsvollen 3D-Konturen möglich ist. Allerdings ist zu beachten, dass Hinterschnitte für die Maschinen schwierig zu realisieren sind; eine Rotation des Werkstücks oder des Werkzeugs sind dabei die grundsätzlichen Möglichkeiten, allseitig bearbeitete Bauteile herzustellen. Die exakte Positionierung des Werkstücks auf dem Frästisch in Relation zum Systemnullpunkt ist elementar für die Präzision der Bearbeitung. Das 5-Achs-Fräsen findet im Holzbau, im Stahlbau und im Formenbau Verwendung. Im Holzbau werden beispielsweise kontinuierlich veränderliche Holzleimbinder mit der Fräse bearbeitet. Mehrachsig bearbeiteter Holzwerkstoff oder Hartschaum dienen als Negativform für die thermische Verformung von Glas oder Kunststoff. Der Materialeinsatz ist

T4: Vergleich von Robotertypologien

36

60

max. Reichweite [mm]

Effektortraglast [kg]

Wiederholgenauigkeit [mm]

Kleinrobotik

350 – 850

2,5 –10

niedrige Traglasten

1503 –1911

6 –16

mittlere Traglasten

1991 – 2429

30 – 60

< ± 0,15 – 0,2

hohe Traglasten

2600 – 3500

100 – 240

< ± 0,2 – 0,25

Schwerlasten

2826 – 3326

360 – 570

< ± 0,15

< ± 0,025 – 0,05 < ± 0,01

Digitale Fertigungstechnologien Gelenkarmrobotik

37

38

jedoch hoch und damit ökonomisch und ökologisch fragwürdig. In der Metallbearbeitung nutzt man die 5-Achs-Fräse bei der Herstellung von spezifischen Knotenpunkten, wodurch sich für Kleinserien das Metall-Guss-Verfahren ersetzen lässt. Das CNC-Fräsen ist zwar die variabelste der subtraktiven Bearbeitungstechnologien, jedoch sollte stets ein ökonomischer Vergleich zu alternativen Produktionsverfahren erfolgen.

Man unterscheidet drei Grundprinzipien der Programmierung von Robotern. Bei der Ablaufprogrammierung berechnet der Mensch die Arbeitsschritte genau voraus und gibt sie als Informationen direkt in das Programmsystem ein. Beim Teaching wird dem Roboter manuell beigebracht, wie er vorzugehen hat, indem ein Mensch ihn durch verschiedene Arbeitsschritte führt. Der Steuercomputer zeichnet die Bewegungen und Aktionen auf. Diese Methode wird heute bei komplexen Aufgaben eingesetzt. Beim Self-Teaching erfasst der Roboter mittels Kamera oder Sensoren, wo sich Gegenstände befinden, und entscheidet selbst, wie er agiert. Diese Methode ist die anspruchvollste und setzt eine programmierte Intelligenz des Roboters voraus.

Gelenkarmrobotik Die Robotik ermöglicht eine erhebliche Effizienzsteigerung komplexer Bauabläufe. Die wichtigsten Bestandteile von Robotern sind: Steuerung, Manipulator und Effektor. Ein Antrieb bewegt die Glieder der kinematischen Kette. Roboter sind nicht auf eine Funktion begrenzt. Je nach Bedarf wechseln sie automatisch von Effektor A (Laserschneiden) zu Effektor B (Laserschweißen). Industrieroboter unterscheiden sich in ihrer Reichweite, der Traglast und der Wiederholgenauigkeit (Tabelle T4). Die Wiederholgenauigkeit beschreibt die Präzision, mit der der Roboter mehrere Werkstücke fertigt bzw. die Abweichung unter den Werkstücken. Der Gelenkarmroboter in Abb. 39 ist über sechs Achsen extrem beweglich; sein Aktionsradius beträgt bis zu drei Meter.

40 a

39

Potenzial, komplexe Teilaufgaben zu übernehmen. Wie im Maschinenbau können sie bei der Herstellung von repetitiven, aber in sich varianten Arbeitsabläufen eingesetzt werden. Dazu zählen der Fassadenbau, die Vorbereitung von Holzbauteilen und die Rekonstruktion von Natursteinfassaden in der Denkmalpflege. Auf der Baustelle erscheint der Einsatz von Robotern allerdings nur bedingt sinnvoll, da ihre Mechanik und Elektronik zu anfällig sind und die Präzision leidet.

35 Driftwood-Pavillon, der mittels einer 3-Achs-Fräse aus großformatigen Holzplatten erstellt wurde, AA-London (GB) 2009 36 Arbeitsraum eines standortpositionierten Gelenkarmroboters, ca. 3000 ≈ 3000 ≈ 3000 mm 37 Werkzeugwechsler, der automatisiert zwischen unterschiedlichen Fräsköpfen wechselt 38 Digitale Simulation von Fräspfaden; diese Methode hilft Fehler am wertvollen Werkstück zu vermeiden. 39 Gelenkarmroboter mit Rotationsachse, zwei Gelenken und einem rotierbaren Aktuatorkopf 40 Großfräse: 5-Achs-Fräsvorgang am realen Werkstück, der ein Topografiemodell herstellt a 5-Achs-Fräsung Arbeitsraum Genauigkeit x-Achse: 60 m x-Achse: ± 0,8 mm y-Achse: 12,5 m y-Achse: ± 0,5 mm z-Achse: 7,0 m z-Achse: ± 0,3 mm b Der Werkstoff kann durch einen Aufsatzwechsel mit verschiedenen Medien beschichtet werden; dabei sind Beschichtungen und Materialstärken von wenigen Millimetern bis zu mehreren Metern möglich. c Durch unterschiedliche Polieraufsätze lassen sich verschiedene Oberflächenqualitäten erzielen.

Für das Bauwesen sind primär Gelenkarmroboter relevant, da sie als universelle, programmierbare Bearbeitungsmaschine fungieren können. Ein 7-Achs-Gelenkarmroboter ist in der Regel ein 6-Achs-Roboter mit linearer Fahreinheit, die den Arbeitsraum vergrößert. Alternativ wird das Werkstück im Arbeitsraum des Roboters bewegt. Die Ansteuerung der Lineareinheit ist als mathematisch gekoppelte Achse in die Robotersteuerung integriert. Da im Bauwesen ein möglichst hoher Vorfertigungsgrad mehr und mehr an Wichtigkeit gewinnt, besteht für Industrieroboter ein großes

b

c

61

Umformende Verfahren

Es gilt zwischen dem Urformen und dem Umformen zu unterscheiden. Beim Urformen wird ein plastischer, aus seinem Stoffzusammenhang gelöster Werkstoff zu einem Halbzeug wie z. B. einem Blech geformt. Beim Umformen hingegen bleibt der Stoffzusammenhalt des Werkstoffs erhalten. Eine erste Art von Umformprozessen kommt bei der Herstellung von Halbzeugen, z. B. Abkant-Profilen, zum Einsatz. Eine weitere Art des Umformens erfolgt als weiterführender Bearbeitungsschritt, bei dem der Ursprungszustand eines Halbzeugs (z. B. eines Profils) modifiziert wird. Daraus resultiert eine Optimierung des Ausgangszustands, wie z. B. eine Verbesserung der Steifigkeit oder die Anpassung an eine gewünschte Geometrie. Das Volumen des Werkstücks vor und nach dem Umformen ist gleich. Umformverfahren werden primär bei Metall- und Kunststoffmaterialien eingesetzt, kommen jedoch auch bei Holzwerkstoffen (z. B. Bugholz) und bei mineralischen Werkstoffen zum Einsatz. Am Beispiel von metallischen Halbzeugen lässt sich der Prozess des Umformens erläutern. Bei der Kaltumformung erfolgt die Verformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur. Beim Warmumformen erfolgt eine Rekristallisation, d. h. eine Veränderung der Molekülstruktur des Werkstücks. Die Kombination beider Verfahren steigert die Wirtschaftlichkeit, da die einzusetzende Verformungskraft reduziert werden kann. Umformprozesse erfolgen durch mechanischen Druck oder Zug, der auf ein Werkstück ausgeübt wird. Unter den Oberbegriffen des Druck- und Zugumformens differenziert man zwischen dem Walzen, Freiformen, Gesenkformen bzw. Tiefziehen, Drücken, Innenhochdruck-Weitstauchen und werkzeuglosem Drahtziehen. 62

Für den Planer einfach verständlich lässt sich das Umformen analog der vorherrschenden Biegebeanspruchung unterscheiden. Beim Biegeumformen erfolgt eine ausschließlich geradlinige Werkzeugbewegung. Das freie Biegen vereint das Biegerichten (Biegen unter punktuellem Druckaufbau), das freie Runden und das querkraftfreie Biegen. Beim Gesenkbiegen ist man auf ein Werkzeug, das sogenannte Gesenk, angewiesen; damit werden Runden, Sicken, Bördeln und Innenhochdruck-Biegen möglich. Für den Architekten besonders relevant sind das Biegeumformen mit drehender Werkzeugbewegung und das Walzbiegen/Walzprofilieren. Damit werden lineare Umformprozesse beschrieben, die komplex geformte, integrale Bauteile generieren. Tabelle T 5 zeigt die gängigen industriellen Umformverfahren. Die Matrix differenziert zwischen Warmumformverfahren und Kaltumformverfahren. Beim Warmumformen lockern Druck und/oder Hitze die Kristallstruktur des Materials und ermöglichen auf diese Weise eine leichtere Verformung. Beim Kaltumformen formt ausschließlich mechanischer Druck bzw. Reibung das Material. Dabei kommt es nicht zu einer mineralogischen Veränderung des Ausgangsmaterials.

41 gemäß Programmierervorgabe abgekantetes Stahlblech 42 CNC-programmierbare Schwenkbiegemaschine mit maximaler Werkstückbreite von 12 m

Digitale Fertigungstechnologien Umformende Verfahren

41

42 T5: Übersicht über die wichtigsten umformenden Verfahren (sehr unterschiedliche Technologien – für die meisten eignet sich Metall als Werkstoff) CNC-Stanzen

CNC-Abkanten

CNC-Biegen

InnenhochdruckUmformen

Spaltprofilieren

flexibles Walzprofilieren

Tiefziehen (Thermoforming)

Spritzgießen

Baumaterial

Stahlblech Edelstahlblech Aluminiumblech Pappen Papiere Textilien

Stahlblech Edelstahlblech Aluminiumblech

Stahl-, Edelstahl-, Aluminiumhohlprofile/ Rohre/Bleche

Stahl-, Edelstahl-, Aluminiumhohlprofile/ Rohre/Bleche Magnesium/ Titan/Nickellegierungen

Stahl-, Edelstahl-, Aluminiumflachstähle und U-Profile

Stahl-, Edelstahl-, Aluminiumflachstähle

thermoplastische Kunststoffe Acrylglas Plexiglas Polycarbonat Makrolon

Kunststoffe Thermoplaste Elastomere und Duroplaste

maximale Baugröße

4000 ≈ 1635 mm

Abkantlänge von 2000 bis 6000 mm

Biegelänge: theoretisch endlos, abhängig von Hallen- und Transportbegrenzung

1200 ≈ 2000 mm

abhängig von verarbeiteter Bandlänge

abhängig von verarbeiteter Bandlänge

abhängig von der Größe der zur Verfügung stehenden Presse, max. 5000 ≈ 5000 mm

abhängig vom Werkstoff und vom hergestellten Werkzeug, max. 3000 ≈ 3000 mm

Technologie

Symbol

Werkstoffdicke

bis ca. 8 mm

bis ca. 8 mm

bis ca. 6 mm

bis 8 mm

bis ca. 6 mm

bis 30 mm

1 –15 mm

5 – 30 mm

Genauigkeit

0,1 mm

bis 0,2 mm

± 0,2 Grad

1 mm

2 mm

1 mm

0,5 mm

0,5 mm

Nachbearbearbeitungsmöglichkeit

nicht notwendig, vom Einsatz des Teiles abhängig, problemlos lackierbar

Gewindeschneiden, Durchzüge Gewindebolzen Schweißmuttern Oberflächenschutz

nicht notwendig

nicht notwendig

Entgraten, Schleifen

Schleifen, Entgraten

nicht notwendig

nicht notwendig (ggf. Kantenglättung)

Geometrie Daten Input

Übernahme der gängigen Dateiformate (Parasolid, dxf usw.)

Übernahme der gängigen Dateiformate (Parasolid, dxf usw.)

2D dxf, dwg 3D iges, step

Daten für Erstellung der Negativform erforderlich

dxf, dwg

dxf, dwg

Daten für Erstellung der Negativform notwendig

Daten für Erstellung der Negativform notwendig

Hersteller

MICRONORM Woronka GmbH

G.W.P. Manufacturing Services AG Thalmann Maschinenbau AG

Langrohrbiegemaschinen G.W.P. Manufacturing Services AG

DAVI Zieta (FIDU Verfahren)

DAVI

Daimler

G.W.P. Manufacturing Services AG

Gregor Hofbauer GmbH

Einsatz

Architektur, Automobilindustrie, Elektrogeräteindustrie

Maschinenbau, Fassadenbau, Dachdeckungsindustrie

Architektur, Möbelindustrie, Maschinenbau, Anlagenbau

Automobilindustrie Ölindustrie Heizung Möbelindustrie Optik Haushaltstechnik Profilverarbeitung

Tragwerksstrukturen Karosserien

Fahrzeugbau Maschinenbau Anlagenbau Bauindustrie Möbelindustrie

Energietechnik Medizintechnik Möbelindustrie

Möbelindustrie, Konsumgüterindustrie, Fassadenbau

63

Digitale Fertigungstechnologien CNC-Biegekanten

43

CNC-Biegekanten Das Biegen von Blechen (auch Abkanten genannt) erfolgt durch das Umklappen eines Flächenteils gegenüber dem verbleibenden Teil einer Blechtafel. Das Verfahren ist vollständig automatisiert und die Parameter Biegekante, -winkel oder -radius sind exakt definiert und reproduzierbar. Die Biegeverkürzung bei der Blechabwicklung ist in die Planung einzuberechnen. Man unterscheidet zwischen den folgenden drei Abkantverfahren. Gesenkbiegen Das eigentliche Abkanten wird auch als Gesenkbiegen bezeichnet; die entsprechenden Maschinen heißen Biegepresse oder Abkantpresse. Biegeverfahren produzieren stets gerade Kanten. Eine Blechbiegung um 180° wird als Umschlag bezeichnet. Das Verfahren kommt primär bei der Herstellung von Kaltprofilen zum Einsatz. Die hierfür nötige Maschine besteht aus Oberwerkzeug (Stempel) und Unterwerkzeug (Matrize) (Abb. 44). Die Form des Werkstücks wird beim 3-Punkt-Biegeverfahren durch drei exakt definierte Auflagepunkte im Unterwerkzeug bestimmt. Eine Einstellung des Matrizengrundes gibt den programmierten Winkel vor.

43 Hochschule für Musik in Halle (D), Anderhalten Architekten; die Kassetten aus gold-eloxierten 10 mm starken Aluminium-Blechen weisen alle eine unterschiedliche Größe auf. 44 3-Punkt-Biegemaschiene, die durch den Austausch von Matrizen eine Varianz in der Abkantung ermöglicht. 45 Die Schwenkbiegemaschine lässt durch einen CNC-kontrollierten Vorschub vielfältige Geometrien zu. Das Blech wird CNC-kontrolliert zwischen die Ober- und Unterwange geführt, die es während des Abkantens in seiner Position fixieren. Die Biegewange biegt das Blech in den gewünschten Winkel.

64

Der Matrizenhalter ermöglicht einen einfachen Austausch der verschiedenen Matrizen, welche sich in ihrer Breite (7 – 90 mm) und in der Nuttiefe unterscheiden. Ein Blech- oder Bandstreifen wird in die Matrize eingelegt, dann senkt sich der Stempel in die Matrize und verformt das Blech zu dem gewünschten Profil. Spezifische Profilformen werden durch die Varianz von Stempel und Matrize definiert. Schwenkbiegen Das Blech wird zwischen Ober- und Unterwange eingespannt und durch eine Schwenkbewegung der Biegewange abgekantet. Neben Einzel-Schwenkbiegemaschinen kommen leistungsfähige Biegezentren zur flexiblen Fertigung großer Mengen für komplexe Biegeformen zum Einsatz. Typische Produkte sind: Gehäuse, Büromöbel, Türen und Kassetten. Das Schwenkbiegen ist durch den Verzicht auf starre Matrizen wesentlich flexibler als das Gesenkbiegen. Durch einen CNC-kontrollierten Vorschub des zu bearbeitenden Blechs lassen sich auch nicht rechtwinklig zueinander angeordnete Abkantungen durchführen. Rollbiegen Das Verfahren ist eine Sonderform des

Schwenkbiegens, bei der sich die Biegewange während der Schwenkbewegung kontrolliert vom Blech wegbewegt. Damit kommt es zu keiner Relativbewegung zwischen Werkzeug und Blech, wodurch Kratzspuren an der Blechoberfläche vermieden werden. Das Verfahren ist für das Biegen von Edelstahl und für Bleche mit vorbeschichteter Oberfläche gut geeignet. CNC-kontrollierte Biegezentren ermöglichen programmierbare Biegeradien und Blechabwicklungen. Durch einen variablen Blechvorschub werden Faltwerke oder konische Stützstrukturen möglich. Eine Einschränkung besteht meist in der erzeugten Geometrie selbst, die ab einer bestimmten Größe mit der Maschine kollidiert. Das Potenzial der Technik wird permanent weiter entwickelt, sodass komplexere Biegeformen möglich werden. Mit dem simplen Prinzip der Materialumformung steigert sich die Leistungsfähigkeit des Materials Blech erheblich. CNC-gesteuertes Biegen Biegen bezeichnet im Allgemeinen die Ausübung eines Biegemoments auf ein Material, das dadurch eine plastische Verformung erfährt. Um diese Formänderung zu erzielen, muss der Druck die

Stempel Matrize

44

45

Digitale Fertigungstechnologien CNC-Biegekanten

46

47

Elastizitätsgrenze des Stoffes überschreiten. Beim computernumerisch gesteuerten Biegen geben Biegemaschinen Materialien und Halbzeugen wie Blechen, Drähten, Stäben und Rohren eine vorher digital definierte Form. Das Prinzip existiert seit Mitte der 1970er-Jahre und wird seitdem konstant optimiert und für den Anwender vereinfacht. Die nahtlose Anbindung der digitalen Planung rationalisiert die Serienproduktion sowie die Einzelanfertigung gleichermaßen und reduziert zudem Fehler. Im Bauwesen kommt meist das Freiformbiegeverfahren, eine Art des Rollbiegens, zum Einsatz, bei dem drei oder mehr Biegerollen (Abb. 49) das Profil umformen. Die Position der Biegerollen zueinander bestimmt den Biegeradius. Entscheidende Parameter bei der Produktion sind: Materialart, -dicke und -härte sowie der Biegewinkel. Die CNC-Programmierung des Verfahrens gleicht die Rückstellfähigkeit von Metall aus, indem im Umformprozess die exakten Materialparameter des jeweils bearbeiteten Materials berücksichtigt werden. Der vordefinierte Biegewinkel wird mit 0,1° Maßgenauigkeit erreicht. Das Eingabeprogramm speichert die Biege-

