© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Bautechnik 91 (2014), Heft 4 257

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Jan Knippers

Integriertes Entwerfen im digitalen Prozess

1 Integrierte Datenmodelle und durchgängigeProzessketten

Heute spalten sich Planungs- und Bauprozesse in zuneh-mend spezialisierte Einzelaufgaben auf, die immer schwie-riger zu koordinieren und zu kontrollieren sind. Die aktu-ellen Probleme bei diversen Großprojekten belegen diesleider eindrucksvoll. Zu einer drängenden Aufgabe wirddaher die Schaffung von gemeinsamen Plattformen zuraktiven Vernetzung aller Beteiligten, die einen vollständi-gen und fehlerfreien Datenaustausch von den frühen Pla-nungsphasen über die Bewirtschaftung des Gebäudes bishin zu seinem Rückbau ermöglichen. Hierfür wurdenStandards für ‚Building Information Models‘ (BIM) entwi-ckelt, die den Austausch zwischen den verschiedenenCAD-Programmen der Planer und CAFM-Programmender Betreiber ermöglichen. In vielen Ländern überneh-men öffentliche Auftraggeber eine Vorreiterrolle bei derEinführung von BIM. In den USA hat die General ServiceAdministration schon im Jahr 2003 entsprechende BIM-Standards definiert und bei von ihr betreuten Bauprojek-ten umgesetzt. Andere Länder sind gefolgt.

In Deutschland sind solche Planungsmodelle noch wenigverbreitet, obwohl die technischen Voraussetzungenschon seit Längerem gegeben sind und ausgereifte Soft-warepakete vorliegen. Dies liegt vor allem an vertragli-chen und rechtlichen Rahmenbedingungen bzw. den Vor-

gaben der Honorarordnungen und der Vergabevorschrif-ten. Letztere lassen zum Beispiel kaum strategische Part-nerschaften zwischen den Planungsbeteiligten und mehrnoch zwischen Planern und ausführenden Firmen zu.Diese sind aber für integrierte Datenmodelle und durch-gängige Prozessketten von wesentlicher Bedeutung. ImJahr 2013 hat das Bundesinstitut für Bau-, Stadt- undRaumforschung (BBSR) einen „BIM-Leitfaden für Deutsch-land“ veröffentlicht, um damit Voraussetzungen für eineWeiterentwicklung der BIM in Deutschland zu schaffen [1].

Übergeordnetes Ziel dieser Gebäudedatenmodelle ist diezentrale und transparente Verwaltung von möglichst vie-len projektrelevanten Informationen mit dem Ziel einerhöheren Planungs-, Termin- und Kostensicherheit überden gesamten Lebenszyklus des Gebäudes. Für die betei-ligten Planer liegt der Vorteil in der Reduzierung des Ko-ordinationsaufwandes, der Vermeidung von Planungsfeh-lern durch automatisierte Nachführung von Änderungenoder durch Kollisionsprüfungen. All dies führt letztlich zueiner Steigerung der Effizienz, Sicherheit und Wirtschaft-lichkeit der Planung. Aus Sicht der Bauherren ist mit sol-chen Modellen die Erwartung verknüpft, jederzeit auf gutdokumentierte Informationen über sein Gebäude zurück-greifen zu können. BIM ist daher vor allem für Bauwerkewie Krankenhäuser oder Industrieanlagen interessant,die einen hohen Installationsgrad aufweisen und häufigerumgebaut werden müssen.

DOI: 10.1002 / bate.201400020

Computerbasierte Planungs-, Simulations- und Fertigungsver-fahren sind seit Jahrzehnten unverzichtbare Hilfsmittel beimPlanen und Bauen. Gegenwärtige Entwicklungen zielen auf dieVerknüpfung von bisher isolierten Softwarekomponenten zumeinen auf die horizontale Integration von verschiedenen Infor-mationen der Planungsbeteiligten in Gebäudedatenmodellen(Building Information Modeling, kurz: BIM) und zum anderenvertikal entlang der gesamten Prozesskette vom frühen Entwurfbis zur Ausführung auf der Baustelle und der Bewirtschaftungder Gebäude. Ziel ist dabei die Steigerung der Effizienz und derSicherheit von Planungs- und Bauabläufen. Darüber hinaus hatdies aber auch tief greifende Auswirkungen auf die Planungs-kultur: Es verändert sich nicht nur die interdisziplinäre Kommu-nikation zwischen den Beteiligten, sondern auch die Rolle unddie Aufgaben von Architekten und Ingenieuren im Prozess desPlanens und Bauens.

