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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.
The building sector is responsible for a large share of human environmental impacts. Architects and planners are the key players for reducing the environmental impacts of buildings, as they define them to a large extent. Life Cycle Assessment (LCA) allows for the holistic environmental analysis of a building. However, it is currently not employed to improve the environmental performance of buildings during the design process, although the potential for optimization is greatest there. One main reason is the lack of an adequate means of applying LCA in the architectural design process. As such, the main objective of this thesis is to develop a method for environmental building design optimization that is applicable in the design process. The key concept proposed in this thesis is to combine LCA with parametric design, because it proved to have a high potential for design optimization.
The research approach includes the analysis of the characteristics of LCA for buildings and the architectural design stages to identify the research gap, the establishment of a requirement catalogue, the development of a method based on a digital, parametric model, and an evaluation of the method.
An analysis of currently available approaches for LCA of buildings indicates that they are either holistic but very complex or simple but not holistic. Furthermore, none of them provide the opportunity for optimization in the architectural design process, which is the main research gap. The requirements derived from the analysis have been summarized in the form of a catalogue. This catalogue can be used to evaluate both existing approaches and potential methods developed in the future. In this thesis, it served as guideline for the development of the parametric method – Parametric Life Cycle Assessment (PLCA). The unique main feature of PLCA is that embodied and operational environmental impact are calculated together. In combination with the self-contained workflow of the method, this provides the basis for holistic, time-efficient environmental design optimization. The application of PLCA to three examples indicated that all established mandatory requirements are met. In all cases, environmental impact could be significantly reduced. In comparison to conventional approaches, PLCA was shown to be much more time-efficient.
PLCA allows architects to focus on their main task of designing the building, and finally makes LCA practically useful as one of several criteria for design optimization. With PLCA, the building design can be time-efficiently optimized from the beginning of the most influential early design stages, which has not been possible until now. PLCA provides a good starting point for further research. In the future, it could be extended by integrating the social and economic aspects of sustainability.
Die Dissertation umfasst eine vertiefende Untersuchung der denkmalpflegerischen Erfassung von Siedlungen und Wohnanlagen als eine der wichtigsten und umfangreichsten Bautypologien der 1950er bis 1980er Jahre in Westeuropa. Die Beschäftigung mit Bauten der 1950er bis 1980er Jahre führt bei Denkmalpflegern, Architekten, Bewohnern und Politikern immer wieder zu Überlegungen, ob diese besondere Erfassungs- und Erhaltungsstrategien erfordern. Dabei wirft die Typologie des Siedlungsbaus besondere Fragen auf, da sie neben architektonischen Aspekten auch städtebauliche, landschaftsplanerische und sozialwissenschaftliche Bedeutungsebenen umfasst. Nicht zuletzt sind Siedlungen der 1950er bis 1980er Jahre aus denkmalpflegerischer Sicht häufig stark gefährdet. Obwohl die meisten Siedlungen noch nicht ausreichend kunsthistorisch gewürdigt und erfasst sind, unterliegen sie einem hohen Veränderungsdruck. Die teilweise enorme städtebauliche Dimension und Monofunktionalität der Anlagen, die häufig aufgrund von seriellen Bautypen und vorfabrizierten Elementen gleichförmige architektonische Gestaltung und eine Vernachlässigung im Bauunterhalt erschweren den Zugang zu dieser Baugattung. Gewandelte Wohnbedürfnisse sowie bauphysikalische, energietechnische oder ästhetische Maßnahmen führen zur Veränderung der noch relativ jungen Bausubstanz. Zudem weisen Siedlungen der Nachkriegszeit aufgrund ihrer teilweise sehr großzügigen Freiraumstruktur ein großes Potential zur Nachverdichtung auf. Die Auswahl der in dieser Arbeit untersuchten Länder und Siedlungen ergab sich aus der Auswertung einer europaweiten Befragung von Denkmalämtern sowie anschließend geführten Gesprächen mit Fachleuten. Die untersuchten 20 Siedlungen und Wohnanlagen repräsentieren verschiedene Länder (Deutschland, Österreich, Schweiz, Frankreich, Niederlande, England) sowie Bauepochen und Siedlungstypologien, die von der Einfamilienhaussiedlung über Siedlungen mit gemischter Bautypologie hin zur Großsiedlung reichen. Anhand der unterschiedlichen Fallbeispiele wird aufgezeigt, inwiefern die jeweiligen Länder, Bauepochen beziehungsweise Siedlungstypologien Einfluss auf die denkmalpflegerischen Erfassungsstrategien haben. Zusammenfassend lässt sich resümieren, dass die Gesetzesgrundlagen und Denkmalkriterien für eine denkmalpflegerische Erfassung von Bauten der 1950er bis 1980er Jahre in den meisten Ländern konstant bleiben, während sich in den Bereichen Zeitpunkt, Auswahl und Einbindung der Öffentlichkeit eine Modifizierung oder zumindest eine Reflektion der bisherigen Strukturen abzeichnet. Sinnvoll und wünschenswert erscheint darüber hinaus ein verstärkter Austausch der Denkmalpflege über die nationalen Grenzen hinweg und ein gegenseitiges Lernen voneinander.