48

definitionen zur wiederholten Herstellung gleicher Werkstücke und zur Korrektur von Eingabefehlern. Bei Biegeverfahren kommen folgende Vorteile zum Tragen: • Der Faserverlauf des Halbzeugs wird nicht unterbrochen. • Verbesserung der Festigkeit des Werkstücks durch die Geometrieänderung und eine Rekristallisation des Materials • Möglichkeit, komplexe 3D-Geometrien herzustellen • gute Maß- und Formgenauigkeit • kein Werkstoffverlust • kostengünstige Herstellung bei hohen und niedrigen Stückzahlen • Unterschiedlich große Biegeradien können mit einem Werkzeugsatz kontinuierlich gebogen werden. • Herstellung von langen Bauelementen ohne zusätzliche Verbindungen wie Schweißnähte oder Verschraubungen • gute Einstellmöglichkeiten bei Chargenschwankungen • gut automatisierbar Die CNC-Biegetechnologie wird in der Architektur hauptsächlich für die Herstellung anspruchsvoller Tragwerksstrukturen eingesetzt. Die Anzahl aufwendiger

Schweißverbindungen reduziert sich gegenüber der Konstruktion mit linearen Bauteilen durch eine Vorformung der benötigten Halbzeuge. Die Verringerung der Arbeitsschritte führt zu einem schnelleren Produktionsablauf. Aufgrund der direkten Datenübertragung und der Möglichkeit, mit einem Werkzeugsatz verschiedene Freiformen zu biegen, lohnt sich dieses Verfahren schon bei kleinen Stückzahlen. Bei der Planung sind folgende Parameter zu beachten: • Jedes Material/Halbzeug hat einen minimalen Biegeradius. • Es gilt einen Verlust der Tragfähigkeit von Profilen durch Beulen/Faltenbildung zu vermeiden. • Die Verarbeitungsmöglichkeiten sind von den Kapazitäten, z. B. der Hallengröße oder Maschinengröße, der verarbeitenden Firma abhängig. 46 47 48 49

gebogenes Walzprofil im Werk linear gebogenes Rohrprofil Biegeprozess eines Walzprofils Biegeparameter mit Materialeigenschaften und der anzunehmenden Rückstellkraft 50 CNC-kontrollierte Biegemaschine mit Rollaktuatoren a Rohrklemmfunktion, Rohrvorschub und automatische Ebenenverdrehung b Dornstange mit Dorn am vorderen Ende; Länge der Dornstange = max. Länge des Rohres c »Hebelarm«, um das Rohr zu biegen b a

Zustellung x Rolle 1 Zustellung y

Werkstück a2 Vorschub

Biegerolle

a1

Bi

Rückfederung

ad

er eg

Rolle 2 ius

c

49

50

65

Digitale Fertigungstechnologien CNC-Stanzen und -Nibbeln

51 Landmarke Angerpark, Duisburg (D); die komplexen Achterbahnformen sind nur mit einer voll parametrisierten Planung und Fertigung zu realisieren. 52 CNC-Stanzmaschine a Maschinentisch b Stößel c Hydraulikaggregat d Werkzeugrotation e Blechtafel f Werkzeuge g Spannpratzen h Werkstück

51

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Komplexitätsstufen des Biegens. Beim 2-Achs-Biegen lassen sich fast alle Profilformen verwenden; das Werkstück wird in einer Ebene gekrümmt. Beim 3-AchsBiegen wird das Werkstück in einem Bearbeitungsvorgang in zwei Ebenen verformt und damit mehrsinnig gekrümmt. Für das 3-Achs-Biegen eignen sich aufgrund der im Werkstück auftretenden Verwindung vor allem Rohrprofile. Bei Rechteckprofilen kommt es zu einer Einbeulung des Materials entlang der planen Flächen des Hohlprofils. Bei Biegeprozessen, die Bauteile zur Weiterverarbeitung erstellen, ist es wichtig, dass Referenzpunkte auf den hergestellten Werkstücken mittels einer Körnung (kleine Vertiefung) markiert werden, die eine Orientierung für die Weiterverarbeitung geben. Ebenso ist eine Codierung von Teilsegmenten notwendig, die zu einer Großform gefügt werden. Die Körnung muss sowohl die Rohrachsposition definieren als auch mögliche Anschweißpunkte auf dem Bauelement. Viele Tragwerke weisen mehrsinnige Krümmungen auf, die sich mit geraden Bauelementen nur durch eine Triangu-

lation (Auflösung in Dreiecke) konstruieren lassen. Um solche Geometrien integraler umzusetzen, existieren zwei Möglichkeiten: zum einen die Auflösung der Geometrie in zweiachsig gekrümmte Teilsegmente, die anschließend – um die Rohrachse verdreht – zu einer mehrachsig gekrümmten Großform verschweißt werden, und zum anderen die sofortige Herstellung der mehrsinnig gekrümmten Form in einem Biegevorgang. Vorgaben der Tragwerksplanung bestimmen die Rohrgeometrie; erhöhte Anforderungen lassen sich durch eine segmentweise Vergrößerung der Wandstärke des Rohres kompensieren. Der Vorteil gegenüber kleinteiligen Geometriekonstruktionen ist eine hohe Eigensteifigkeit durch die erzeugte Krümmung. Ein Kunstwerk, wie die begehbare Großskulptur »Landmarke Angerpark« in Duisburg in Form einer begehbaren Achterbahn, lässt sich ohne CNC-Rohrbiegetechnologie nicht realisieren. Jedes Bauteil ist in sich geometrisch unterschiedlich. Das Tragrohr mit einem Durchmesser von 324 mm folgt einer mehrsinnigen Krümmung, die 214 m Länge beschreibt. Die Herstellung erfolgt in ca. 14 m langen

Teilsegmenten auf einer mehrachsigen Großbiegemaschine. Die Form der Skulptur unterliegt den Grenzparametern, welche die minimalen Biegeradien des Haupttragrohrs bestimmen. CNC-Stanzen und -Nibbeln Bei diesem Verfahren bearbeitet ein vertikal verfahrbares Stanzwerkzeug mit hohem hydraulischen Druck das Basismaterial Blech und verändert dabei dessen Form. Seit den 1980erJahren werden Stanzmaschinen durch Computer gesteuert. Entweder verfährt das Werkzeug über dem Material oder das Material unter einem stationären Stanz-Stempel. Die Form der Stanzung ist abhängig vom Werkzeug am Stanzkopf; neue Maschinen können diese Stanzwerkzeuge automatisiert während des Bearbeitungsvorgangs wechseln. Es werden drei Verfahren differenziert: • Prägestanzen Dabei wird die Oberfläche eines Werkstücks über ihren plastischen Verformungspunkt hinaus verändert und damit geprägt oder abgekantet. • Schneidstanzen bzw. Nibbeln Bei diesem Verfahren wird das Werkstück entlang der Stanzkante getrennt.

T6: Biegeparameter handeslüblicher Profiltypen Profiltypen

c

b f

d a

e g

I- und H-Profile leichte Achse IPE/IBB I- und H-Profile schwere Achse HE U-Profile Schenkel nach außen/innen U-Profile Schenkel nach außen

Biegen von handelsüblichen Größen minimal maximal Profil Biegeradius Profil Biegeradius IPE 80 50 mm IPE 1000 4000 mm HE 100AA HE 1000B IPE 80 HE 100AA

100 mm

IPE 600 HE 550A

5000 mm

30 ≈ 33 ≈ 5 mm

40 mm

UNP 400

2000 mm

30 ≈ 33 ≈ 5 mm

50 mm

UNP 400

2000 mm

21,3 t = 2,3 mm

30 mm

1219, t = 25 mm

auf Anfrage

h ROR Rohr-Profile 52

66

Digitale Fertigungstechnologien CNC-Stanzen und -Nibbeln

53

Indem das Stanzwerkzeug kontinuierlich über das Werkstück verfährt, lässt es sich als Zuschnittwerkzeug nutzen. • Drehstanzen Dabei werden spezifische Öffnungen oder Gewinde in das Werkstück eingearbeitet.

Bei der Realisation des Unesco Forums in Barcelona von Herzog & de Meuron verkleiden CNC-gestanzte und -geprägte Bleche das Gebäude. Die Idee besteht darin, die Decke so auszubilden, dass der Eindruck von Wasserspiegelungen entsteht. Dazu wird das Bild einer realen Wasserfläche via Photoshop in eine Vektorgrafik übersetzt, die den Verfahrweg der Stanzmaschine für die Blechtextur definiert. Im Laufe eines Jahres produzierte die ausführende Firma 28 000 dreieckige Blechpaneele mit einem fortlaufenden Prägemuster. Keines der 0,8 mm starken Edelstahlpaneele mit einer Kantenlänge von ca. 1,10 m gleicht dem anderen. An ausgewählten Stellen geht das Prägemuster in eine Perforation über und dient zur Hinterlüftung der Fassade. Jedes Dreieck ist ein Unikat, doch durch die parametrische Fertigungstechnologie verursacht dieser Aspekt keine Mehrkosten. Auf den Fassadenpaneelen definiert eine Codierung präzise den spezifischen Einbauort. Obwohl die geschilderte Anwendung primär ornamental ist, trägt sie durch die plastische Verformung der dünnen Bleche zu einer Stabilisierung der Flächen bei.

Neben den Standardwerkzeugen bieten Firmen individuell auf den Kunden abgestimmte Werkzeuge an. Da die Kosten für ein Sonderwerkzeug bis zu einigen Tausend Euro betragen, lohnt sich der Aufwand erst ab einer entsprechend hohen Werkstückproduktion. Werkstücke können mit diesen Sonderwerkzeugen auf der gleichen Maschine mit Gewinden, Sicken zur Aussteifung und Abkantungen bzw. Laschen versehen werden. Präge- und Signierungswerkzeuge bringen Schriftzüge und Ornamente auf. Lediglich die Größe des Werkstücks und die der Maschine beschränken den Gestaltungsspielraum. Die Bearbeitung gekrümmter Flächen ist nur begrenzt und mit einem hohen ökonomischen Aufwand möglich. Es gibt Maschinen, die über einen Stanzsowie einen Laserkopf verfügen und somit beide Verfahren koppeln, um so die Fertigung weiter zu automatisieren.

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Die eingesetzte Maschine verarbeitet Stahlblech, Edelstahl und Aluminium von 0,5 bis 8 mm. Der maximale Arbeitsbereich umfasst 3070 ≈ 1660 mm bei einer Stanzkraft von 220 kN. Dabei werden 1000 Stanz- /2800 Signiervorgänge pro Stunde bei einer Genauigkeit von 0,1 mm hergestellt. Die Rotation erfolgt um die x- und y-Achse, und sie kann bis zu 21 verschieden Werkzeuge aufnehmen.

53 gestanzte Edelstahlblechverkleidung, Forum Barcelona (E) 2005, Herzog & de Meuron 54 grafische Transformation einer Fotografie von Wasser in ein Punktraster mittels Photoshop 55 montierte Fassadenpaneele, die den Eindruck von Wasser in den physischen Raum übertragen

55

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Digitale Fertigungstechnologien Druckumformung

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Druckumformung Neben dem Abkanten und Biegen ist die Druckumformung das dritte relevante Verfahren der Blechumformung. Für die Druckumformung kommen plastisch verformbare Materialien wie Stahlblech oder Stahlhalbzeuge zum Einsatz. Unter dem Oberbegriff des Hydro-Blechumformens (HBU) – englisch Hydroforming – werden das Außenhochdruckumformen (AHU) und das Innenhochdruckumformen (IHU) unterschieden. Beide Verfahren zählen zu den wirkmedienbasierten Umformverfahren, bei denen eine Wasser-Öl-Emulsion als Druck-Wirkmedium verwendet wird. Bei beiden Verfahren kommt eine Presse zum Einsatz, die eine Kraft zwischen 3000 und 50 000 kN erzeugt. Diese Kräfte sind erforderlich, um das Blech während des Umformprozesses zu fixieren und zu verformen. Beim AHU wird ein Blech über einem Wasserdruckkasten eingespannt und mittels hydraulischem Druck vorgeformt bzw. gewölbt. Sobald das Blech sich im Fließzustand befindet, beginnt der eigentliche Verformungsprozess, bei dem ein Stempel das Blech in einen Wasserkasten drückt. Mit der Erhöhung des Drucks im Wasserkasten wird das Bauteil vollständig in seiner Form ausgeprägt. Das umgeformte Blech hat eine sehr glatte Oberfläche, da kein Kontakt zu einem Festkörper besteht. Bei kleineren Bauteilen mit geringeren Präzisionsanforderungen kommt ein rein hydraulisches AHU-Verfahren zum Einsatz. Dabei wird das Werkstück ausschließlich über das Wirkmedium in seine Form gepresst, ohne eine formgebende Negativform zu nutzen. Beim IHU werden geschlossene Hohlquerschnitte wie Rohre unter einem Druck von bis zu 4000 bar in eine allseitig umfassende Hohlform ausgedehnt. Das Reißen des Werkstoffes verhindern eine 68

zusätzliche mechanische Stauchung und damit ein Nachführen des Materials. Die Stempel sind als hohle Form ausgeführt, durch deren Stirnseiten das Rohr mit dem Druckmedium befüllt und anschließend der erforderliche Innendruck aufgebaut wird. Durch das Verfahren entstehen in einem Arbeitsgang sehr exakte und leichte Bauteile mit komplexen Geometrien und hoher Festigkeit. Die Vorteile gegenüber anderen Verfahren der Umformtechnik sind: weniger Einzelteile, weniger Schweißnähte, eine hohe Formund Maßgenauigkeit und damit eine hohe Steifigkeit sowie ein geringes Gewicht. Für die Hydroverformung eignen sich Aluminium, Messing, Kupfer, kalt- oder heißgewalzter Stahl, Edelstahl, Magnesium, Titan und Nickel-Legierungen. Sowohl das IHU als auch das AHU setzen die Herstellung einer Negativform, der sogenannten Matrize oder Gesenk-Form, voraus, weshalb sich diese Verfahren nur für Großserien eignen und in geringen Stückzahlen nicht wirtschaftlich sind. Einsatzgebiete sind komplexe Knotenpunkte im Leichtbau sowie mehrsinning gekrümmte, repetitive Fassadenelemente. Da Hydroforming-Bauteile in einem Arbeitsgang, ohne Schweißnähte oder andersartige Verbindungen, hergestellt werden, sind sie herkömmlichen Verfahren überlegen. Es handelt sich hierbei um eine sehr materialgerechte Methode für die Umformung von Blech. FIDU – Freie Innendruckumformung Das sogenannte FIDU-Verfahren (Freie Innendruckumformung) wurde an der ETH Zürich (Professur für CAAD, Prof. Ludgar Hovestadt) von Oskar Zieta und Philipp Dohmen entwickelt. Es ermöglicht die Herstellung geschlossener, nichtlinearer und komplexer BlechHohlkörper. Umformungsprozesse, wie z. B. Knicken und Beulen, bringen Bleche

in eine äußerst widerstandsfähige Form. Das Material verhält sich ähnlich wie ein Blatt Papier, das erst dann stabil wird, wenn man es deformiert. Vergleichbar dem IHU und dem AHU werden im FIDUVerfahren Bleche unter hohem Druck umgeformt, d. h. das Material wird »aufgeblasen«. Die FIDU-Methode bietet den Vorteil, bei der Blechbearbeitung ohne Werkzeuge auszukommen; eine Unikat-Fertigung wird möglich. Zwei Bleche werden entlang eines digital definierten Pfads luftdicht miteinander verschweißt. Die anschließende Verformung der Bleche erfolgt über das Einleiten von Wasseroder Luftdruck in den Zwischenraum. Der Innendruck bestimmt, wie weit sich die Bleche deformieren. Nach dem Abfließen des Verformungsmediums entsteht eine stabile Form. Die Geometrie des Zuschnitts (Kontur) und der Innendruck steuern die Formgebung. Im ersten Prozessschritt schneidet ein Laser die Konturen der Bleche aus. Dabei muss ein 3 – 5 mm breiter Überlappungsrand für das anschließende Schweißen verbleiben. Die zwei aufeinanderliegenden Bleche werden mit einem Roboter verschweißt, dessen Bewegungsabläufe durch einen Computer gesteuert oder manuell geführt werden (siehe »Gelenkarmrobotik«, S. 61). Die Deformation der zusammengeschweißten Konturen erfolgt mit einem Druck von 6 bis 50 bar, abhängig von der Größe der Bauteile. Bei einem gleichbleibenden Materialaufwand sind die so erzeugten Formen um ein Vielfaches stabiler als vergleichbare Formen aus gekanteten Blechen. Bei Belastungstests werden statische Prognosen weit übertroffen. Diese Methode der Blechbearbeitung führt die Freiheiten des Laserschweißens und -schneidens bis in den Umformungsprozess fort. Das

Digitale Fertigungstechnologien Druckumformung

Ergebnis ist eine eigene Formensprache, die man nicht mit Blech in Verbindung bringt. In der Architektur eröffnen sich dadurch neue Perspektiven für den Werkstoff Blech. Das Verfahren ist materialgerecht und nutzt dessen Potenzial der Eigensteifigkeit nach Verformung. Während es für Stahlprofile standardisierte Bautabellen gibt, braucht man für statische Voraussagen über die Tragfähigkeit von komplexen Blechkonstruktionen die sogenannten Finite-ElementeMethoden. Das langfristige Ziel ist es, präzise mit dem Laser geschnittene und geschweißte Bleche in leichte, hochwertige und stabile architektonische Konstruktionen wie Tragwerke oder Fassadenbauteile umzuformen.

56 Zwei luftdicht miteinander verschweißte Bleche werden buchstäblich aufgeblasen. 57 Auf dem Architonic Messestand für die IMM 2010 in Köln wird erstmals eine tragwerksähnliche Struktur mit dem FIDU-Verfahren realisiert (Entwurf: Oskar Zieta). 57

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Projektbeispiele für digitale Prozesse

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Sphäre Deutsche Bank in Frankfurt Mario Bellini Architekten, Mailand, mit Bollinger+Grohmann Ingenieure, FFM

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Fußgängerbrücke Reden FloSundK Architekten, Saarbrücken, mit Bollinger+Grohmann Ingenieure, FFM

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Rolex Learning Center Lausanne SANAA Architekten, Tokyo, mit Bollinger+Grohmann Ingenieure, FFM

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Hungerburgbahn Innsbruck, Zaha Hadid Architects, London, mit Bollinger+Grohmann Ingenieure, FFM

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Sanktuarium der Göttlichen Vorsehung in Warschau Szymborski & Szymborski Architekten

92

Taichung Metropolitan Opera House in Taiwan Toyo Ito Associated Architects, Tokyo, mit Arup, London

Ab einem bestimmten Komplexitätsgrad können Bauprozesse ausschließlich interdisziplinär, simultan, integrativ und damit computergestützt verlaufen. 6 Beispiele aus der Praxis illustrieren, wie digitale Prozesse die Planung und Umsetzung von anspruchsvollen Bauwerken unterstützen. Die dargestellten Projekte verdeutlichen den arbeitsteiligen Charakter, der durch eine enge Kooperation zwischen Fachplaner und Architekt bestimmt ist. Digitale Planungstechnologie ist die Bau-Kommunikation des 21. Jahrhunderts, die eine neue Architektursprache fördert. Es entstehen Bauten, die nicht mehr ausschließlich einer digital-formalen Faszination entstammen, sondern einer algorithmisch ermittelten Logik folgen. Innovative Produktionstechnologien ermöglichen die effiziente Umsetzung dieser intelligenten Architektur.

