Singapur als grüne Modellstadt

Computerbasierte Analyse von Wohnungsgrundrissen Spalten (von links) 1 Grundriss 2, 3 Erschließung 4 Erreichbarkeit 5 Sichtbarkeit Wohnungseingang 6 Bewegungsräume 7, 8, 9 verschiedene

Sichtbarkeitseigenschaften 10 Ausblick 11 Tageslicht Computer-based analysis of apartment floor plans Columns (from left) 1 Floor plan 2, 3 Circulation 4 Accessibility 5 Visibility apartment entrance 6 Movement spaces 7, 8, 9 various visibility characteristics 10 View out 11 Daylight

KI im Entwurfsprozess AI in the Design Process

Text: Iuliia Osintseva, Martin Bielik, Sven Schneider, Reinhard König

Zu den Anforderungen, die Gebäude erfüllen müssen, gehören unter anderem Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit und Nutzungskomfort, aber auch städtebauliche Randbedingungen wie einzuhaltende Abstandsflächen, Dichtevorgaben, Baulinien und Sichtbeziehungen. Hier ständig alle komplexen Abhängigkeiten im Blick zu behalten und einen optimalen, gestalterisch hochwertigen Entwurf zu finden, ist immer wieder eine planerische Herausforderung. Dabei können neue digitale Werkzeuge Architektinnen und Architekten behilflich sein: KIAlgorithmen sind in der Lage, Entwurfsvarianten automatisiert zu erstellen und zu analysieren. Auf diese Weise können sowohl Wissen über geometriNeue digitale Algorithmen unterstützen Planende bei der teilautomatisierten Generierung und Analyse von Entwurfsvarianten im Geschosswohnungsbau. New digital algorithms support architects by partially automating the generation and analysis of design variants in multi-storey residential building construction.

Among the requirements that buildings must fulfil are not only energy and cost efficiency, user comfort and convenience but also urban development rules concerning aspects such as building setbacks, urban density, building lines and visual relationships. Keeping all these complex interdependencies in mind when seeking a high-quality, architecturally creative solution has always presented architects with a design challenge, which they can now overcome with the support of new digital tools: AI algorithms that automatically create and analyse design variants. They enable, for example, knowledge of geometric and semantic contexts

sche und semantische Zusammenhänge als auch Interpretationen zu baulichen Qualitäten mittels räumlicher Analysen bereitgestellt werden. Ein Team der Bauhaus-Universität Weimar hat zusammen mit den Projektpartnern Rehub und DecodingSpaces derartige Algorithmen auf Basis von Rhino Grashopper entwickelt. Daraus ist ein Generierungs- und Bewertungssystem für den Entwurf von Wohnbauten entstanden. Die Algorithmen übernehmen vor allem die zeitintensiven Teile des Entwurfsprozesses und unterstützen die Entwerfenden durch Teilautomatisierung bei der kreativen Lösungsfindung.

Varianten effizient erstellen

Das Generierungssystem basiert auf einem hierarchischen Ansatz, bei dem der Entwurf schrittweise erstellt wird – beginnend beim Gebäudevolumen über die Wohnungsaufteilung bis zu den einzelnen Wohnungsgrundrissen. Zur Definition der Gebäudevolumen greift das System auf gängige Wohnungsbautypologien wie Blockrand, Zeile und Solitär zurück. Diese bilden die Basis für weitere Modellierungsschritte wie das Erzeugen von Rücksprüngen, die Gliederung der Baukörper oder das Einfügen zusätzlicher Gebäuderiegel im Innenhof. Die so entstandenen Volumina werden in Wohnungen unterteilt, die auf gebräuchlichen Erschließungstypologien wie Spänner, Flur und Laubengang basieren. Dazu sucht die Software auf Grundlage des gewünschten Wohnungsmix – wie viele Wohnungen in welchen Größen – iterativ nach einer passenden geometrischen Aufteilung. Im letzten Schritt werden für jede Wohnung passende Grundrisse generiert. Auf Basis einer Datenbank bestehender Grundrisse

and interpretation of building parameters to be brought together using spatial analysis. A team from the Bauhaus University Weimar working with project partners Rehub and DecodingSpaces has developed algorithms of this type based on Rhino Grasshopper. The result is a generation and evaluation system for the design of residential buildings. The algorithms perform the time-consuming parts of the design process and partially automate creative solution finding.

Variants efficiently created

The generation system is based on a hierarchical approach in which the design is created in steps – beginning with the building volume then the division into apartments and their individual floor plans. To define the building volume, the system looks at common residential building typologies such as perimeter block, row and free-standing. Next follow further steps such as the creation of set-backs, building subdivision or the introduction of additional blocks in an inner courtyard. The resulting volumes are divided into apartments considering common circulation typologies such as landings, halls and access balconies. Then the software looks at how many and what sizes of apartments are possible based on the desired housing mix, arriving iteratively at a feasible geometric division. The final step generates a suitable floor layout for every apartment. Using a database of existing floor plans, the AItrained algorithms create new variants adjusted to the desired room sizes, geometry of the external walls, positions of entrances and other constraints.

Automated analysis

The evaluation of residential buildings considers aspects such as the density of development, energy requirement or questions of user convenience and comfort. The digital tools enable the required performance indices to be quickly calculated. The results of the analyses are arrived at objectively and not distorted by cognitive bias or individual opinion. Solar analyses

Darstellung einer vom Algorithmus gewählten Variante (links) aus der Variantensammlung (rechts). Mitte (grün): Einstellungen zum Generieren von Gebäudetypologien

Eine vom Algorithmus generierte Wohnungsaufteilung (links) für eine vom Nutzer vorgegebene Erschließungstypologie. The algorithm selects the variants (left) from the variant pool (right). Centre (green): Settings for generating building typologies

Apartment subdivision (left) generated by the algorithms for a for a user defined circulation typology.

