Nachhaltig Bauen mit Künstlicher Intelligenz

Um Gebäude material- und energieeffizienter zu machen und so einen Beitrag gegen die globale Erderwärmung zu leisten, kommt man an computerbasierten Entwurfsmethoden nicht vorbei. Wie diese aussehen können, erforscht Jun.-Prof. Thomas Wortmann, neuer Tenure Track-Professor für „Computing in der Architektur“ am Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD). Er setzt dabei auf Künstliche Intelligenz (KI) und das maschinelle Lernen.

Im Zentrum der Forschung von Thomas Wortmann steht das Zusammenspiel von Architektur und Informatik auf einer höhere Ebene. „Architekten greifen vieles aus der Informatik auf und probieren aus. Ich aber frage, wie und ob diese Methoden wirklich funktionieren. Die Antworten fließen dann zurück in die Informatik, für die unsere Fragestellungen oft zu pragmatisch sind.“ Wie ein solcher Brückenschlag in der Praxis aussehen kann, zeigt Wortmanns Promotion an der Singapore University of Technology and Design (SUTD). In seiner Arbeit simulierte und optimierte er den Energiebedarf von Gebäuden, um die energieeffizientesten Lösungen zu finden.

Bis dato ging man davon aus, dass für derartige Optimierungen evolutionäre Algorithmen am besten geeignet sind. „Ich fand genau das Gegenteil heraus“, sagt Wortmann mit einem Anflug von Stolz. Tatsächlich erwiesen sich modellbasierte Algorithmen, die das maschinelle Lernen benutzen, für die Optimierung des Energiebedarfs als geeigneter, ähnliches gilt für die Optimierung von Tageslicht. „Solche Tests gab es bisher kaum, diese Forschungsrichtung habe ich mit angestoßen.“

Anwendungen in der Architektur gibt es dafür sehr viele. Möchte man zum Beispiel herausfinden, welche Form ein Hochhaus idealerweise haben muss, um die Windlast zu minimieren, ist bis dato die Numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) die Methode der Wahl. Hierbei versucht man, strömungsmechanische Probleme approximativ mit numerischen Methoden zu lösen. Das Problem dabei: Eine einzige Berechnung kann mehrere Stunden dauern. Gebraucht werden bei Optimierungsaufgaben aber Tausende Simulationen. „Das ist nicht machbar“, sagt Wortmann.

Nächstes Ziel: Multikriterielle Lösungsräume

Hier kommt das Maschinelle Lernen ins Spiel, indem ein neuronales Netzwerk so trainiert wird, dass es die Windlasten verschiedener Bauformen prognostizieren kann. Integriert man ein neuronales Netzwerk in den Algorithmus, wird ein Modell von dem abstrakten Raum geschaffen, in dem eine Lösung gesucht wird. „Solche modellbasierten Algorithmen sind zwar nicht so präzise, aber sehr schnell“, erklärt Wortmann. „Sie erlauben es, sehr viele Hochhaus-Alternativen anzuschauen und die mit der optimalen Windlast auszuwählen.“

Bisher betrachten computerbasierte Entwurfsmethoden einzelne Erfolgskriterien wie Windlast, Energieeffizienz, Tageslichtqualität oder Materialverbrauch. In der realen Welt des Bauens sind diese Faktoren jedoch oft interdependent. Wortmanns Forschungsziel sind daher multikriterielle Lösungsräume, in denen mehrere Einzelaspekte gemeinsam simuliert werden. „Diese Aufgabenstellung ist sehr komplex“, beschreibt Wortmann die Herausforderung. „Das Problem definieren, eine Lösung finden und die Lösung verstehen, alles wird dann schwieriger.“

Professur passt gut in Exzellenzcluster IntCDC

Künftig plant er, auch Baufertigung und Ausführung stärker in diese Lösungsräume einzubeziehen – in enger Abstimmung mit Prof. Achim Menges und weiteren auf dem Gebiet der robotischen Fabrikation führenden Forschern des ICD. Dies ist ganz im Sinne des Exzellenzclusters Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur (IntCDC) an der Universität Stuttgart, in dem die Professur angesiedelt ist und der sich die konsequente Digitalisierung des Entwurfs- und Bauprozesses von der Planung bis zur Fertigstellung auf die Fahnen geschrieben hat.

„Schon bei der Planung mitzudenken, was auf der Baustelle passiert, ist in der Architektur relatives Neuland“, meint Wortmann. Es erfordert auch neue Strategien, um den Datenaustausch zwischen Entwurf, Statik, Fertigung und Endmontage auf der Baustelle in den Griff zu bekommen. Ein Problem, das sich in ähnlicher Weise übrigens auch zwischen den verschiedenen Bereichen des Exzellenzclusters stellt. Deshalb hat Wortmann gemeinsam mit Prof. Melanie Herschel vom Institut für Parallele und Verteilte Systeme (IPVS) der Universität Stuttgart einen runden Tisch zum Thema „Datenstrategie“ ins Leben gerufen, der sich damit beschäftigt, wie man die verschiedenen Teilnehmenden eines Planungs- und Bauprozesses informatisch verbindet. Ein Forschungsantrag mit Prof. Steffen Staab, ebenfalls am IPVS und Leiter der Abteilung Analytic Computing, soll folgen.

Speerspitze der Digitalisierung

In der Praxis sind Architekturbüros bisher allerdings oft eher konservativ aufgestellt, für manche ist der Tuschestift noch ein beliebtes Utensil. Bis Computersimulationen dort in der Breite ankommen, dürfte noch einige Zeit vergehen. „Derzeit richtet sich meine Forschung an die Speerspitze der Digitalisierung, aber die Architektenschaft wird sich dahin entwickeln“, prognostiziert Wortmann. Zumal die Tools sofort nützlich einsetzbar sind, um Gebäude effizienter zu machen. Ein Beispiel dafür ist das von Wortmann entwickelte Softwaretool Opossum, ein auf maschinellem Lernen basierendes Optimierungswerkzeug, das frei verfügbar ist und in Architektur- und Ingenieurbüros rund um den Globus zum Einsatz kommt. Inzwischen kann man das Tool bequem aus einem App-Store holen. „Wir hatten schon mehr als 5.000 Downloads“.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Tenure-Track Prof. Dr. Thomas Wortmann, Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung, E-Mail thomas.wortmann@icd.uni-stuttgart.de, Tel. +49 711 685 819 33

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