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Projektbeispiele Digitale Tragwerksgenerierung

Digitale Tragwerksgenerierung Der Planungsprozess von Tragwerken ist in den meisten Phasen von digitalen Technologien durchdrungen. Fast immer bedeutet das rechnergestützte Arbeiten eine Optimierung bisheriger Prozesse, da der Computer repetitive Vorgänge automatisiert und damit eine hohe Präzision liefern kann. Darüber hinaus verändern sich planerische Paradigmen, wenn digitale Techniken konzeptionell und allumfassend Verwendung finden. Im Folgenden wird anhand einer Reihe von Projekten der konzeptionelle Einsatz computerbasierter Methoden in frühen Entwurfs- und Planungsphasen erläutert. Computer können viele Entwurfsvarianten erzeugen und bewerten und dadurch vorher nicht gekannte Lösungen auffinden. Tragwerke werden generiert, sofort ausgewertet und an spezifische Situationen angepasst. Parametrische Modelle Zweidimensionale und dreidimensionale Computermodelle können deutlich mehr sein als die präzisere Form von zeichnerischer Repräsentation. Jeder Punkt, jede Kurve, jede Fläche, die in einem Modellierprogramm erzeugt und damit mathematisch beschrieben wird, benötigt Eingabeparameter. Der Punkt basiert auf x, y, z-Koordinaten, die Linie auf Start- und Endpunkt oder aber auf Startpunkt, Richtungsvektor und Länge. Parametrische Modelliersoftware ist in der Lage, diese Bildungsprozesse zu speichern, sodass die Entstehungsgeschichte eines jeden einzelnen Objekts bekannt ist. Objekte können aufeinander aufbauen. So liegen Punkte auf einer Ebene im Raum, eine Linie basiert auf ebendiesen Punkten und Flächen wiederum auf einer Schar von Linien. Diese Assoziationen bleiben über den Prozess des Erzeugens hinaus bestehen. Es entsteht ein hierarchisches 72

Gebilde von Abhängigkeiten, eine Art lebendige Geometrie. Für die Beziehungen der Objekte untereinander wird oft das Bild der Eltern-Kinder-Beziehung verwendet. Bleibt man in diesem Bild, so ermöglichen parametrische Softwareanwendungen Zeitreisen: Ändert man die Eingabeparameter eines Eltern-Objekts, so wirkt sich dies auf alle Nachkommen aus. Solch ein Arbeitsschritt kann zu jeder Zeit erfolgen. Somit steuern wenige, einfache Eingabeparameter ein parametrisches Modell mit komplexen Hierarchien und Abhängigkeiten. Sind diese Parameter nicht mit fixen Werten belegt, sondern variabel, kann durch ihre Manipulation eine Vielzahl von geometrisch unterschiedlichen Ableitungen erzeugt werden. Beim Verwenden von parametrischer Software entwirft und beschreibt man also neben dem fertigen Objekt immer auch seinen Bildungsprozess und damit eine parametrische Bandbereite möglicher Lösungen. Statt einer einzelnen Lösung erhält man einen Raum mit vielen möglichen Lösungen. Nutzt man diesen Ansatz zum Erzeugen von Tragwerken, so lässt sich beispielsweise die Anzahl von diagonalen Stäben in einem Fachwerkträger parametrisch beschreiben. Steuern die Eingabeparameter darüber hinaus, welcher Knoten am Obergurt mit welchem Knoten am Untergurt verbunden ist, kann eine neue Topologie erzeugt werden. Ist der Lösungsraum sinnvoll definiert, entstehen auf diese Weise Tragwerke, die sich keiner bekannten Typologie zuordnen lassen. Analyse Dem Erzeugen parametrischer Tragwerke folgt die Analyse. Ein neuartiges Tragwerk ist nur dann sinnvoll, wenn es weiter spannt als herkömmliche Tragwerke, weniger Material benötigt oder gezielter auf architektonische Anforderungen reagiert. An die Geometrie parametri-

scher Modelle wird nun die Anforderung gestellt, ein zusammenhängendes System zu beschreiben, das auf externe Kräfte reagiert und Lasten in den Baugrund ableitet. Folgt man der Logik großer Lösungsräume, werden diese zunächst komplett durchsucht und nicht eine einzige Lösung entworfen und schrittweise weiterentwickelt. Das heißt, viele, zunächst auf zufälligen Eingabeparametern beruhende Ergebnisse werden generiert und analysiert. Diese erste überschlägige Analyse muss automatisiert erfolgen, da ein manuelles Vorgehen bei der großen Anzahl von Lösungen zu aufwendig wäre. Softwareanwendungen zur Tragwerksanalyse sind in der Lage, auch sehr komplexe Tragsysteme zu berechnen. Ein Tragwerksentwurf muss also nicht zwangsläufig in seine Einzelteile zerlegt werden, damit man ihn bewerten kann. Stattdessen wird das gesamte System mit allen Elementen und deren Interaktionen untersucht. Hierzu ist eine erste Schnittstelle von Geometriegenerierung und Analyse notwendig, die die Daten automatisiert übergibt. Das digitale Arbeiten macht sich an diesem Punkt zunächst die pure Rechenkapazität des Computers zunutze. Bleibt man beim Beispiel des parametrischen Fachwerkträgers, so beschreibt das Geometriemodell die Achsen von Stahlprofilen, die sich in gemeinsamen Start- und Endpunkten treffen. Für die Tragwerksanalyse sind die Linien in Knoten und verbindende Elemente zu übersetzen und anschließend mit Querschnitten, Materialeigenschaften, Auflagern und Lastfällen zu versehen. Die maßgeblichsten Lastfälle, etwa Vertikallasten bei Brücken und Horizontallasten bei Türmen, werden untersucht. Jedes Modell innerhalb des Lösungsraumes wird hierbei andere Kennwerte für Verformung, maximal auftretende Momente und Spannungen liefern. Sind

Projektbeispiele Digitale Tragwerksgenerierung

alle Modelle analysiert, lässt sich eine Rangliste aus guten und weniger guten Tragwerken erstellen. Zirkularität und Rückkopplung Analysesoftware kann eine wichtige generative Rolle im Entwurf spielen, wenn die Ergebnisse einer Analyse als Handlungsanweisung für den folgenden Arbeitsschritt genutzt werden, also ein Feedback geben. Bereits in den 1940er-Jahren beschreibt die Kybernetik, die sich mit technischen und biologischen Steuerungs- und Regelsystemen beschäftigt, das Konzept der Zirkularität und Rückkopplung: Ein System innerhalb einer Umgebung nimmt externe Zustände wahr und prüft daraufhin, welche Aktionen notwendig sind, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Diese Aktionen verändern den externen Zustand und damit das Verhältnis von System und Umgebung. Diesen veränderten Zustand nimmt nun wieder das System wahr, und der gleiche Ablauf erfolgt erneut. Wie der Steuermann (altgr.: kybernétes) eines Schiffes einem Hafen entgegenfährt und stets den Kurs des Schiffes korrigiert, der durch Wind und Wellen von der Idealrichtung abweicht. Das Konzept der Zirkularität ist mit dem Computer technische und digitale Realität geworden. Parametrische Modelle werden, für den Benutzer nicht wahrnehmbar, permanent durch Endlosschleifen auf die Veränderung ihrer Eingabeparameter überprüft. Nur diese Aktualisierungszyklen ermöglichen uns eine in Echtzeit ablaufende Interaktion mit solch einem Modell und seinen Parametern. Setzt man das Prinzip von Zirkularität und Rückkopplung im Entwurfsprozess ein, können sich Tragwerksentwürfe in einen iterativen Prozess entwickeln. Der Lösungsraum wird durchsucht, und die besten Lösungen dienen als Eingangsgröße für die nächste Iteration.

Evolvierende Entwürfe Evolutionäre Algorithmen machen sich diese Prinzipien zunutze. Sie ahmen Prozesse nach, die wir in der natürlichen Evolution finden, weshalb sich auch im Sprachgebrauch bei diesem Thema Begriffe finden, die man aus der Evolotionstheorie kennt. Eine zunächst zufällige Population von Lösungen, weit im Lösungsraum verstreut, wird bewertet und in einer Rangliste entsprechend ihrer Fitness geordnet. Die Fitness eines solchen Lösungsindividuums bemisst sich durch vorher definierte Bewertungskriterien, die tragwerksrelevant sein können, aber auch auf architektonischen Kriterien basieren, sofern diese quantifizierbar sind. In der nachfolgenden Iteration wird das Erbgut – also die Parameter, die das Modell steuern – der besten Lösungen neu kombiniert, sodass eine Nachkommenschaft entsteht, die auf den Parametern der fitten Individuen einer Population basiert. Neukombination (Crossover) von Parametern und Mutation (kleine, zufällige Veränderungen von Variablen) sorgen für Variation. Die Bewertung der Individuen übernehmen Fitnessfunktionen. Läuft der Prozess über viele Generationen ab, entwickeln sich Lösungen, die sich den vorher definierten Kriterien anpassen. Variation erfolgt dabei zufällig und nicht zielgerichtet. Die richtige Entwicklungsrichtung steuern also erneut die Fitnessfunktionen sowie die Selektion guter Lösungen. Digitale Werkzeuge und Prozesse ermöglichen diese Arbeitsweise, da sich große Datenmengen automatisiert generieren, analysieren und variieren lassen. Die Ergebnisse folgen keinen vordefinierten Typologien, sondern sind für den jeweiligen Kontext entwickelte, spezifische Lösungen. Obwohl also der Algorithmus an sich ein extrem formalisiertes System von eindeutigen Handlungsanweisungen ist, dessen

Funktionsweise vollkommen offensichtlich ist, entstehen doch Tragwerke, die leistungsfähig und ohne diesen Entwicklungsprozess nicht zu entdecken sind. Der Prozess des Werdens spielt eine zentrale Rolle und kann nicht übersprungen werden. Multiple oder sogar widersprüchliche Bewertungskriterien können zum Einsatz kommen. Ein evolutionärer Algorithmus kann die Lösungen mit dem besten Gleichgewicht zwischen allen Anforderungen auffinden. Beim Einsatz der beschriebenen Verfahren verlagert sich ein großer Teil der entwurflichen Arbeit auf das Festlegen von Rahmenbedingungen, Fitnesskriterien und Lösungsräumen. Der Prozess des Werdens entzieht sich der unmittelbaren Kontrolle. Genau dieses Verlagern von Kontrolle ermöglicht jedoch die Überwindung von eingefahrenen Denkmustern und fachspezifische Lösungen. Das Durchsuchen sehr großer Lösungsräume erfordert eine große Rechenleistung und kann mitunter zeitaufwendig sein. Die bisherige Hardwareentwicklung vorausgesetzt, werden jedoch die Möglichkeiten zunehmend erweitert, sodass sich in Zukunft auch die Bandbreite von Bewertungskriterien vergrößert. Das Ziel sind Lösungen, die architektonische, tragwerksrelevante und ökologische Kriterien in ein ausgewogenes Verhältnis bringen. Die im Folgenden vorgestellten Beispiele sollen verdeutlichen, was heute bereits möglich ist. Klaus Bollinger, Manfred Grohmann, Oliver Tessmann

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Sphäre Deutsche Bank in Frankfurt

Architekt: Mario Bellini, Mailand digitale Planung: Bollinger und Grohmann, Frankfurt am Main Tragwerksplaner: Bollinger und Grohmann, Frankfurt am Main Fertigstellung: voraussichtlich 2010

Für das Foyer des neuen Hauptsitzes der Deutsche Bank-Türme in Frankfurt entwarf der Mailänder Architekt Mario Bellini eine Skulptur, die einer mit Bändern umwickelten Kugel gleicht. Zwei durch diese sogenannte Sphäre gesteckte Brücken verbinden die beiden Türme der Bank. Eine Serie von Ringen mit unterschiedlichen Radien ist auf der virtuellen Sphärenoberfläche platziert. Die Anordnung der Ringe sollte zum einen möglichst gleichmäßig sein, zum anderen ohne zusätzliche Tragstrukturen auskommen und frei spannen, ohne die Luftraumprofile zu durchdringen. Im ersten Schritt der Planung werden sechzig Kreise erzeugt, die stets durch drei Punkte auf der Sphärenoberfläche definiert sind. Die Koordinaten dieser Kreise – also die Parameter des 3DModells – stellen das »Erbgut« (Genom) für einen genetischen Algorithmus dar und sind die Punkte, die im späteren Verlauf verändert werden. Eine schmale Fläche, die sich zwischen jedem Kreis und einer parallel verschobenen Kopie aufspannt, bildet einen Ring. Durch die hohe Anzahl von Ringen ergeben sich automatisch Verschneidungen, und damit entsteht ein räumlich stabiles Netz. Mit dem genetischen Algorithmus sucht man nach genau der Lösung, die bei gleichmäßiger Ringverteilung und ohne die Brücken zu durchstoßen ein leistungsfähiges Tragwerk bildet. Das Genom, also die Werte für die Koordinaten der Ringe auf der Sphäre, ist als binäre Zeichenkette gespeichert. In einem 3D-Modellierprogramm, das sich mittels Scripting (Anwenderprogrammierung, siehe S. 24f.) ansteuern lässt, entstehen daraus geometrische Modelle von 50 verschiedenen Sphärenindividuen einer Generation. Die Kreise eines jeden Individuums werden anschließend in 74

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Projektbeispiele Sphäre Deutsche Bank in Frankfurt

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Polygonzüge zerlegt. Im Tragwerksmodell bilden die Schnittpunkte der Kreise und Unterteilungen der dazwischenliegenden Bögen Knoten und verbindende Stabelemente. In die Konstruktion übertragen heißt das, dass alle Knoten, die innerhalb des Gebäudes liegen, als Auflager definiert werden. Die Flachstahlprofile der Ringe orientieren sich zum jeweiligen Mittelpunkt eines jeden Kreises. Dieses Tragwerksmodell wird nun hinsichtlich seiner Verformung unter Eigenlast untersucht. Zusätzlich erfolgen eine Kollisionskontrolle der Ringe mit dem Lichtraumprofil der Brücke sowie eine Analyse der Lage der Kreisebenen. Eine gute Lösung zeichnet sich durch folgende Kriterien aus: • geringe Verformung des Tragsystems • wenige oder keine Durchdringungen des Brückenlichtraumprofils • große Winkel zwischen den Kreisebe-

nen und damit eine gleichmäßige Verteilung der Ringe Die beste Tragwerkslösung entstünde durch das Spannen von Bögen zwischen den Auflagern. Eine solche Konfiguration enthielte jedoch viele Ringe in ähnlichen Ebenen, sodass es aufgrund der fast parallelen Anordnung zu einer unregelmäßigen Verteilung der Ringe käme. Da der genetische Algorithmus aber die Fitness jedes Sphärenindividuums auf Grundlage aller Kriterien gleichzeitig bewertet, bilden sich Lösungen heraus, die allen Anforderungen gerecht werden und eine Balance zwischen ihnen herstellen. Aus der erstellten Rangliste werden bei jedem Bewertungsvorgang die Individuen gewählt, auf deren Erbinformation die kommende Generation basiert. Für die Selektion aus allen Ergebnissen gibt es verschiedene Verfahren, bei

denen nicht nur die fittesten Individuen überleben, sondern auch schlechter bewertete Lösungen eine Chance haben, ihr Erbgut weiterzugeben. Diese Vorgehensweise stellt eine große Bandbreite von Varianten sicher und verhindert, dass ein lokales Optimum als vermeintlich beste Lösung identifiziert wird. Die letztlich gefundene Lösung für die Sphäre erfüllte alle drei geforderten Kriterien – der Entwicklungsprozess war damit beendet. Neben der ursprünglichen Entwurfsidee aus dem Wettbewerb konnten die tragwerksrelevanten Kriterien einfließen und ein integrativer Teil des Entwurfs werden. Klaus Bollinger, Manfred Grohmann, Oliver Tessmann 1 2 3 4

Rendering Wettbewerb Mock-up eines Knotens, an dem die Ringe sich verschneiden Mutation der Überschneidungen; graduelles Verbesserungsprocedere digitales Analysemodell

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Fußgängerbrücke in Reden

Architekt: FloSundK, Saarbrücken digitale Planung: Bollinger und Grohmann, Frankfurt am Main Wettbewerb: 2007

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Im Rahmen eines Wettbewerbs für eine Fußgängerbrücke über eine Bahntrasse und eine Gartenanlage in Reden im Saarland entwarf das Planungsbüro gemeinsam mit den Architekten ein Brückentragwerk. Seine genaue Topologie wurde mittels eines evolutionären Prozesses entwickelt. Das Brückentragwerk besteht aus zwei Fachwerkträgern, die beide zunächst senkrecht stehen. In Richtung des Gartens drehen sie sich kontinuierlich nach außen und geben so den Blick auf den Landschaftspark frei. Auch die Stabdichte sollte mit zunehmender Verdrehung der Träger kontinuierlich abnehmen und sich ebenfalls öffnen. Die äußere Kontur der Träger war somit gegeben, während die verbindenden Diagonalen frei angeordnet werden konnten. Für diesen Arbeitsschritt entwickelte man ein parametrisches Modell, das eine zufällige Stabverteilung entlang von Ober- und Untergurt ermöglicht. Das entstehende Tragwerk wurde berechnet und jede einzelne Diagonale bewertet. Dieser Bewertung lag die Tatsache zugrunde, dass in einem Fachwerk jede Diagonale prinzipiell auf Normalkraft beansprucht werden soll, ohne dass Biegemomente auftreten. Somit lässt sich

der Quotient aus Moment und Normalkraft als ein Indikator für die Fitness der einzelnen Diagonalen ansehen. Ein iteratives Verfahren identifizierte anschließend Stäbe mit einem ungünstigen Momenten/Normalkräfte-Verhältnis als Individuen mit schlechter Fitness. Da sie in der kommenden Generation nicht mehr vorhanden sein sollten, wurden sie an neue Positionen verschoben. Die so geänderte Struktur wurde erneut ausgewertet, sodass sich in einem Entwicklungsprozess eine stetige Verbesserung des Systems einstellte. Die Fußgängerbrücke mit ihren speziellen Randbedingungen basiert auf einem System, das die Entwurfsidee integriert, fortschreibt und so eine effiziente Lösung ermöglicht. Klaus Bollinger, Manfred Grohmann, Oliver Tessmann 1

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Ablaufdiagramm der Tragwerksgenerierung a zufällige Stabverteilung b Analyse der Biegemomente c Analyse der Normalkräfte d Ermittlung der Fitness (Biegemomente/ Normalkräfte) e Auffinden des ungünstigsten Stabs und dessen Neupositionierung Evolutionsstufen des Gesamttragwerks der Brücke vom ersten Entwurf bis hin zur optimierten Struktur; die Struktur verdichtet sich graduell an den Auflagern.

