Editorial

«The Machine is the architect’s tool – whether he likes it or not. Unless he masters it, the Machine has mastered him.»[1] Eine sich selbst generierende Architektur, automa­tisierte Prozesse durch Roboter, die den Entwurfs- und Bauprozess verändern – ein Horrorszenario oder bereits Zukunftsmusik? Die französischen Architekten R Sie(n) haben 2010 mit ihrer Installation «Une Architecture des Humeurs» eine Architektur kreiert, die auf emotionale und sprachliche Äusserungen der potenziellen Bauherren reagiert und sich ständig verändert. Diese individuellen Strukturen bringen den Architekten als Entwerfer zum Verschwinden und drängen ihn als Schaltfigur und Programmierer in ein neues Rollenmodell. Die Formensprache der Architektur entledigt sich jeglicher kultureller und historischer Tradition und orientiert sich ausschliesslich an der jeweiligen Situation.

Computerprogrammierung und Herstellungsprozesse mit Robotern können, wenn sie mit algorithmischen Entwurfsmethoden zusammen gedacht werden, zu einer Veränderung der Disziplin führen und zu einem neuen Verhältnis zwischen Idee, Produktion und Ausführung. Die seit Alberti bestehende Trennung zwischen Geist und Hand wird aufgehoben.[2]

Die direkte Kommunikation mit der Maschine führt dazu, dass alle Phasen des Entwurfs hinterfragt werden. Bisher ging es vor allem um das Ende des Entwurfsprozesses, um die digitale Vorfabrikation, wie sie heute in kleinem Massstab für die Herstellung von Bauteilen und ihre Zusammensetzung zu komplexen Strukturen durchgeführt wird, so etwa bei der von Robotern zusammengesetzten Backsteinwand der ETH-Professoren Fabio Gramazio und Matthias Kohler (TEC21 20/2006 «Form geben»). Nun rückt auch der Anfang des Entwurfsprozesses in den Fokus, und experimentierfreudige Institutionen suchen nach regelbasierten Entwurfsgrammatiken. In diesem Heft zeigen wir drei Beispiele aus dem akademischen Umfeld. Am Roboterlabor der privaten Architekturschule SCI-Arc in Los Angeles sollen die Studierenden mit einer Sechs-Achsen-Roboteranlage als Forschungsinstrument nichteuklidische Geome­trie untersuchen, indem sie auf bestehender Soft- und Hardware basierende Entwurfsmodelle neu zusammensetzen. Gramazio & Kohler untersuchen mit Hilfe von Robotern neue Entwurfs- und Konstruktionsweisen für Hochhäuser. Und an der Universität Stuttgart hat ein Roboter einen Pavillon aus gewickelten Fasern gebaut.

Dr. Lilian Pfaff, Kunsthistorikerin

Anmerkungen:
[01] Frank Lloyd Wright, «In the Cause of Architecture. The Architect and the Machine», in: Glenn Adamson (Hg.), The Craft Reader, Oxford 2010, S. 107.
[02] Iain Maxell and Dave Pigram, «In the Cause of Architecture: Traversing Design and Making», in: LOG 25, Summer 2012, S. 31–44.

Inhalt

05 WETTBEWERBE
Überbauung Tramdepot Bern

10 MAGAZIN
«Die Mehrheit unserer Quartiere sind ­unattraktive Zwischendinger» | Verkehr in Olten simulieren

16 DIGITALE FABRIKATION FÜR HOCHHÄUSER
Dr. Lilian Pfaff
Die Schweizer Architekten Fabio Gramazio und Matthias Kohler erforschen neue Entwurfs- und Konstruktions-methoden für Hochhäuser. Als Übungsfeld dienen konkrete Bauaufgaben in Singapur.

19 «ROBOTER EIGNEN SICH FÜR JEDE ENTWURFSPHASE»
Tiffany Shaw-Collinge
Im Roboterlabor der Architekturschule SCI-Arc in Los Angeles konzentriert sich die Forschung auf die ­Bewegungsabläufe von Robotern und ihre Koordination mittels Computerprogrammen.