Keywords Gebäudedatenmodelle; BIM; Prozessketten, digitale; ParametricDesign

Integrative design in the digital processComputational design, simulation and fabrication methods havebeen an indispensable means of design and construction fordecades. Recent efforts are focused on linking previously iso-lated components: on the one hand, horizontally through the in-tegration of different information of the various parties involvedin consistent data models (Building Information Modeling,short: BIM), on the other hand, vertically along the entireprocess chain, from the early stages of design to the installa-tion on site and management of the facilities. The aim is tostrengthen the efficiency and reliability of design and construc-tion processes. In addition this will lead to a profound changein the culture of design that will not only affect the interdiscipli-nary communication, but also the role of architects and engi-neers in the entire process of design and construction.

Keywords building information modeling; BIM; digital process chain;parametric design

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Durch die Einführung eines Gebäudedatenmodells verän-dert sich der Ablauf der Planung. Der Planungsaufwandverlagert sich in die frühen Phasen und es entstehen zu-sätzliche Leistungen durch die Koordination des zentra-len Datenmodells. Derzeit spiegelt sich das in der HOAI2013 nur als besondere Leistung in LPh2 der Objektpla-nung wider, obwohl BIM in allen Leistungsphasen undfür alle Planer relevant ist.

Integrierte Datenmodelle, wie sie Grundlage der BIMsind, schaffen die Voraussetzungen für die Einführung di-gitaler Prozessketten, die Entwurf, Planung und Fertigungmiteinander verknüpfen. Stand der Technik sind sie seitüber zehn Jahren im Bereich des Stahl- und Anlagenbausoder der Betonfertigteilwerke für die Verbindung dercomputerbasierten Fertigung mit der Werkstattplanungsowie die Verknüpfung mit der Logistikplanung, der An-gebots- und Kostenkalkulation und anderen ausführungs-relevanten Leistungen. Die Integration der frühen Pla-nungsphasen und die zunehmende Detaillierung von denersten Entwurfskonzepten bis zur Ausführungsplanungdurch die Beiträge der diversen Fachplaner befinden sichderzeit allerdings noch in der Entwicklung.

2 Architekten und Ingenieure im computerbasiertenProzess

Seltener wird thematisiert, dass die Einführung computer-basierter Prozessketten jenseits aller technischen undwirtschaftlichen Aspekte das Miteinander beim Planenund Bauen insgesamt verändert. Derzeit sind Bauabläufehäufig konfliktbelastet. Die zunehmende Komplexität un-serer Bauaufgaben und die damit verbundene Aufspal-tung von Planungsleistungen führen dazu, dass für die Be-teiligten häufig eher die Abgrenzung der eigenen Leistun-gen sowie ihre vertragliche Absicherung als derGesamterfolg des Projektes im Vordergrund stehen. Diesführt von Vornherein zu Konstellationen, die wenig part-nerschaftlich ausgerichtet sind.

Die Einführung durchgängiger computerbasierter Pla-nungsabläufe macht die Organisation und Kontrolle desInformationsflusses zur zentralen Aufgabe. Das gemein-same Modell und die Übergabe der Daten rücken in denMittelpunkt, was einen grundsätzlich teamorientiertenAnsatz verlangt. Von Ingenieuren erfordert dies eine neueAuseinandersetzung mit dem Prozess der Planung stattdas Abarbeiten immer gleicher Planungsschritte. Es ent-stehen Aufgaben, wie zum Beispiel die Organisation undVerwaltung eines zentralen 3D-Modells, die Definitionund Programmierung von Softwaretools und Schnittstel-len, die in den traditionellen Leistungsbildern und damitauch Honorarordnungen von Architekten und Ingenieu-ren nicht verankert sind. Eine abschließende Zuordnungzu den klassischen Berufsbildern hat sich noch nichtetabliert [1]. Neben den positiven Auswirkungen auf dieEffizienz und Sicherheit des Planens und Bauens setztdieses Aufbrechen eingefahrener Abläufe und Rollenmus-ter ein erhebliches Innovationspotenzial frei, das auch zu

neuen architektonischen und konstruktiven Lösungenanregt.