Rolex Learning Center in Lausanne

Architekten:

SANAA Kazuyo Sejima & Ryue Nishizawa, Tokyo Tragwerksplaner: Bollinger und Grohmann, Frankfurt am Main Walther Mory Maier Bauingenieure AG, Münchenstein INGPHI SA, Lausanne beratendes Ingenieurbüro (Vorplanung): SAPS Sasaki und Partner, Tokyo Generalunternehmen: Losinger Construction AG, Bussigny 3D-Consulting: DesignToProduction Fertigstellung: 2010

Das Rolex Learning Center auf dem Campus der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) basiert auf einer landschaftlich geformten Bodenplatte, die verschiedenste Raumsituationen durch eine Art künstlicher Topografie erzeugt. Das Gebäude soll mit seiner Fläche von 166 ≈ 121 m mit einer Zentralbibliothek, Studienräumen, Einrichtungen und Dienstleistungen zum Wissenserwerb sowie mit Ausstellungsräumen, Konferenzsälen, einer Cafeteria und einem Restaurant der Mittelpunkt des Campuslebens sein und prägt das Erscheinungsbild des Campus entscheidend mit. Die Bodenplatte in Stahlbeton und das Membrandach mit einer Unterkonstruktion aus Stahl- und Brettschichtholzträgern schwingen in bis zu 30° steilen Wellen gemeinsam auf und ab. Eine homogene ideale Schale leitet die Kräfte ohne Biegespannungen ab und kann damit extrem dünn ausfallen. Doch schon das Einfügen einer Türöffnung in solch eine ideale Form kann strukturelle und formale Probleme bereiten. SANAAs Landschaft integriert 14 runde Patios mit 7– 50 m Durchmesser, schafft Blickbeziehungen und unterschiedlichste Raumqualitäten und resultiert aus einem Entwurfsprozess, bei dem Überlegungen

zum Tragwerk nur ein Aspekt unter vielen anderen waren. Die Aufgabe für die Tragwerksplaner bestand im Auffinden lokaler Schalenund Bogenwirkung innerhalb der Mastergeometrie sowie in deren vorsichtiger Modifizierung in enger Zusammenarbeit mit den Architekten. Das Aufspüren von Qualitäten in einer vorhandenen Struktur ersetzte hier die Formfindung. Das Tragverhalten einer solchen Landschaft ist unterschiedlich, sodass es keine Bereiche gibt, die eine alleinige Tragwerkstypologie repräsentieren. Einige Analysen enthüllten auch Schwachstellen innerhalb der Geometrie, die eine unverhältnismäßige Dimensionierung der Betonschale bedeutet hätten. Ein schlangenlinienförmiger Membrankraftverlauf, hohe Biegemomente und Umlenkkräfte sowie ein Mangel an Auflagern in Bereichen der Patios machten eine Überarbeitung erforderlich. Durch Verkleinerung und Verschiebung der Patios konnte der Kraftfluss zwischen den Schalenrändern geradliniger gestaltet werden. Diese Modifikation der Gesamtform

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Aufsicht auf die Landschaft des Dachs mit den eingeschnittenen Patios

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Projektbeispiele Rolex Learning Center in Lausanne

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und der Lage einiger Patios erfolgte in enger Zusammenarbeit mit den Architekten in einem iterativen Prozess, der über den gesamten Planungszeitraum andauerte. Im Wettbewerb und den ersten Entwurfsphasen entwickelten die Architekten die Geometrie mittels physischer Modelle. Ähnlich einem Topografiemodell wurden die unterschiedlichen Höhen schichtweise dargestellt. Die ersten 3D-Modelle basierten auf Konturmodellen der Architekten, die in kontinuierliche digitale Flächenmodelle überführt wurden. Solche

Flächen besitzen zwei Dimensionen, die sich eben oder gekrümmt, begrenzt oder unendlich im Raum entfalten. Zugleich beschreibt die Geometrie jeden enthaltenen Punkt mithilfe von x, y, z-Koordinaten in drei Dimensionen. Ein auf diese Weise repräsentiertes Objekt liegt dann nicht mehr innerhalb oder außerhalb einer Begrenzung, sondern ist die Begrenzung selbst. In der digitalen Welt stellt dieser Widerspruch kein Problem dar. Im Modellierprogramm kann die Fläche direkt oder über ein mit ihr assoziiertes Kontrollpolygon manipuliert werden und ist greif- und steuerbar. Texturen simulieren Materialien

und Tiefe und lassen die Flächen als Objekte erscheinen. Sollen sie aber in gebaute Realität überführt werden, gilt es den Widerspruch von Oberfläche und Volumen zu überwinden. Eine Art zweiachsiges Koordinatensystem ermöglicht es, Punkte, Kurven, Krümmungen und Richtungsvektoren an jeder Stelle der Fläche eindeutig zu identifizieren. Diese Informationen können genutzt werden, um konstruktive Elemente anzuordnen. Die Fläche dient nun als Repräsentation einer dreidimensionalen Großform und gleichzeitig als eine Leitgeometrie für ein konstruktives System. Für die Tragwerks-

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Haupteingang Café, Bar, Mensa Schrägaufzug Bank, Buchladen Büros Multifunktionsfläche Bibliotheksterrassen Arbeitsplätze Patio Restaurant, Seeblick

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planung wurden digitale Flächenmodelle notwendig, um schnell und präzise beispielsweise Vertikalschnitte erzeugen und analysieren zu können. Sie dienten ersten überschläglichen Analysen mithilfe der Finite-Elemente-Methode, bei der die Fläche in ein Netz fein aufgelöster Maschen transformiert wird. Die Rechenergebnisse wurden parallel immer wieder anhand einfacher 2D-Modelle und Berechnungen manuell geprüft. Aus diesen frühen Analysen ließen sich erste Kriterien für die Geometrie festlegen, die im Anschluss in enger Zusammenarbeit mit den Architekten

auf den Entwurf angewendet wurden: • Anpassung von Lage und Position der Patios, sodass sich dazwischen lastabtragende Bögen spannen können • Optimierung der Bogengeometrie hinsichtlich ihrer Symmetrie und einer möglichst parabolischen Form • Vermeidung von Gegenkrümmungen an den Auflagern, die sich ungünstig auf das Tragverhalten auswirken Das daraus entwickelte Tragwerkskonzept basiert auf einer Serie von lastabtragenden Bögen als Primärtragwerk und sogenannten Decken-Zonen, die zwi-

schen diesen Bögen spannen. In allen Bereichen kommt es, anders als bei reinen Schalentragwerken, zu Biegebeanspruchungen. In der Berechnung des Systems waren drei Aspekte maßgeblich: der Nachweis

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Schnitte, Maßstab 1:1200 Grundriss, Maßstab 1:1200 Überlagerung von Flächenmodell und FiniteElemente-Netz Visualisierung der Spannungsverteilung in der Schale Lage der tragenden Bögen in Schnitten und Grundriss

Die Krümmung der Schale sollte zwischen den Werten der schwarzen und der roten Linie liegen.

Patios und Umgrenzung parabolische Form ursprüngliche Form der Schale Parabolische Form behält die Position mit der max. Wölbung.

Lösung 27.05.2006 Grundlage für Berechnung Änderungsvorschlag 06.06.2006

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über ausreichende Querschittsgrößen unter den einwirkenden Lasten, die Verformung und die Stabilität. In einer FiniteElemente-Software wurden diese Parameter unter dem Einfluss von Rissbildung, Kriechen und Schwinden des Betons über einen längeren Zeitraum untersucht. Die Ergebnisse aus diesen Analysen überführte man immer wieder in dreidimensionale Flächenmodelle. Dieser Schritt war nötig, da die Finite-ElementeNetze die Geometrie oftmals abstrahiert darstellen und so eine präzise formale architektonische Beurteilung unmöglich machen.

Die exakte Geometriebeschreibung der Landschaft diente in den folgenden Phasen als Grundlage für die Ausführungsplanung und letztlich für die Umsetzung des Projekts. Bereits zu einem frühen Zeitpunkt arbeitete das Planungsteam eng mit dem ausführenden Generalunternehmer zusammen. Aufgrund der Komplexität der Aufgabe waren die Grenzen zwischen Tragwerks- und Werkstattplanung nicht klar zu ziehen. Die Werkstattplanung erfolgte auf der Grundlage des 3D-Modells der Planer. Welche Angaben ein Schalungsplan enthalten musste, sodass sich Schalungsbau und Beweh-

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rung ausführen ließen, war nicht aus Standardverfahren abzuleiten. Für den Schalungsbau diente das dreidimensionale Flächenmodell als Grundlage. Zweidimensionale Zeichnungen waren nicht zielführend, dennoch wurden eine Reihe von Koordinateninformationen in Form von Plänen zur Verfügung gestellt. In einem Raster von 50 ≈ 50 cm gab ein Plansatz Auskunft über die z-Koordinate, also die jeweilige Höhe und die lokale Dicke der Betonschale. Ein zweiter Plansatz stellte die xy-Koordinaten der Auflager, Patioränder und Zonen wechselnder Plattendicken dar. Diese

Projektbeispiele Rolex Learning Center in Lausanne

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Informationen dienten der Kalibrierung der Schalungstische im Abgleich mit einem Aufmaß vor Ort. Die Plangenerierung ließ sich mithilfe von Macro-Scripting automatisiert aus den 3D-Modellen ableiten. Scripting, eine vereinfachte Form der Programmierung, erlaubt es, große Mengen der repetitiven Modellierarbeit zu automatisieren und regelbasierte Aufgaben effizient zu bearbeiten und evaluieren. Neben der Zeitersparnis und der großen Präzision war die Reduzierung monotoner und damit fehleranfälliger Arbeitsschritte ein Vorteil der Automatisierung. Die vorgefertigte

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Schalung besteht aus einer Reihe von 2,5 ≈ 2,5 m großen Tischen, deren Oberflächen dem Krümmungsverlauf der zu betonierenden Landschaft folgen. Jeder Tisch besteht aus zwei Holzträgern und einer Schar von sieben darauf liegenden Holzspanten. Eine laminierte Faserholzplatte bildet die Oberfläche. Die Umrissform der Holzspanten definiert die Geometrie der Schalung. Ihre Geometriegenerierung und die folgende Übersetzung in Werkzeugpfade für den computergestützten Zuschnitt der Spanten konnten automatisiert und damit extrem beschleunigt werden.

Die Erfahrungen aus diesem und anderen Projekten mit komplexer dreidimensionaler Geometrie zeigen, dass hierbei der bisher übliche 2D-Plan immer mehr gegenüber einer reinen 3D-Planung an Bedeutung verliert. Klaus Bollinger, Manfred Grohmann, Oliver Tessmann 7 8 9 10

automatisierte Auflistung der Koordinaten 3D-Bewehrung Auflager konstruktives 3D-Modell der Schalung Schalungstisch, bestehend aus zwei Hauptträgern, sieben Holzspanten und einer laminierten Faserholzplatte 11 Schalungstische im Einsatz 12 Rendering

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Hungerburgbahn in Innsbruck

Architekten:

Zaha Hadid Architects, London Thomas Vietzke (Projektarchitekt), Jens Borstelmann, Markus Planteu (Design Team)

Tragwerksplaner Dach: Bollinger und Grohmann, Frankfurt am Main Arne Hofmann (digitale Planung), Matthias Stracke (Tragwerk), Holger Techen (Glas) Fertigstellung: 2007

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Station Hungerburg FEM-Modell, Stabilitätsfigur 3D-Modell Stahlbau Visualisierung der Werkzeugpfade zur Erstellung der Stahlspanten Stationen der Hungerburgbahn a Alpenzoo b Kongress c Löwenhaus

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Die neue Standseilbahn verbindet die Innsbrucker Altstadt mit dem Ortsteil Hungerburg und mit der weiterführenden Seilbahn, die Besucher bis auf die Berge der Nordkette transportiert. Für die vier Haltepunkte der Bahn entwickelte das Büro Zaha Hadid Architects eine Familie von Stationen, die sich zwar geometrisch unterscheiden, aber alle aus einem plastisch modellierten Betonsockel und einer frei geformten, gläsernen Dachschale bestehen. Jede Station reagiert auf ihr städtebauliches Umfeld und die lokale Topografie. Auf der Grundlage der digitalen Hüllflächenmodelle erfolgte die Entwicklung adäquater Tragwerke und Konstruktionen in enger Zusammenarbeit von Architekten, Tragwerksplanern und ausführenden Firmen. Pläne und Zeichnungen spielten in diesem gemeinschaftlichen Prozess eine untergeordnete Rolle. Viele Aspekte der Planung waren nur noch dreidimensional zu kommunizieren und wären durch zweidimensionale Projektionen unverständlich geworden. So benötigen etwa computergesteuerte Zuschnittsverfahren die numerische Beschreibung von Werkzeugpfaden, d. h. Geometrie wird zur Koordinatenliste, zur Werkzeugsteuerung und schließlich zum fertigen Objekt. Das gesamte Stahltragwerk wurde dreidimensional modelliert, zur Tragwerksanalyse in Finite-Elemente-Modelle überführt und als Stabwerksmodell untersucht (Abb. 2). Dieser große Abstraktionsschritt vereinfachte die Berechnungen und führte dennoch zu aussagekräftigen Ergebnissen. Das Tragwerksmodell ist somit eine Ableitung des Architekturmodells. Der Sachverstand des Ingenieurs bei der Modellbildung und Fokussierung auf bestimmte Problembereiche ist hierbei von entscheidender Bedeutung. Die tragende Struktur der Stationsdächer besteht aus acht bis zwölf Zentimeter dicken Blechen, die in einem Raster von

1,25 m angeordnet sind und mit einem konstanten Abstand von 60 mm der Außenhülle folgen. Zusätzliche Längsspanten vervollständigen das System zu einem Trägerrost. Nur die Auflagerpunkte durchstoßen die gläserne Hülle und werden im Beton verankert. Einzelne, sehr hohe Stahlspanten mussten dabei im Detail als Flächenmodell betrachtet werden, da die Gefahr des Knickens und Beulens mit größerer Bauteilhöhe zunimmt. Das 3D-Modell diente weiterhin als Grundlage für die computergestützte Fertigung der Stahlbauteile (Abb. 3). Die gekrümmten Umrisslinien der Spanten wurden extrahiert und zu fein aufgelösten Polygonzügen transformiert (Abb. 4.) Die Positionen aller an das Bauteil anschließenden Elemente, wie Aussteifungsbleche, Regenrinne, Querspanten sowie Öffnungen für Schrauben, wurden zusätzlich in Form von Kreisen markiert. In einem Arbeitsgang konnten dann der Umriss und die Löcher geschnitten werden, die auf der Baustelle als präzise Markierungen während der Montage dienten. Koordinaten und Anschlusspunkte wurde als Information direkt auf jedes Bauteil graviert, um die eindeutige Einbausituation zu kennzeichnen. Als Material für die Hülle kam nur Glas in Frage. Die Anforderungen an Brandschutz, thermische Belastbarkeit und Oberflächenqualität machten den Einsatz von glasfaserverstärktem Kunststoff oder Acrylglas unmöglich. Da jedes der Glaspaneele ein zweisinnig gekrümmtes Unikat ist, mussten für ihre Herstellung individuelle Formteile aus einer Schar gebogener Stahlrohre gefertigt werden. Zur Erstellung der Paneele benötigte man jeweils zwei Gläser: Das erste Glas wurde erhitzt und über die Stahlrohre gebogen und diente im Anschluss als Unterkonstruktion für das im zweiten Durchlauf geformte Fassadenelement.

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Ein 3D-Modell diente als Grundlage für den Formenbau. Im Anschluss an die Fertigung wurde jedes Paneel mit einem Laserscanner abgetastet und mit der Ursprungsgeometrie verglichen. Dieser Abgleichungsprozess von digitaler und physischer Realität ist ein wichtiger, immer wiederkehrender Arbeitsschritt. Bei der Verbindung der zweisinnig gekrümmten Glasscheiben der Außenhülle mit den tragenden Stahlspanten darunter wurden die Unterschiede industrieller und digitaler Herangehensweisen deutlich (Abb. 7, S. 84). Konrad Wachsmann beschreibt das Prinzip der Industrialisierung 1959 als »identisch mit dem Begriff der Massenproduktion«. [1] Die vollautomatisierte Fabrik ist erst durch die Produktion »einer großen Anzahl identischer Teile wirtschaftlich«. Dieses Prinzip unterscheidet die Fabrik von der Werkstatt und verändert die Bedeutung des Begriffs Werkzeug, das nicht mehr allgemeines Hilfsmittel für eine Vielzahl von Aufgaben ist, sondern eine spezifische Form-, Stanz- oder Schneidevorrichtung in einer Maschine. Das formgebende Werkzeug ist somit das einzige Original im Herstellungsprozess und indirekt auch das fertige Produkt. Jede Instanz des Produkts ist nur noch eine Kopie. Das Massenprodukt der Serienfertigung muss stets einem abstrakten modularen Koordinatensystem folgen und lässt sich dadurch unbegrenzt kombinieren. Das dazugehörige Ordnungsprinzip beschreibt Wachsmann als modulare Koordination, die sich auf Punkte, Linien, Flächen und Körper bezieht. Jedes Einzelteil innerhalb des Systems ist in sich selbst und in seiner Beziehung zu allen anderen Teilen eindeutig bestimmt. [2] Ist diese Logik des industriellen Bauens implementiert, entsteht einerseits verlässliche und wiederholbare Qualität, wird aber andererseits nur das gebaute Realität, was sich dieser Systematik fügt. Die Industrialisierung »kann nicht als Hilfsmit-

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tel missbraucht werden, um frei erfundene Konzeptionen zu verwirklichen. Sie kann nur als direkte Ursache für die Entwicklungsbestimmung irgendeines Produkts verstanden werden, das als Teil oder in Kombination mit anderen die Ausdrucksform bestimmt«. [3] Diese rigorose Herangehensweise bildet den Grundstein für viele technische Entwicklungen wie den Mero Knoten sowie die Möbel- und Architektursysteme des WachsmannSchülers Fritz Haller. [4] Nur ein im Sinne Konrad Wachsmanns systemischer Ansatz, der geometrische Koordination, Automatisierung und Fertigungstechnologien allumfassend zueinander in Bezug setzt, konnte das Problem

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mit vertretbarem Kosten- und Zeitaufwand lösen. Dabei spielten die neu gewonnenen Freiheitsgrade digitaler Technologien eine entscheidende Rolle. In der Planung mit der ausführenden Firma wurde ein repetitiver Prozess entwickelt, der jedoch seriell differenzierte Bauteile hervorbrachte. Das Potenzial der Differenzierung innerhalb der Serie ist jedoch nur nutzbar, wenn alle Phasen von Entwurf, Planung und Umsetzung durch eine nahtlose digitale Prozesskette miteinander verbunden sind. Natürlich »ist es der Maschine egal«, ob sie eine Kurve oder eine Gerade schneidet, aber Geometriegenerierung, Logistik der Identifizierung von Bauteilen, Montageabläufe und Material-

verbrauch müssen ebenfalls Teil der neuen Systematik werden. Der kontinuierlich digitale Workflow besitzt die gleichen Elemente, die bereits Wachsmann in seiner Forschung beschreibt und analysiert, nur müssen diese an die neuen technischen Möglichkeiten angepasst werden. [5] Für die Glashalter (Abb. 6) ist das Bezugssystem die von den Architekten definierte, komplex gekrümmte Hüllfläche, welche die Umrissform der Stahlspanten definiert. Ein geschlitztes PEProfil sitzt auf den Stahlspanten (Abb. 7) und folgt mit der nach außen gewandten Fläche dem Krümmungsverlauf der gläsernen Hüllgeometrie. Das Detail wiederholt sich im Rhythmus der Span-

Projektbeispiele Hungerburgbahn in Innsbruck

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tenabstände und passt sich gleichzeitig an die lokalen Krümmungen der Bezugsgeometrie an. Im Entwurfsprozess wurde für die Lagerung des Glases zunächst ein serieller Ansatz untersucht: Ein Standardgelenk sollte während der Montage an der Hüllgeometrie ausgerichtet werden. Dieser Justierungsaufwand hätte jedoch schnell die wirtschaftlichen und zeitlichen Vorteile der Serienfertigung zunichte gemacht. Das in der Serie individualisierte PE-Profil besitzt zwar an jeder Einbausituation eine andere Geometrie, der Fertigungsprozess ist jedoch für jedes Teil identisch. Ein digital kontinuierlicher Workflow vom 3D-Modell bis zum Datensatz für die

CNC-Fräsmaschine minimierte den Mehraufwand, den die Profildifferenzierung mit sich brachte. Jedes Profil erhielt eine eindeutige Kennung in Form eines Aufklebers, der Auskunft über Einbauort und Orientierung gab. Diese Information war für die Montage von entscheidender Bedeutung und machte weitere Planunterlagen für diesen Arbeitsschritt überflüssig. Die Differenzierung innerhalb der Serie ist nur durch den Einsatz von Computern möglich. Große Datenmengen lassen sich exakt und automatisiert in viel größerer Geschwindigkeit abarbeiten, als der Mensch es könnte. Eine neue formale und technische Qualität entsteht also

Entwicklungsstufen des Glashalterdetails: schrittweise Vereinfachung vom justierbaren Gelenk bis zur Halterung mit Edelstahlblech und PE-Profil Isometrie Stahlspanten-Dachtragwerk gekrümmte Glasscheiben im Formwerkzeug Dachuntersicht Hungerburgbahn

zunächst durch schiere Quantität. Damit verschiebt sich die Aufgabe für den Entwerfenden vom Erzeugen digitaler oder physischer Objekte hin zum Definieren und Steuern von digitalen Prozessen, die dann in beliebig vielen Iterationen ablaufen können. Klaus Bollinger, Manfred Grohmann, Oliver Tessmann

Anmerkungen: [1] Wachsmann, Konrad: Wendepunkt im Bauen. Wiesbaden 1959, S. 83 [2] ebd. [3] ebd., S. 84 [4] Haller, Fritz: System-Design Fritz Haller – Bauten – Möbel – Forschung. Basel 1989, S. 84 [5] ebd.

