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Die Parametrisierung der Architektur

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Der Einsatz digitaler Werkzeuge hat in den vergangenen Jahren nicht nur die Arbeitsweise von Architekten maßgeblich verändert, sondern auch die formale Gestaltung und die daraus resultierende Erscheinung und Wahrnehmung von Architektur und Raum stark beeinflusst.

Die Parametrisierung der Architektur
Bildrechte: © Marco Hemmerling

Computer Aided Architectural Design (CAAD) ist heute der Standard zur Entwicklung und Darstellung räumlicher Konzepte in der Architektur. Mithilfe der Computersoftware lassen sich Entwürfe generieren, wie sie technisch und formal vorher kaum möglich waren. Die Computertechnologie löst den Architekturentwurf dabei in starkem Maß von den herkömmlichen Produktionsbedingungen. Sowohl im Entwurfs- als auch im Produktionsprozess verschieben sich die Abhängigkeiten von analogen zu digitalen Operationen. Der Computer entgrenzt die Fantasie und erlaubt Operationen, die früher an den begrenzten technischen und zeitlichen Mitteln gescheitert wären.

Die Ergebnisse dieser Faszination für das digital Machbare gehen aber häufig nicht über Formexperimente hinaus, die trotz ihrer geometrischen Komplexität oft erschreckend eindimensional wirken. Greg Lynn, einer der Protagonisten freier digitaler Formenwelten, hat diese formale Abhängigkeit bereits vor fast zehn Jahren selbstkritisch beurteilt: „Es gibt eine Sprache der Gestaltung, die der Computer mit sich bringt, und zuerst macht man, was die Software gut kann.“ Das Potenzial des rechnergestützten Entwerfens und Bauens ist jedoch weitaus vielversprechender, als dieses Zitat vermuten lässt. Es setzt allerdings ein Verständnis der informationstechnologischen Grundlagen voraus, die der Computer zur Verfügung stellt. Das Ergebnis einer solchen digitalen Architekturproduktion folgt anderen Vorgaben und Randbedingungen. Es basiert auf einem neuen methodischen Verständnis sowohl auf der Ebene des Entwurfs wie auch in der Realisierung.

Doch wie sieht das Entwerfen im digitalen Zeitalter aus? Welche Entwicklungen sind absehbar und welchen Einfluss haben diese Technologien auf die Architektur und die Rolle des Architekten in der Zukunft?

Der zukünftige Einsatz digitaler Medien im Entwurfs- und Realisierungsprozess und dessen Einfluss auf die Architektur lässt sich aus Aufbruch an den Hochschulen zwei grundsätzlichen Evolutionssträngen ableiten. Auf der einen Seite steht der Einsatz des Computers zur Erzeugung architektonischer Konzepte mithilfe digitaler Werkzeuge. 

Bildrechte: © Marco Hemmerling

Im Bereich der architektonischen Formfindung spielen generative Entwurfsmethoden, parametrische Gebäudemodellierung und das Building Information Modeling eine zunehmend bedeutende Rolle.
Durch die umfassende Darstellung von dreidimensionalen Gestaltungskonzepten mittels digitaler Simulationen und die direkte Interaktion mit dem virtuellen Modell im Entwurfsprozess wird die Wahrnehmung von räumlichen Zusammenhängen wesentlich erweitert. Von der ersten Konzeptvisualisierung bis zum fertigen 3-D-Gebäudedatensatz bildet der Computer mittlerweile den kompletten Entwurfs- und Planungsprozess ab.

Auf der anderen Seite hat gerade in den letzten Jahren eine sprunghafte Zunahme von computergestützten Bau- und Produktionsprozessen eingesetzt. Das Besondere dieser Technologie ist, dass mit ein und demselben Fertigungsverfahren unterschiedlichste Formen produziert werden können. Die Herstellung von individuellen Produkten unter Verwendung der Produktionsmethoden der Massenfertigung ermöglicht eine entwurfs- und kundespezifische Massenfertigung (Mass Customization) in der Architektur, wie sie sich in anderen Produktionsbereichen bereits durchgesetzt hat. Ein Blick auf die wesentlichen Einsatzbereiche digitaler Werkzeuge macht deutlich, wie weitverzweigt computergestützte Methoden schon heute Einfluss auf die Entwicklung von Architektur haben.