Viele Bauten von Florian Nagler scheinen schlicht und mit ihrer traditionellen Erscheinung regional verwurzelt zu sein. In ihrer Zielsetzung, konventionelle Bauprozesse für die aktuellen sich verschärfenden Herausforderungen neu zu denken, sind sie jedoch von globaler Bedeutung. Man sieht ihnen nicht auf den ersten Blick an, dass sie gebaute Manifeste sind. In seinen Forschungsprojekten an der TU München untersucht er mit seinem Team, wie das Thema Einfach Bauen in unserer Bauindustrie implementiert werden kann. Das Gespräch fand im Februar 2022 in seinem Büro in München-Pasing statt, im Kellerraum eines sanierten Hauses aus den 1930er-Jahren, den er mit einfachsten Mitteln zum Besprechungsraum ausgebaut hat.

Frank Kaltenbach: Es gibt viele Argumente, einfach zu bauen. Welche Rolle spielen dabei die Kosten?

Florian Nagler: Natürlich beschäftigt uns die Frage, wie wir in Zukunft wieder günstig bauen und Wohnraum schaffen können. Der Impuls für unser Forschungsprojekt Einfach Bauen kam aber aus einer anderen Motivation. Wir kamen zu der Erkenntnis, dass die Projekte, die wir vor fünf bis zehn Jahren realisiert haben, viel zu sehr von der Technik dominiert waren. Zu selten werden Elemente der Architektur eingesetzt, um all die unterschiedlichen Anforderungen zu lösen. Die wichtigste Frage, die ganz am Anfang eines Bauvorhabens stehen sollte, lautet: Was brauche ich eigentlich? Man sollte nur bauen, was man wirklich braucht. Das reduziert letztlich auch die Kosten.

Wie lässt sich das pragmatische Thema Einfach Bauen wissenschaftlich untersuchen?

Mit unserer Grundlagenforschung können wir wissenschaftlich nachweisen, wie wir ohne viel Technik im Winter möglichst wenig Heiz energie benötigen und im Sommer so wenige Überhitzungsstunden haben wie möglich.

Wie sieht das konkret aus?

Wir haben zum Beispiel überlegt, welche geometrischen Abmessungen ein Raum haben muss und welche Fenstergrößen ideal sind, damit wir auf einen außenliegenden Sonnenschutz verzichten können. Das Ergebnis unserer Computersimulationen mit unterschiedlichen Raumabmessungen bei gleicher Grundfläche ergab den typischen Raum einer Altbauwohnung mit 3 m Breite, 6 m Tiefe und 3,3 m Höhe. Die Fenster sollten nicht zu groß und nicht zu klein sein. Das ist nicht wirklich überraschend, aber wir können unsere Argumentation jetzt wissenschaftlich beweisen. Nachdem wir in Simulationen die optimale Raumgeometrie ermittelt hatten, interessierten wir uns dafür, welchen Einfluss das Material auf die Performance der Gebäude hat. In Bad Aibling haben wir bisher drei geometrisch identische Häuser aus Holz, Ziegel und Dämmbeton gebaut. Weitere mit Lehm- und Hybridkonstruktionen werden folgen. Durch die Messung der Raumtemperaturen und des Energieverbrauchs werden wir dort zu empirischen Ergebnissen kommen, die auf die allgemeine Baupraxis übertragbar sind. Many of Florian Nagler’s buildings seem austere and rooted within the region, based on their traditional appeal. However, they possess global relevance, due to their aim of rethinking conventional processes of construction, given recent and intensifying challenges. It isn’t obvious at a first glance that they are built manifestos. Within his research projects at the TU München he and his team explore how to implement the topic of “building simply” within our construction industry. We spoke with him in February 2022 in his office in Munich’s Pasing quarter, where he, with the most simple means conceivable, transformed the basement of a renovated house from the 1930s into a meeting room.

Frank Kaltenbach: There are plenty of reasons why building simply is important. What role does money play?

Florian Nagler: We are obviously interested in the question on how we can build in a cost-efficient way. Our research project “Einfach Bauen” – “Building Simply” was, however, inspired by a different motivation. We understood that the projects that we realised five to ten years ago were dominated by technology. Architectural elements had not been employed often enough in order to meet the different requirements. The most important question to ask at the beginning of a construction project therefore is: What do we actually need? We should only build what we actually need. That will eventually also reduce costs.

Johanna Nagler

FLORIAN NAGLER arbeitet seit 1996 als selbstständiger Archi mit Barbara Nagler das Büro Florian Nag Lehrstuhl für Entwerfen und Konstruieren FLORIAN NAGLER became a self- employed architect in 1996. In 2001 he and Barbara Nagler founded Florian Nagler Architekten. Since 2010 he is Chair of Architectural Design and Construction at TU München.

How can a pragmatic topic such as “building simply” be researched scientifically?

Our basic research led to scientific insight on how to use as little technology as possible in order to reduce heating energy demands in winter and overheating hours in summer.

What does this exactly look like?

We deliberated on which proportions a room requires and which window sizes are ideal in order to avoid the need for exterior sun protection. The results of our computer simulations based on rooms with identical area, yet different proportions resulted in a 3 m wide, 6 m deep and 3.3 m tall room. Windows should neither be too big, nor too small. Not surprising, but now we have scientific evidence that supports our line of argumentation. Once the simu-