Contemporary planning practice is often criticized as too design-driven with a lack of both quantitative evaluation criteria and employment of models that anticipate the self-organizational forces shaping cities, resulting in significant gaps between plan and reality.
This study aims to introduce a modular toolbox prototype for spatial-analysis in data-poor environments. It is proposed to integrate designing, evaluation, and monitoring of urban development into one framework, thus supporting data-driven, on-demand urban design, and planning processes.
The proposed framework’s value will exemplarily be tested, focussing on the analysis and simulation of spatiotemporal growth trajectories taking the Lanzhou New Area as a case-study - a large scale new town project that struggles to attract residents and businesses.
Conducted analysis suggests that more attention should be given to spatiotemporal development paths to ensure that cities work more efficiently throughout any stage of development. Finally, early hints on general design strategies to achieve this goal are discussed with the assistance of the proposed toolbox.
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.
Die fortschreitende Digitalisierung lässt innovative bauprojekt- und unternehmensinterne Workflows sowie Organisationssysteme entstehen. In diesem Zusammenhang ist die digitale Fortentwicklung durch Building Information Modeling [BIM] als Veränderungsprozess zu definieren, der Organisationsstrukturen nachhaltig umformen wird. BIM ist die führende digitale Arbeitsmethodik im Bauwesen, die entwurfs-, ausführungs- und bauprojektbezogenen Belangen gerecht werden kann. Die deutsche Bauwirtschaft ist im Vergleich zu anderen Branchen jedoch als digital rückständig zu betrachten. Sie ist durch einen Markt gekennzeichnet, an dem kleine und mittelständische Unternehmen [KMU] in hoher Zahl vertreten sind. Aufgrund von Anwendungsunkenntnis der kleinen und mittelständischen Unternehmen fehlt der flächendeckende und durchgängige BIM-Einsatz in Projekten. Mit dem Fokus auf dem Bauprojekt als temporärer Organisation adressiert der vorliegende Forschungsschwerpunkt die Schaffung eines realistischen Abbilds erprobter BIM-Anwendungsfälle in Modellprojekten. Herausgearbeitet werden derzeit bestehende BIM-Herausforderungen für Erstanwender, die die durchgängige BIM-Anwendung in Deutschland bisher hemmen.
Die Forschungsarbeit fokussiert sich auf die Evaluation erfolgskritischer Faktoren [ekF] in BIM-Anwendungsfällen [AWF] im Rahmen einer qualitativen Inhaltsanalyse. Die digitale Transformation birgt strukturrelevante Veränderungsdeterminanten für Organisationen durch die BIM-Anwendung und außerdem Herausforderungen, die in der Anwendungsfallforschung betrachtet werden.
Die Zielstellung ist dreiteilig. Ein entwickeltes BIM-Strukturmodell erfasst die aktuelle Richtlinienarbeit sowie Standardisierung und stellt dadurch den Rahmen notwendiger BIM-Strukturen im Bauprojekt auf. Aus dem Strukturmodell ist ein Modell zur Prüfung von Anwendungsfallrisiken abgeleitet worden. Dieses wird auf gezielt recherchierte BIM-Modellprojekte in Deutschland angewendet, um aus den erfolgskritischen Faktoren der darin praktizierten BIM-Anwendungsfälle eine ekF-Risikomatrix abzuleiten. Daraus geht ein unterstützendes BIM-Anwendungsinstrument in Form von BPMN-Abläufen für KMU hervor. Resultierend aus der Verbindung des BIM-Strukturmodels und der Anwendungsfallanalyse wird in den einzelnen Ablaufübersichten eine Risikoverortung je Anwendungsfall kenntlich gemacht. Unternehmen ohne BIM-Anwendungsexpertise in Bauprojektorganisationen erhalten auf diese Weise einen instrumentellen und niederschwelligen Zugang zu BIM, um die kollaborativen und wirtschaftlichen Vorteile der digitalen Arbeitsmethodik nutzen zu können.