Digitales Entwerfen

Das Potenzial des digitalen Entwerfens basiert auf der Nutzbarmachung rechnerimmanenter Prozesse zur Erfassung, Verknüpfung, Verarbeitung und Auswertung komplexer Wechselbeziehungen. Die Computertechnologie ermöglicht es vor diesem Hintergrund, räumliche Konzepte unter dem Einfluss von unterschiedlichen Parametern prozesshaft zu erzeugen und darzustellen. 

Bildrechte: © Marco Hemmerling

Der Aufbau des parametrischen Grundmodells definiert dabei zunächst die Ausgangssituation. Zur Erzeugung dieses Basismodells sind Kenntnisse aus dem Bereich der Programmierung und des Scriptings unerlässlich. Die Ausgangsgeometrie des Entwurfs wird mit Algorithmen, also mathematischen Handlungsanweisungen, versehen, die es später ermöglichen, Einfluss auf die Geometrie und andere Aspekte des Modells, wie Materialeigenschaften und Konstruktionskennwerte, zu nehmen.

Komplexere Softwareapplikationen und Open-Source-Anwendungen bieten die Möglichkeit, eigene Skripte und Algorithmen zu programmieren, worüber sich individuell die Randbedingungen für die Entwurfserzeugung definieren lassen. Diese prozessorientierten Verfahren erlauben innerhalb der Entwurfsentwicklung die maßstabs- übergreifende Manipulation der Gesamtstruktur, ohne dass die Verknüpfungen der einzelnen Bauteile untereinander verloren gehen. Programmierte parametrische Modelle stellen in diesem Sinn eine neue Entwurfsmethodik dar, die sowohl architekturspezifische als auch computerspezifische Kenntnisse voraussetzt.

Auf die Architektur übertragen lassen sich über parametrische Modelle evolutionäre Strukturen erzeugen, die auf äußere Einflüsse, wie Sonneneinstrahlung und Windbelastung, oder innere Einflüsse, wie Nutzerverhalten und Funktionsabläufe, reagieren. Die Prinzipien der Parametrik bilden auch die Grundlage für Building Information Modeling (BIM), das derzeit den Markt der Softwareangebote entscheidend mitbestimmt. BIM steht für eine digitale Planungsmethodik, bei der alle Vorgänge rund um den Entwurf, die Planung, die Ausführung und Bewirtschaftung eines Gebäudes miteinander vernetzt werden. Dazu gehören neben den grafischen Informationen zur Gebäudegeometrie auch nichtgrafische Informationen wie Mengen- und Materialangaben sowie Konstruktionsparameter und Kostendaten.

Die Parametrisierung der Architektur
Bildrechte: © Marco Hemmerling

Digitale Fabrikation

Digitale Fabrikationsmethoden ermöglichen – über den Einsatz von computergesteuerten Maschinen – die Übertragung digitaler 3-D-Daten in physische Modelle oder Bauteile. Am Computer erzeugte und maschinell gefertigte Bauteile erweitern das konstruktive Spektrum und beziehen die Randbedingungen, die sich über die Materialwahl und die Fertigungslogik ergeben, in den Entwurfsprozess ein. Die neuen Fertigungsmethoden haben jedoch nicht konsequenterweise eine formale Veränderung der Architektur zur Folge. Vielmehr gilt es, die Methoden für die Weiterentwicklung und Optimierung der Prozesse anzuwenden.

Das formale Ergebnis ist dabei zunächst unabhängig vom Prozess. In diesem Sinne ist die Verbreitung digitaler Fabrikation nicht nur einzelnen wenigen Bauwerken hoher Komplexität zuzuschreiben. Die bauliche Umsetzung von Entwürfen in der Architektur basiert allerdings, im Vergleich zu anderen Produktionsbereichen, noch immer weitestgehend auf tradierten Arbeitsprozessen. Während in industriellen Produktionsprozessen, wie im Maschinenbau oder in der Automobilindustrie, serielle Hightechprodukte entstehen, ist fast jedes Bauwerk ein Prototyp, der mit konventionellen Methoden errichtet wird. Der Bauprozess ist nicht nur kosten- und zeitintensiv, sondern lässt auch die gestalterischen Freiheiten digitaler Entwurfsentwicklung und computergestützter Fertigung ungenutzt.

