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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 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.
Das Erzeugen räumlicher Konfigurationen ist eine zentrale Aufgabe im architektonischen bzw. städtebaulichen Entwurfsprozess und hat zum Ziel, eine für Menschen angenehme Umwelt zu schaffen. Der Geometrie der entstehenden Räume kommt hierbei eine zentrale Rolle zu, da sie einen großen Einfluss auf das Empfinden und Verhalten der Menschen ausübt und nur noch mit großem Aufwand verändert werden kann, wenn sie einmal gebaut wurde. Die meisten Entscheidungen zur Festlegung der Geometrie von Räumen werden während eines sehr kurzen Zeitraums (Entwurfsphase) getroffen. Fehlentscheidungen die in dieser Phase getroffen werden haben langfristige Auswirkungen auf das Leben von Menschen, und damit auch Konsequenzen auf ökonomische und ökologische Aspekte.
Mittels computerbasierten Layoutsystemen lässt sich der Entwurf räumlicher Konfigurationen sinnvoll unterstützen, da sie es ermöglichen, in kürzester Zeit eine große Anzahl an Varianten zu erzeugen und zu überprüfen. Daraus ergeben sich zwei Vorteile. Erstens kann die große Menge an Varianten dazu beitragen, bessere Lösungen zu finden. Zweitens kann das Formalisieren von Bewertungskriterien zu einer größeren Objektivität und Transparenz bei der Lösungsfindung führen. Um den Entwurf räumlicher Konfigurationen optimal zu unterstützen, muss ein Layoutsystem in der Lage sein, ein möglichst großes Spektrum an Grundrissvarianten zu erzeugen (Vielfalt); und zahlreiche Möglichkeiten und Detaillierungsstufen zur Problembeschreibung (Flexibilität), sowie Mittel anzubieten, mit denen sich die Anforderungen an die räumliche Konfiguration adäquat beschreiben lassen (Relevanz). Bezüglich Letzterem spielen wahrnehmungs- und nutzungsbezogene Kriterien (wie z. B. Grad an Privatheit, Gefühl von Sicherheit, Raumwirkung, Orientierbarkeit, Potenzial zu sozialer Interaktion) eine wichtige Rolle.
Die bislang entwickelten Layoutsysteme weisen hinsichtlich Vielfalt, Flexibilität und Relevanz wesentliche Beschränkungen auf, welche auf eine ungeeignete Methode zur Repräsentation von Räumen zurückzuführen sind. Die in einem Layoutsystem verwendeten Raumrepräsentationsmethoden bestimmen die Möglichkeiten zur Formerzeugung und Problembeschreibung wesentlich. Sichtbarkeitsbasierte Raumrepräsentationen (Sichtfelder, Sichtachsen, Konvexe Räume) eignen sich in besonderer Weise zur Abbildung von Räumen in Layoutsystemen, da sie einerseits ein umfangreiches Repertoire zur Verfügung stellen, um räumliche Konfigurationen hinsichtlich wahrnehmungs- und nutzungsbezogener Kriterien zu beschreiben. Andererseits lassen sie sich vollständig aus der Geometrie der begrenzenden Oberflächen ableiten und sind nicht an bestimmte zur Formerzeugung verwendete geometrische Objekte gebunden.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Layoutsystem entwickelt, welches auf diesen Raumrepräsentationen basiert. Es wird ein Evaluationsmechanismus (EM) entwickelt, welcher es ermöglicht, beliebige zweidimensionale räumliche Konfigurationen hinsichtlich wahrnehmungs- und nutzungsrelevanter Kriterien zu bewerten. Hierzu wurde eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht automatisch Raumbereiche (O-Spaces und P-Spaces) zu identifizieren, welche bestimmte Eigenschaften haben (z.B. sichtbare Fläche, Kompaktheit des Sichtfeldes, Tageslicht) und bestimmte Relationen zueinander (wie gegenseitige Sichtbarkeit, visuelle und physische Distanz) aufweisen. Der EM wurde mit Generierungsmechanismen (GM) gekoppelt, um zu prüfen, ob dieser sich eignet, um in großen Variantenräumen nach geeigneten räumlichen Konfigurationen zu suchen. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen, dass die entwickelte Methodik einen vielversprechenden Ansatz zur automatisierten Erzeugung von räumlichen Konfigurationen darstellt: Erstens ist der EM vollständig vom GM getrennt, wodurch es möglich ist, verschiedene GM in einem Entwurfssystem zu verwenden und somit den Variantenraum zu vergrößern (Vielfalt). Zweitens erlaubt der EM die Anforderungen an eine räumliche Konfiguration flexibel zu beschreiben (unterschiedliche Maßstäbe, unterschiedlicher Detaillierungsgrad). Letztlich erlauben die verwendeten Repräsentationsmethoden eine Problembeschreibung vorzunehmen, die stark an der Wirkung des Raumes auf den Menschen orientiert ist (Relevanz).
Die in der Arbeit entwickelte Methodik leistet einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung evidenzbasierter Entwurfsprozesse, da sie eine Brücke zwischen der nutzerorientierten Bewertung von räumlichen Konfigurationen und deren Erzeugung schlägt.
Die Bedeutung von klassischen Elementen in virtueller Architektur - Untersucht am Beispiel der Wand
(2004)
Die Dissertation exploriert und evaluiert die Definition einer Entsprechung der architektonischen Kategorie der Wand für virtuelle Architekturen. Es wird der Frage nachgegangen, inwieweit eine architektonische Strukturierung in der virtuellen Architektur fortzuführen ist, um Handlungs- und Kommunikationsstrukturen zu sichern. Der erste Teil motiviert die Arbeit und vermittelt die Grundlagen und Termini, die in einem direkten Zusammenhang mit der virtuellen Architektur verwendet werden. Der folgende Teil konzentriert sich ausschließlich auf die reale Architektur. Ausgehend vom Element der Wand wird, in einer analytischen und architekturtheoretischen Betrachtung, ein Modell von Raumkategorien entwickelt, welches im Hinblick auf die virtuelle Architektur von besonderer Bedeutung ist. Die aus der Analyse gewonnen Erkenntnisse in Form von Raumkategorien werden im dritten Teil aus der realen in die virtuelle Architektur übertragen. Das folgende Kapitel beschreibt drei Experimente, die Fra-gen, Hypothesen und Ansätze aus den vorangegangenen Kapiteln empirisch evaluieren. Im abschließenden Kapitel werden die Erkenntnisse der experimentellen Untersuchung im Kontext des architektonischen Gestaltens von virtuellen Architekturen diskutiert.
Die Dissertation adressiert das Gebiet der Entwicklung von (räumlicher) Präsenz in computer-generierten virtuellen Umgebungen im speziellen und virtueller Architektur im besonderen. Der erste Teil motiviert die Arbeit, führt in die Terminologie ein und beschreibt die grundlegenden Prinzipien der virtuellen Realität (VR) und von VR-basierter Architektur. Der Schwerpunkt liegt auf sogenannten immersiven VR-Systemen. Der folgende Teil erarbeitet den theoretischen Hintergrund der Entwickling von Präsenz unter besonderer Beachtung philosophischer und kognitiver Ansätze. Ein eigenes Kapitel widmet sich der Klassifikation von Präsenz-Faktoren unter dem Gesichtspunkt der praktischen Gestaltung virtueller Architektur. Letztendlich werden verschiedene empirische Untersuchungen vorgestellt, die die entwickelten Ansaetze evaluieren und beschreiben. Die Ergebnisse werden im Kontext des architektonischen Gestaltens diskutiert.