22 GEWICKELTER FASERBANDPAVILLON
Simone Hübener
Ein Industrieroboter hat an der Uni Stuttgart einen Forschungspavillon gebaut, indem er harzgetränkte Glas- und Kohlefasern auf ein Gerüst wickelte.

27 SIA
Entwicklung Bauwerk Schweiz | Aufruf an die Schweizer Holzbranche | Beitritte zum SIA im 4. Quartal 2012 | Kurzmitteilungen

31 PRODUKTE
Infomind | Nemetschek | TG-Soft

37 IMPRESSUM

38 VERANSTALTUNGEN

Digitale Fabrikation für Hochhäuser

Mit Robotern ganze Bauwerke zu entwerfen und zu bauen ist bisher nur in verkleinertem Massstab möglich. Dennoch denken die beiden Schweizer Architekten Fabio Gramazio und Matthias Kohler an ihrem ETH-Lehrstuhl für Architektur und Digitale Fabrikation über zukünftige Entwurfsmethoden und ­Konstruktionsweisen für Hochhäuser nach. Als Übungsfeld dienen ­konkrete Bauaufgaben in Singapur.

Seit über einem Jahr betreiben die ETH-Professoren Fabio Gramazio und Matthias Kohler als Beitrag zum Future Cities Laboratory FCL in Singapur (vgl. Kasten) auf einer Fläche von 200 m² drei Roboteranlagen. Ihr Ziel ist, roboterunterstützte Prozesse in der Architektur zu ­untersuchen und konkrete Szenarien für grossmassstäbliche Anwendungen beim Entwurf und bei der Konstruktion von Hochhäusern zu entwickeln. Im Labor an der ETH Zürich ­wiederum liegt das Schwergewicht auf räumlichen Aggregationen und materialspezifischen Bauprozessen sowie auf deren Anwendung im baulichen Massstab. Die Anlage besteht aus Roboterarmen mit knapp einem Meter Reichweite, wie sie in der Verarbeitungsindustrie verwendet werden. Diese sind an vertikale Linearachsen montiert und ermöglichen so den Bau von bis zu 3 m hohen Architekturmodellen im Massstab 1:50. Das Team setzt sich aus sechs Forschenden und den beiden Professoren zusammen, die jeweils für Langzeitaufenthalte von mehreren Monaten nach Singapur reisen. Sie bilden in zweisemestrigen ­Design Research Studios auch Masterstudierende der Architektur aus, die sowohl von der ETH Zürich als auch von der National University of Singapore NUS kommen. Die Aufgabe besteht darin, im Modell Hochhäuser für reelle Situationen zu entwickeln. Durch den für den Einsatz des Roboters in der Architektur ungewohnten Massstab sollen neue Entwurfs­strategien gewonnen werden, auch wenn die Realisierung bisher nur im Modell möglich ist.

Die Übertragbarkeit der Strategien in die Realität und die Skalierbarkeit stehen daher im Zentrum des Forschungsinteresses. (Eine der Schwierigkeiten ist die Diskrepanz zwischen der hohen Präzi­sion eines Industrieroboters und den am Bau geltenden Toleranzen.) Bisher sind die meisten Versuche, Roboter im Bauwesen einzusetzen, im Bereich klein­mass­stäblicher Anwendungen – etwa das Herstellen einzelner Bauteile oder einzelner konstruktiver Elemente wie Wände oder Stützen – geblieben oder in der Realisierung gescheitert. ­Frühere Ansätze – in den 1990er-Jahren zum Beispiel die Mechanisierung des Mauerwerkbaus und die Automatisierung des Hochhausbaus – sahen eine vollständige Automatisierung und Standardisierung der unterschiedlichen Bauprozesse mit hochspezialisierten Maschinen vor. Für die Ausführung solcher rein repetitiver Prozesse sind Industrieroboter jedoch ungeeignet und zu teuer – gar überqualifiziert, so die Meinung der Architekten –, und ihr ­Potenzial zu baulicher Varia­tion und typologischer Differenzierung wird in den meisten Fällen noch immer verschenkt. Es gilt, die diversen Anforderungen eines Bauwerks, ­Nutzers oder Bauplatzes zu berücksichtigen und in den baulichen Fabrikationsprozess einzubringen. Dazu muss man bestehende Verfahrensweisen überwinden und über leistungsfähige, für das Bauen massgeschneiderte digitale Entwurfs- und Fabrikationsprozesse nachdenken.

