Dossier 4

Stefana Parascho

Integrative Architekturmodelle

Eine neue Rolle in der digitalen Architektur

In der digitalen Architektur wird das Modell heutzutage gleichzeitig für den Entwurf, die Planung und im Bauprozess verwendet. Insbesondere der Fabrikationsprozess wird durch eine computer basierte Beschreibung in das Modell integriert und somit – anders als bei traditionellen Ent wurfsmethoden – von Anfang an im Entwurfsprozess berücksichtigt.

Der Begriff «Modell» im Zusammenhang mit Entwurfs, wie Proportionen oder räumliche Zudem architektonischen Entwurf beinhaltet viel-sammenhänge, können hier erstmals Angaben seitige Bedeutungen, die je nach Entwurfsphase zur Ausnutzung, Effizienz oder Performanz fest-stark variieren können. In einem Anfangsstadium gehalten werden.

benötigt ein Entwurf eher ein konzeptionelles ana-Zusammenfassend kann man den Begriff «Mo-loges Modell, in der Planungsphase eher digitale dell» als eine Abstraktion des Entwurfs betrach-Informationsmodelle, wie statische, bauphysika- ten. Diese Definition umfasst analoge wie auch lische oder detaillierte Grundrissmodelle. In der digi tale Modelle, die je nach Aufgabe den Entwurf Ausführung braucht es wiederum unterschiedli- durch eine Simplifikation eines oder mehrerer che Modelle für jede Teilaufgabe, jeder Fachplaner Entwurfsparameter wiedergeben.

hat sein digitales oder analoges Modell, welches die ihm wichtigen Details des Entwurfs beinhal-Das architektonische Modell tet. Um einen bestimmten Stand eines Entwurfs

in der digitalen Architektur

möglichst realistisch wiederzugeben, hat man im Das digitale Zeitalter in der Architektur be-traditionellen Architekturentwurf hauptsächlich gann mit der Suche nach Methoden der Automa-auf Massstabsmodelle als Repräsentationsmedium tisierung und erhöhten Effizienz architektoni-zurückgegriffen. Dieser Entwurfsprozess ist haupt-scher Prozesse, sei es beim Entwurf oder in der sächlich hierarchisch aufgebaut, was bedeutet, Konstruktion. Allerdings beschränkt sich heut-dass unterschiedliche Entwurfsdetails nachein- zutage die Digitalisierung der Architektur nicht ander bearbeitet werden. So wird zum Beispiel oft ausschliesslich auf die Automation traditioneller die globale Form eines Entwurfs zuerst beschrie- Entwurfs- und Repräsentationsmethoden. Ein ben, danach die passende Tragstruktur oder die Schwerpunkt der Digitalisierung liegt im Erstel-angewandten Materialien und im letzten Schritt len digitaler Modelle, die es ermöglichen, den die Fertigungsmethoden und Details.

Entwurfsspielraum möglichst ausführlich zu be-

Bei der Einführung von CAD-Technologien1 schreiben und auszunutzen. Digitale und ana-wurden erstmals klassische analoge Repräsenta- loge Modelle dienen nicht mehr nur zur reinen tionsmethoden angewandt: Handzeichnungen Visualisierung, sie werden aktiv in den Entwurfs-wurden mittels traditioneller Techniken, zum prozess integriert, mit dem Ziel, möglichst viel-Beispiel durch das Zeichnen von Linien, Schraf-seitige Informationen darin zu integrieren. Dies furen oder geometrischen Elementen, in digitale bedeutet, dass das Modell den Entwurfsprozess Zeichnungen umgewandelt. Die CAD-Repräsen- leitet und somit die bisherigen Möglichkeiten von tation galt in erster Linie der Vereinfachung des architektonischen Modellen weit überschreitet.