3 Neue Strukturformen durch computerbasierteProzessketten: ICD/ITKE-Forschungspavillon 2011

Beispielhaft lässt sich dies am ICD/ITKE-Forschungspa-villon 2011 zeigen [2]. Im Sommer 2011 realisierten dasInstitut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD, Prof.ACHIM MENGES) und das Institut für Tragkonstruktionenund Konstruktives Entwerfen (ITKE, Prof. JAN KNIP-PERS) der Universität Stuttgart einen temporären bioni-schen Versuchsbau aus Holz, der an der Schnittstelle vonLehre und Forschung von einem Team von Architektenund Ingenieuren entworfen, geplant und ausgeführtwurde. Das Projekt erforscht die Übertragung biologi-scher Strukturbildungsprinzipien der Plattenskelette vonSeeigeln in die Architektur mittels computerbasierter Ent-wurfs-, Simulations- und Fertigungsverfahren. Ziel wardabei nicht die Skalierung der Seeigelschale auf einengrößeren Maßstab, sondern die Anwendung der bioni-schen Prinzipien auf eine freie Geometrie, die durch Öff-nungen, Ränder und Krümmungswechsel gekennzeichnetist. Wie beim Seeigel laufen drei Plattensegmente stets aneinem Punkt zusammen, ein Prinzip, welches biegetragfä-hige Schalenstrukturen ermöglicht, obwohl an den Fugenim Wesentlichen Normal- und Schubkräfte, aber nur ge-ringe Biegemomente übertragen werden können. Im Ge-gensatz zu klassischen Leichtbauweisen, welche nur aufbelastungsoptimierten Formen angewendet werden kön-nen, ist das neue Konstruktionsprinzip auf einer beliebi-gen Tragwerksgeometrie anwendbar. Gleichzeitig zeigtdie Struktur eine hohe Leistungsfähigkeit, was dadurchdemonstriert wird, dass die komplexe Struktur des Pavil-lons ausschließlich aus 6,5 mm dicken Sperrholzplattenrealisiert werden konnte.

Voraussetzung für den Entwurf, die Planung und Realisie-rung des Pavillons ist eine geschlossene digitale Kettevom Entwurfsmodell über Finite-Elemente-Simulationenbis hin zur Maschinenansteuerung. Formfindung undTragwerksplanung sind dabei eng verzahnt. Dies ermög-licht, die komplexe Geometrie wiederholt in ein Finite-Elemente-Programm einzulesen, mechanisch zu analysie-ren und zu modifizieren. Parallel dazu wurden die Keil-zinkenverklebungen und die geschraubten Verbindungenexperimentell geprüft und die Ergebnisse in den stati-schen Berechnungen berücksichtigt.

Die Fertigung der Platten erfolgte schließlich auf einer ro-botischen Fertigungsanlage. Die Platten wurden mit Keil-zinkenverbindungen verleimt. Diese uralte zimmer-mannsmäßige Verbindungstechnik wurde mithilfe dercomputerunterstützen Fräse auf beliebige Winkel übertra-gen. Auf der Grundlage des computergenerierten Geome-triemodells konnte auch die Erzeugung des Maschinen-steuerungscodes (NC-Code) für die Maschinenansteue-rung automatisiert werden, was die ökonomischeFertigung der mehr als 850 geometrisch unterschiedli-

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chen Bauteile sowie der mehr als 100 000 frei im Raumangeordneten Zinken erst ermöglichte. Im Gegensatz zuden klassischen prozessspezifischen CNC-Maschinen,wie sie im Holzbau zum Beispiel für den Abbund verwen-det werden, kann der Roboter als Plattform für verschie-denste Fertigungsverfahren verwendet werden, die imGegenzug aber einen deutlich höheren Steuerungs- undProgrammierungsaufwand erfordern, der nur in einer au-tomatisierten Prozesskette beherrschbar ist. Im Anschlussan die robotische Fertigung wurden die Sperrholzplattenan den Fingerzinkenverbindungen zu Zellen gefügt, grun-diert und lasiert. Die Montage dieser vorgefertigten zwei-lagigen Module erfolgte kontinuierlich auf dem CampusStadtmitte der Universität Stuttgart. Sowohl die statischeAnalyse, die NC-Programmierung als auch die Ablaufpla-nung wurden gemeinschaftlich in einem Team aus Archi-tekten und Ingenieuren durchgeführt, in dem jeder seineRolle und seinen Beitrag definieren musste.

Das für den ICD/ITKE-Forschungspavillon 2011 entwi-ckelte Konstruktionsprinzip wird derzeit in Zusammenar-beit mit einem mittelständischen Unternehmen für diebaupraktischen Erfordernisse des Holzbaus weiterentwi-

ckelt und für ein Ausstellungsgebäude der Forst Baden-Württemberg auf der Landesgartenschau 2014 in Schwä-bisch Gmünd umgesetzt.

