Grundrisse digital generieren

Wirtschaftliche Aspekte wie Zeit- & Kostenersparnis sind die größte Motivation für Unternehmen, Innovationen voranzutreiben. Architekturbüros haben in der Regel jedoch noch weitergehende Ansprüche, vor allem, was die Qualität ihrer Entwürfe betrifft. Angesichts der aktuellen Herausforderungen im Wohnungsbau stellen sich ihnen daher eine ganze Reihe von zentralen Fragen: Wie lassen sich wiederkehrende Arbeitsabläufe im Planungsalltag effizienter gestalten, ohne dass die Architektur darunter leidet? Wie können sie Erfahrungen aus beendeten Projekten zuFr Verbesserung ihrer Wertschöpfungskette nutzen? Wie kann die generelle Planungsqualität verbessert werden? Wie können die Anforderungen an eine BIM-Planung einfacher erfüllt werden? Welche Daten sind für eine sinnvolle Weiterverarbeitung von Interesse? Wie kann den wachsenden Anforderungen aus dem Baurecht begegnet werden? Und wie können sie repetitive Tätigkeiten reduzieren?

Zeitgemäßes Werkzeug

Seit einigen Jahren ist eine deutliche Anspannung im Wohnungsmarkt, insbesondere in den deutschen Großstädten zu beobachten. Eine Konsequenz sind stark angestiegene und auch weiterhin steigende Mieten. Mehr und mehr zeigt sich, welche gesellschaftlichen Auswirkungen ein dauerhaft angespannter Wohnungsmarkt hat. Schätzungsweise  1  Mio. Menschen in Deutschland sind wohnungslos. Erste offizielle Zahlen erhebt das Statistische Bundesamt seit Beginn dieses Jahres. Die neue Bundesregierung einigte sich nun auf einen nationalen Aktionsplan gegen Wohnungslosigkeit, dessen Details noch nicht bekannt sind. Städtische Wohnungsbaugesellschaften sowie gewinnorientierte Projektentwickler wollen bauen, um mehr Angebote zu generieren. Aber können Architektur- und Planungsbüros valide Planungen in der notwendigen Geschwindigkeit und Qualität vorlegen, um den behördlichen Auflagen zu entsprechen? Eine systemische Methode, die genauere Modelle produziert, kann als ein Werkzeug der Risikominimierung verstanden werden, welches die Planung und Realisierung von Projekten deutlich erleichtert.

Mehr Zeit für Kreativität

PlanerInnen und ArchitektInnen müssen während der Planung eines Wohngebäudes viel repetitive Arbeit erfüllen, zum Beispiel das Anordnen und Dimensionieren einzelner Wohneinheiten für jedes einzelne Geschoss. Das beansprucht Arbeitskraft, die besser in gestalterische Aufgaben investiert wäre. Gibt man ihnen ein Werkzeug, das automatisiert und in kurzer Zeit valide Entwürfe generiert, könnten mehrere Varianten verglichen und die Beste schnell ermittelt werden. Gleichzeitig bliebe mehr Zeit für die eigentliche Gestaltung der Architektur.

Es ist nicht notwendig, auf systemische Lösungen, wie den Plattenbau zurückzugreifen, um den Prozess zu beschleunigen. Ziel ist es vielmehr, ein Software-System zu entwickeln, welches Wohngebäude anhand gegebener Zielgrößen optimieren kann. Eine solche Software sollte so konzipiert sein, dass die grundlegenden Entwürfe jeder Wohneinheit austauschbar sind, um der gestalterischen Freiheit der ArchitektInnen keine Fesseln anzulegen.

Hilfe durch Technologie

Hier setzt DIEfabrik an: 2015 als „Architekturfabrik“ gegründet und 2020 umfirmiert, erkannten wir früh, dass neben den Richtlinien, Regelwerken und Gesetzen, die Digitalisierung zu steigenden Anforderungen führen werde. Daher besteht unser Team neben ArchitektInnen und DesignerInnen auch aus TechnikerInnen sowie InformatikerInnen und setzt auf eine kollaborative Arbeitsweise. Zudem liegt unser Fokus immer darauf, das das erlangte technische Wissen für eigene Architektur-Projekte wieder eingesetzt wird. Für uns ist Technologie kein Selbstzweck, sondern ein Werkzeug zur Unterstützung der täglichen Arbeit. Fehlt einer Planungssoftware Funktionalität, bestimmte Arbeitsabläufe darzustellen, programmieren wir sie selbst. Zudem stellen wir zu Beginn eines jeden Projekts heraus, wie wir mit schlauen Modellierweisen und intelligenten Bauteilen eine flexible Grundlage schaffen können.

