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03.09.2020 | Gregor Strekelj

Parametrik für die Masse

Parametrische Planung

Parametrisches Planen und Bauen war mal das Spielzeug exzentrischer Nerds. Inzwischen hat sich Parametrik durchgesetzt – und führt zu einer spürbaren Steigerung der Produktivität.

Das parametrische Planen und Bauen wurde im vergangenen Jahrzehnt als innovativer Trend der avantgardistischen Speerspitze der Architekturschaffenden für sich beansprucht. Der Fokus des Architekturstils der Parametrik lag dabei zunächst auf neuen ästhetischen Ausprägungen, die das parametrische Konstruieren ermöglichte. Die organische, fließende Form, konstruiert aus einer Vielzahl individueller Bauteile, war das formale Erkennungszeichen. Im Zuge der steigenden Anforderungen an nachhaltiges Bauen sowie aufgrund der erweiterten Möglichkeiten durch BIM entwickelte sich der Planungsansatz deutlich weiter und ließ das enge Korsett der Parametrik hinter sich.  

So wurde das Spektrum in der Forschung um Aspekte ergänzt, die gleichermaßen ökonomische und ökologische Auswirkungen haben, wie beispielsweise der optimierte Material-, Energie- oder Personaleinsatz, der nahtlose Übergang von automatisierter Planung zur Fertigung oder eine frühe Berücksichtigung der Gebäudelebenszykluskosten. Parametrische Methoden finden sich unter anderem im bionischen Bauen, im Leichtbau, im System- und Modulbau oder im Infrastrukturbau.

Parametrik ermöglicht aber auch die nahtlose Integration von automatisierten Produktionsprozessen wie der additiven Fertigung oder Robotik. Das Verständnis parametrischer Planungsansätze und automatischer Fertigungsverfahren erweitert die Möglichkeiten der Planer und verschiebt die Grenzen der Komplexität realisierbarer Bauteile und Konstruktionen.

Mehrwerte durch parametrische Planung

Die Parametrik ist eine Methode, die den Fokus nicht auf ein einzelnes Planungsergebnis legt – wie bei der klassischen CAD-Planung –, sondern den Prozess einer Konstruktionsplanung beschreibt. Mit diesem Prozess lassen sich viele Entwurfsvarianten beschreiben und automatisiert ableiten. In einem digitalen parametrischen Bauwerksmodell sind Informationen miteinander über Algorithmen verknüpft. Das virtuelle Modell einer Konstruktion wird durch diese Informationskette automatisch erstellt. Das erhöht nicht nur die Effizienz bei wiederkehrenden Planungsprozessen, sondern auch die Flexibilität. Bei Änderungen der Rahmenbedingungen aktualisieren sich Bauteile einer Konstruktion automatisch. Besonders spannend ist die Verbindung von Parametrik und BIM. Dadurch können auch geometrisch komplexe Konstruktionen in den BIM-Prozess integriert werden.

Die Architekten des Centre Pompidou-Metz ließen sich von den Strohhüten japanischer Reisbauern inspirieren. Der neu geschaffene Kunstraum ist aber auch in ingenieurtechnischer Hinsicht ein Meilenstein, der die Tragwerksplaner vor große Herausforderungen stellte, Bild: Centre Pompidou-Metz, Frankreich, CHP GmbH, Freiburg

Parametrische Planung im praktischen Einsatz

Viele Planer sehen den Vorteil der parametrischen Planung oft stärker in den neuen konstruktiven und räumlichen Möglichkeiten als im Effizienzgewinn. Dabei ermöglicht eine durchgehende Prozesskette von der automatisierten Planung bis zur automatisierten (Vor-)Fertigung. Bei so erzeugten Bauteilen spielt die Losgröße eine untergeordnete wirtschaftliche Bedeutung. Neue Konstruktionen aus individuellen Einzelkomponenten werden aus ökonomischer Sicht möglich.

Parametrische Modelle können auch dabei helfen, die Planungsqualität zu verbessern. Da Änderungen der Rahmenbedingungen schneller und damit günstiger durchgeführt werden, können mehr Konstruktionsvarianten als bisher durchgespielt werden. Änderungen und Verbesserungen im Planungsprozess sind auch bei komplexen Konstruktionen kein gravierender Kostenfaktor mehr.

Die Erstellung parametrischer Modelle erfordert eine Umstellung der Planungsmethode und erweitert die Kompetenzen. Einfache Modelle können durch entsprechende Softwareprodukte ohne spezielle Programmierfachkenntnisse von den Planern selbst vorgenommen werden. Für Sonderfälle, wie die Konstruktion von Brücken, bieten Softwarehersteller bereits durchgängige parametrische Modellierer.