4 Die digitale Planungskultur

Die Möglichkeiten der parametrischen Modellierung unddigitalen Fertigung werden seit fast zwanzig Jahren anallen Architekturschulen der Welt diskutiert. ‚Parametricdesign‘ gehört zu den Schlagworten, die zahlreiche Archi-tekten der Avantgarde um die Jahrtausendwende benutzthaben, um die Abkehr vom dem auf individueller künstle-rischer Intuition beruhenden traditionellen architektoni-schen Entwurf hin zu regelbasierten Gestaltungsprozes-sen zu bezeichnen. Fast immer geht es dabei um neue ar-chitektonische Ausdrucksformen durch geometrischeKomplexität, aber nicht um die Steigerung der strukturel-len oder ökologischen Effizienz. Diese wird erst durch dieIntegration ingenieurwissenschaftlicher Simulationsver-fahren in die computerbasierte Planungskette möglich.Erst diese drei Komponenten zusammen – die computer-basierte Modellierung, Simulation und Fertigung – er-möglichen neue Strukturformen jenseits gängiger Typolo-gien, die über die reine Formgenerierung hinausgehenund die Leistungsfähigkeit von Konstruktionen steigern.

Mit den integrierten Prozessketten ist eine grundsätzlicheNeudefinition der Tätigkeit von Architekten und Inge-nieuren verbunden: weg von Entwurf und Konstruktiondes Bauwerkes, hin zur Gestaltung des Prozesses, seinerSchnittstellen und Werkzeuge [3, 4]. Wer diese Aufgabenübernimmt und wie die Schnittstellen organisiert sind, istvon vielen Faktoren abhängig und muss zu Beginn derPlanung jeweils neu diskutiert und vereinbart werden.

Die konsequente Neuinterpretation des Entwurfsprozes-ses in diesem Sinne wirft ganz grundsätzliche Fragen auf,die noch viel weiter gehen: Leistungen in Kunst und Kul-tur sind seit der Renaissance in der öffentlichen Wahr-nehmung mit einzelnen Individuen verknüpft, auch wennganz besonders im Fall der Architektur viele Personen

Bild 1 Robotische Fertigung der KeilzinkenverbindungenRobotic fabrication of finger joints

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Bild 2 Fügung der ElementeAssembly of elements

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Bild 3 ICD/ITKE-Forschungspavillon 2011ICD/ITKE research pavilion 2011

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zum Gelingen eines Werkes beitragen. Technische Leis-tungen bleiben dagegen außerhalb der Fachwelt weitge-hend anonym, obwohl sie ebenso auf individueller Kreati-vität beruhen. Die konsequente Einführung computerba-sierter Prozessketten stellt die Frage nach dem Urhebereines Werkes grundsätzlich neu und könnte somit auflange Sicht einen tief greifenden kulturellen Wandel an-stoßen, der weit über die hier angesprochenen Aspektedes Planens und Bauens hinausgeht.

5 Die neue Rolle der Ingenieure: Bao‘an InternationalAirport, Shenzhen

Der Terminal 3 des Bao’An Airports in Shenzhen zeigt,wie solche Prozesse derzeit im größeren Maßstab in diePraxis implementiert werden und dabei die Planungsab-läufe tief greifend verändern [5, 6]. Die architektonischeKonzeption von MASSIMILANO FUKSAS sah eine freieGroßform vor, die zunächst an einem Gipsmodell entwi-ckelt und anschließend mit einem 3D-Scanner in eineNURBS-basierte Oberfläche überführt wurde. Diese soll-te konstruktiv mit einem Raumtragwerk abgebildet wer-den, das beidseits mit einer perforierten Hülle in Formeines Streckmetalls bekleidet ist. Die äußere Bekleidungbildet die thermische Hülle. Das Tragwerk bleibt zwi-schen den beiden Fassadenebenen zwar sichtbar, sollaber gleichzeitig die Durchblicke durch die polygonalenÖffnungen der beiden Hüllen ermöglichen. Das Motivdes Streckmetalls lässt sich zwar auf eine abwickelbare

Fläche projizieren, bei doppelt gekrümmten Flächen, wiesie bei dem Terminal auftreten, ist dies aber nur mit zu-sätzlichen Modifikationen möglich, wenn die Ebenheitder Glasscheiben als Randbedingung einzuhalten ist. Ur-sprünglich war geplant, die Größe und Neigung der Öff-nungen in dem fast 1500 m langen Gebäude an die loka-len Anforderungen hinsichtlich Tageslicht, Energieeintragund Blickbeziehungen anzupassen. Hierzu wurde vonden Tragwerksplanern Knippers, Helbig Avanced Engi-neering ein parametrisches Modell generiert, das dieAchsinformationen der beiden Hüllen sowie des dazwi-schen liegenden Tragwerkes erfasst. Dieses überführte dieNURBS-basierte Oberfläche des Architekten in kartesi-sche Koordinaten für die Knoten der Fassadenpaneeleund des Raumtragwerkes. In einem automatisierten Pro-zess wurden dann aus diesen Punkten sämtliche weiteregeometrische Informationen abgeleitet, die für die kon-struktive Durchbildung und die Herstellung von Hülleund Tragwerk erforderlich waren.

