A: Entwurfs- und Planungsmethodik

A01 – Entwicklung von Planungs-, Entwurfs- und Konstruktionsmethoden von adaptiven Bauwerken

Adaptive Hüllen und Strukturen sind ein wichtiger Bestandteil nachhaltiger Architektur der Zukunft. Durch adaptive Systeme wird das Bauschaffen wesentlich erweitert.

Im Gegensatz zu konventionellen Bauwerken, die hauptsächlich ein statisches Verhalten gegenüber veränderlichen Einflüssen der Umwelt wie beispielsweise hohe Windlasten oder starke Sonneneinstrahlung aufweisen, können adaptive Bauwerke aktiv auf diese Veränderungen reagieren.

Da die Lebenszyklusphasen adaptiver Bauwerke nicht in Planung, Herstellung, Betrieb und Abbau getrennt werden können, sind neue Methoden für Planung bzw. Entwurf adaptiver Hüllen und Strukturen erforderlich. Hierzu bedarf es eines neuen ganzheitlichen Prozesses, der es ermöglicht, zielgerichtet zu handeln und gleichzeitig Fehler bei der Planung und Ausführung zu vermeiden, indem auch späte Phasen wie beispielsweise der Betrieb und der Rückbau bereits in der Planung mitberücksichtigt werden. Grundlage dafür bilden neue Planungsmethoden und digitale Hilfsmittel. Diese Methoden müssen Planungs- und Entwurfsaspekte aus den Bereichen Architektur, Bauingenieurwesen und Maschinenbau interdisziplinär vereinen. In nachfolgendem Bild ist dies in Form einer bereits in den frühen Phasen stattfindenden Lebenszyklusanalyse veranschaulicht.

V-Modell Foto: IKDT

Für die Planung von adaptiven Systemen stellen sich die Wissenschaftler im Teilprojekt A01 folgenden Fragen:

  • Auf welche interdisziplinären Prozesse und Methoden können bzw. müssen Entwurf und Planung von adaptiven Hüllen und Strukturen gegründet werden?
  • In welcher Form können hierbei bestehende Prozesse und Methoden aus dem Maschinenbau, dem Bauwesen und der Architektur umformuliert, erweitert und integriert werden?
  • Welche Prozesse und Methoden sind spezifisch neu zu entwickeln?
  • Wie können digitale Hilfsmittel die Planung und Ausführung unterstützen?
  • In welcher Form sind Methoden und digitale Hilfsmittel in einen übergeordneten Planungsprozess zu integrieren?

Beteiligte Disziplinen zur Visualisierung des interdisziplinären Planungsansatzes

Foto: ILEK

Das Teilprojekt A01 ist im geplanten Sonderforschungsbereich stark vernetzt, da es Ergebnisse aus nahezu allen Teilprojekten in eine ganzheitliche Vorgehensweise integriert. Dabei strukturiert sich das Forschungsvorhaben in aktuell zwei 4-Jahresperioden. Die erste Förderperiode endete 2020 und wird durch die zweite Förderperiode ab 2021 erweitert. Während im Teilprojekt A01 weiter an zuvor geschilderten Fragestellungen geforscht wird, sind im Folgenden einige der Ergebnisse der ersten Förderperiode dargestellt.

Ergebnisse der ersten Förderperiode (2017 – 2020)

Da adaptive Bauwerke sowohl aus baulichen, wie auch aus maschinenbaulichen Elementen aufgebaut werden, ist ein zentraler Bestandteil für die ganzheitliche Vorgehensweise der Vergleich der Prozesse im Maschinenbau (VDI 2221) mit denen des Bauwesens (HOAI). Auch wenn sich beide Ansätze im Wesentlichen ähneln (nach einer Aufgabenklärung/Grundlagenermittlung erfolgt erst die grobe Planung/Gestaltung mit anschließender Detaillierung und Ausarbeitung/Ausführungsplanung) besteht doch ein zentraler Unterschied. Im Bauwesen wechseln die beteiligten Akteure zwischen den einzelnen Phasen (z. B. zwischen Phase 4 und 5 nach HOAI), während diese im Maschinenbau weitestgehend den gesamten Prozess durchlaufen. Dementsprechend werden in der maschinenbaulichen Produktentwicklung verstärkt auch Informationen und Wissen aus den späteren Phasen des Prozesses direkt zu Beginn berücksichtigt.