Über die Zeit hat sich daraus in unserem Büro eine Bibliothek für Bauteile und ein Know-how-Wiki zu Arbeitsabläufen entwickelt, welches ständig angereichert wird. „Systemisches Planen und Bauen“ (kurz SPB) ist unser Wohnungsbaugenerator und stellt eine Sammlung all diesen Wissens dar.

Der Generator

Mit Systemisches Planen und Bauen (SPB) wird ein System beschrieben, das den Bauprozess in der Gesamtheit betrachtet, um anpassbare Standards zu formulieren. Immer nach dem Prinzip: Ist es quantifizierbar, ist es vergleichbar – ist es vergleichbar, ist es optimierbar?

Der Ablauf bei der Benutzung des Generators ist denkbar einfach. Die AnwenderInnen geben Zielgrößen wie Gebäudeabmaße oder den gewünschten Wohnungsmix ein. Das System findet dann automatisch eine optimierte Lösung für diese Gegebenheiten. Statt tagelang manuell Typologien zu kombinieren, liefert SPB eine Antwort ohne Restflächen in Minuten und beginnt dabei bei den kleinsten Teilen: Ein mathematisches Regelsystem stellt sicher, dass jeder Raum in seiner Funktion möblierbar und ausreichend natürlich belichtet ist, dass jede Wohnung eine angemessene Gesamtgröße in Bezug auf die Raumanzahl hat, dass eine horizontale Erschließung für jedes Geschoss ausgewählt wird, die den Wohnungstypen genug Platz bietet – bis hin zu einer Geschosskombination, die den vorgegebenen Wohnungsmix abbildet. Das Produkt ist ein dreidimensionales Architekturmodell.

Möglich wird dieser Vorgang durch flexible Grundrisse. Diese ermöglichen, eine gewählte Grundrisstypologie mit Restriktionen zu versehen, um Minimalabstände innerhalb des Grundrisses festzulegen. Die Außenmaße des Grundrisses können somit je nach vorhandenem Platz gestaucht oder gestreckt werden, ohne dabei die enthaltenen Räume in ihrer Nutzbarkeit einzuschränken. Ein Unterschreiten der Minimalabstände führt zum Ausschluss aus der Berechnung. Dies ist ein absolutes Novum und Alleinstellungsmerkmal im Bereich der Architekturgeneratoren, da nicht von einem festen Modulmaß ausgegangen wird, welches in Kombination mit anderen Modulen die Abmessungen des Gesamtkomplexes bestimmen. Vielmehr entspricht es dem althergebrachten Weg, von der definierenden städtebaulichen Situation auszugehen, die dann sinnvoll mit Grundrisstypologien ohne Restflächen befüllt wird. Es ist mit dem Generator also möglich, auf die verschiedensten Grundstücksgegebenheiten zu rea­gieren.

Während des Generierungsprozesses wird das Modell zusätzlich mit Informationen angereichert, die es ermöglichen, die Lösung auf verschiedenste Arten und Weisen auszuwerten. Die exakte Modellierung der 3D-Geometrie liefert die genauen Mengen und Massenangaben für die Kostenvoranschläge. Die Flächenermittlung nach DIN 276 ist bereits hinterlegt. Außerdem sind intelligente Bauteile, wie Türen, bereits eingeplant, die im Vorfeld mit Parametern für Abmessung, Aufschlagsrichtung, Fußbodenaufbau etc. versehen wurden, um Prozesse wie das Erstellen von Türlisten oder Ähnliches signifikant zu vereinfachen und zu beschleunigen.

Insgesamt wird mit dem generierten Modell eine Detailtiefe erreicht, die für die Leistungsphase 4 überdurchschnittlich hoch ist. Das ausgegebene Modell besitzt eine Informationsdichte, die unter normalen Projektbedingungen nicht erreicht werden kann.