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Sanktuarium der Göttlichen Vorsehung in Warschau

Architekten: Tragwerksplanung: ausführende Firma: Fertigstellung:

Szymborski & Szymborski Nazbud, Warschau Warbud SA, Warschau voraussichtlich 2013

Als Abschlusselement des königlichen Traktes in Warschau, der am Schloss in der Altstadt beginnt, entsteht eine neue Kirche. Einfache, sich überlagernde geometrische Figuren dominieren das Bauwerk im Grundriss: ein Kreis als Symbol für Gott und Himmel, ein Quadrat als Symbol für die Erde und ein griechisches Kreuz als Symbol für Christus. Im Kreis angeordnete Schrägpfeiler, die in der Kuppel des Bauwerks zusammenlaufen, stecken das Hauptschiff ab. Die gesamte Konstruktion des Gebäudes ist als Stahlbetontragwerk in Sichtbetonqualität konzipiert, um dem Raum die notwen-

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dige Atmosphäre der Konzentration auf das Wesentliche zu verleihen. Mit seinen inneren Schrägpfeilern der Rahmenkonstruktion und der Altarwand, der »Glockenwand«, ist das Hauptschiff technisch besonders interessant und anspruchsvoll. Das Gebäude ließe sich aufgrund seiner komplexen Geometrie ohne digitale Methoden weder planen noch ausführen. Die Schal- und Bewehrungsplanung sowie die Steuerung des Bau-Projektablaufs erfolgten vollständig rechnerbasiert. Der Entwurf der Architekten entstand in paralleler Bearbeitung zwischen Hand-

skizzen, physischen Modellen und digitaler Modellierung. Mit dem Konzept loten die Architekten das Spektrum zwischen Rationalität, gestalterischer Qualität, Ökologie und weiteren Parametern der Zielmatrix aus. Moderne Technologien der Bauproduktion, wie Schalungssysteme im Baukastensystem in Verbindung mit CNCgesteuerten Maschinen zur Komponentenfertigung, neue fließfähige Betonsorten und Hochleistungsbetone oder geschraubte Bewehrungsstöße, ermöglichen die Realisierung beinahe beliebig gestalteter und sehr schlanker Bauteilfor-

1 Schnitt durch das Hauptschiff mit Darstellung der Schrägstützen 2, 3 Visualisierung der Kathedrale 4 Außenansicht während der Bauphase

Projektbeispiele Sanktuarium der Göttlichen Vorsehung in Warschau

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Projektbeispiele Sanktuarium der Göttlichen Vorsehung in Warschau

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men. Der technologische Fortschritt der Schalungstechnik erlaubt die ökonomische Realisation anspruchsvoller Geometrien. Die Dimensionierung und die Einsatzplanung in der Schalungstechnik werden fast ausschließlich digital durchgeführt. Die komplexe Geometrie des Sanktuariums konstruierten die Architekten in AutoCAD sowohl in der 2D- als auch in der 3D-Umgebung und stellten sie allen Projektbeteiligten in Form von dxf/dwg-Geometriedaten als Grundlage für die weitere Bearbeitung zur Verfügung. Die Ausführungsinformationen werden in Form von Plänen und geodätischen Prüfpunkten auf die Baustelle übermittelt. Das Hauptschiff des Sanktuariums bildet eine kombinierte Rahmen-Plattenkonstruktion, deren markantes Element die 26 inneren Schrägpfeiler sind. Sie weisen einen veränderlichen, gegliederten Querschnitt auf und laufen auf Ebene +59,20 m zusammen. Ein Innenring in Form eines abgerundeten Dreiecks und eine Konsole bilden das Auflager für die Kuppelkonstruktion. Die Schalungsplanung gliedert sich in zwei grundlegende Arbeitsschritte. Zunächst erfolgte der Entwurf der Schalungskonstruktion mit einer unternehmensspezifischen Software des Schalungslieferanten. Im folgenden Schritt wurden die einzelnen Komponenten mithilfe eines weiteren Programms (Robot Millenium) dimensioniert. Dieses ist mit einer Herstellerdatenbank gekoppelt, die sowohl Elemente des Baukastensystems als auch weitere Standardkomponenten aus den Bereichen Stahl- und Holzbau katalogisiert. Der Schalungslieferant bearbeitet die dwg-Zeichnungen des Architekten zunächst mit seiner eigenen Software und überträgt die Daten dann manuell in die Dimensionierungssoftware. Leider ist der Datenfluss noch von Redundanzen und manuellen Eingriffen in die 88

Datenstrukturen geprägt. Eine Vereinheitlichung der Austauschformate wird in der Zukunft zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führen. Als erster Bauabschnitt wurden die inneren Schrägpfeiler erstellt. Bis sie das Auflager auf mittlerer Höhe erreichten und an den Ringanker über den Außenstützen angebunden werden konnte, waren sie statisch labil. Daher übernahm eine temporäre Stahl-Raumfachwerk-Konstruktion (Abb. 5) mit einem Durchmesser von 33 m und einer Höhe von 20 m im Inneren des Bauwerks die Kräfte in unterschiedlichen Bauzuständen. Das Raumfachwerk bildet die Substruktur für die Bodenschalung, die mit einer Rahmentafelschalung belegt wurde. Aussparungskörper auf den Rahmenschalungselementen definieren die endgültige Form der Pfeiler. Die Aussparungskörper werden auf der Grundlage von im Maßstab 1:1 geplotteten Computerzeichnungen in einer Werkstatt gefertigt. Neben der komplexen Schalungskonstruktion ist die Bewehrungsführung eine weitere Herausforderung. Sie darf die Schlankheit des Bauteils nicht beeinträchtigen und wird daher zum Teil mit geschraubten Muffenstößen ausgeführt, die verhindern, dass Bewehrungsstahl sich überlagert. Eine räumlich gekrümmte Freiform aus Stahlbeton bildet die Altarwand. Die Architekten erzeugen damit die Impression fließender Materie. Wie schon beim Entwurf der Stützpfeiler, wurde auch dieses Bauteil mit AutoCAD entwickelt und wurden die Daten als Grundlage für die Fertigung mit geeigneten Werkstoffen und Systemen an die Konstrukteure weitergegeben (Abb. 6). Diese Daten bilden die Grundlage für die Modellierung der Schalungskörper im Computer. Deren Komponenten werden mithilfe CNC-gesteuerter Fräsen präzise vorgefertigt und zu Scha-

Projektbeispiele Sanktuarium der Göttlichen Vorsehung in Warschau

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lungskörpern gefügt. Auf der Grundlage der baubetrieblichen Parameter wie Bauzeit, Ressourceneinsatz, Gerätedisposition oder Budget wird die gesamte Schalungseinsatzplanung digital entwickelt. Um eine exakte Negativform des frei geformten Betonkörpers bilden zu können, ist aber trotz der präzisen Vorfertigung ein großes handwerkliches Geschick erforderlich. Das Schalungskonzept setzt die Geometrie der Freiform in einer Ausführung des Bauteils in mehreren Höhenabschnitten um. Hierbei setzt man eine sogenannte Gelenkriegelschalung ein, die durch eine stufenlose Anpassbarkeit besonders variabel ist und für die Ausführung gekrümmter Stahlbetonkonstruktionen entwickelt wurde. Auf die Gelenkriegelschalung werden Aussparungskästen positioniert, welche die Krümmung der Bauteilgeometrie erzeugen. Die Komponenten der Aussparungskästen – Holzknaggen und Schalhautplatten – wurden mit der Software des Herstellers erzeugt, analog zu den Schrägpfeilern. Bedingt durch die komplexe Geometrie war es nötig, jede einzelne Knagge der Aussparungskästen individuell zu konstruieren und sie anschließend mit CNC-gesteuerten Holzbearbeitungsmaschinen zu fertigen (Abb. 10, S. 90). Die Sicherung der Maßhaltigkeit der Freiformen erfolgte durch eine digitale geodätische Kontrolle nach Erstellung der Schalung, während des Betonierens und nach dem Betoniervorgang. Der Trend zu immer schlanker und dadurch deutlich dichter bewehrten Bauteilen sowie zur Gestaltung von Bauteilen als Freiformen führt zur Entwicklung neuer fließfähiger, leichtverarbeitbarer Betone, die keine oder nur eine geringe Verdichtungsenergie erfordern. Diese Eigenschaft vereinfacht die Prozesse auf der

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Baustelle und schaltet eine Quelle für eventuelle Qualitätsbeeinträchtigungen aus. Daher empfiehlt sich ihr Einsatz v. a. bei Sichtbetonkonstruktionen. Ein besonders interessanter Werkstoff ist der Selbstverdichtende Beton (SVB), dessen Ausbreitmaß bei a > 700 mm liegt. Dieser Beton benötigt keine Verdichtungsenergie, denn er entlüftet während des Fließvorgangs in die Schalung von selbst. Seine Produktion erfolgt in Betonmischanlagen, die computergesteuert und mit Sensoren ausgestattet sind, um den Wassergehalt der Zuschlagstoffe exakt zu bestimmen. Die reinen Materialkosten für fließfähige Betone liegen deutlich über den Materialkosten für übliche Rüttelbetone. So kann der Preis pro m3 Beton für einen SVB im Vergleich beim bis zu dreifachen Wert liegen. Rationalisierungen in den Verarbeitungsprozessen, u. a. durch Reduktion der Anzahl der Arbeitskräfte innerhalb des Arbeitssystems, sowie der Entfall der Verdichtungsgeräte kompensieren diese höheren Kosten allerdings.

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In die Projektorganisation, welche durch die vom Bauherrn/Auftraggeber vorgegebene Vertragsstruktur bestimmt wird, sollten in den frühen Projektphasen (Entwurfsphase) der Architekt und der Tragwerksplaner eingebunden und Kriterien wie die Folgenden berücksichtigt werden: [1]

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Bauzustand des Sanktuariums Stahlkonstruktion zur Schalungsabstützung und erster Herstellabschnitt Ansicht der Schalungshaut der Altarwand Schrägpfeiler im geschalten Zustand Schrägpfeiler ausgeschalt und selbsttragend

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Projektbeispiele Sanktuarium der Göttlichen Vorsehung in Warschau

digitale Prozesse

Fertigungsprozesse

CAD-Bauteilmodellierung

System-/Werkstoffauswahl

CNC-Maschinenfertigung

CAD-Modellierung der Negativform (Schalung)

Schalungs-Grundmontage

• Schalungstechnik: Beratung zur Auswahl von Schalungssystemen (einschließlich Tragfähigkeit in Abstimmung mit dem Betontechnologen, Schalungshaut, Schalungsanker, ggf. Betontrennmittelempfehlung) • Betontechnologie: Beratung zum Mischungsentwurf, Einbaubedingungen, Einbauleistung, Arbeitsfugenanordnung, Nachbehandlung, Betontrennmittel • Betonherstellung und -lieferung: Qualität der Betoninhaltsstoffe, Bedingungen für das Mischen, Liefer- und Verbrauchsrhythmus des Frischbetons, Verträglichkeit des Betons mit dem Betontrennmittel und der Schalungshaut • Bauausführung: qualifizierte Beratung bezüglich der Randbedingungen und Anforderungen an die Bauausführung (Baustelle), auch wenn das ausführende Unternehmen noch nicht feststeht Im Schalungsmusterplan sollen u. a. folgende Größen angegeben werden: • Angaben zum gewählten Schalungssystem • Anordnung und Ausbildung der Schalelemente (Schalelementstöße) • Anordnung der Schalungshautstöße • Anordnung und Ausbildung der Anker und Ankerstellen

Schalungseinsatzplanung

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Schalarbeiten

Angaben bezüglich der Schalungshaut: • Schalungshauttyp und Qualität • Ausbildung der Schalungshautbefestigung Angaben bezüglich der Fugen: • Anordnung und Ausbildung der Arbeitsfugen • Anordnung und Ausbildung von Bauteil-/Angaben bezüglich Dehnungsfugen • Anordnung weiterer Flächengliederungselemente (z. B. Schattenfugen)

Projektbeispiele Sanktuarium der Göttlichen Vorsehung in Warschau

• Kantenausbildung, Blindanker, Einbauteile Toleranzen: • zulässige Maßabweichungen auf Normengrundlage (DIN 18 202) weitere Angaben: • zulässiger Frischbetondruck Durch den kombinierten Fortschritt in der grafischen Datenverarbeitung, in der Beton- und Bewehrungstechnologie sowie der Schalungstechnik existieren heute kaum Grenzen in der Gestaltung von Stahlbetonbauteilen. Die Präzision ist dank moderner Vermessungstechnik hoch, da man die Bauteile einem permanenten Monitoring während der Bauausführung unterzieht. Da die Fortentwicklung der Beton- und Schalungstechnologie die Ausführung beständig vereinfacht, kommen komplex geformte, auf spezifische statische Situationen abgestimmte Bauteile immer häufiger zum Einsatz. Christoph Motzko Anmerkung: [1] GSV-Publikation: Empfehlungen zur Planung, Ausschreibung und zum Einsatz von Schalungssystemen bei der Ausführung von »Betonflächen mit Anforderungen an das Aussehen« Ratingen/ Darmstadt 2005

10 computergestützter Workflow eines Schalungsprozesses 11 Gestalt nach Fertigstellung in Sichtbeton

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Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

Architekten: Fertigstellung:

Toyo Ito & Associates, Architects (TIAA), Tokyo voraussichtlich 2014

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Das Planungskonzept für das Taichung Metropolitan Operahouse geht auf einen Wettbewerbsentwurf derselben Architekten für das Gent Cultural Forum (GCF) aus dem Jahr 2004 zurück (Abb. 4 und 5). Es versteht das Thema Kulturzentrum nicht als entkoppelten Ort, sondern als Teil der Stadt. Die Zusammenführung der sogenannten Stadthöhle und Klanghöhle wird aus dem Ort heraus entwickelt und nicht theoretisch »übergestülpt«. Die innerstädtische geradlinige Stadtstruktur in Taichung wird durch einen öffentlichen Park kontrastiert und ermöglicht einen offenen Stadtraum, aus dem sich die

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eigentliche Stadthöhle entwickelt (Abb. 1). Das Aquarell von Toyo Ito zeigt seine Vorstellung von einer Gebäudestruktur, die horizontal und vertikal von eingehausten Wegen durchzogen ist (Abb. 6). Stadt- und Klanghöhlen sowie Verbindungen zu Park und Dachgarten erzeugen fließende Übergänge zwischen Innen und Außen. Toyo Ito formuliert seine gestalterische Vision mit einem klaren Statement zum Potenzial der digitalen Technologien: »Die Architektur, die ich anstrebe, verändert euklidische Geometrie zu einer nicht-

Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

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linearen Geometrie, die auf der Natur basiert, weil ich spüre, dass die Menschen ihr Gefühl und ihre Vitalität in den allgegenwärtigen rasterförmigen städtischen und architektonischen Räumen verlieren. Computertechnologie befreit die Architektur von der euklidischen Geometrie. Sie ermöglicht die Realisation des instabilen Flusses von bewegten Körpern und die komplexe Balance von wachsenden Pflanzen im architektonischen Raum. In der heutigen Welt werden Gebäude zu ›Gebrauchswaren‹ im Schema der Ökonomie und Informationsmedien reduziert; was wir in der Architektur suchen, sind

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Räume, die wirklich lebendig sind, die uns physisch vereinnahmen. Jetzt, da ich eine Rückkehr in die Vergangenheit propagiere, nutze ich die neuen Technologien, um den ›neuen wirklichen‹ Traum über den Modernismus hinaus zu verwirklichen«. [1] Der Planungsprozess für das Taichung Metropolitan Operahouse demonstriert alle Stufen einer digitalen Planung von der digitalen Übersetzung analoger Skizzen, der softwarebasierten Simulation und Optimierung bis hin zur rechnergesteuerten Fertigung des Baus. Das komplexe Gebäudekonzept wäre ohne digi-

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Neu angelegter Park, der das Opernhaus in den Kontext einbettet; die Übergänge von Gebäude zu Grünraum werden fließend formuliert und orientieren sich an Mies van der Rohes Vorstellungen vom offenen Raum, bei dem die Grenzen zwischen Innen und Außen aufgehoben werden. Maßstab 1:2500 2, 3 Schnitte 4 Der städtische Raster wird den inneren und äußeren Bedingungen angepasst und prägt die Stadthöhle. 5 Wettbewerbsmodell des Vorläufer-Projektes für die Stadt Gent, das eine fließende Anbindung der Altstadt anstrebt 6 analoge Arbeitsweise Toyo Itos in Form von sehr plastischen Handskizzen 7 digitale Transformation zu räumlichen Computermodellen

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Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

B A

B A 8

tale Methoden nicht umzusetzen. Die Formfindung durch Minimalflächenprogramme, die Optimierung des Tragwerks durch Simulationssoftware und die Nutzung akustischer Parameter zur Geometriebestimmung sind Kennzeichen eines durchgängig rechnerbasierten Entwurfsprozesses. Die vollkommen neue Raumgestaltung schafft fließende Übergänge zwischen Boden, Wand und Decke; die Räume gleiten ineinander (Abb. 13). Die Inspiration für diese Formentwicklung liegt in Konzeptmodellen (Abb. 8), in denen ge-

spreizte Membranflächen eine kontinuierliche räumliche Gliederung erzeugen. Um das Raumprogramm als Leitlinie der Formgebung zu nutzen, ist eine bauliche Ordnung erforderlich, die über den gesamten Planungsprozess flexibel auf Änderungswünsche reagiert. Daraus resultiert eine Struktur, die sich wie ein lebender Organismus inneren und äußeren Zwängen anpasst. Das ordnende Raster ist nicht mehr kartesisch, sondern selbsterzeugend (emergent) und organisch. Ein einzelner Spezialist führt die 3D-Modulation durch. Nachdem jeder beteiligte

Planer in seinem Bereich Untersuchungen vorgenommen hat, werden die minimalfunktionalen Anforderungen in einem Computermodell zusammengeführt und Überschneidungen der Programmflächen überprüft. Um die anspruchsvolle Geometrie in eine handhabbare Planung zu überführen, entwickelt man zunächst ein grobes Kreisraster, das abwechselnd versetzt Stadthöhle und Klanghöhle voneinander trennt (Abb. 14). Für eine optimale räumliche und statische Dimensionierung wird ein räumlich abstraktes, digitales sogenanntes Voronoi-Rastermodell erstellt (Abb. 15). Die Auswirkungen lokal

selbsterzeugendes Raster 1 1’ +22,5 m Loft

+7,5 m 3

2 2’ 1’ 1

2’ 2

selbsterzeugendes Raster

fertige Oberfläche 10

grobe Struktur 9

geglättete Oberfläche 11

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Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