Wie bei anderen Methoden auch muss beim Einsatz der parametrischen Planung das Verhältnis von Aufwand und Nutzen stimmen. Der Aufbau eines parametrischen Modells ist eine Investition. Der Anwender muss sich überlegen, worin für ihn der Vorteil liegt und wie dieser voll ausgeschöpft werden kann. Der Schlüssel liegt in der Wiederverwendbarkeit durch Variation. Diese Variation von Elementen kann entweder innerhalb einer komplexen Konstruktion stattfinden oder über eine Reihe von Konstruktionen bzw. über Bauwerke, deren parametrisches System auf einem bestimmten Level eine definierbare Ähnlichkeit aufweist.

In der klassischen Bauplanung, bei der in der Regel ein Bauprojekt ein Unikat ist, wird grundsätzlich in die Entwicklung einer spezifischen Lösung investiert. Der Wert der bereits durchgeführten Projekte fließt in Form von Kompetenzerweiterung der Mitarbeiter in den Mehrwert des Unternehmens ein. Macht sich der Planer generative Tools zunutze und kann das parametrische Modell von Projekt zu Projekt wiederverwendet und weiterentwickelt werden, ist die Modellerstellung eine direkte Investition in den Wert der Organisation. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um eine Brückenkonstruktion, eine Fassade oder ein Möbelstück handelt.

Im Planungsalltag bietet sich bei vielen Bauprojekten eine Kombination aus klassischer CAD-Planung und dem Einsatz von Parametrik an. Nicht selten wird der Rohbau eines Bauwerks – beispielsweise mit BIM – als Einzellösung für diese speziellen Anforderungen geplant, während Teilbereiche wie die Fassade oder Wandverkleidung parametrisch entwickelt werden.

Planer als Mitentwickler von Algorithmen

Das größte Potenzial der parametrischen Planung liegt darin, die Daten in weitgehend vollständigen Prozessketten zu generieren und zu nutzen, vom Entwurf über die Konstruktion bis zur Realisierung. Projekte wie die Holzkonstruktionen des Centre Pompidou in Metz demonstrieren eindrucksvoll die neuen architektonischen Möglichkeiten. Dadurch ergeben sich aber auch neue Herausforderungen, die nur im Team zu meistern sind.

Für die parametrische Modellierung müssen interdisziplinäre Kompetenzfelder gebündelt werden, die in klassischen Bauprojekten in voneinander getrennten Verantwortungsbereichen liegen. Planer werden so zu Mitentwicklern von Algorithmen. Dadurch verändern sich ihr Berufsbild und ihre Arbeitsweise. Individuelle Konstruktionslösungen erfordern ein tiefes Verständnis von Geometrie und Informationstechnologie. Damit wird die Rolle des Bauinformatikers im Planungsteam verankert.

Die Fähigkeit, effizient in heterogenen Teams so eng zusammenzuarbeiten, dass am Schluss ein gemeinsamer Konstruktionsalgorithmus entsteht, wird somit zur Schlüsselkompetenz bei erfolgreichen parametrischen Bauprojekten. Die Idee, dass unterschiedliche Fachplaner an einem gemeinsamen Planungsmodell arbeiten, erinnert an die frühe Theorie der BIM-Methodik. Die Zukunft wird zeigen, ob sich wie bei BIM auch ein Fachmodellansatz entwickeln wird.

Das digitale Modell aus Allplan Bridge ist vollständig parametrisch. Änderungen können jederzeit vorgenommen werden. Die abhängigen Objekte werden automatisch angepasst, Bild: Allplan Infrastructure

Brücken parametrisch planen

Ein ganz eigener Parametrik-Ansatz wurde für die Planung von Ingenieur- und Infrastrukturbauwerken wie beispielsweise Brücken entwickelt. Hier besteht die Aufgabe darin, die vorhandenen Rahmenbedingungen wie Topographie, Klima, Material, Last usw. in ein mathematisches Modell zu überführen und so die optimale Tragstruktur zu ermitteln – unabhängig davon, ob klassisch oder parametrisch geplant wurde. Es gilt das Motto: Form follows function. Umso erstaunlicher, dass die dreidimensionale, parametrische Planung von Ingenieurbauwerken ein Nachzügler ist, sind doch hier sowohl die Auswirkungen als auch die Vorteile gravierend.

Ein neues 3D-Modellierungstool, das speziell an die Anforderungen und die Denkweise von Ingenieuren angepasst ist, stellt Allplan Bridge dar – ein parametrisches Werkzeug, das die Brückenplanung, besonders von Beton- und Verbundbrücken, unterstützt. Die Besonderheit ist, dass das parametrische Modell ingenieurorientiert bzw. brückenbauorientiert erstellt wird. Es werden Achsen, Querschnitte, Träger und variable Parameter definiert. Der Aufbau des linearen, parametrischen Modells erfolgt für Brückenbauingenieure intuitiv. Sind alle Parameter definiert, wird das Brückenmodell automatisch erzeugt, ebenso wie die parametrische Beschreibung aller Details – wovon es bei einer Bücke sehr viele geben kann.