Zeichenprozesses, was eine Automatisierung von Analoge Modelle erlauben heute das Durchführen manuellen Prozessen bedeutete. Das Gleiche galt von Materialtests und physikalischen Experimen-

»

für dreidimensionale Modelle, digitale wie analo- ten, welche die Eigenschaften eines gewählten Abb. 1 Filippo Brunelleschi, ge: Sie dienten weiterhin zur möglichst genauen Materialsystems erforschen und für den Entwer-massstäbliches Modell der Kathedrale in Florenz,

Wiedergabe des Entwurfs – neu war die Drei- fer und die Entwerferin greifbar machen. Digitale ca. 1418, Museo dell’Opera dimensionalität. Der Vorteil digitaler Modelle Modelle hingegen werden zum Beschreiben der del Duomo, Florenz.

ist die schiere Unbegrenztheit, Informationen zu Interaktionen zwischen den vielen Parametern, Foto Antonio Quattrone speichern; nebst der visuellen Information eines die eine Entwurfsaufgabe charakterisieren, einge-40 k+a 4/2018

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Test- oder Forschungszwecken gebaut werden, um Material, Tragverhalten und Konstruktionstech-niken auszutesten und zu beschreiben. Die damit gewonnenen Erkenntnisse werden direkt im digitalen Modell gespeichert und dienen als Input für die Weiterentwicklung des Entwurfs. Neue digitale Entwicklungen werden wiederum in analogen Modellen getestet, die in einem zweiten Schritt ebenfalls das digitale Modell erweitern. Dadurch entsteht ein geschlossener, zirkulärer Entwurfsprozess, der die Trennung zwischen Entwurf und Konstruktion aufhebt und in einem einheitlichen Prozess vereint.

Historisch betrachtet, wurden analoge Mo-

delle zunächst als Mittel zur Visualisierung benutzt, wie etwa von Filippo Brunelleschi für die Kathedralkuppel von Florenz (Abb. 1). Im 19. und 20. Jahrhundert wurden sie erstmals zum Testen von Materialverhalten und zur Formfindung benutzt. Antoni Gaudí nutzte diese zur Formfindung von reinen druckbeanspruchten Kon-struktionen, die ein Minimum an Material zur statischen Wirksamkeit benötigen (vgl. Abb. 2).

Fast ein Jahrhundert später entwickelte Frei Otto Seifenblasenmodelle als Formfindungsmethode für Minimalflächen2, in denen die Spannungen

in Zugelementen minimal sind (vgl. Abb. 3). Beide Methoden dienten zur Optimierung des Materi-algebrauchs und -verhaltens und führten gleichzeitig zu aussergewöhnlichen und ästhetischen Entwürfen, die heute noch faszinieren.

Digitale Modelle können äusserst vielseitig

angewandt werden. Sie sind nicht mehr von der

visuellen Repräsentation abhängig und dienen le-diglich zur Zusammenführung von Information, welche das architektonische Objekt beschreibt.

Abb. 2 Antoni Gaudí,

setzt. Sie sollen es den Entwerfenden ermöglichen, Digitale Modelle können in unterschiedlichster Hängemodell, das zur die hohe Komplexität einer Entwurfsaufgabe in Form auftreten, von simplen binären Modellen Formfindung der Kirche einem gemeinsamen Prozess zusammenfassen zu bis hin zu komplexen detaillierten Informations-der Colònia Güell gebaut wurde, ca. 1900.

können. Das Ziel der Zusammenführung beider modellen, welche Form, Funktion und techni-Foto z.V.g.

Modelltypen ist, die Trennung zwischen forma-

sche Informationen über ein Objekt beinhalten.

lem Entwurf und physikalischer Realität aufzu- So unterscheidet man etwa zwischen geometri-heben und möglichst früh so viele funktionelle schen Modellen, die das architektonische Objekt Parameter wie möglich, zum Beispiel Statik, Kon- formell repräsentieren; statische Modelle, die struktionsprozess oder Materialeigenschaften, in anhand der Geometrie Informationen zum stati-den Entwurfsprozess zu integrieren.

schen System beinhalten und eine statische Analyse mittels digitaler Programme ermöglichen; Analoge versus digitale Modelle weiter gibt es bauphysikalische Modelle, die den Eine grundlegende Veränderung der Metho- Energieverbrauch und die bauphysikalische Leis-dik liegt in der Zusammenfassung von digitalem tungsfähigkeit eines Gebäudes darstellen, oder und analogem Modell. Die beiden Modelltypen Fabrikationsmodelle, die Informationen zur Fa-dienen nicht mehr getrennten Zwecken, sondern brikationsmethode beinhalten. All diese Modelle vereinen das Materielle mit dem Abstrakten in ei- können separat existieren oder in übergeordneten nem übergeordneten Modell. Dies wird dadurch Modellen zusammenkommen, die das Planen ei-erreicht, dass analoge Modelle hauptsächlich zu nes integrativen Entwurfs stark vereinfachen.

