Mathematische Modellierung optimiert Architekturentwurf
Im Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) wird geschätzt, dass der Gebäudesektor 10 % des weltweiten Bruttoinlandsprodukts einnimmt und 111 Millionen Menschen beschäftigt. Zudem verbrauchen Gebäude ungefähr 40 % der globalen Energie und 40 % der globalen Ressourcen. Dabei produzieren sie schätzungsweise 33 % der weltweiten Treibhausgasemissionen. „In der Architektur ist mit ‚optimalem Entwurf‘ normalerweise die Auswahl aus einer sehr begrenzten Menge von Gestaltungsalternativen verbunden, die von Erfahrung und Intuition diktiert werden. Modernes Design erfordert jedoch, dass eine große Anzahl von Kriterien Berücksichtigung findet, die aus verschiedenen Disziplinen stammen und oft im Widerspruch zur Natur stehen“, erklärt Nikos Lagaros, Koordinator des Projekts OptArch. „Mit der riesigen Anzahl an alternativen Wahlmöglichkeiten steigt die Chance, ein Optimum zu erreichen, da intelligente, automatische Werkzeuge in den Entwurfsprozess integriert werden, welche die Intuition im Lauf der Gestaltung lenken.“ Das EU-finanzierte Projekt OptArch diente dem Zweck, ein Rahmenwerk für die Anwendung von computergestütztem Design zu definieren, um die Konstruktion moderner Gebäude zu optimieren. Dieses im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen zum Personalaustausch für Forschung und Innovation durchgeführte Projekt bezog Forschende aus den Bereichen Architektur, Bauingenieurwissenschaften und Mathematik ein, um Methoden zu entwickeln, bei denen in jeder Phase des Entwurfs von Bauwerken Optimierungsverfahren zum Einsatz kommen. OptArch zielte darauf ab, innerhalb eines vielseitigen Teams aus Hochschulen und Industrie in Griechenland, Frankreich, Italien, Kanada, Zypern, Ägypten, Jordanien und der Türkei Synergien zu schaffen.
Mit Mathematik den Entwurf optimieren
Im Rahmen der Forschung wurden Form- und Topologieoptimierungsverfahren genutzt, um einen computergestützten Architekturentwurf zu erstellen. Dieser kam bei realen Anwendungen zum Einsatz, welche die Ideen der beteiligten multidisziplinären Teams aufgriffen. Berücksichtigt wurden Kriterien, die sich aus Variablen wie Strukturmechanik, Ökodesign, bioklimatische Planung und akustische Leistungskennzahlen ergeben. „Es ist nun möglich, architektonische Entwurfskriterien und -einschränkungen in mathematische Ausdrücke zu fassen, damit die Optimierung auf realistische Weise zur Anwendung kommen kann“, merkt Lagaros an. „Zudem haben die Synergien starke Beziehungen zwischen Partnern und Begünstigten entstehen lassen, die die Grundlage für eine zukünftige Zusammenarbeit bilden werden.“ Das Projekt hat mehrere neuartige Kriterien erprobt und numerisch definiert, die für den Architekturentwurf vorgesehen sind. Die Teammitglieder konnten beweisen, dass Topologie und Form wichtig für die Erweiterung des Anwendungsbereichs sind, in dem die optimale Gestaltung im Architekturentwurf angewandt werden kann. Anhand dieses Wissens formulierten sie drei neue Randbedingungen für die Geometrie von Formen für den optimalen Architekturentwurf. OptArch untersuchte den progressiven Einsturzwiderstand von Stahlbetonkonstruktionen mithilfe von auf festen Elementen basierenden numerischen Modellen. Nach sorgfältigem Entwurf einer Stahlbetonsäulen-Trägerplatten-Unterkonstruktion verließ sich das Team nicht nur auf den Instinkt und verwendete zum Neuentwurf des Bauteils eine Optimierungsmethode, wodurch dessen Haltbarkeit erhöht wurde. Neben der Entwicklung numerischer Modelle unter Berücksichtigung der geometrischen Einschränkungen in Hinsicht auf Topologie und Form bei optimalem Architekturentwurf konzipierte das OptArch-Team außerdem Methoden, um die ästhetischen Qualitäten und die Herstellbarkeit der optimierten Bauteile zu verbessern. Anschließend befasste sich die Forschungsgruppe mit akustischen Problemen, indem sie Lösungen für minimale und maximale Schalldruckbedingungen in einem optimierten Gebäude entwarf.
Der optimale Entwurf der Zukunft
Zukünftig wird OptArch die Formulierungen für optimale Entwürfe verfeinern sowie um anspruchsvollere Aspekte wie generative Gestaltung, kinetische Strukturen und akustische Leistungsoptimierung erweitern. Das Team plant die Entwicklung einer ganzheitlichen Methodik zur angewandten Optimierung fast aller Aspekte des Architekturentwurfs von der Form der Bauteile bis hin zu Hybridstrukturen.
Schlüsselbegriffe
OptArch, Architekturentwurf, Gebäude, optimaler Entwurf, Topologie, akustische Leistung, mathematische Modellierung, computergestütztes Design, moderne Gebäude