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erforderlicher Grundrissanpassungen auf die Gesamtstruktur lassen sich durch Aktivpunkte des digitalen Gebäudemodells steuern. Die Aktivpunkte sind assoziativ mit der sie umgebenden Modellstruktur vernetzt, Veränderungen wirken sich also punktübergreifend aus. Die Zwischenschritte werden regelmäßig mit dem Raumprogramm überlagert (Abb. 16), dann in einzelne dreidimensionale Bauteile übertragen (Abb. 17) und geglättet. Die recheneffiziente Methode resultiert in ähnlichen, immer wiederkehrenden Minimalflächen, den sogenannten Katenoiden. Sie bilden sowohl eigene Raum-

zonen als auch leistungsfähige Tragwerksteile. Durch ihre Stapelung entsteht der Gesamtkörper der Oper (Abb. 9). Ein Glättungsalgorithmus erzeugt schließlich das fließende Erscheinungsbild des Innenraums (Abb. 10). Da das Opernhaus als öffentlicher Raum konzipiert ist, entsteht ein komplexes Gebilde, das statische Gesichtspunkte, Sicherheitsaspekte, akustische Anforderungen und Kriterien der Behaglichkeit erfüllen muss. Die Entwicklung von Bauund Strukturentwurf steht in direkter Abhängigkeit. Ein übergreifendes Daten-

8 Grundprinzip der Raumbildung am Modell 9 Durch Stapelung und Addition der Katenoide entsteht eine Gesamtstruktur aus individuell bestimmten Einzelteilen, die anschließend in einem eigenen Berechnungsprozess zu einer Struktur geglättet wird. Bei jeder Veränderung eines Einzelteils kommt es zu einer parametrisch gekoppelten Veränderung des Gesamtsystems. Da sich dieser Prozess häufig wiederholt und sehr rechenintensiv ist, wird ein abstrahiertes Voronoiraster mit Kontrollpunkten genutzt. 10 Glättungsvorgang eines einzelnen Katenoids 11 Addition mehrerer Katenoide 12 3D-Modell der Oberfläche 13 Rendering des Innenraums 14 gleichmäßiges Raster mit Kreisen 15 flexibles Raster: selbsterzeugendes Raster 16 anfängliches Raster auf einem groben Plan 17 Lagen des selbsterzeugenden Rasters

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A

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Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

modell visualisiert die daraus resultierenden Anforderungen und Konsequenzen. Die Grundkonstruktion besteht aus den beschriebenen Katenoiden, die über das Voronoi-Modell geometrisch kontrolliert werden. Um die Gesamtstruktur zu optimieren, wird die Wandungsstärke der Katenoide minimiert. Die Geometrie hat eine maximale Konstruktionseffizienz, wenn man lotrechte Elemente vermeidet, da die mehrsinnig gekrümmten Bauelemente ein flächenaktives Tragwerk ohne hohe Kerbspannungen ausbilden. Eine herkömmliche Leitungsführung in Decken und Schächten ist somit nicht möglich,

weswegen die Leitungsführung gesondert zu entwickeln und räumlich zu kontrollieren ist. Jede Veränderung von Einzelkomponenten hat Auswirkungen auf die ganze Struktur. Ein parametrisches Gesamtmodell steuert diese komplexen Abhängigkeiten. Bereits in einer frühen Projektphase koppeln die Architekten die Strukturentwicklung des Gesamtmodells mit einer Finite-Elemente-Berechnung des Tragwerkplaners Arup und optimieren sie konstruktiv nach Bedarf durch eine geo-

-20,00 20,00 60,00 100,00 140,00 180,00 220,00 260,00 300,00 340,00 380,00 420,00 ≈ 1.0E+06 18

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metrische Veränderung. Da es für einen derartigen Stahlbetonbau bisher kein Vorbild gibt, entwickelte Arup einen neuen Optimierungsalgorithmus, der die Betonmenge der Katenoidwände und die Stahlmenge reduziert. Die umfangreichen Berechnungen erfordern den Einsatz von Hochleistungscomputern. Die Isometrie in Abb. 18 zeigt räumlich die Tragwerksspannungen, die auftreten, wenn einzelne Katenoide einfach überlagert und mit immer gleicher Wandstärke ausgeführt werden. Um diese Spannungen auszugleichen, gilt es die Wandstärke und die Armierung der je-

Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

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FEM-Analyse Strukturmodell mit geglätteten Wänden Spannungsdiagramm der Katenoidstruktur Strukturmodell mit vertikalen Schächten Wettbewerbsmodell im Rapid PrototypingVerfahren erstellt, im Maßstab 1:200 23 Das Innenraummodell im Maßstab 1:100 wurde auch aus Aluminiumdraht-Geflecht erstellt. 24 Handelsübliche Styrodurplatten (t = 10 mm) werden mit einem Schneidplotter zugeschnitten, verklebt und manuell zu homogenen Oberflächen weiterbearbeitet – M 1:100. 25 Modell (Maßstab 1:50) aus handelsüblichen, mit einem Schneidplotter ausgeschnittenen 20 mm dicken Styrodurplatten

weiligen Situation anzupassen. Wegen der engen Krümmungsradien geht man bei der Dimensionierung zunächst von relativ dicken Katenoid-Wänden aus. Die Finite-Elemente-Modell-Analyse verdeutlicht, dass sich das Eigengewicht der massiven Wände negativ auswirkt. Daraufhin wird die Wandstärke für den Einzelfall berechnet und dimensioniert. Das Eigengewicht lässt sich durch die Einlage von leichten Volumenkörpern bei gleichbleibender Konstruktionshöhe reduzieren. Die Geometrie der Katenoide und damit der Konstruktion wird auf die Anforderun-

gen des Sekundärsystems abgestimmt. Dafür werden Aufzüge, Vertikalschächte und Fluchtwege zwischen den Katenoiden angeordnet (Abb. 19 –21). Informationen aus diesen sekundären Baukomponenten, wie z. B. Spannungsbestimmungen zur Erdbebenstandsicherheit, fließen zusätzlich in das Strukturmodell ein; auf der Grundlage aller Teilinformationen nimmt man schließlich die Strukturanalyse vor. Nach der Formfindung der Katenoide werden weitere Strukturparameter wie z. B. Armierungsquerschnitte festgelegt.

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Trotz scheinbar perfekter Simulationsmöglichkeiten am Rechner ist das analoge Modell noch immer die schnellste Möglichkeit, Raum und Architektur zu überprüfen und Einigkeit über zu verfolgende Planungsziele herzustellen. Aus diesem Grund erstellten die Architekten parallel zur virtuellen Simulation physische Modelle. Freie Formen lassen sich analog nur ungenau fertigen, während digital gesteuerte Modellbautechnologien schneller, flexibler und präziser sind. In der Wettbewerbsphase haben TIAA Rapid Prototyping-Verfahren genutzt, wobei die CAD-Planung die Daten zur

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Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

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Ansteuerung des Gipsplotters lieferte. Da Rapid Verfahren (siehe Kapitel »Fertigungstechnologien«) in der Größe limitiert sind, werden in der Weiterentwicklung des Projekts auch CNC-Fräsen, -Schneidplotter und -Laserschneider verwendet, welche die Herstellung größerer Bauteile zulassen. Diese werden anschließend handwerklich weiterbearbeitet und gefügt. Dank dieser parallelen analogen und digitalen Methode erhält das Team von Toyo Ito schnelle Rückkopplungen im Planungsverlauf.

Beleuchtungsszenarien, Lichtverläufe und eine Evakuierung mithilfe von Simulationssoftware berechnet und optimiert. An einem großen Datenmodell führt man die Teilaspekte der Einzelsimulationen zusammen. In einem Opernhaus sind perfekte Klangräume erforderlich. Die Form des großen Opernsaals wird zunächst über funktionale Kriterien für Besucher entwickelt, wie Erschließung und Sichtachsen. Die daraus resultierenden statisch sinnvollen Krümmungsradien der Raumhülle stimmt man mit den Anforderungen der Bauakustik ab, die darauf abzielt, die Schalllenkung und die Nachhallzeiten zu optimieren. Um eine hohe akustische Qualität zu erzielen, muss sich der Klang als Direktreflexion verbreiten. Um dies zu

Die TGA-Planung des großen Opernsaals ist wegen der vielfältigen Anforderungen besonders komplex. Die verschiedenen Ingenieurteams nutzen jeweils spezifische Programme. Neben einer durchgeführten Klimatisierungssimulation werden

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realisieren, setzt die Firma Nagata Acoustics eine eigens entwickelte Computersimulation ein; mit ihrer Hilfe lassen sich Sitzplätze mit mangelhafter oder übermäßiger Tonreflexion identifizieren. Auf der Grundlage der Resultate wird die Gesamtform partiell modifiziert und um Reflexionswände ergänzt. Die Akustiksimulation (Abb. 28 – 30) veranschaulicht die Reflexionsausbreitung anhand von Vektoren, damit der Laie den Schallverlauf nachvollziehen kann. Um die Erkenntnisse aus der virtuellen Simulation zu verifizieren und zu verbessern, wird ein begehbares akustisches Messmodell im Maßstab 1:10 angefertigt. Die Messungen am Modell bestätigen in der Regel die Berechnungen der Akustiker. Um die Tonqualität zu verbessern, erfolgt eine Feinjustierung der Oberflächengeometrie

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Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

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und -materialität. Die beschriebene Rückkopplung zwischen der Computersimulation und dem physischen Messmodell ist wichtiger Teil des digitalen Prozesses.

tion aus einer tragenden, mit dem CNCLaser geschnittenen Stahlkonstruktion entwickelt, die beidseitig mit Spritzbeton umhüllt wird. Diese definiert die Geometrie. Auf komplizierte Schalungsformen wird verzichtet. Jedoch erwies sich ein reines Stahltragwerk als zu kostenaufwendig. Die Weiterentwicklung sieht eine Stahl-Beton-Verbundkonstruktion vor. Die sandwichartige Konstruktion besteht aus individuell berechneten spantenförmigen Trägern, die die Geometrie und Wandstärke vorgeben. Sie werden mit dem CNC-Laser aus Stahlblech geschnitten und anschließend mit aufgeschweißten Flanschen versehen. Die Schalenform setzt sich aus einer 2-achsig gekrümmten Armierung (Abb. 36, S. 100) und einer Streckmetall-Vorsatzschale zusammen. Die Armierungsschale wird mit Spritz-

Um die Oper zu bauen, sucht man nach einer effizienten Bauweise für die aufwendige Geometrie der selbsttragenden Katenoide. Da es in Asien keine Erfahrungen mit vergleichbaren tragenden Betonschalen dieser Größenordnung gibt, hat von Planungsbeginn an ein intensiver Gedankenaustausch zwischen Cecil Balmond vom Büro Arup und Toyo Ito stattgefunden, in dem unterschiedliche Ausführungsvarianten analysiert wurden. Die Simulationen der schwierig erfassbaren Abhängigkeiten sind ohne Computerberechnungen nicht möglich. Zu Beginn der Planung wird eine Schalenkonstruk-

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26 Sichtachsensimulation 27 Luftstromsimulation in Grundriss und Schnitt 28 – 30 Schallreflexionsanalyse in Grundriss, Querund Längsschnitt 31 Lichtsimulation am Modell 1:100 32 CNC-Fräse erstellt das akustische Messmodell 33 Modell 1:10 mit CNC-gefräster Unterkonstruktion und handwerklicher Beplankung nach exakten Planungsvorgaben zur Messung von Schallund Lichtverläufen und zur Feinjustierung der Flächengeometrien und der Oberflächen 34 Messmodell 1:30 gespachtelt und ergänzt durch handwerklich gefertigte Möblierung und Einbauten 35 begehbares Messmodell

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Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

Alle übrigen strahlenförmigen Rasterlinien können einfach durch Spiegeln und Rotieren erzeugt werden.

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Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

32,0 m

Messpunkt 1

Messpunkt 2

27,5 m 22,0 m

15,8 m 11,5 m

ca. 8 m

7,5 m 0,0

m

Messpunkt 3 38

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beton geschlossen. Ortbeton verfüllt die entstandene Hohlkammer. Eingelegte Hohlkörper reduzieren partiell die Masse. Die erstellte Schalenform wird mit Spritzputz versiegelt und manuell geglättet. Der Schnitt durch den Saal des Opernhauses zeigt, dass die Technikeinbauten in die gekrümmte, tragende KatenoidKonstruktion eingebunden sind (Abb. 37). Die Katenoide sind Tragwerk, Hülle und Leitungsführung zugleich. Jedes Katenoid ist auf die jeweiligen Bedürfnisse hin optimiert und in Dimension und Ausformung unterschiedlich. Die verlorene Schalung aus Spritzbeton muss dem

Betondruck des eingebrachten Fließbetons standhalten. Der Verbund aus Stahlträgern mit beidseitiger Beplankung und Beton zu einer räumlich wirkenden Schalungskonstruktion heißt TrusswallConstruction.

2m Messpunkt 4

ein Teil des Fachwerks 36 Planung der formbestimmende Armierung 37 Schnitt durch den Konzertsaal M 1:400 38 vorkonfektionierte Armierung für den Bau einer Katenoidwand 39 Armierung als Formgeber für das Katenoid 40 Modell des Innenraums

Vor Baubeginn dient ein Anschauungsmodell im Maßstab 1:1 in der Dimension 2,2 m Breite und 3,5 m Höhe dazu, die Funktionsweise der neuen Bautechnik unter Beweis zu stellen. Die Architekten haben in den vergangenen Jahren bereits Bauten mit mehrsinnig gekrümmten Flächen realisiert, jedoch in deutlich kleine-

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101

Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

Schritt 1: Modellanalyse

ja

ε

Schritt 2: Auswertung der Achs- und Biegungsbeschaffenheit der unzureichenden Elemente

ε

Fehler?

nein

CT ST

ε SB ε CB

reine Kompression

reines Biegen

reine Zugspannung

Schritt 3: Auswahl der Dicke und der Armierung abhängig von der Auswertung in Schritt 2, Erweiterung der Armierungsdicken-Matrix durch zusätzliche Regeln

Armierung

400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700 725 750 775 800 D13 @ 100 • D16 @ 100 • D19 @ 100 •

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• •

optimiertes Ergebnis

• •

•

a) bei der Optimierung verwendet, abhängig vom Belastungszustand der Biegung und Achsen

•

b) wie a), nicht verwendet für Bereiche über 5F c) nicht verwendet wegen erforderlicher Mindest-Armierung

41 a

ε ε

Auswirkungen auf die Festigkeit nach Zugabe von Armierung oder Dicke

ε ε

CT ST SB CB

reine Kompression

reines Biegen

reine Zugspannung

10 000

Zugabe von Armierung Zugabe von Dicke 8000

6000

4000

Für die durch Biegen beherrschte Kompression der Achse ist die Zugabe von Armierung gleich effizient oder effizienter als die Erhöhung der Dicke. -1000 -900 -800 -700 -600

b

102

2000

-500 -400 -300 -200 -100

-2000

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900 1000

Projektbeispiele Taichung Metropolitan Operahouse in Taiwan

41 Optimierungsalgorithmus zur Reduktion der Armierung a Optimierungsprozess b Lösungsanalyse 42 a digitale Schalungsplanung b Erstellung der vorkonfektionierten Armierung c Montage der feinmaschigen Armierungsschale aus Streckmetall d Aufbringen des Spritzbetons e abgeschlossenes Mock-up im Stützgerüst

ren Dimensionen. Die Komplexität und tragwerksplanerische Herausforderung der Oper übertrifft diese jedoch bei Weitem. Deshalb wird nach einer Methode gesucht, die es ermöglicht, die am Computer geplante Formgebung im Bau effizient umzusetzen. Im architektonischen Entwurfsprozess kommt es immer wieder zu Rückkopplungen mit früheren Planungsphasen. Gebäude mit einfachem Rastersystem lassen sich mit geringem Aufwand den veränderten Bedingungen anpassen; um jedoch den Entwicklungsverlauf eines komplexen Gebäudes zu steuern, muss man die Transformationsund Modifikationsprozesse sehr effizient gestalten. Das Team von TIAA entwickelt eine neue Planungssystematik, die einfache Anpassungen der komplexen Struktur zulässt. Das Ziel ist nicht die Erzeugung eines komplexen Raums, sondern eines gänzlich neuen architektonischen Systems. Die Organisationsstruktur der Planung ist bei diesem Projekt stark verzweigt. Sein Innovationsgrad und die Abwicklung in unterschiedlichen Ländern – Japan (Planung), Taiwan (Bau) und England (Consulting) – machen eine effiziente, ebenfalls durchgängig softwarebasierte, Steuerung der Planung erforderlich. Es wurde daher ein vollständig integriertes BIM (siehe Kapitel »Planungstechnologien«, S. 35ff.) aufgesetzt, das alle beteiligten Planer in Echtzeit vernetzt und Änderungen kommuniziert. Shozo Motosugi und Yasuaki Mizunuma

Anmerkung: [1] Übersetzung nach: Futagawa, Yukio: Toyo Ito: Recent Project. Tokyo 2008

a b

c d

42 a

b

c

d

e

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Glossar 3D-Laserscan-Technologie Mit einer zeilen- oder rasterartigen Laserabtastung von Oberflächen oder Körpern können diese vermessen und in ein digitales Volumenmodell übersetzt werden. Anschließend können die Daten bearbeitet oder zur Bilderzeugung verwendet werden. 4D-Simulation Mit einer 4D-Simulation kann die zeitliche Bauabfolge der Baukonstruktion visualisiert werden. Einbaureihenfolgen und Schnittstellenprobleme lassen sich auf diese Weise besser als im klassischen Terminplan darstellen. Auf Basis objektorientierter Arbeitsweisen wird der Terminplan mit dem IFC3D-Modell verbunden und ermöglicht so die 4DSimulation. Assoziative Vernetzung Herstellung einer definierten Kopplung von Elementen, sodass bei einer Änderung alle vernetzten, betroffenen Elemente automatisch mitverändert werden. BIM (Building Information Modeling/BauwerksInformations-Modell) Beschreibt den Prozess, Gebäudedaten zu generieren und während des Gebäudelebenszyklus zu verwalten. Typischerweise wird eine 3D-/Echtzeit/ dynamische Gebäudemodellierungssoftware genutzt, um die Produktivität in Gebäudeentwurf und -konstruktion zu steigern. Dieser Prozess produziert das Bauwerks-Informations-Modell (kurz BIM), welches die Geometrie, die räumlichen Zusammenhänge, geografische Informationen und Mengen sowie die Eigenschaften von Gebäudekomponenten umfasst. Binäre Zeichenkette ist eine aus zwei Ziffern (z. B. 0 und 1) zusammengesetzte Informationseinheit. Blob-Architektur Als Blob-Architektur, Nicht-Standard-Architektur oder Freiform-Architektur werden Bauten und Entwürfe bezeichnet, die komplexe, fließende, oft gerundete und biomorphe Formen aufweisen, die auf Freiformkurven (Splines) beruhen und erst durch moderne Entwurfssoftware für Architekten denkbar werden. Bördeln ist eine Umform- und Verbindungstechnik basierend auf der Falztechnik. Brainstorming ist eine Ideenfindungsmethode zur Erzeugung von neuen, ungewöhnlichen Ideen in einer Gruppe von Menschen. Computerized Numerical Control (CNC) Die »computergestützte numerische Steuerung« ist eine elektronisch basierte Methode zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen. Computer-aided (architectural) design (CAD/CAAD) bezeichnet den rechnergestützten Entwurf oder die rechnerunterstützte Konstruktion. Die Zeichnung wird dabei rein zweidimensional (2D) oder als dreidimensionales Modell des Objekts entwickelt. Aus einem 3D-Modell können wiederum klassische Zeichnungen abgeleitet werden. Computational Fluid Dynamics (CFD) (deutsch: numerische Strömungsmechanik) ist eine etablierte, approximative Berechnungsmethode der Strömungsmechanik. Die benutzten Modellgleichungen sind meist Navier-StokesGleichungen, Euler-Gleichungen oder Potenzialgleichungen. Die numerische Strömungsmechanik bietet für komplexe Fälle eine kostengünstige Alternative zu Windkanal-Versuchen.