Neues Werkzeug, neue Entwurfsmethode

Das Interesse von Gramazio und Kohler an den Robotern liegt vor allem darin, eine neue, konstruktive Interpretation des digitalen Zeitalters in der Architektur zu entwickeln. Schon immer haben neue Materialien und Konstruktionsprozesse zu Veränderungen in der Entwurfsmethode, in der Ausführung und im Ausdruck der Architektur geführt. Wenn nun beispielsweise Bauten ohne zusätzliche Einmessung, Gerüste oder gar Kräne erstellt werden können, wird das räumliche, zeitliche und konstruktive Konsequenzen haben.

Neue Entwurfs- und Fabrikationsmethoden mit Robotern am Beispiel Hochhausbau zu untersuchen macht insofern Sinn, als in asiatischen Metropolen zurzeit sehr viele Hochhäuser gebaut werden. In weiten Teilen Südostasiens haben sich Hochhäuser im sozialen Wohnungsbau als meistverbreitete Bautypologie durchgesetzt. In Singapur etwa leben mehr als 80 % der Bevölkerung in den über eine Million Wohnungen, die die Wohnbaubehörde Housing Development Board (HDB) seit ihrer Gründung im Jahr 1961 ­errichtet hat – hauptsächlich in Hochhäusern. Diese sind jedoch sowohl architektonisch als auch in der Bauausführung aus jenen ökonomischen Bedingungen heraus gedacht, die sich aus herkömmlichen Bautechniken ergeben. In der Forschung am Future Cities Laboratory dagegen dienen neue, durch Roboter entwickelte Konzepte und differenzierte bauliche Prozesse als Ausgangslage. Man könnte noch weiter gehen und den Entwurf eines Hoch­hauses rein von dessen Aufbaulogik her denken, sodass die eigentliche Tektonik zum zentralen Entwurfswerkzeug wird. Diese Auffassung ist seit jeher ein massgeblicher Bestandteil der Architektur, doch die Umsetzung mit dem vielseitigen Werkzeug Roboter ermöglicht eine bisher ungeahnte bauliche und konstruktive Differenzierung.

Digitale Methoden für Entwurf und Fabrikation

So wollen die Architekten neue Typologien mit starker Nutzungsdurchmischung und diver­sifizierten räumlichen Qualitäten entwickeln, um Lösungen für individuell unterschiedliche Bedürfnisse anbieten zu können. Dabei setzen sie konsequent auf neue Entwurfstechnologien und konzipieren die Projekte von Beginn an bis zur ihrer Umsetzung mit digitalen Methoden. Die Arbeit am Computer erfolgt mit der weitverbreiteten CAD-Software McNeel Rhinoceros zur dreidimensionalen Modellierung von Objekten und darin eingebetteten, eigens ent­wickelten Programmkomponenten, um die Entwurfsdaten nahtlos zur Ansteuerung der ­Roboter verwenden zu können. Durch die digitale Verknüpfung von Entwurf und Fabrikation, von Programmierung und Konstruktion, können die Projekte in unterschiedlichen Sequenzen entwickelt werden. Dies ist möglich, weil der Planungsprozess am Computer nicht ­unbedingt von vornherein bis zum Ende definiert ist, sondern laufend entworfen und um­gesetzt werden kann. Im Studio erfolgt die Umsetzung daher stets in Modellen, die von ­Robotern fabriziert werden. Dies führt zu einer intensiven Auseinandersetzung mit konstruktiven Systemen und unterschiedlichen Materialformen, die unter rein digitalen Bedingungen am Computerbildschirm nicht möglich wäre. Modelle werden im Massstab 1:50 gebaut und stellen etwa 30- bis maximal 50-geschossige Bauten dar. Die Ergebnisse sind an der gebauten Realität und dem Massstab 1:1 orientiert, damit sich das zukünftige Bauen ­möglichst praxisnah an ihnen erforschen lässt.