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Abb. 3 Frei Otto, Seifenblasenmodell zur Formfindung des Deutschen Pavillons Montreal, 1967. Foto Atelier Frei Otto, Warmbronn

Abb. 4 «Entwurf und Robotische Assemblierung von Räumlichen Strukturen», digitale Darstellung der Knotengeometrie. Grafik Gramazio Kohler Research, ETH Zürich, 2018

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Abb. 5–7 «Entwurf und

Integrative Modelle

in Abbildung 4 automatisch erzeugt, je nachdem Robotische Assemblierung

Die digitale Architektur hat sich weitgehend wo die Eckpunkte der Struktur im Raum defi-von Räumlichen Strukturen» bei Gramazio Kohler mit der Entwicklung integrativer Modelle be- niert sind, was bedeutet, dass die Interaktionen Research, ETH Zürich. Drei schäftigt, mit dem Ziel, möglichst viele Informa- zwischen Position der Punkte und Position der Teststrukturen, welche tionen in ein gemeinsames Modell zu integrieren Stäbe im Modell impliziert sind. In anderen Um-anhand des gleichen digitalen Modells, nur durch und die Architekturplanung von A bis Z zusam-ständen kann das Modell noch abstrakter sein das Ändern der Entwurfsmenzubringen. Integrative Modelle beziehen sich und den Lösungsraum einer Entwurfsaufgabe pa ra meter, generiert nicht auf isolierte Teilaspekte des Entwurfs, son- beschreiben. Ein einfaches Beispiel ist durch eine und gebaut wurden. Foto Gramazio Kohler Research,

dern versuchen die Parameter, Einschränkungen, mathematische Funktion darstellbar. Die Funkti-ETH Zürich, 2018

Rahmenbedingungen und den Lösungsraum3 zu on beschreibt alle möglichen Lösungen für einen definieren. In den meisten Fällen greifen integra- Parameter. Der Vorteil einer solchen Repräsentative Modelle auf eine computerbasierte Beschrei- tion liegt in der schnellen Berechnung von Lösun-bung der Entwurfsmöglichkeiten zurück, anstatt gen. Eine andere Art von digitalem Modell wird die räumlichen bzw. geometrischen Eigenschaf- durch generative Modelle beschrieben. In diesem ten des Objekts wiederzugeben. Trotzdem kön- Fall beschreibt das Modell nicht nur die Zusam-nen auch analoge Modelle eine computerbasierte menhänge zwischen den Entwurfsparametern, es Betrachtung mit sich bringen. Gaudís und Ottos nutzt zusätzlich diese Informationen aus, um den Formfindungsmodelle weisen die gleiche Dyna- Entwurf automatisch zu verändern und Entwürfe mik und Anpassungsfähigkeit auf wie komplexe zu erzeugen.

digitale Modelle von heute. Ein Modell soll möglichst viele Änderungen in einem Entwurfspro-

Integrative Modelle

zess aufnehmen und verarbeiten können, ohne

und Fabrikation

es jedes Mal neu formulieren zu müssen. Ein Die Fabrikations- und die Konstruktionsme-solches Modell kann parametrisch definiert sein, thode wird heute bereits im Entwurfsstadium von indem die Verlinkungen zwischen unterschied- Archi tektur immer wichtiger. Mit der Einführung lichen Parametern modelliert sind4. So zum Bei- von digitalen Fertigungsmethoden, wie zum Beispiel wird die Geometrie des zentralen Knotens spiel CAM-Technologien5 und Robotischen Ferti-44 k+a 4/2018

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gungstechniken, wurde auch der geometrische Tragwerksanalyse und ein Fabrikationsmodell, Lösungsraum für den architektonischen Entwurf welches die robotischen Parameter beinhaltet.

