A framework for artificial coral reef design: Integrating computational modelling and high precision monitoring strategies for artificial coral reefs – an Ecosystem-aware design approach in times of climate change

  • Tropical coral reefs, one of the world’s oldest ecosystems which support some of the highest levels of biodiversity on the planet, are currently facing an unprecedented ecological crisis during this massive human-activity-induced period of extinction. Hence, tropical reefs symbolically stand for the destructive effects of human activities on nature [4], [5]. Artificial reefs are excellent examplesTropical coral reefs, one of the world’s oldest ecosystems which support some of the highest levels of biodiversity on the planet, are currently facing an unprecedented ecological crisis during this massive human-activity-induced period of extinction. Hence, tropical reefs symbolically stand for the destructive effects of human activities on nature [4], [5]. Artificial reefs are excellent examples of how architectural design can be combined with ecosystem regeneration [6], [7], [8]. However, to work at the interface between the artificial and the complex and temporal nature of natural systems presents a challenge, i.a. in respect to the B-rep modelling legacy of computational modelling. The presented doctorate investigates strategies on how to apply digital practice to realise what is an essential bulwark to retain reefs in impossibly challenging times. Beyond the main question of integrating computational modelling and high precision monitoring strategies in artificial coral reef design, this doctorate explores techniques, methods, and linking frameworks to support future research and practice in ecology led design contexts. Considering the many existing approaches for artificial coral reefs design, one finds they often fall short in precisely understanding the relationships between architectural and ecological aspects (e.g. how a surface design and material composition can foster coral larvae settlement, or structural three-dimensionality enhance biodiversity) and lack an integrated underwater (UW) monitoring process. Such a process is necessary in order to gather knowledge about the ecosystem and make it available for design, and to learn whether artificial structures contribute to reef regeneration or rather harm the coral reef ecosystem. For the research, empirical experimental methods were applied: Algorithmic coral reef design, high precision UW monitoring, computational modelling and simulation, and validated through parallel real-world physical experimentation – two Artificial Reef Prototypes (ARPs) in Gili Trawangan, Indonesia (2012–today). Multiple discrete methods and sub techniques were developed in seventeen computational experiments and applied in a way in which many are cross valid and integrated in an overall framework that is offered as a significant contribution to the field. Other main contributions include the Ecosystem-aware design approach, Key Performance Indicators (KPIs) for coral reef design, algorithmic design and fabrication of Biorock cathodes, new high precision UW monitoring strategies, long-term real-world constructed experiments, new digital analysis methods and two new front-end web-based tools for reef design and monitoring reefs. The methodological framework is a finding of the research that has many technical components that were tested and combined in this way for the very first time. In summary, the thesis responds to the urgency and relevance in preserving marine species in tropical reefs during this massive extinction period by offering a differentiated approach towards artificial coral reefs – demonstrating the feasibility of digitally designing such ‘living architecture’ according to multiple context and performance parameters. It also provides an in-depth critical discussion of computational design and architecture in the context of ecosystem regeneration and Planetary Thinking. In that respect, the thesis functions as both theoretical and practical background for computational design, ecology and marine conservation – not only to foster the design of artificial coral reefs technically but also to provide essential criteria and techniques for conceiving them. Keywords: Artificial coral reefs, computational modelling, high precision underwater monitoring, ecology in design.show moreshow less
  • Charakteristisch für das Zeitalter des Klimawandels sind die durch den Menschen verursachte Meeresverschmutzung sowie ein massiver Rückgang der Artenvielfalt in den Weltmeeren. Tropische Korallenriffe sind als eines der ältesten und artenreichsten Ökosysteme der Erde besonders stark gefährdet und stehen somit symbolisch für die zerstörerischen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die NaturCharakteristisch für das Zeitalter des Klimawandels sind die durch den Menschen verursachte Meeresverschmutzung sowie ein massiver Rückgang der Artenvielfalt in den Weltmeeren. Tropische Korallenriffe sind als eines der ältesten und artenreichsten Ökosysteme der Erde besonders stark gefährdet und stehen somit symbolisch für die zerstörerischen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Natur [4], [5]. Um dem massiven Rückgang der Korallenriffe entgegenzuwirken, wurden von Menschen künstliche Riffsysteme entwickelt [6], [7]. Sie sind Beispiele dafür, wie Architektur und die Regenerierung von Ökosystemen miteinander verbunden werden können [8]. Eine Verknüpfung von einerseits künstlichen und andererseits komplexen, sich