TEC21, Fr., 2013.04.05

05. April 2013 Lilian Pfaff

«Roboter eignen sich für jede Entwurfsphase»

Im Labor Robot House der privaten Architekturschule SCI-Arc in Los Angeles ist die Forschung auf Bewegungsabläufe von Robotern fokussiert. Die zeitliche Abfolge der Bewegungen und ihre Koordination werden in Computerprogrammen festgehalten. Damit können sie nach Belieben verändert und gestaltet werden. Die Leiter des Labors sind überzeugt, dass dies neue Möglichkeiten für den architektonischen Entwurf eröffnen wird.

TEC21: Was ist das Besondere am Roboterlabor des SCI-Arc?
Brandon Kruysman (B. K.): Mit diesem Labor hat die Schule ein grosses Risiko auf sich genommen. Dass es in nur einem Jahr aufgebaut wurde, ist erstaunlich. Aber die Hersteller von Robotern haben grosses Interesse daran, dass Architekten ihre Maschinen testen und auseinandernehmen. Unsere Studierenden wollen Regeln brechen und etwas machen, was niemand zuvor gemacht hat. Unser Ansatz ist sehr vage und undefiniert. Während ­andere Schulen einen wissenschaftlichen Ansatz pflegen, geht SCI-Arc von einem entwerferischen Standpunkt aus. Jonathan Proto (J. P.): Wir haben keinen äusseren Druck, uns auf irgendetwas festzu­legen. Dank dieser Offenheit entwickelt sich das Labor rasant und in ganz verschiedene Richtungen. Nicht viele andere Institutionen können da mithalten.

TEC21: Worauf bezieht sich Ihr entwerferischer Ansatz konkret?
B. K.: Ich war ursprünglich Programmierer, Jonathan Proto kommt von der digitalen Fabri­kation her. Früher haben wir in einem Architekturbüro gearbeitet, das in der digitalen ­Fabrikation tätig war. Dort sahen wir grosse Probleme bei der Übersetzung der Information zwischen dem digitalen Modell und dem gebauten Projekt. Wir haben daher begonnen, die dreiachsige CNC-Maschine zu hacken und unsere eigenen Maschinen zu bauen. Am ­SCI-Arc merkten wir, dass es jenseits des reinen Herstellungsprozesses viel interessantere Fragen gibt: Wie kann sich der Entwerfer in den Herstellungsprozess einbringen, um mehr Kontrolle über die Produktion zu erlangen und neue Anwendungsmöglichkeiten zu ­bekommen? Bevor wir zu SCI-Arc kamen, war unsere Erforschung der Fabrikation auf das Material fokussiert; heute geht es uns auch um den zeitlichen Ablauf, die Koordination und die ­Choreografie der Maschinen.

TEC21: Wie werden die Roboter eingesetzt?
J. P.: Wir arbeiten mit einem mittelgrossen Sechs-Achsen-Industrieroboter. Die Achsen haben ihre eigenen Verbindungspunkte, Ladegewichte und Reichweiten. Das Besondere an den Armen von industriellen Robotern ist, dass sie eine grössere Reichweite besitzen, wenn sie sich näher an ihren sphärischen Amplituden bewegen – im Gegensatz zu herstellungstechnisch orientierten Armen, die eher frontal ausgerichtet sind, um Objekte aufzusammeln. Sie haben eine grössere Fingerfertigkeit, und es sind pneumatische und elektrische ­Leitungen darin integriert, die eine einfache Einbindung von Werkzeugen ermöglichen. Die Roboter können in jede Phase des Entwurfs einbezogen werden: als Entwurfs-, Produktions- oder Analysewerkzeug. In der praktischen Umsetzung sehen wir die verschiedenen Einsatz­möglichkeiten des Roboters – von experimentellen 3-D-Ausdrucken über lang belichtete Zeichnungen bis hin zu hoch präzisen Filmkameraarbeiten.