stark erweitert.6 Digitale Fabrikationsmethoden erlauben den Zusammenbau von hochkomplexen Fazit Geometrien mit individuellen Bauteilen, die Die digitale Architektur hat sich zum Ziel ge-präzise im Raum zusammengefügt oder verarbei-setzt, den architektonischen Entwurf integrierter tet werden. Trotzdem sind die Möglichkeiten sol- als bisher zu gestalten, das heisst, die Trennung cher Fertigungsmethoden nicht unendlich. Jede zwischen Entwurf, Planung und den dazugehöri-einzelne Methode hat ihre spezifischen Grenzen gen Modellen aufzuheben und einen kontinuier-und Bedingungen, welche im Entwurfsprozess lichen Prozess von der ersten Entwurfsidee bis hin berücksichtigt werden müssen. Das Ergebnis ver- zum gebauten Objekt zu erreichen. Dazu gehört langt eine direkte Kopplung von physikalischer das Abschaffen des klassischen Entwurfsprozes-und digitaler Welt, welche in integrativen Model-ses, in dem der formale Entwurf an erster und die len gegeben ist. Dies bedeutet, dass neue, kom- Fabrikation an letzter Stelle steht. Das Ganze be-plexe Fabrikationsmethoden nur durch analoge ruht auf der Überzeugung, dass vor allem durch Prototypen erforscht werden können, so dass sie neuartige digitale Fertigungsmethoden der Spiel-in das digitale Modell integriert werden können. raum für das Entwerfen um ein Vielfaches erwei-Der Kreislauf digitales Modell – analoger Prototyp tert wird und das Ausnutzen dieses Spielraums – digitales Modell ist nun zu einer Notwendigkeit nur durch adäquate, integrative digitale Modelle geworden und erlaubt das Ausnutzen der Freiräu-ermöglicht wird. Fabrikation ist nicht mehr nur me, die durch neue Fabrikationsmethoden ermög-ein Nachbearbeitungsschritt, der nach dem Ent-licht werden. Anhand des Projektes am Departe- wurfsprozess eingesetzt werden muss, sondern in-ment für Architektur der ETH Zürich (Gramazio tegraler Bestandteil des Entwurfs und ermöglicht Kohler Research) «Entwurf und Robotische As- es Architekten, die neuen Technologien als Ent-semblierung von Räumlichen Strukturen»7 wird wurfshilfsmittel einzusetzen, anstatt diese wegen dieser Zusammenhang wie folgt dargestellt: Meh- ihrer Komplexität zu umgehen.

rere Roboter fügen gemeinsam geometrisch diffe-renzierte Strukturen aus Stahlstäben zusammen. Anmerkungen Diese werden mit computergesteuerten Hilfsmit- 1 ComputerAided Design beschreibt Methoden teln entworfen und gebaut. In jedem Prototyp zur digitalen Darstellung eines Entwurfs durch werden unterschiedliche Parameter bezüglich der die An wen dung dafür entwickelter Software (Yehuda Baubarkeit getestet, zum Beispiel die Reihenfolge E. Kalay. Architecture’s New Media: Principles, Theories, and Methods of Computer-Aided Design. Cambridge, der Positionierung der Stäbe, die geometrische Mass. 2004).

Zusammenbaulogik, die Verbindungsmethode,

die Bewegung der Roboter und die Stabilität der 2 Minimalflächen beschreiben Flächen, die lokal einen möglichst kleinen Flächeninhalt haben. Dadurch haben Struktur. Die Erkenntnisse flossen direkt in das sie überall die gleiche Oberflächenspannung, wie man algorithmische Entwurfswerkzeug, welches nach sie etwa in Seifenblasen erkennen kann (Klaus Bach, und nach angepasst wurde, um am Ende dem Berthold Burkhardt, Frei Otto. IL 18, Seifenblasen.

Entwerfer oder der Entwerferin zu ermöglichen, Stuttgart 1988).

Strukturen zu planen, die nicht nur statisch und 3 Lösungsraum bezieht sich hier und im Verlauf des geometrisch funktionieren, sondern mit Hilfe ei- gesamten Textes auf die Gesamtheit aller möglichen ner robotischen Anlage kollisionsfrei zusammen- Entwurfsergebnisse, die die gegebenen Parameter, Einschränkungen und Rahmenbedingungen erfüllen.

gebaut werden können. Das grundlegende digita- Durch eine mathematische Beschreibung eines solchen le Modell beschreibt dabei die Zusammenhänge Lösungsraumes ist es möglich, diesen weitgehend dieser Parameter und nicht einen Zwischen- oder zu erkunden.