Conceptual Map Im Unterschied zur klassischen Begriffslandkarte (Mind Map) werden die Beziehungen zwischen den Begriffen genauer spezifiziert, um die Art des Zusammenhangs zu beschreiben. Data Mining (englisch für »Daten schürfen«) steht für die systematische Anwendung von Methoden auf einen Datenbestand mit dem Ziel der Mustererkennung. DGNB Zertifikat Das DGNB Zertifikat wurde von der DGNB in Zusammenarbeit mit dem BMVBS, das 2001 den Leitfaden Nachhaltiges Bauen herausgab, entwickelt. Es wird durch ausgebildete DGNB-Auditoren vergeben und bewertet die Nachhaltigkeit eines Gebäudes durch eine Lebenszyklusbetrachtung seiner ökonomischen, ökologischen, soziologischen und funktionalen Aspekte. Echtzeit Das Zeitverhalten kann in einem Simulator je nach Darstellungszielen gerafft oder gestreckt werden. Entspricht die Simulationszeit dem zeitlichen Ablauf in der realen Welt, so spricht man von einer Echtzeitsimulation. Effizienz kann als Quotient aus einem gewünschten Nutzen und dem dazu geleisteten Aufwand beschrieben werden. Je geringer der Aufwand und/oder höher der Nutzen, desto effizienter der Prozess der Erstellung. Elektropneumatische Pressen verbinden elektrische Bauteile zur Steuerung mit Bauteilen der Pneumatik (zum Beispiel durch elektrisch betriebene Ventile). Das Arbeitsmedium (meist Druckluft) wird durch elektrische Signale gesteuert. Elektropneumatische Steuerungen erlauben wesentlich komplexere Funktionen, insbesondere durch Verwendung elektronischer Schaltungen wie z. B. speicherprogrammierbare Steuerungen. Euklidische Geometrie Die euklidische Geometrie ist die uns vertraute Geometrie der Ebene, des Raums und seiner darin enthaltenen Objekte (Punkt, Linie, Gerade, Kreis, Vieleck, Kugel etc.) sowie deren Bezüge (Winkel, Parallelität etc.) untereinander. Facility-Management (engl. facilities für Einrichtungen) bezeichnet die Verwaltung und Bewirtschaftung von Gebäuden, Anlagen und Einrichtungen. Feedback (deutsch: Rückkopplung) Eine Rückkopplung ist ein Mechanismus zur Signalverstärkung oder -korrektur in informationsverarbeitenden Systemen. Ein Teil der Ausgangsgröße wird dabei in modifizierter Form auf den Eingang des Systems zurückgegeben. Finite-Elemente-Methode Mit der Finite-Elemente-Methode werden Phänomene verschiedener physikalischer Disziplinen berechnet. Ein 3D-Modell wird hierbei in eine beliebig große Anzahl Elemente unterteilt, welche »endlich« (finit) in der Anzahl und nicht unendlich (infinit) klein sind. Diese Elemente werden mit einer endlichen Zahl von Parametern physikalisch beschrieben. Das bekannteste Einsatzgebiet sind Statikprogramme aus dem Ingenieurwesen. Flowmap Überlagerung einer Karte mit einem Flussdiagramm, das die Bewegung von Objekten von einem Ort zum anderen darstellt Formstrukturierung Im Gegensatz zur Formfindung, bei der die Hülle des Entwurfs mit entsprechenden Methoden

(siehe z. B. Frei Otto) gefunden wird, definiert der Formstrukturierungsprozess den Aufbau der gefundenen Hülle in seinen Komponenten gemäß gestalterischen, statischen und kostenrelevanten Faktoren. Fotogrammetrie stellt eine Gruppe von Messmethoden und Auswerteverfahren der Fernerkundung zur Verfügung (Fotos und Messbilder), um die räumliche Lage oder dreidimensionale Form eines Objekts zu bestimmen. Fuzzy Cognitive Map Aus unscharfer Logik (Fuzzy Logic) abgeleitete Kartierung. FCMs sind unscharfe, gerichtete Grafen (Digrafen), welche, z. B. als Matrix dargestellt, die Wechselwirkungen der Faktoren eines Projekts berechenbar machen. Generatives Entwerfen Die Entwurfsfindung erfolgt als regelbasierter, jedoch ergebnisoffener Prozess und führt damit zur Weiterentwicklung von Typologien, indem Fragen der Strukturbildung z. B. durch Formgrammatiken (shape grammars) gelöst werden. Teildisziplinen: algorithmisches, parametrisches und kybernetisches Entwerfen: Algorithmus (auch Lösungsverfahren) genau definierte Handlungsvorschrift zur Lösung eines Problems in endlich vielen Schritten Parameter (altgr. messen an, vergleichen), auch Formvariable, die gemeinsam mit anderen Variablen auftritt, aber von anderer Qualität ist. Kybernetik (von altgr. kybernétes: Steuermann) erforscht grundlegende Konzepte zur Steuerung und Regulation von Systemen. Genetischer Algorithmus Genetische Algorithmen behandeln nicht analytisch lösbare Probleme, indem sie iterativ verschiedene »Lösungsvorschläge« generieren. Diese können miteinander kombiniert und einer Selektion unterzogen werden, bis die gestellten Anforderungen immer besser erfüllt werden. Als heuristisches Optimierungsverfahren gehören genetische Algorithmen zu den evolutionären Algorithmen. Einsatzgebiet sind nicht geschlossen lösbare oder ineffizient berechenbare Aufgabenstellungen. Geodäsie (von altgr. gé: Erde, daídzo: ich teile) ist nach der klassischen Definition von Friedrich Robert Helmert die »Wissenschaft von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche«. Geo-/Rauminformationssysteme dienen der Erfassung, Bearbeitung, Organisation, Analyse und Präsentation raumbezogener Informationen. Sie umfassen die dazu benötigte Hardware, Software, Daten und Anwendungen. Hochgeschwindigkeitsinternet ist eine physische Kommunikationsstruktur ohne explizites Internet Protocol. In Deutschland auch als XWin vom Deutschen Forschungsnetzwerk betrieben, erreicht das Skalierungspotenzial seit 2006 mögliche Geschwindigkeiten von über 1000 GBit/s (1 Terabit/s). Industry Foundation Classes (IFC) sind ein offener (softwareunabhängiger) Standard zur digitalen Beschreibung von Gebäudemodellen. Immobilien-Lebenszyklus-Management (ILM) ist ein Begriff aus der Immobilienwirtschaft. Er beinhaltet das Management von Planung, Bau, Betrieb und Vermarktung einer Immobilie. Der Lebenszyklus endet mit dem Abriss/Rückbau bzw. der Umnutzung der Immobilie. Iteration (Iterative Verfahren) (von lat. iterare: wiederholen) wird zur schrittweisen, softwareunterstützten Optimierung von Bauelementen eingesetzt.

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Anhang

Katenoid (auch Seilkurve, Kettenlinie oder Kettenkurve, englisch catenary oder funicular curve) ist eine mathematische Kurve, die den Durchhang einer an ihren Enden aufgehängten Kette unter Einfluss der Schwerkraft beschreibt. Katenoidenflächen werden auf Basis eines einfachen Katenoids mittels Rotation entwickelt. Die der Rotation zugrunde liegende mathematische Kurve dient so der Entwicklung einer Minimalfläche mit geringerem Flächenund konstruktivem Volumenverbrauch gegenüber rechtwinkligen Systemen.

Nähegradient Darstellung der Nähe zueinander durch verringerte, räumliche Objektabstände. Eine qualitative Darstellung der Relationen wird möglich.

Semantisches Netz Gleichbedeutend mit Wissensnetz. Repräsentation durch verallgemeinerte Grafen, bestehend aus Knoten (Begriffe) und Kanten (Relation).

Nibbeln Fertigungsverfahren (Unterart des Stanzens) zum Lochen und Bearbeiten von Blechtafeln. Charakteristisch für dieses Verfahren ist, dass in der Regel mit vielfachem, CNC-gesteuertem Einsatz eines einfach geformten Werkzeugs komplexe Formen ausgeschnitten werden.

Serendipitätsprinzip/Serendipidy-Effekt bezeichnet eine zufällige Beobachtung von etwas ursprünglich nicht Gesuchtem, das sich als neue und überraschende Entdeckung erweist.

Kerbspannungen Kerbspannungen treten an Kerben und Vorsprüngen als eine Bündelung der Spannungstrajektorien infolge von Kraftumlenkungen auf.

Orthofoto (von griech. orthós: richtig, gerade, aufrecht) Eine verzerrungsfreie und maßstabsgetreue Abbildung aus Luft- oder Satellitenbildern.

Kybernetik Wissenschaft von der Steuerung und Regelung von Organismen und Maschinen, wird auch als die Kunst des Steuerns definiert.

Parametrik/parametrische Software Diese Programme eröffnen dem Nutzer die Möglichkeit, assoziative Verbindungen zwischen den erzeugten Geometrien herzustellen. Sie erzielen somit eine höhere Intelligenz in der Planung als herkömmliche CAAD-Software.

Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) ist ein vom U.S. Green Building Council 1998 eingeführtes Klassifizierungssystem für ökologisches Bauen. Definiert wurden eine Reihe von Standards für umweltfreundliches, ressourcenschonendes und nachhaltiges Bauen. Mapping Der Begriff Mapping (engl. für Kartierung) beschreibt die Aufbereitung und Visualisierung von Informationen auf numerischer, schriftlicher und grafischer Ebene. Matrize bezeichnet beim Pressen, Schmieden oder bei ähnlichen Verfahren die Form, in die sich das Material legt. Mindmap (deutsch: Gedanken[land]karte) beschreibt eine kognitive Technik, die für die visuelle Darstellung eines Themengebietes, zur Planung oder für Mitschriften genutzt werden kann. Assoziationen sollen helfen, Gedanken und Ideen frei zu entfalten. Mock-up Etymologisch bezeichnet der Begriff Mock-up (engl.) eine Attrappe. Als maßstäblich gefertigtes Modell bzw. Nachbildung wird das Mock-up zu Präsentationszwecken genutzt. Bekannt geworden durch die Luftfahrtindustrie, wird das Mock-up auch im Industriedesign und in der Architektur zur Darstellung und Simulation gebraucht.

Piktogramm (von lat. pictum: gemalt, Bild; griech. gráphein: schreiben) Ein einzelnes Symbol, welches eine Information durch abstrahierte grafische Darstellungen vermittelt. Plug-in ist eine standardisierte Programmerweiterung, die zumeist optional zum Download angeboten wird. Radiolarien (Radiolaria, von lat. radiolus: kleiner Strahl) sind eine Gruppe einzelliger Lebewesen mit einem Endoskelett aus Opal (Siliciumdioxid, SiO2), die zu den Eukaryoten gehört. Redundanz (lat. redundare »überlaufen«, »im Überfluss vorhanden sein«) bezeichnet einen Zustand von Überschneidung oder Überfluss, der in Simulationen detektiert wird. Relation (von lat. relatio: das Zurücktragen) Bestimmte Beziehungen zwischen Objekten, welche in der Summe die Struktur eines Systems bilden. RFID-Technologie Radio Frequency Identity: Identifizierung durch die Erfassung ausgesandter Strahlen

Monitoring Monitoring steht für die systematische Erfassung und Überwachung eines Prozesses mittels technischer Einrichtungen oder anderer Beobachtungsverfahren. Die wiederholende Durchführung ist Kern der jeweiligen Untersuchungen, um anhand von Zustandsvergleichen Schlussfolgerungen ziehen zu können. Die Funktion des Monitorings besteht im steuernden Eingriff innerhalb eines Prozesses, sofern ein unerwünschter Verlauf festgestellt wird.

Schar Schar nennt man in der Spenglerei ein vorprofiliertes Blech (Band) mit zwei seitlichen Aufkantungen.

Nachhallzeit Unter der Nachhallzeit versteht man das Zeitintervall, innerhalb dessen der Schalldruck in einem Raum bei plötzlichem Verstummen der Schallquelle auf den tausendsten Teil seines SchalldruckAnfangswerts abfällt, was einer Pegelabnahme von 60 dB entspricht.

Scripting Entwicklung von kleinen Programmerweiterungen, die dem Architekten die Analyse einer Vielfalt von möglichen Lösungen aufzeigen

NanoLOC Drahtlose Sensornetzwerke mit einer dezentralisierten Datenspeicherung bieten die Grundlage für die Positionsbestimmung von Ladungsträgern. Über das Erweiterte Kalman-Filter kann die unbekannte Position eines Ladungsträgers auf einen halben Meter genau ermittelt werden.

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Scherschneiden oder Scheren ist das Zerteilen eines Werkstoffes durch zwei sich aneinander vorbeibewegende Schneiden (DIN 8588). Der Werkstoff wird dabei durch Scherkräfte abgetrennt.

Semantic Web (Semantisches Web) Als Erweiterung des World Wide Web verwertet es die Bedeutung von Informationen für Computer. Die automatische Interpretation und Weiterverarbeitung von Informationen über Orte, Personen und Dinge führt zum Aufbau von neuen Informationsbeziehungen. Neue Zusammenhänge, die zuvor nicht erkannt werden konnten, können dadurch entdeckt werden (Serendipity-Effekt, s. o.).

Software as a Service (SaaS) ist ein Software-Distributions-Modell, welches Software als Dienstleistung, basierend auf Internettechniken, bereitstellt, betreut und betreibt. Strahlschneiden Bei diesem Verfahren können alle Möglichkeiten der Formgebung voll ausgeschöpft werden. Das CNC-gesteuerte Verfahren ist sehr präzise und effizient. Es können Teile je nach Material bis 250 mm Dicke und einer Grundfläche abhängig von der Maschinengröße hergestellt werden. Thermoschneiden Bei diesem Verfahren kann mittels eines geheizten Stahlwerkzeuges der Schaumstoff in die gewünschte Form gebracht und durch Spiegelschweißen untereinander verschweißt werden. Topologische Auswertungen Die Topologie bezeichnet die räumliche Beziehung von Geoobjekten zueinander (Nachbarschaftsbeziehungen). Im Gegensatz zur Geometrie, die die absolute Form und Lage im Raum betrifft, sind topologische Beziehungen zwischen Geoobjekten unabhängig von Maßen wie der Distanz. Die wichtigsten topologischen Beziehungen zwischen zwei Geoobjekten A und B nach Egenhofer sind: • A ist disjunkt zu B • A liegt innerhalb von B • B liegt innerhalb von A • A überdeckt B • B überdeckt A • A trifft B • A gleicht B Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Voronoi-Rastermodell Zerlegung des Raums in Regionen, die durch eine vorgegebene Menge an Punkten des Raums, hier als Zentren bezeichnet, bestimmt werden Whitepaper (Weißbuch) Ein Weißbuch ist eine Vorschlagssammlung für ein Vorgehen in einem bestimmten Bereich. Workflow Arbeitsablauf: In der rechnerbasierten Bauabwicklung spricht man häufig von der »digitalen Kette«, die einen reibungsfreien Prozess zwischen Entwurfsplanung, Ausführungsplanung und Herstellung ermöglicht. Zero-Energy-System Ein System ohne den Einsatz von Energie Zirkularität beschreibt das zentrale Prinzip kybernetischen Denkens.

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Literatur: Fachbücher und Fachaufsätze Digitale Planungsmethodik

Produktionstechnologien

Agkathidis, Asterios; Hudert, Markus; Schillig, Gabi: Form Defining Strategies. Tübingen 2007

Bechthold, Martin; Schodek, Daniel u. a.: Digital Design and Manufacturing. CAD/CAM Technologies in Architecture. Hoboken 2005

Aranda, Benjamin; Lasch, Chris: Tooling. New York 2005 As, Imdat; Schodek, Daniel L.: Dynamic Digital Representations in Architecture. Visions in Motion. London 2008 Balmond, Cecil: Cecil Balmond. Architecture and Urbanism, 06-11. Tokyo 2006 Bohnacker, Hartmut u.a.: Generative Gestaltung. Entwerfen, Programmieren, Visualisieren. Mainz 2009 Chaszar, Andre (Hrsg.): Blurring the Lines. Computer-aided Design and Manufacturing in Contemporary Architecture. Chichester 2006

Buchfink, Gabriela: Faszination Blech. Würzburg 2005 Corser, Robert: Fabricating Architecture: Selected Readings in Digital Design and Manufacturing. New York 2010 Garber, Richard; Jabi, Wassim: Control and Collaboration. Digital Fabrication Strategies in Academia and Practice, In: International Journal of Architectural Computing 04, 2006 Gebhardt, Andreas: Generative Fertigungsverfahren. Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing. München 2007

Nachtigall, Werner: Biologisches Design. Systematischer Katalog für bionisches Gestalten. Berlin 2005 Noorani, Rafiq: Rapid Prototyping. Principles and Applications. Hoboken 2005 Piller, Frank Thomas: Mass Customization. Ein wettbewerbsstrategisches Konzept im Informationszeitalter. Wiesbaden 2006 Polony, Stefan; Walochnik, Wolfgang: Architektur und Tragwerk. Berlin 2003 Sachs, Angeli (Hrsg.): Nature Design. Von Inspiration zur Innovation. Baden 2007 Teichmann, Klaus; Wilke, Joachim (Hrsg.): Prozess und Form natürlicher Konstruktionen. Der Sonderforschungsbereich 230. Berlin 1996 Weinstock, Michael: The Architecture of Emergence. The Evolution of Form in Nature and Civilisation. Chichester 2010

Garcia, Mark: Patterns of Architecture. Architectural Design. Chichester 2009

Gibson, Ian; Rosen, David W.; Stucker, Brent: Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing. Berlin 2010

Garcia, Mark (Hrsg.): Diagrams of Architecture. AD Reader. Chichester 2010

Gramazio, Fabio; Kohler, Matthias; Hanak, Michael: Digital Materiality in Architecture. Baden 2008

Hensel, Michael; Menges, Achim: Versatility and Vicissitude. Performance in Morpho-Ecological Design. Chichester 2008

Hopkinson, Neil; Hague, Richard, Dickens, Philip: Rapid Manufacturing. An Industrial Revolution for the Digital Age. Chichester 2006

Hensel, Michael: Emergence: Morphogenetic Design Strategies. Chichester 2004

Kalweit, Andreas u. a.: Handbuch für Technisches Produktdesign. Berlin/Heidelberg 2006

Hensel, Michael (Hrsg.): Techniques and Technologies in Morphogenetic Design. Chichester 2004

Kolarevic, Branko: Manufacturing Material Effects. Rethinking Design and Making in Architecture. New York 2008