Die Entwicklungen in der Materialforschung und der Bautechnologie weisen durchaus in eine neue Richtung. Am Architekturlehrstuhl ‚Digitale Fabrikation‘ der ETH Zürich werden maschinengestützte Verfahren weiter vorangetrieben und mit digitalen Entwurfsmethoden verknüpft. Die dort automatisierte Errichtung einer Ziegelmauerwerkswand durch Industrieroboter, die über einen Algorithmus angesteuert werden, erlaubt vielfache Variationen innerhalb eines programmierten Produktionsprozesses. Die Erkenntnisse aus den Fertigungsverfahren fließen anschließend als Parameter für die Programmierung wieder in den Entwurfsprozess zurück und erzeugen somit eine Informierung der digitalen und der physischen Architektur.

Doch wie lassen sich die unterschiedlichen Methoden einer informierten Architektur konkret für die Entwicklung einer nachhaltigen Architektur nutzen? Und wie kann sich darüber ein eigenständiger architektonischer Ausdruck definieren, der die zeitgenössischen Anforderungen erfüllt?

Digitale Nachhaltigkeit?

Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung computergestützter Methoden liegt in den vielfältigen Möglichkeiten, die einzelnen Prozesse strategisch miteinander zu verknüpfen, Synergien zu nutzen und Abhängigkeiten frühzeitig zu erkennen und nutzbar zu machen. Grundlage solcher prozessorientierter Strategien ist die Entwicklung eines konsistenten und anpassungsfähigen Entwurfsmodells, das im fortschreitenden Planungsprozess gestalterisch weiterentwickelt und durch zusätzliche Informationen sukzessive ergänzt und erweitert wird. Es entsteht eine integrative Architektur, die aus der Wechselwirkung von Einflussgrößen wie Raumwirkung, Formfindung, Materialisierung, Konstruktions- und Produktionsbedingungen sowie Funktionsanforderungen und Nutzerverhalten prozesshaft generiert wird.

Das Mercedes-Benz Museum in Stuttgart, entworfen vom niederländischen Büro UNStudio, gilt als eines der ersten Projekte, bei dem diese Strategie durchgängig umgesetzt wurde. Für das Projekt arbeitete UNStudio nicht nur am Entwurf selbst, sondern entwarf besondere Techniken für dessen Realisierung. Die Komplexität des Gebäudes erforderte eine vollständige dreidimensionale Entwicklung des Gebäudes mithilfe neuester Computertechnologie. Die digitale Steuerung der Geometrie ermöglichte es, jede Anpassung schnell und effizient im Planungs- und Realisierungsprozess zu berücksichtigen und zeitlich vorauszudenken.

Das digitale Entwerfen schafft eine direkte Verbindung zwischen dem Denkbaren und dem Baubaren und hat dadurch die architektonischen Ausdrucksmöglichkeiten entscheidend erweitert. Der Computereinsatz hat sich in der Architektur von einem reinen Zeichenwerkzeug, das lediglich traditionelle Instrumente simuliert, zu einem integrativen Entwurfsmedium mit eigenen Qualitäten und Anforderungen entwickelt. Der Computer ist sicherlich das umfassendste und dynamischste Medium, das dem Architekten je für seine Arbeit zur Verfügung stand.

Zur Ausgestaltung dieses Potenzials bedarf es jedoch der Fähigkeit, den Computer als interaktives Instrument einzusetzen und seine künstliche Intelligenz als kreative Erweiterung zu begreifen. Die Architekten sind aufgefordert, diese Rolle in unserer Informationsgesellschaft auszufüllen und nicht, wie auf anderen Gebieten geschehen, Kompetenzen abzugeben. Durch die Befähigung im Umgang mit den digitalen Medien vom Entwurf bis zur Realisierung bleibt die architektonische Qualität im Kompetenzbereich des Architekten und erweitert gleichzeitig seine Möglichkeiten, neue Räume zu schaffen, die den zeitgenössischen und zukünftigen Anforderungen genügen.

Bildrechte: © Marco Hemmerling

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