Die lineare Beschreibung des 3D-Modells sorgt zum einen für ein einfacheres Verständnis und Handling des Programms, aber auch für eine Reduzierung der Datenmenge und somit der Berechnungsdauer der Modelle. Änderungen am Modell oder die Erstellung von Varianten sind dadurch kein gravierender Zeit- oder Kostenfaktor mehr.

Besonders die Infrastrukturplanung ist von vielen äußeren (nicht von den Planern selbst steuerbaren) Faktoren abhängig. Hat sich beispielsweise im Lauf der nicht selten jahrelang dauernden Planungsphase bei Infrastrukturprojekten die Straßenführung geändert, musste der Brückenbauingenieur bislang mit der Planung von vorn beginnen. Bei einem parametrisch beschriebenen Modell werden hingegen lediglich die relevanten Variablen angepasst. Diese Planungsflexibilität durch die Parametrik ist – besonders im Brückenbau – eine deutliche Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Methoden. Materialeffizienz, Formoptimierung, Sicherheitsaspekte – die Liste der Vorteile ist lang.

Möglichkeiten mit Visual Scripting potenzieren

Durch die Parametrik wird der Planer zum Gestalter von Informationsketten, deren Zusammenhänge er selbst definieren kann. Architekten und Ingenieure haben die Systeme auf eine unglaublich kreative Art genutzt. Es entstand eine regelrechte Formenexplosion. Diese Vielfalt wurde möglich, weil es die Bausoftwareindustrie geschafft hat, ihre Kunden zu einem Co-Creation-Prozess hinzuführen. Der Planer wird zum Programmierer seiner eigenen Tools.

Wer selbst parametrische Modelle entwickeln möchte, wird dabei durch das Visual Scripting unterstützt, das – vereinfacht ausgedrückt – Programmteile und Parameter in Form von grafischen Symbolen darstellt und übersichtlich kombinierbar macht. Die abstrakte Logik des Codes wird visuell erfassbar und macht es auch Planern mit geringer Kenntnis von Programmiersprachen möglich, selbst ihre Funktionen und Prozesse entsprechend den eigenen Wünschen und Bedürfnissen zu entwickeln und anzupassen.

Visual Scripting mit Allplan 2020, Bild: Allplan GmbH

Von exzentrischen Leuchtturmprojekten zur breiten Anwendung

Die Parametrik hat sich lange Zeit mit dem Image der Zukunftsmusik umgeben. Versucht man aber nun einen Ausblick, dann erkennt man, dass die Ära der exzentrischen Leuchtturmprojekte vorbei ist. Es folgt die Phase der breiten Anwendung.

Die parametrischen Vorreiter waren notwendig, um die technischen Möglichkeiten voranzutreiben, die freie Form in der architektonischen Wahrnehmung zu verankern und sowohl die Gesellschaft als auch die Baubranche auf die gesteigerte Komplexität des Bauens vorzubereiten. Nun geht es darum, einen verantwortungsvollen Umgang mit den neuen Werkzeugen zu erlernen. Wie viele neue Technologien und Methoden durchläuft auch das parametrische Planen mit zunehmender Anwendung einen fortschreitenden Reifeprozess.

Ist eine Technologie jung, werden neue Möglichkeiten aus Lust an der Innovation in Prototypen exzessiv angewandt, um im Anschluss in breiter werdenden Einsatzbereichen ein ökonomisch austariertes Niveau zu finden. Genau an diesem Punkt befindet sich das parametrische Planen und Bauen momentan. Qualität, Nachhaltigkeit, baukulturelle Vielfalt und die Effizienz der Prozesse können durch die parametrische Planung gesteigert werden.


Warum parametrisches Planen die Effizienz im Planungsalltag erhöht

  • In parametrischen Modellen sind Informationen miteinander verknüpft. Bei Planungsänderungen aktualisieren sich Bauteile automatisch.
  • Das parametrische Modell kann von Projekt zu Projekt wiederverwendet und weiterentwickelt werden. Mithilfe von Visual Scripting können Anwender selbst mit geringen Programmierkenntnissen parametrische Modelle erstellen.
  • Projektdaten werden über den gesamten Prozess genutzt – vom Entwurf über die Konstruktion bis zur Realisierung.
  • Dank parametrischer Modellierungssoftware werden Brückenmodelle automatisch erzeugt, wodurch Änderungen am Modell einfach möglich sind.
© Centre Pompidou-Metz, Frankreich, CHP GmbH, Freiburg
Autor

Gregor Štrekelj schloss an der Technischen Universität in Maribor, Slowenien, ein Diplom-Studium ab und spezialisierte sich dabei auf Brückentechnik. Seine berufliche Laufbahn begann er als Support Engineer und Berater für Bridge Engineering. Als beratender Bauingenieur war er an mehreren internationalen Projekten beteiligt. Er arbeitet als Produktmanager von Allplan Bridge bei der Allplan Infrastructure GmbH in Graz. allplan.com

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