Spuybroek, Lars: Research & Design: The Architecture of Variation. London 2009

Kolarevic, Branko (Hrsg.): Architecture in the Digital Age. Design and Manufacturing. New York 2003

Zeitschriften

Hensel, Michael; Menges, Achim; Weinstock, Michael: Emergent Technologies and Design. Towards a Biological Paradigm for Architecture. Oxon/New York 2010 Iwamoto, Lisa: Digital Fabrications. Architectural And Material Techniques. New York 2009 Kolarevic, Branko: Performative Architecture: Beyond Instrumentality. New York /London 2005 Liu, Yu-Tung (Hrsg.): New Tectonics. Towards a New Theory of Digital Architecture. Basel/Boston/ Berlin 2009

Leach, Neil; Turnbull, David; Williams, Chris: Digital Tectonics. Chichester 2004

Beesley, Philip u. a.: Responsive Architectures. Subtle Technologies 2006. Cambridge 2006 Douglis, Evan: Autogenic Structures. New York 2008 Schumacher, Michael; Schaeffer, Oliver; Vogt, Michael-Marcus: MOVE. Architektur in Bewegung. Dynamische Komponenten und Bauteile. Basel 2010

Arch+ 158, 2001: Houses on Demand Arch+ 172, 2004: Material

Lefteri, Chris: Making It: Manufacturing Techniques for Product Design. London 2007

Arch+ 188, 2008: Form Follows Performance

Leibinger-Kammüller, Nicola (Hrsg.): Werkzeug Laser. Ein Lichtstrahl erobert die industrielle Fertigung. Würzburg 2006

Lynn, Greg: Animate Form. New York 1999

Moussavi, Farshid: The Function of Form. Barcelona 2009

Pottmann, Helmut u. a.: Architectural Geometry. Exton 2007

Thompson, Rob: Manufacturing Processes for Design Professionals. London 2007

Reiser, Jesse; Umemoto, Nanako: Atlas of Novel Tectonics. New York 2006

Optimierungsprozesse

Sakamoto, Tomoko; Ferré, Albert: From Control to Design. Parametric /Algorithmic Architecture. Barcelona 2008

Addis, William: Building: 3000 Years of Design, Engineering and Construction. London/New York 2007

Terzidis, Kostas: Algorithmic Architecture. Amsterdam 2006

Bechthold, Martin: Innovative Surface Structures. Technology and Applications. London 2008

Veltkamp, Martijn: Free Form Structural Design: Schemes, Systems & Prototypes of Structures for Irregular Shaped Buildings. Amsterdam 2007

Bollinger, Klaus; Grohmann, Manfred; Cachola Schmal, Peter: Workflow: Struktur-Architektur. Basel/Berlin/Boston 2004

Wallner, Johannes (Hrsg.): Advances in Architectural Geometry 2010. Wien 2010

Greco, Claudia: Pier Luigi Nervi. Von den ersten Patenten bis zur Ausstellungshalle in Turin; 1917–1948. Luzern 2008

Zarzycki, Andrzej: 2006-07 Form Z-Joint Study Journal. Columbus 2008

Material / Responsive Architektur

Kloft, Harald: Anschaulich: Tragwerksentwurf experimentell 2002-2007. Kaiserslautern 2007 Mattheck, Claus: Design in der Natur: Der Baum als Lehrmeister. Freiburg im Breisgau 2006

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Hersteller, Firmen und akademische Institutionen (Auswahl) Die in der Publikation genannten und in nachfolgender Liste aufgeführten Hersteller sind eine Auswahl möglicher Anbieter. Sämtliche Angaben gelten ausdrücklich nicht als Empfehlung, sie sind beispielhaft zu verstehen und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Begleitend zu dieser Publikation ist eine Internetplattform geschaffen worden, die in dynamischer Form die Inhalte und Themen des Buches illustriert und vertieft. www.parametricproduction.de

Firmen (Herstellung) Rapid Manufacturing Arcam AB www.arcam.com FIT Fruth Innovative Technologien GmbH www.pro-fit.de

Firmen (Software) ANSYS, Inc. Ansys Finite Elemente Kalkulations-Software www.ansys.com Autodesk GmbH, Autodesk Revit www.autodesk.de SmartGeometry Group www.smartgeometry.com Dassault Systèmes S.A., Catia www.3ds.com COMSOL Multiphysics GmbH www.comsol.de McNeel Europe, Rhinoceros – Nurbs Modelling www.rhino3d.com www.rhinofablab.com

Materialise NV www.materialise.com

akademische Institutionen

EOS GmbH – Electro Optical Systems www.eos.info/index.php

Architectural Association London, Digital Fabrication www.digitalfabrication.net

Z-Corporation www.zcorp.com Großformat 3D-Druck

IAAC – Institute for advanced architecture of Catalonia www.iaac.net www.smartgeometry.org

Monolite UK Ltd www.d-shape.com

Berlage Institut Rotterdam, Associative Design www.berlage-institute.nl

Contour Crafting www.contourcrafting.org

Digital Crafting www.digitalcrafting.dk

CNC-Fräsen

Royal Academy of Arts Copenhagen, Center for Information Technology and Architecture www.cita.karch.dk

p&p gmbh vectogramme www.vectogramm.de Schreinerei Luther www.schreinerei-luther.de

TU Delft, Architectural Engineering www.tudelft.nl

Handwerkskammer Freiburg www.c-forumholz.de

Harvard University, Graduate School of Design GSD www.gsd.harvard.edu/academic/mdes/technology_ design.htm

CNC Speedform AG www.cnc-speedform.de

TU Kaiserslautern, Studiengang Architektur www.uni-kl.de/FB-ARUBI/wwwarch/index.html

CNC-Schneiden

RMIT University Melbourne, Spatial Information Architecture Laboratory www.sial.rmit.edu.au

TRUMPF GmbH + Co. KG www.trumpf.com POHL-Gruppe www.pohlnet.com Wassmer-Gruppe www.wassmer.de

Universität Stuttgart, Institute for Computational Design ICD www.icd.uni-stuttgart.de Universität Stuttgart, Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren ILEK www.uni-stuttgart.de/ilek

3D-Erfassung Qubic www.qubic.com.au NextEngine, Inc. www.nextengine.com FARO Swiss Holding GmbH www.faro.com Virtueller Projektraum conject AG www.conject.com

Staatliche Akademie der Bildenden Künste Stuttgart, Digitales Entwerfen www.de.abk-stuttgart.de FH Trier, Department Digital Design, Digitales Konstruieren und Entwerfen, Prof. Dipl.-Ing. Holger Hoffmann www.toolboxtrier.wordpress.com TU Wien, Geometric Modeling and Industrial Geometry, Prof. Dr. Helmut Pottmann www.geometrie.tuwien.ac.at/geom/fg4 ETH Zürich, CAAD www.caad.arch.ethz.ch ETH Zürich, Department Architektur und Digitale Fabrikation www.dfab.arch.ethz.ch

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Anhang

Bildnachweis Allen, die durch Überlassung ihrer Bildvorlagen, durch Erteilung von Reproduktionserlaubnis und durch Auskünfte am Zustandekommen des Buches mitgeholfen haben, sagen die Autoren und der Verlag aufrichtigen Dank. Sämtliche Zeichnungen in diesem Werk sind eigens angefertigt. Nicht nachgewiesene Fotos stammen aus dem Archiv der Architekten oder aus dem Archiv der Zeitschrift Detail. Trotz intensivem Bemühen konnten wir einige Urheber der Fotos und Abbildungen nicht ermitteln, die Urheberrechte sind aber gewahrt. Wir bitten um dementsprechende Nachricht. Titel links, Seite 44, 51 unten links: Gramazio & Kohler, ETH Zürich Titel rechts, Seite 49 unten: Fredom of Creation, Amsterdam Seite 6: Christian Schittich, München Seite 10: Fu Tsu Construction Co., Ltd., Taiwan Seite 16 oben, 17 unten: Hosoya Schaefer Architekten, Zürich Seite 16 unten: Yarden Livnat, Jim Agutter, Shaun Moon, Stefano Foresti, University of Utah

Seite 37 oben, 39: Pflug, Christoph: Ein Bildinformationssystem zur Unterstützung der Bauprozesssteuerung, Dissertation, Institut für Baubetrieb, TU Darmstadt, 2008 Seite 37 unten, 38: Hanff, Jochen: Modellorientierte Softwareunterstützung bei der Arbeitsvorbereitung und Bauausührung. In: Kassel-Darmstädter Baubetriebsseminar Schalungstechnik, 2009 Seite 40: Motzko, Christoph: IT-Simulation und Realität – eine baubetriebliche Betrachtung. In: Stiftung Bauwesen, Heft 13, Stuttgart, 2008 Seite 48 oben: Ogle Models and Prototypes Ltd., Letchworth Seite 49 oben links: MGX by Materialise Seite 49 oben rechts: Thomas Duval Seite 50 unten: Vollert Anlagenbau GmbH + Co. KG, Weinsberg Seite 52, 53: Monolite UK Ltd, London Seite 56 unten mitte, 57 unten rechts: TRUMPF GmbH + Co. KG, Ditzingen

Seite 17 oben links: Doantam Phan, Ling Xiao, Ron Yeh, Pat Hanrahan, Terry Winograd, Stanford University

Seite 58 unten links: Fa. Lungmetall OHG, CNC-Blechverarbeitung, Mayen

Seite 17 oben rechts, 18 oben rechts: UNStudio, Amsterdam

Seite 59 oben: STEP-FOUR GmbH, Wals-Siezenheim

Seite 18 oben links: Daniel Belasco Rogers, Berlin

Seite 59 unten: Hans Pattist

Seite 18 unten links: Arno Schlüter / Frank Thesseling, ETH Zürich

Seite 60 oben: Heide Wessely, München

Seite 18 unten rechts: Sven Mossberger, Hochschule Luzern /Zürich

Seite 61 oben rechts: KUKA Roboter GmbH, Augsburg

Seite 19: Urs–Peter Menti, Iwan Plüss; Zentrum für Integrale Gebäudetechnik, Hochschule Luzern – Technik & Architektur

Seite 61 unten: TAMSEN MARITIM GmbH, Rostock

Seite 20 unten: Michael Bruse, Geographisches Institut der Universität Mainz Seite 21: nach Alois Schälin, AFC Consulting AG / Urs-Peter Menti, Hochschule Luzern – Technik & Architektur Seite 24 oben links: Arik Janssen, Lorsch / www.arik37.com Seite 28: Laser Design Inc. Seite 34: Motzko, C.; Heck, D.; Roth, O.: Schnittstelle Planung-Ausführung beim Gewerk Fassade aus baubetrieblicher Sicht. In: Lange, J. (Hrsg.): Tagungsband »LeichtBauen«, Technische Universität Darmstadt, 2003 Seite 35: GAEB Gemeinsamer Ausschuss Elektronik im Bauwesen Seite 36: nach Elsebach, Jens: Bauwerksinformationsmodelle mit vollsphärischen Fotografien, Diss., Institut für Baubetrieb, Technische Universität Darmstadt, 2008

Seite 63: Thalmann Maschinenbau AG, Frauenfeld Seite 64 oben: Ursula Böhmer, Berlin Seite 65 oben: StaBiKon GmbH, Duisburg / www.stabikon.com Seite 66: Heike Mutter und Ulrich Genth, Hamburg Seite 69: gee-ly Seite 74: Deutsche Bank, Frankfurt am Main Seite 77: Frank Kaltenbach, München Seite 81 oben links: designtoproduktion, Zürich / Stuttgart Seite 85: Roland Halbe, Stuttgart Seite 88, Seite 90 (Bilder): Peri GmbH, Weißenhorn Seite 101 unten: Christian Schittich, München

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Anhang

Sachregister Abkanten Ablaufprogrammierung Abrasivverfahren AHU Aktivpunkte Algorithmus -evolutionär -genetisch Analysesoftware Ansteuerung, numerisch Anwenderfreundlichkeit Arbeiten, integrativ Arbeitsweise, modellorientiert Archäologie Architekturmodellbau Argon-Gas Austauschformat Autogenschneiden AVA-Anbindung Barock Bauaufnahme Bauherr Baumeister Bauprojektorganisation Bauteilauszeichnung Begriffslandkarte Beratungspflicht Berechnung, iterativ Beton-Fertigteilbau Betontechnologie Biegen - frei - querkraftfrei Biege -kanten -richten -umformen Bildinformationssystem BIM Blasformen Bördeln Brainstorming Brennschneiden CAD CAAD Chirp Spread Technologie CNC -Betonfertigteile -Biegekanten -Fräsen -Heißdrahtschneiden -Laserschneiden -Modellbaulaser -Nibbeln -Rohrbiegetechnologie -Stanzen -Wasserstrahlschneiden Concept Modeling Contour Crafting Data-Mining-Verfahren Daten -austausch -kette -quelle -schnittstelle -übertragungsrate -verlust -verzerrung Denkmalpflege Design Review DGNB DGM Dichteanalyse Drahtziehen Drehstanzen 3D-Flächenmodell 3DP Drücken Druckumformung D-Shape-Verfahren dxf/dwg-Format

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64 61 58 68 95 73 74 73 45 31 26 36 27 56f. 54 22 54 22 9 27 29, 33ff., 41ff. 7ff. 33 26 17 41 25 46, 50 89ff. 62f. 62 64ff. 62 62 37ff. 9, 22, 30, 35ff. 46 62 17 54 21ff. 21ff. 40 50 64ff. 60f. 59 56f. 56f. 66f. 66 66f. 58f. 46 46f., 52f. 18 29, 31, 34 26 14 46 31 33 33 28, 61 39 30, 39 27 14 62 67 28 49 62 62, 68f. 46f., 52f. 22

Echtzeit -algorithmik -analyse École des Beaux Arts École Polytechnique Einzelteilfügung, robotergestützt E-Mail-Gateway Entwerfen, diagrammatisch Entwurfsprozess, klassisch Erbringbarkeit Erfassung, digital Evolution Extrusion

19 18 7 7 50f. 32 18 24ff. 42 27ff. 73 46, 53

Fälligkeit 42 FDM 49 Feedbackloop 22 FIDU 68 Finite-Elemente-Berechnung/ -Methode 18, 19, 52, 69, 80, 82ff. Fitness 73ff. Flowmap 16 FM-System 29 Formstrukturierungsprozess 25 Fotogrammetrie 27f. Fräsen 54, 60f. Freiform -biegeverfahren 65 -geometrie 28 Freiformen 62 GAEB Gebäudemanagement Geländemodell Gelenkarmroboter Genom Geografisches Informationssystem (GIS) Geometriedaten Georeferenzierung Gesamtschuld Gesenk -biegen -formen GFK-Beschichtung Gießen Gotik GPS

34 30 14 51, 61 74 14ff. 14 39 41 62ff. 62 59 46 7 18f.

Haftungsmaßstab Halbzeug HBU Heißdrahtschneiden Hinweispflicht Hochgeschwindigkeitsinternet Hochleistungsbeton Honorarrecht Hüllflächenmodell

41 62, 65, 68 68 54 41 18 86ff. 41ff. 82

IFC IHU ILM Industrialisierung Informationen - raumbezogen - VernetzungsInformationsaustausch Innenhochdruck -Biegen -Weitstauchen Iteration

22, 30, 34 68 29f. 7, 83

Kaltumformung Katasterdaten Katenoid Kennwertdatenbank Kettenmodell Klanghöhle Kohlenstofflaser Kommunikation Kontrollpolygon Kybernetik Laser -abtastgerät

14 24 29 62 62 73, 76, 78, 85 62f. 14 95ff. 19 18 92ff. 56 29 79 73

28

- Kohlenstoff- Modellbau- Neodym-schneiden -sintern Lebenszyklus -analyse -phase LEED Leistungsnachweis Logistikanwendung Lohnkosten Lösungs -individuum -raum Luftbildfotogrammetrie Macro-Scripting Map - Conceptual - Flow- Fuzzy Cognitive - Mind- Netzwerk- radial mass customization Massenproduktion Materialparameter Mero Knoten Metall-Laser-Melting Modelliersoftware, parametrisch Multiphysik-Simulationsprogramm Mutation Nachhaltigkeit Nachverdichtungspotenzial Nahbereichsfotogrammetrie Nähegradient NanoLOC Neodymlaser Netz, semantisch Netzwerkdiagramm Neukombination Nibbeln Nicht-Linearität Nutzerhandbuch, digital Operator Optimierung Orthofoto Parametrik Piktogramm Plankarte Planungsablauf Plasmaschneiden Plug-in Positionierungssystem Prägestanzen Produktionsverfahren - fügend - generativ - subtraktiv - umformend - urformend Programmier -code -sprache Programmierung - visuell Projekt -management -organisation -steuerung Projektraum - klassisch -teilnehmer - virtuell Prozess - evolutionär -gas - iterativ -kette Punktwolke

56 56f. 56 56f. 48f. 20f. 35 30 38 26 11 73 72f. 27 81 16 16 17 16, 18 16 16 8, 46, 50 83 20 84 49 72 20 73 30 15 27 17 40 56 17 17 73 54, 66 18 39 22 18ff., 24 14 24ff., 72 16 16 26 54 21f. 38f. 66 10, 45ff. 45 10, 45ff. 10, 45, 54ff. 10, 45, 62ff. 46 26 25 25 29ff. 89ff. 29f. 29 29ff. 29ff. 76 56 78 33 28

Anhang

Qualitätsnachweis Rapid - Manufacturing - Prototyping - Tooling -Verfahren Raumbuch Raumnutzungsanalyse Raumprogramm Raumstatistik Reinwasserschneiden Rekristallisation Relationsdarstellung Renaissance RFID Roboter Robotik-Schicht-Verfahren Rokoko Rollbiegen Rückkopplung Runden, frei SaaS-Prinzip Sachdaten Sachwalterstellung Schalungs -musterplan -technik Schäumen Scherschneiden Schmelzschneider Schneid -brenner -stanzen Schnittstelle, digital Schriftform Schwenkbiegen Script/Scripting Self-Teaching Semantic Web Sensor Sicherheitsstandards Sicken Simulation - Akustik- Brandverhaltens- Energieeffizienz- Licht- Lüftungs- modellbasiert - Raumbedarfs- statisch - Strömungs- thermisch - Verkehrsstrom- virtuell - WärmebedarfsSintern SLM SLS Sphärentheorie Stadt -grundkarten -höhle Stereolithografie STL-Format Strahlschneiden Strömungsverhalten Symbol Teaching Teilprozess Thermoschneiden Tiefziehen TLS Tragwerk -analyse -analysesoftware -generierung -modell Trennverfahren, thermisch Triangulation

38

46 46 46 46ff. 29ff. 14 17 14 58 62 16 7 39f. 50f., 61 46 9 64f. 11, 73 62 31 14 41

Umformen Urformen

62ff. 62

Variantengenerierung Vernetzungsinformation Verschattungsdiagramm Verzug 4D-Simulation Voronoi-Rastermodell

24 24 14 42 35f. 94ff.

Walz -biegen -profilieren Walzen Wärmeausdehnungskoeffizient Warmumformen Wasserstrahlschneiden Workflow Zeichenkette, binär Zeitersparnis Zertifizierung Zirkularität Zugumformen Zweikomponentensystem

62 62 62 20 62f. 54, 58f. 26, 29 74 26 30, 39 73 62 52

90f. 86ff. 46 54 56 56 66 33ff. 42 64 19, 22, 24f., 74, 81 61 18 39f. 31 62 18ff. 19 19 19 19 19 18f. 19 19 19 19 19 18f. 19 46 49 48 43 14 92ff. 46, 48 46, 52, 60 54 18 16 61 26 54 62 27 25, 73 25, 73 72f. 82 56 66

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