SL_Grafik_ILEK

Foto: ILEK

Ein weiterer zentraler Bestandteil zur Entwicklung einer ganzheitlichen Vorgehensweise war die Begleitung der SFB internen Demonstratorplanungstreffen. Hierdurch konnten aus planerischer Sicht praktische Erfahrungen gesammelt und die beteiligten Disziplinen, deren Aufgaben und Verantwortlichkeiten bei der Planung adaptiver Bauwerke identifiziert werden. Zusätzlich konnten Herausforderungen erkannt und entsprechende Anforderungen an ein ganzheitliches Planungsvorgehen abgeleitet werden. Beispielhaft zu nennen sind:

  • Das Wissen der einzelnen Disziplinen muss identifiziert und mithilfe klarer Schnittstellen aufeinander abgestimmt werden.
  • Integration von Bauteilen im Lastabtrag, die nach Normen des Maschinenbaus bemessen bzw. ausgelegt sind, erfordert präzise Schnittstellendefinitionen zu Bauteilen, die nach Normen des Bauwesens ausgelegt werden.
  • Eine Lebenszyklusanalyse soll von Beginn an eine nachhaltige und ressourcenschonende Gebäudeplanung unterstützen.
  • Bedarf eines intensiven Datenaustauschs bzw. gemeinsame Datennutzung sowie Bedarf eines konsequenten Änderungsmanagements.

Begleitend zum ganzheitlichen Planungsprozess wurden Methoden aus dem Maschinenbau bzw. der Produktentwicklung auf die Anwendbarkeit im Bauwesen geprüft und ggf. angepasst. Zentral, insbesondere auch hinsichtlich der letztgenannten Anforderung, war der Transfer des Requirements Enginnering. In enger Zusammenarbeit mit den anderen Instituten des SFBs wurde eine digitale Anforderungsplattform erstellt, mithilfe derer alle beteiligten Disziplinen konsequent Anforderungen nennen, aktualisieren und prüfen können. Transferleistung wurde insbesondere nötig, um relevante Hauptmerkmale für die neuen Randbedingungen adaptiver Bauwerke zu erstellen.

SL_Grafik2_ILEK

Integrales Planungsteam und entsprechende Methoden für adaptive Gebäude. (Foto: ILEK)

Über 130 weitere Methoden wurden in einer Methodenlandkarte nach verschiedenen Kriterien kategorisiert (z. B. Zuordnung zu einer Planungsphase, nötige In- und erzeugbare Outputs, Zeitaufwand etc.) und somit für die Anwendung im Bauwesen vorbereitet.

Einflüsse und Rückkopplungen aus dem Lebenszyklus auf die Planungsphasen

Einflüsse und Rückkopplungen aus dem Lebenszyklus auf die Planungsphasen

Foto: IKTD

Methodenlandkarte von über 130 analysierten Methoden

Methodenlandkarte von über 130 analysierten Methoden

Foto: IKDT

In den Planungsprozess von Beginn an integrierte Lebenszyklusanalyse

In den Planungsprozess von Beginn an integrierte Lebenszyklusanalyse

Foto: IKDT

Teilprojektleiter

  • Dr.-Ing. Daniel Roth, Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design
  • Prof. Dr.-Ing. Lucio Blandini, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren
  • Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. Werner Sobek, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren

Im Gegensatz zu konventionellen Bauwerken, die hauptsächlich ein statisches Verhalten gegenüber veränderlichen Einflüssen der Umwelt wie beispielsweise hohe Windlasten oder starke Sonneneinstrahlung aufweisen, können adaptive Bauwerke aktiv auf diese Veränderungen reagieren. Durch die Integration von Sensor-Aktor-Systemen stehen adaptive Bauwerke in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Zugleich bleiben die adaptiven Bauwerke und deren Komponenten über den Zeitpunkt ihrer Fertigstellung hinaus individuell veränderbar.

Da die Lebenszyklusphasen adaptiver Bauwerke nicht in Planung, Herstellung, Betrieb und Abbau getrennt werden können, sind neue Methoden für Planung bzw. Entwurf adaptiver Hüllen und Strukturen erforderlich. Hierzu bedarf es eines neuen ganzheitlichen Prozesses, der es ermöglicht, zielgerichtet zu handeln und gleichzeitig Fehler bei der Planung zu vermeiden. Grundlage dafür bilden neue Planungs-, Entwurfs- und Konstruktionsmethoden. Diese Methoden müssen Planungs- und Entwurfsaspekte aus den Bereichen Architektur, Bauingenieurwesen und Maschinenbau interdisziplinär vereinen.

V-Modell Foto: IKDT

Für die Planung und den Entwurf von adaptiven Systemen stellen sich die Wissenschaftler im Teilprojekt A01 folgenden Fragen:

  • Auf welche Prozesse und Methoden können bzw. müssen Entwurf und Planung von adaptiven Hüllen und Strukturen gegründet werden?
  • In welcher Form können hierbei bestehende Prozesse und Methoden aus dem Maschinenbau, dem Bauwesen und der Architektur umformuliert, erweitert und integriert werden?
  • Welche Prozesse und Methoden sind spezifisch neu zu entwickeln?
  • In welcher Form sind sie in einen übergeordneten Planungsprozess zu integrieren?