TEC21: Wie erfolgt die Koordination zwischen den Maschinen?
B. K.: Wir haben eine Plattform entwickelt, die nun am Robot House untersucht wird und dazu dient, die Kontrollprogramme verschiedener Roboter abzugleichen. Wie vier oder fünf Roboter zusammenarbeiten, kann man in den meisten Computerprogrammen nicht visuell darstellen. Unser Kontrollmodell stammt ursprünglich aus dem Bereich der Animation; es dient als Grundlage für die Visualisierung der Bewegungen und der Choreografie der ­Maschinen. Die Software, die wir entwickelt haben, hat zwei wichtige Bestandteile. Das ­Programm «Experant.O» übersetzt Figurenanimation in tatsächliche Bewegung unter ­Anwendung von «Maya», einer Animations- und Computersimulationssoftware (Abb. 05). Als Zweites kreierten wir «Charla», um die Kommunikation der Roboter untereinander – sie senden Signale im Ethernet – in den Griff zu bekommen. Es geht darum, eine Abfolge von Bewegungen zu entwerfen, was eine unübliche Art und Weise ist, diese Maschinen zu ­steuern. Momentan entwickeln wir ein iPad-Interface, das als Steuerungsmechanismus für die ganze Anlage dienen soll.

TEC21: Warum denken Sie, dass dieses Kontrollmodell neue Arten der Fertigung erzeugen und neue Möglichkeiten für den architektonischen Entwurf eröffnen wird?
J. P.: Ein Beispiel ist der Prototyp «Hot Networks» (Abb. 03–04). Dabei ging es um Roboter, die mit einer Heissluftpistole Plastikröhren zu einem räumlichen Gebilde zusammenfügen. «Hot Networks» wurde entwickelt, um eine dynamische Arbeitsoberfläche für die Steuerung des Zusammenwirkens von verschiedenen Maschinen zu erhalten. Wir hatten schon früher Ideen für die Steuerung von Anhäufungs- und Stapelungsprozessen entwickelt, aber hier ging es um eine neue Methode, die Abläufe zu analysieren. Im Zentrum stand der zeitliche Ablauf – wie lange die Heissluftpistole in einer Position verharrte und wie stark sie die Plastikröhren bearbeitete. Neu sind auch die Ergebnisse zu den Beziehungen zwischen den Robotern.

TEC21: Welche Versuche führen Sie zurzeit durch?
J. P.: Es gibt Forschungsansätze auf mehreren Gebieten. Einige beziehen sich auf das ­Material, andere widmen sich neuen Methoden der Darstellung durch Computerfotografie. Zum Beispiel haben wir studiert, wie eigens für dieses Experiment entwickelte Maschinen komplexe Oberflächen mit Klebeband bedecken. Die Studierenden untersuchten die Muster nicht nur zwei- oder drei-, sondern vierdimensional, das heisst unter Berücksichtigung des zeitlichen Ablaufs. Dann entwarfen sie eigene Abläufe (Abb. 01).
B. K.: Die Bewegung von Robotern zeichnet sich dadurch aus, dass sie einer geschwungenen und nicht einer vektoriellen Geometrie folgt; dies entspricht einer räumlichen, quasi gestischen Bewegung, die Ähnlichkeiten mit dem Zeichnen aufweist. In einem Workshop erzeugten Postgraduate-Studierende lang belichtete Videofilme. Sie entstanden aus einer Reihe von unbewegten Bildern, die als Sequenz zusammengehängt wurden, und zeigten Lichtzeichnungen. Einer der Roboterarme, an dem eine Kamera befestigt war, bewegte sich in eine erste Position und machte ein 15 Sekunden lang belichtetes Bild. Dann folgte eine neue Position und ein neues Bild (Abb. 02). Dieser Vorgang wurde so lange wiederholt, bis der Roboter seinen ganzen Weg zurückgelegt hatte. Das Ergebnis, die Lichtzeichnung, ist ein Abbild der Bewegungsabfolge der Kamera. Inspiriert haben uns dabei die Arbeiten von Jules-Etienne Marey und anderen Chronofotografen des 19. Jahrhunderts.
J. P.: Obwohl jede dieser Übungen ein physisches Ergebnis hat, das hinsichtlich seines eigenen Nutzens studiert werden kann, benutzen wir die Ergebnisse vor allem dazu, unser Kontrollmodell zu untersuchen. Das ermöglicht uns ein grundlegendes Verständnis von der zeitlichen Koordination verschiedener Roboter – wie sie sich bewegen, wie der digitale und der physische Output zusammenhängen.

TEC21, Fr., 2013.04.05

05. April 2013 Tiffany Shaw-Collinge

4 | 3 | 2 | 1