Entscheidungen treffen die NutzerInnen

Entscheidungen nimmt das System jedoch nicht ab. Diese werden während einer laufenden Abfrage schrittweise von den NutzerInnen getroffen. Somit wird sichergestellt, dass das Ergebnis ihren Bedürfnissen entspricht. Zunächst können die Kennzahlen der Anfrage so oft angepasst werden, bis das optimale Ergebnis gefunden wurde. Im späteren Verlauf können auch geometrische Anpassungen vorgenommen werden. Wohnungen einzelner Geschosse können ausgetauscht werden, um auf die Raumanzahl Einfluss zu nehmen.

Da es sich bei SPB um ein System handelt, das über ein Berechnungsprinzip Vergleiche anstellt, liegt es nicht fern, dieses Prinzip auch auf andere Planungsaufgaben mit repetitiven Grundrissen anzuwenden, wie etwa Hotels, Rechenzentren, Senioren- oder Studentenwohnheime.

Die schiere Geschwindigkeit, mit der der Generator Lösungen erstellt, ist für den Planungsalltag von großer Hilfe. Lösungsvarianten können ad hoc innerhalb von zwei bis drei Minuten erzeugt werden, damit die Planungsbeteiligten sie diskutieren können. Hinzu kommt, dass diese Lösungsvarian­ten für spätere Berechnungsprozesse als Lösung unmittelbar bereitstehen und nicht mehr neu berechnet werden müssen. Der Selbstlerneffekt sorgt somit für ein Optimieren des Prozesses. ­Natürlich hängt die Qualität nicht nur von der Geschwindigkeit ab, sondern auch von der zur Verfügung stehenden Grundlage in Form von Grundrissen und Berechnungsregeln.

Dadurch, dass SPB modular entwickelt wurde, ist es möglich, jede Komponente zu erweitern oder zu verändern. Es können neue, eigene Grundrisse integriert werden, ein ganz anderes Bewertungssystem (z. B. Nachhaltigkeitsbetrachtungen, CO₂-Footprint) zugrunde gelegt werden oder aber alle ­bereits vorhandenen Grundlagen auf Standards anderer Wohnungsbaugesellschaften angepasst werden. Auch alle verwendeten Bauteile sind austauschbar und können durch Eigenentwicklungen ersetzt werden. Das System bringt alles mit, um den Planungsprozess zu revolutionieren.

Detaillierter Ablauf der Planung

Zu Beginn eines jeden Generierungsprozesses werden vom System die Eckdaten des Projekts abgefragt. Diese Daten zu den äußeren Gegebenheiten des Objekts sind das Fundament, auf dessen Grundlage das mathematische Regelwerk operiert.

Die Gebäudegeometrie wird in Form der Gebäudegrundfläche definiert. Tiefe und Breite geben den Rahmen der beplanbaren Fläche vor. Außerdem ist ein Wohnungsmix festzulegen. Es besteht die Möglichkeit, einen vordefinierten Mix zu wählen (z. B. für Familien optimiert) oder aber Wohnungstypen über eine prozentuale Verteilung vorzugeben. Neben der Etagenanzahl ist auch die Ausstattung in Form von Technikräumen, Fahrstühlen und Angaben zur Barrierefreiheit zu ­definieren. Diese Komponenten haben einen erheblichen Einfluss auf die Dimensionierung des Treppenhauses und sind deshalb essenzielle Bestandteile der Berechnung.

Wenn die Eingabe abgeschlossen ist, beginnt der Generator, die im System vorhandenen Grundrisse auf die definierten Werte dynamisch anzupassen. Dies geschieht mit der Hilfe einer evolutionären Algorithmusstrategie, die neue Lösungen generiert, in Analogie zur natürlichen Evolution durch Kreuzung von Individuen und zufällig entstehenden Mutationen.

Dadurch werden Wohnungsgrundrisse zufällig kombiniert und auf ihre Eignung bewertet. Ziel der Grundrissbewertung ist es, eine Sortierung der Ergebnisse des Generators vorzunehmen. Hierzu werden Regeln aufgestellt, die es ermöglichen, Grundrisse objektiv (und maschinenlesbar) auszuwerten. Diese Regeln können sich gegenseitig beeinflussen und gegebenenfalls auch ausschließen. Hierzu muss eine Gewichtung der Regeln vorgenommen werden. Diese ist nicht universell, sondern kann je nach Projektziel variieren.

