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 Entwürfe hinsichtlich Material, Kosten, Termine, Statik und Dynamik erkunden und gegeneinander abwägen. Dies geschieht oft nacheinander, Schritt für Schritt.

Digitale Entwurfsmethoden und insbesondere die Verwendung von künstlicher Intelligenz (KI) und erweiterter Realität (XR) sollen dies jetzt grundlegend verändern. Die Arbeit von Architektinnen Ingenieurinnen – Entwurf und Berechnungen – sollen enger zusammenrücken. Zu diesem Zweck lanciert die ETH Design++, ein neues Zentrum für computergestütztes Entwerfen.

KI beschleunigt den Entwurf von Brücken

Grosse Veränderungen könnten solche Methoden zum Beispiel im Brückenbau bringen. Brücken sind hochkomplexe Bauwerke, so dass realistische Strukturanalysen – also das rechnerische Modellieren aller relevanten Kräfte unter verschiedenen Einwirkungen – in frühen Phasen des Entwurfs oft zu aufwändig sind. Brückenbauer entwerfen also Tragwerkskonzepte, ohne sie tiefgreifend zu optimieren, zum Beispiel hinsichtlich des Materialverbrauchs oder der Ökologie. Als Resultat werden derzeit relativ grosse Reserven eingebaut, etwa in Form von Beton.

Walter Kaufmann, Professor für Baustatik und Konstruktion an der ETH Zürich, will das mit seinem Team jetzt ändern. Zusammen mit Mitarbeitenden erstellt der Postdoktorand und Projektleiter Michael A. Kraus digitale Strukturanalysen von durch Parameter beschriebene Brücken, um damit eine künstliche Intelligenz (KI) zu trainieren. Die KI soll solche Strukturanalysen danach in viel kürzerer Zeit bewerkstelligen können.  

Am Ende wird die KI dann anhand bestimmter Brückenparameter sogar selber grobe Entwürfe generieren können, die in Interaktion mit dem Entwerfenden relativ schnell verfeinert werden können. Während es heute oft Monate dauert, bis Brückenbauer erste Entwürfe präsentieren können, könnte das mit der neuen Methode innert Tagen oder Stunden geschehen. Dank den digitalen Entwürfen kann auch der Gestaltungsspielraum für Designs und Materialien viel breiter ausgelotet werden.

KI schlägt Entwürfe vor

In einem weiteren Forschungsprojekt des Zentrums entwickelt Romana Rust, Postdoktorandin in der Gruppe von Gramazio Kohler Research, computergestützte Werkzeuge, mit dessen Hilfe Architektinnen und Architekten den Gestaltungsspielraum für eine bestimmte Ausgangslage besser erkunden können. Anstatt einen Entwurf mühsam anzugleichen und zu adaptieren, bis er alle Kriterien und Leistungsziele erfüllt, sollen KI-​Modelle Entwurfsvarianten vorschlagen. Erprobt werden die Werkzeuge an Stützen und Trägern, lichtdurchlässigen Fassaden und speziellen Wandelementen für die Raumakustik.

Digital erweiterte Kreativität

Solche und ähnliche Projekte sollen künftig im neuen Zentrum für computergestütztes Entwerfen in Architektur und Bauingenieurwesen an der ETH, kurz Design++, entstehen. Robert Flatt, ETH-​Professor für Baustoffe und einer der Väter der Idee hinter Design++, sagt: «Wir streben eine erweiterte Kreativität an: Wir wollen Bauten anhand neuer Entwurfswerkzeuge optimieren und zugleich den Gestaltungsraum digital erweitern.»

Das Prinzip: Während des Entwerfens sollen in Echtzeit sehr viel mehr Informationen verfüg-​ und visualisierbar sein. Messgrössen wie der ökologische Fussabdruck, die Lebensdauer, die Bau-​ und Betriebskosten aber auch die Bauqualität – zum Beispiel die akustische – sollen bereits beim Entwurf viel genauer berücksichtigt und beeinflusst werden können. Damit stehen den Planern aber auch Bauherren in frühen Entwurfsstadien datengestützte und somit objektive Entscheidungsgrundlagen zur Verfügung.