Beteiligte Disziplinen zur Visualisierung des interdisziplinären Planungsansatzes

Foto: ILEK

Da adaptive Hüllen und Strukturen viele komplexe technische Systeme beinhalten, ergeben sich in Bezug auf den Lebenszyklus besondere Anforderungen. Um die Bauwerke sicher betreiben zu können, sind das Management sowie die Instand- und Datenhaltung schon in der Planung zu berücksichtigen. Hier müssen Inspektions-, Wartungs- und Instandhaltungszyklen sowie die notwendigen Verfügbarkeitsstrategien in Zusammenhang mit dem übergeordneten Sicherheitskonzept entwickelt und für die lange Betriebsdauer des Gebäudes abgesichert werden.

Das Teilprojekt A01 ist im geplanten Sonderforschungsbereich stark vernetzt, da es Ergebnisse aus nahezu allen Teilprojekten in eine ganzheitliche Vorgehensweise integriert. In der bisherigen Bearbeitung wurde ein erster Ansatz einer ganzheitlichen Vorgehensweise erarbeitet. 

Da adaptive Bauwerke sowohl aus baulichen, wie auch aus maschinenbaulichen Elementen aufgebaut werden, ist ein zentraler Bestandteil für die ganzheitliche Vorgehensweise der Vergleich der Prozesse im Maschinenbau (VDI 2221) mit denen des Bauwesens (HOAI). Auch wenn sich beide Ansätze im Wesentlichen ähneln (nach einer Aufgabenklärung/Grundlagenermittlung erfolgt erst die grobe Planung/Gestaltung mit anschließender Detaillierung und Ausarbeitung/Ausführungsplanung) besteht doch ein zentraler Unterschied. Im Bauwesen wechseln die beteiligten Akteure zwischen den einzelnen Phasen (z. B. zwischen Phase 4 und 5 nach HOAI), während diese im Maschinenbau weitestgehend den gesamten Prozess durchlaufen. Dementsprechend werden in der maschinenbaulichen Produktentwicklung verstärkt auch Informationen und Wissen aus den späteren Phasen des Prozesses direkt zu Beginn berücksichtigt.

Ein weiterer zentraler Bestandteil zur Entwicklung einer ganzheitlichen Vorgehensweise war die Begleitung der SFB internen Demonstratorplanungstreffen. Hierdurch konnten aus planerischer Sicht praktische Erfahrungen gesammelt und die beteiligten Disziplinen, deren Aufgaben und Verantwortlichkeiten bei der Planung adaptiver Bauwerke identifiziert werden. Zusätzlich konnten Herausforderungen erkannt und entsprechende Anforderungen an ein ganzheitliches Planungsvorgehen abgeleitet werden. Beispielhaft zu nennen sind:

  • Das Wissen der einzelnen Disziplinen muss identifiziert und mithilfe klarer Schnittstellen aufeinander abgestimmt werden.
  • Integration von Bauteilen im Lastabtrag, die nach Normen des Maschinenbaus bemessen bzw. ausgelegt sind, erfordert präzise Schnittstellendefinitionen zu Bauteilen, die nach Normen des Bauwesens ausgelegt werden.
  • Eine Lebenszyklusanalyse soll von Beginn an eine nachhaltige und ressourcenschonende Gebäudeplanung unterstützen.
  • Bedarf eines intensiven Datenaustauschs bzw. gemeinsame Datennutzung sowie Bedarf eines konsequenten Änderungsmanagements.

Begleitend zum ganzheitlichen Planungsprozess wurden Methoden aus dem Maschinenbau bzw. der Produktentwicklung auf die Anwendbarkeit im Bauwesen geprüft und ggf. angepasst. Zentral, insbesondere auch hinsichtlich der letztgenannten Anforderung, war der Transfer des Requirements Enginnering. In enger Zusammenarbeit mit den anderen Instituten des SFBs wurde eine digitale Anforderungsplattform erstellt, mithilfe derer alle beteiligten Disziplinen konsequent Anforderungen nennen, aktualisieren und prüfen können. Transferleistung wurde insbesondere nötig, um relevante Hauptmerkmale für die neuen Randbedingungen adaptiver Bauwerke zu erstellen.

Über 130 weitere Methoden wurden in einer Methodenlandkarte nach verschiedenen Kriterien kategorisiert (z. B. Zuordnung zu einer Planungsphase, nötige In- und erzeugbare Outputs, Zeitaufwand etc.) und somit für die Anwendung im Bauwesen vorbereitet.

Einflüsse und Rückkopplungen aus dem Lebenszyklus auf die Planungsphasen

Einflüsse und Rückkopplungen aus dem Lebenszyklus auf die Planungsphasen

Foto: IKTD

Methodenlandkarte von über 130 analysierten Methoden

Methodenlandkarte von über 130 analysierten Methoden

Foto: IKDT

In den Planungsprozess von Beginn an integrierte Lebenszyklusanalyse

In den Planungsprozess von Beginn an integrierte Lebenszyklusanalyse

Foto: IKDT

Teilprojektleiter

  • Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz, Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design
     
  • Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. Werner Sobek, Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren

Ansprechpersonen

Dieses Bild zeigt  Katrin Chwalek
M. Sc.

Katrin Chwalek

Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Dieses Bild zeigt  Michael Voigt
M.Sc.

Michael Voigt

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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