Die Dissertation umfasst eine vertiefende Untersuchung der denkmalpflegerischen Erfassung von Siedlungen und Wohnanlagen als eine der wichtigsten und umfangreichsten Bautypologien der 1950er bis 1980er Jahre in Westeuropa. Die Beschäftigung mit Bauten der 1950er bis 1980er Jahre führt bei Denkmalpflegern, Architekten, Bewohnern und Politikern immer wieder zu Überlegungen, ob diese besondere Erfassungs- und Erhaltungsstrategien erfordern. Dabei wirft die Typologie des Siedlungsbaus besondere Fragen auf, da sie neben architektonischen Aspekten auch städtebauliche, landschaftsplanerische und sozialwissenschaftliche Bedeutungsebenen umfasst. Nicht zuletzt sind Siedlungen der 1950er bis 1980er Jahre aus denkmalpflegerischer Sicht häufig stark gefährdet. Obwohl die meisten Siedlungen noch nicht ausreichend kunsthistorisch gewürdigt und erfasst sind, unterliegen sie einem hohen Veränderungsdruck. Die teilweise enorme städtebauliche Dimension und Monofunktionalität der Anlagen, die häufig aufgrund von seriellen Bautypen und vorfabrizierten Elementen gleichförmige architektonische Gestaltung und eine Vernachlässigung im Bauunterhalt erschweren den Zugang zu dieser Baugattung. Gewandelte Wohnbedürfnisse sowie bauphysikalische, energietechnische oder ästhetische Maßnahmen führen zur Veränderung der noch relativ jungen Bausubstanz. Zudem weisen Siedlungen der Nachkriegszeit aufgrund ihrer teilweise sehr großzügigen Freiraumstruktur ein großes Potential zur Nachverdichtung auf. Die Auswahl der in dieser Arbeit untersuchten Länder und Siedlungen ergab sich aus der Auswertung einer europaweiten Befragung von Denkmalämtern sowie anschließend geführten Gesprächen mit Fachleuten. Die untersuchten 20 Siedlungen und Wohnanlagen repräsentieren verschiedene Länder (Deutschland, Österreich, Schweiz, Frankreich, Niederlande, England) sowie Bauepochen und Siedlungstypologien, die von der Einfamilienhaussiedlung über Siedlungen mit gemischter Bautypologie hin zur Großsiedlung reichen. Anhand der unterschiedlichen Fallbeispiele wird aufgezeigt, inwiefern die jeweiligen Länder, Bauepochen beziehungsweise Siedlungstypologien Einfluss auf die denkmalpflegerischen Erfassungsstrategien haben. Zusammenfassend lässt sich resümieren, dass die Gesetzesgrundlagen und Denkmalkriterien für eine denkmalpflegerische Erfassung von Bauten der 1950er bis 1980er Jahre in den meisten Ländern konstant bleiben, während sich in den Bereichen Zeitpunkt, Auswahl und Einbindung der Öffentlichkeit eine Modifizierung oder zumindest eine Reflektion der bisherigen Strukturen abzeichnet. Sinnvoll und wünschenswert erscheint darüber hinaus ein verstärkter Austausch der Denkmalpflege über die nationalen Grenzen hinweg und ein gegenseitiges Lernen voneinander.
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.