Bewertet werden jeweils die Räume und nicht ganze Wohnungen. Die Bewertung der Wohnung entsteht aus der Summe ihrer Räume. Für Abweichungen von den Vorgaben werden Strafpunkte durch das Regelwerk vergeben. Die besten Varianten werden zum Vergleich in einer Tabelle festgehalten. Sie können hier nochmals analysiert werden. Sind die Ergebnisse nicht zufriedenstellend, kann der Generatorprozess von Neuem gestartet werden, um einzelne Kennwerte anzupassen. Hierdurch ist eine eher spielerische Annäherung an ein optimiertes Gebäude möglich.

Frei veränderbare Elemente

Wird eine Variante bevorzugt, so kann aus dieser das Konzeptmodell erstellt werden. Das Konzeptmodell ist eine zweidimensionale Repräsentation der Grundrisse, die gestapelt wird. Diese schematische Gliederung der Geschosse gewährleis­tet, dass wesentliche Anpassungen effizient handhabbar sind. In diesem Abschnitt des Prozesses ist es möglich, einzelne Wohnungen auszutauschen, den Wohnungsmix zu verändern oder auf zu große Räume zu reagieren. Die Geschoss­ebenen sind anwählbar, um in der Grundrissansicht die vom Algorithmus gewählten Wohnungen subjektiv analysieren und bewerten zu können.

Das angewendete Regelwerk ist im Laufe des Entwicklungsprozesses immer wieder angepasst worden. Zu Beginn der Entwicklung wurde festgelegt, dass das Wohnungsbewertungssystem des Berliner Wohnungsbauunternehmens HoWoGe: Das Wohnungsbewertungssystem geht über die Dimensionierung der Räume hinaus und betrachtet zusätzlich die Möblierung. Im Austausch mit unseren Partnern hat es sich als hilfreich herausgestellt, bereits definierte Regeln als Grundlage mit in die Diskussion zu bringen, um unsere Anliegen zu verdeutlichen. Der HoWoGe Katalog war dahingehend sehr gut, da es ein Regelwerk mit Kennzahlen abbildet, welche in Beispiel-Grundrissen zusammengeführt werden.

Nach eventuellen Anpassungen werden dann essenzielle Bauteile, wie Treppen, Fenster, Türen, Wände, Fundament und Decken bis hin zum Attikablech, automatisch generiert. Das Konzeptmodell wird in ein dreidimensionales Gebäudemodell mit hohem Detaillierungsgrad umgewandelt und kann jetzt durch die exakt modellierten Massen als Grundlage für die Baukostenschätzung verwendet werden. Ebenfalls kann auf dieser Basis eine Bauablaufplanung erstellt werden.

Basis für weitergehende Planung

Das fertig generierte Modell steht ab diesem Zeitpunkt zur individuellen Weiterverarbeitung zur Verfügung. Innerhalb der Grundrisse können Wände verschoben, Fenster oder Türen ausgetauscht, die Fassadengestaltung angepasst, die Dachform verändert oder Balkone hinzugefügt werden. Im Grunde ist es möglich, jedes noch so kleine Bauteil auszutauschen oder zu verändern.

Zu Präsentations- und Vorlagezwecken werden automatisch Grundrisse und Schnitte erstellt und zusammen mit Tabellen zur Flächenberechnung sowie weiteren Informationen zu den verwendeten Grundrissen in einer Broschüre zusammengefasst. Diese kann BauherrInnen, Banken und Behörden vorgelegt oder für anderweitige Öffentlichkeitsarbeit verwendet werden.

Das digitale Modell erlaubt zudem die Koordination der Fachgewerke. SPB macht somit BIM-fähige Planung für jeden zugänglich. Auf diese Weise nutzt DIEfabrik ihren Erfahrungsschatz aktiv zur Gestaltung kommender Projekte und stellt ihn den NutzerInnen kommender Generationen als digitales Tool zur Verfügung.