Endzustand des Entwurfs. Das Ergebnis ist ein 4 Patrik Schumacher definiert den Begriff «Paraeinziges Modell, das unendlich viele Strukturen metricism» als eine computergenerierte, regelbasierte generieren kann, ohne dabei die grundlegende Entwurfsmethode, die neue architektonische Ausdrücke durch komplexe Formen erzeugen kann Struktur des Modells ändern zu müssen. Anhand (Patrik Schumacher. The Autopoiesis of Architecture.

der Datenstruktur war es zudem möglich, aus Chichester 2011).

dem Basismodell unterschiedliche Modelle zu generieren, wie zum Beispiel ein geometrisches Mo- 5 ComputerAided Manufacturing beschreibt Methoden zur computerbasierten Fabrikation mittels spezifidell zur Visualisierung, ein statisches Modell zur scher Software, z. B. CNCFräsen und Laserschneiden 46 k+a 4/2018

(Sotiris Makris, Dimitris Mourtzis, George Chryssolouris.

complexes peuvent être décrites et paramé «ComputerAided Manufacturing». In: CIRP Encyclopedia trées, selon lesquelles sont élaborées des of Production Engineering. Berlin 2014).

maquettes répondant aux critères prédéfinis.

6 Gramazio Kohler Research gründeten 2005 das erste Le projet «Esquisse et assemblage robotique robotische Labor für Forschung in der Architektur an de structures dans l’espace», développé à der ETH Zürich und eröffneten dadurch Möglichkeiten l’École polytechnique de Zurich par Gramazio für computergesteuerte, robotische Assemblierung von Kohler Research en est un exemple. Grâce komplexen Geometrien. In einem ihrer ersten Projekte, aux processus d’esquisse et de fabrication «Die Programmierte Wand», wurden Backsteine von einem Roboterarm individuell abgelegt, so dass jeder gérés sur ordinateur, des structures com Stein eine andere Position und Orientierung hat.

plexes de tiges ont pu être dessinées, visualihttp://gramaziokohler.arch.ethz.ch/web/d/lehre/81.html.

sées et construites par deux robots.

7 Das Projekt «Entwurf und Robotische Assemblierung von Räumlichen Strukturen» entstand im Rahmen Riassunto

der Doktorarbeit der Autorin am Institut für Architektur und Digitale Fabrikation, Gramazio Kohler Research Modelli di architettura ETH Zurich. Es erforscht Methoden zur robotischen integrativi – il ruolo del modello Assemblierung von komplexen räumlichen Stab nell’architettura digitale

strukturen mit nichtstandardisierten Elementen und Con lo sviluppo dell’architettura digitale, Knoten. Ein Schwerpunkt lag in der Beschreibung eines integrierten Modells, welches Fabrikation, Statik und il significato del modello nella progettazione Geometrie zusammenbringt und so baubare Strukturen architettonica è profondamente cambiato.

generiert. http://gramaziokohler.arch.ethz.ch/web/

Se in passato i plastici venivano utilizzati

forschung/d/0/0/0/285.html.

principalmente per rappresentare un progetto in termini visuali e spaziali, oggi i modelli Zur Autorin servono a descrivere e a integrare il maggior

numero possibile di parametri progettuali,

Stefana Parascho ist Architektin und Doktorandin consentendo così di inserire nel progetto, in an der ETH Zürich, Gramazio Kohler Research.

modo controllato, delle relazioni complesse.

In ihrer Forschung untersucht sie die Möglichkeiten Questi modelli integrativi trovano un’applicavon robotischen Fabrikationsprozessen und zione diretta nella fabbricazione digitale, Methoden zur Integration solcher Prozesse in

dove rendono possibile la descrizione di comdigitalen Entwurfswerkzeugen.

Kontakt: parascho@arch.ethz.ch

plicati metodi di fabbricazione attraverso i

loro parametri, permettendo così di creare dei progetti che soddisfino appieno tali parame Résumé

tri. Ne è un esempio il progetto «Entwurf und

Maquettes d’architecture

Robotische Assemblierung von Räumlichen

intégratives – le rôle des maquettes

Strukturen» (Progettazione e assemblaggio

en architecture numérique

robotico di strutture spaziali), sviluppato

L’importance des maquettes pour les

presso il Politecnico di Zurigo da Gramazio

projets d’architecture a considérablement

Kohler Research. Grazie ai processi di progetchangé avec le développement de la numéritazione e di fabbricazione telematica, è stato sation. Alors que les anciennes maquettes possibile progettare, visualizzare e assemdevaient essentiellement fournir une repréblare, mediante due robot, delle complesse sentation visuelle en trois dimensions d’un strutture di aste.

projet, elles servent aujourd’hui à décrire et à intégrer le plus possible de paramètres, ce qui permet de contrôler des corrélations

complexes. Une application directe de tels

modèles intégratifs est utilisée dans la

fabrication numérisée, où des méthodes

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