Neues Zentrum für computergestütztes Entwerfen

Wenn Architekten und Ingenieure Bauwerke entwickeln, vergeht zwischen dem ersten Entwurf und dem Baubeginn oft viel Zeit. Dazwischen liegen zahlreiche Runden, in denen sie verschiedene Entw¨¹rfe hinsichtlich Material, Kosten, Termine, Statik und Dynamik erkunden und gegeneinander abw?gen. Dies geschieht oft nacheinander, Schritt f¨¹r Schritt.

Digitale Entwurfsmethoden und insbesondere die Verwendung von k¨¹nstlicher Intelligenz (KI) und erweiterter Realit?t (XR) sollen dies jetzt grundlegend ver?ndern. Die Arbeit von Architektinnen Ingenieurinnen ¨C Entwurf und Berechnungen ¨C sollen enger zusammenr¨¹cken. Zu diesem Zweck lanciert die ETH Design++, ein neues Zentrum f¨¹r computergest¨¹tztes Entwerfen.

KI beschleunigt den Entwurf von Br¨¹cken

Grosse Ver?nderungen k?nnten solche Methoden zum Beispiel im Br¨¹ckenbau bringen. Br¨¹cken sind hochkomplexe Bauwerke, so dass realistische Strukturanalysen ¨C also das rechnerische Modellieren aller relevanten Kr?fte unter verschiedenen Einwirkungen ¨C in fr¨¹hen Phasen des Entwurfs oft zu aufw?ndig sind. Br¨¹ckenbauer entwerfen also Tragwerkskonzepte, ohne sie tiefgreifend zu optimieren, zum Beispiel hinsichtlich des Materialverbrauchs oder der ?kologie. Als Resultat werden derzeit relativ grosse Reserven eingebaut, etwa in Form von Beton.

Walter Kaufmann, Professor f¨¹r Baustatik und Konstruktion an der ETH Z¨¹rich, will das mit seinem Team jetzt ?ndern. Zusammen mit Mitarbeitenden erstellt der Postdoktorand und Projektleiter Michael A. Kraus digitale Strukturanalysen von durch Parameter beschriebene Br¨¹cken, um damit eine k¨¹nstliche Intelligenz (KI) zu trainieren. Die KI soll solche Strukturanalysen danach in viel k¨¹rzerer Zeit bewerkstelligen k?nnen.  

Am Ende wird die KI dann anhand bestimmter Br¨¹ckenparameter sogar selber grobe Entw¨¹rfe generieren k?nnen, die in Interaktion mit dem Entwerfenden relativ schnell verfeinert werden k?nnen. W?hrend es heute oft Monate dauert, bis Br¨¹ckenbauer erste Entw¨¹rfe pr?sentieren k?nnen, k?nnte das mit der neuen Methode innert Tagen oder Stunden geschehen. Dank den digitalen Entw¨¹rfen kann auch der Gestaltungsspielraum f¨¹r Designs und Materialien viel breiter ausgelotet werden.

KI schl?gt Entw¨¹rfe vor

In einem weiteren Forschungsprojekt des Zentrums entwickelt Romana Rust, Postdoktorandin in der Gruppe von Gramazio Kohler Research, computergest¨¹tzte Werkzeuge, mit dessen Hilfe Architektinnen und Architekten den Gestaltungsspielraum f¨¹r eine bestimmte Ausgangslage besser erkunden k?nnen. Anstatt einen Entwurf m¨¹hsam anzugleichen und zu adaptieren, bis er alle Kriterien und Leistungsziele erf¨¹llt, sollen KI-Modelle Entwurfsvarianten vorschlagen. Erprobt werden die Werkzeuge an St¨¹tzen und Tr?gern, lichtdurchl?ssigen Fassaden und speziellen Wandelementen f¨¹r die Raumakustik.

Digital erweiterte Kreativit?t

Solche und ?hnliche Projekte sollen k¨¹nftig im neuen Zentrum f¨¹r computergest¨¹tztes Entwerfen in Architektur und Bauingenieurwesen an der ETH, kurz Design++, entstehen. Robert Flatt, ETH-Professor f¨¹r Baustoffe und einer der V?ter der Idee hinter Design++, sagt: ?Wir streben eine erweiterte Kreativit?t an: Wir wollen Bauten anhand neuer Entwurfswerkzeuge optimieren und zugleich den Gestaltungsraum digital erweitern.?

Das Prinzip: W?hrend des Entwerfens sollen in Echtzeit sehr viel mehr Informationen verf¨¹g- und visualisierbar sein. Messgr?ssen wie der ?kologische Fussabdruck, die Lebensdauer, die Bau- und Betriebskosten aber auch die Bauqualit?t ¨C zum Beispiel die akustische ¨C sollen bereits beim Entwurf viel genauer ber¨¹cksichtigt und beeinflusst werden k?nnen. Damit stehen den Planern aber auch Bauherren in fr¨¹hen Entwurfsstadien datengest¨¹tzte und somit objektive Entscheidungsgrundlagen zur Verf¨¹gung.

22 Professuren beteiligt

Diese Art zu entwerfen macht eine viel st?rkere interdisziplin?re Zusammenarbeit notwendig. An Design++ beteiligt sind deshalb 22 Professuren, haupts?chlich aus der Architektur, dem Bauingenieurwesen und der Informatik. Dazu kommt eine neue Professur f¨¹r Computational Augmented Design in Architektur, Bauingenieurwesen und Konstruktion, die in K¨¹rze ausgeschrieben wird. Neben gemeinsamen Forschungsprojekten plant Design ++ auch neue Lehrveranstaltungen zur KI in Architektur und Bauwesen. Immersive Lehrformen sollen insbesondere komplexe Zusammenh?nge im Hochbau aber auch konstruktiven Ingenieurbau besser vermitteln k?nnen.

Entwurfslabor f¨¹r digital erweiterte Realit?t

Als gemeinsames Herzst¨¹ck dient dem Center ein neu konzipiertes und k¨¹rzlich er?ffnetes Labor f¨¹r erweiterte Realit?t auf dem Ó¢»ÊÓéÀÖ H?nggerberg. Im Immersive Design Lab, einem 70 m2 grossen Raum, werden digitale Entw¨¹rfe und Modelle mit Hilfe von Virtual und Augmented und Mixed Reality erlebbar und k?nnen auch bearbeitet werden. Digital generierte Architekturentw¨¹rfe oder Br¨¹ckenmodelle beispielsweise k?nnen so analysiert und in Echtzeit weiterentwickelt werden. Mehrere Personen k?nnen dabei gemeinsam an den virtuellen Entw¨¹rfen arbeiten und sich gemeinsam ¨¹ber Verbesserungen austauschen.

Das neue Designlabor ist unter anderem best¨¹ckt mit 3D-Stereo-Projektoren und einer 8x5-Meter grossen Leinwand, Bewegungssensoren, 75 kuppelf?rmig angeordneten Lautsprechern, diversen VR- und AR-Brillen, einem Hochleistungsserver und tragbaren Rechnern f¨¹r das Echtzeit-Rendering der Bilder. Neben der virtuellen Begehung von Bauprojekten erm?glicht das Labor auch die Visualisierung komplexer Daten oder die Fernbedienung von unbemannten Baumaschinen auf weit entfernten Baustellen. Initiiert und realisiert wurde das Labor von der Professur Gramazio Kohler in Zusammenarbeit mit Experten aus den Bereichen Extended Reality und Akustik.