Das Datenmodell basiert lediglich auf elementarer Soft-ware, nämlich Excel und der NURBS-basierten 3D- Modellierung mit Rhino3D, und diente als gemeinsamePlattform zum Austausch von Informationen zwischenArchitekten, Ingenieuren und Baufirmen. Solche Pla-nungsabläufe wären in Deutschland derzeit wegen derschwierig zu regelnden Gewährleistung kaum möglich. InChina geht aber die gesamte Planungsverantwortungnach einem vertieften Entwurf auf den lokalen Planungs-partner über, in diesem Fall das Bejing Institute of Archi-tectural Design (BIAD). Dank der Parametrisierungkonnten die architektonischen Vorgaben und konstrukti-ven Daten bis zuletzt immer wieder modifiziert werden,bei gleichzeitig extrem kurzer Bauzeit: Zwischen Pla-nungsbeginn im Sommer 2008 und der Eröffnung im No-vember 2013 liegen gerade einmal fünf Jahre. Nach etwa50 verschiedenen Versionen des Terminaldaches wurdeam Ende eine sehr einfache lineare Anordnung der Fassa-denmodule gewählt, wie sie jetzt am fertigen Bauwerk zusehen ist. Aus Sicht der Ingenieure besteht die Herausfor-derung nicht nur in der Entwicklung und Berechnung desTragwerkes, sondern darüber hinaus in der Generierungeines geometrischen Datenmodells sowie dem Austauschder Informationen zwischen geometrischer Modellierung

Bild 4 Entwicklung der geometrischen Daten der äußeren FassadenhülleDevelopment of geometric information of exterior facade cladding

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Bild 5 Geomeriedefinition Eckpunkte FassadenpaneelDefinition of masterpoints of facade panels

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Bild 6 Geometriedatenmodell von Tragwerk und den beiden VerkleidungenGeometric model of structure and both envelopes

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J. Knippers: Integrative design in the digital process

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und statischer Berechnung. Dies sind neue Aufgaben, dienicht nur neue Software und Planungsleistungen erfor-dern, sondern insgesamt die Stellung der Ingenieure im

Planungsprozess neu definieren und stärken, allerdingsnur, wenn sich die Ingenieure dieser Themen auch selbstannehmen, anstatt sie auf IT-Spezialisten zu verlagern.

Bild 7 Innenansicht Terminal Shenzhen Bao’An International Airport,Shenzhen, ChinaInterior view

Bild 8 Außenansicht Shenzhen Bao’An International Airport, Shenzhen,ChinaExterior view

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Literatur

[1] EGGER, M.; HAUSKNECHT, K; LIEBICH, T.; PRZYBYLO, J.:BIM-Leitfaden für Deutschland. Endbericht für For-schungsprogramm ZukunftBAU, Bundesinstitut für Bau-,Stadt- und Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bau-wesen und Raumentwicklung (BBR), 2013.

[2] LA MAGNA, R.; GABLER, M.; REICHERT, S.; SCHWINN, T.;WAIMER, F.; MENGES, A.; KNIPPERS, J.: Form Nature to Fa-brication: Biomimetic Design Principles for the Productionof Complex Spatial Structures. International Journal ofSpace Structures 01/2013, S. 27–39.

[3] KNIPPERS, J.: Von der Konstruktion des Bauwerks zur Ge-staltung der Prozesse. Detail 10/2012, S. 1142–1148.

[4] KNIPPERS, J.: From Model Thinking to Process Design. ADArchitectural Design 02/2013, S. 74–81.

[5] KALTENBACH, F.: Erlebnislandschaft statt Röhre – Terminal3, Flughafen Bao’an in Shenzhen. Detail 12/2012, S. 1422–1432.

[6] HELBIG, T.; SCHEIBLE, F.; KAMP, F.; SCHIEBER, R.: Engineer -ing in a Computational design environment: New Termi-nal 3 at Bao’an International Airport, China. Steel Con-struction 7 (2014), No. 1, pp. 24–31.

AutorProf. Dr. Ing. Jan KnippersKnippers Helbig Advanced EngineeringTübinger Straße 12–1670178 Stuttgartinfo@knippershelbig.com

und

Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE)Universität Stuttgart