verändernden natürlichen Systemen, stellt jedoch eine Herausforderung dar, u.a. in Bezug auf die Computermodellierung (B-Rep Modellierung). Zum Erhalt der Korallenriffe werden in der vorliegende Doktorarbeit Strategien aus der digitalen Praxis neuartig auf das Entwerfen von künstlichen Korallenriffen angewendet. Die Hauptfrage befasst sich damit, wie der Entwurfsprozess von künstlichen Korallenriffen unter Einbeziehung von Computermodellierung und hochpräzisen Überwachungsstrategien optimiert werden kann. In diesem Zusammenhang werden Techniken, Methoden sowie ein übergeordnetes Framework erforscht, welche zukünftige Forschung und Praxis in Bezug auf Ökologie-geleitete Entwurfsprozesse fördern soll. In Anbetracht der vielen vorhandenen künstlichen Riffsysteme, kann man feststellen, dass die Zusammenhänge zwischen Architektur- und Ökosystem-Anforderungen nicht genau untersucht und dadurch bei der Umsetzung nicht entsprechend berücksichtigt werden. Zum Beispiel wie Oberflächenbeschaffenheit und Materialität eine Ansiedlung von Korallenlarven begünstigt oder wie eine räumlich vielseitige Struktur die Artenvielfalt verbessern kann. Zudem fehlt ein integrierter Unterwasser-Überwachungsprozess, welcher Informationen über das Ökosystem liefert und diese dem Entwurf bereitstellt. Zusätzlich ist eine Unterwasser-Überwachung notwendig, um herauszufinden, ob die künstlichen Riffstrukturen zur Regenerierung beitragen oder dem Ökosystem gänzlich schaden. In dieser Forschungsarbeit werden empirische und experimentelle Methoden angewendet: Algorithmisches Entwerfen für Korallenriffe, hochpräzise Unterwasser-Überwachung, Computermodellierung und -simulation. Die Forschung wird seit 2012 bis heute durch zwei Riffprototypen (Artificial Reef Prototypes – ARPs) in Gili Trawangan, Indonesien validiert. Zusätzlich wurden weitere separate Methoden und Techniken in insgesamt siebzehn computergestützten Experimenten entwickelt und so angewendet, dass viele kreuzvalidiert und in ein Framework integriert sind, welches dann als bedeutender Beitrag dem Forschungsgebiet zur Verfügung steht. Weitere Hauptbeiträge sind der Ökosystem-bewusste Entwurfsansatz (Ecosystem-aware design approach), Key Performance Indicators (KPIs) für das Gestalten von Korallenriffen, algorithmisches Entwerfen und die Herstellung von Biorock-Kathoden, neue hochpräzise Unterwasser-Überwachungsstrategien, reale Langzeitexperimente, neue digitale Analysemethoden, sowie zwei webbasierte Softwareanwendungen für die Gestaltung und die Überwachung von künstlichen Korallenriffen. Das methodische Framework ist das Hauptergebnis der Forschung, da die vielen technischen Komponenten in dieser Weise zum ersten Mal getestet und kombiniert wurden. Zusammenfassend reagiert die vorliegende Doktorarbeit sowohl auf die Dringlichkeit als auch auf die Relevanz der Erhaltung von Artenvielfalt in tropischen Korallenriffen in Zeiten eines massiven Aussterbens, indem sie einen differenzierten Entwurfsansatz für künstliche Korallenriffe offeriert. Die Arbeit zeigt auf, dass ein digitales Entwerfen einer solchen „lebendigen Architektur“ unter Berücksichtigung vielfältiger Anforderungen und Leistungsparametern machbar ist. Zusätzlich bietet sie eine ausführliche kritische Diskussion über die Rolle von computergestützten Entwerfen und Architektur im Zusammenhang mit Regenerierung von Ökosystemen und “Planetary Thinking”. In dieser Hinsicht fungiert die Doktorarbeit als theoretischer und praktischer Hintergrund für computergestütztes Entwerfen, Ökologie und Meeresschutz. Eine Verbesserung des Entwerfens von künstlichen Korallenriffen wird nicht nur auf technischer Ebene aufgezeigt, sondern es werden auch die wesentlichen Kriterien und Techniken für deren Umsetzung benannt. Schlüsselwörter: Künstliche Korallenriffe, Computermodellierung, hochpräzise Unterwasser-Überwachung, Ökologie im Architekturentwurf.show moreshow less

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Metadaten
Document Type:Doctoral Thesis
Author:Dr.-Ing. Verena VoglerORCiDGND
DOI (Cite-Link):https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.4611Cite-Link
URN (Cite-Link):https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:wim2-20220322-46115Cite-Link
URL:https://artificialreefdesign.com/
Referee:Vetr.-Prof. Dr.-Ing. Sven SchneiderGND, Prof. Dr. Jan WillmannGND, Prof. Dr. Jane BurryGND
Advisor:Vetr.-Prof. Dr.-Ing. Sven SchneiderGND, Prof. Dr. Jan WillmannGND
Language:English
Date of Publication (online):2022/03/21
Date of first Publication:2022/03/21
Date of final exam:2021/11/23
Release Date:2022/03/22
Publishing Institution:Bauhaus-Universität Weimar
Granting Institution:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Architektur und Urbanistik [bis 2014 Fakultät Architektur]
Institutes and partner institutions:Fakultät Architektur und Urbanistik [bis 2014 Fakultät Architektur] / Institut für Informatik in der Architektur
Pagenumber:243
Tag:Künstliche Korallenriffe; Unterwasserarchitektur
Artificial coral reefs; Computational modelling; Ecology in design; High precision underwater monitoring
GND Keyword:Korallenriff; Algorithmus; Architektur; Meeresökologie; Software
Dewey Decimal Classification:000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
500 Naturwissenschaften und Mathematik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
BKL-Classification:42 Biologie
43 Umweltforschung, Umweltschutz
54 Informatik
56 Bauwesen
Licence (German):License Logo Creative Commons 4.0 - Namensnennung (CC BY 4.0)
Note:
Die URL führt zu 3D Modelle von echten Korallenriffen.