_Integrales Planen

Der konventionelle Entwurfsprozess beginnt mit einer Idee, aus der sich Setzung, Form und detaillierte Ausgestaltung entwickeln. Über die weiteren Planungsphasen hinweg kommen technische, rechtliche sowie Montage- und Fertigungsvorgaben hinzu, die den ursprünglichen Entwurf durchaus verändern können. Anpassungen der Geometrie, bis sie alle geforderten Zielgrößen erfüllen, übernehmen im klassischen Entwurfsprozess die Planenden in mühevoller manueller Arbeit. Mit den heutigen Möglichkeiten, die sich aus dem Einsatz maschinellen Lernens und interaktivem Architekturdesign ergeben, lässt sich der Planungsweg so umkehren, dass diese entwurfsentscheidenden Parameter bereits in den ersten Formstudien mitbedacht und abgebildet werden.

Forschende von Gramazio Kohler Research der ETH Zürich haben mit diesen Mitteln und in Kooperation mit Müller Illien Landschaftsarchitekten und Timbatec Semiramis entworfen – eine 22,5 Meter hohe Holzstruktur, die das Zentrum des neu entstehenden Tech Cluster in Zug markieren und einen schattenspendenden, ruhigen Treffpunkt bilden wird. Die Installation soll zudem zeigen, dass sich naturnahe Stadtentwicklung und hochtechnologische Entwurfs- und Fertigungsmethoden keineswegs ausschließen, sondern sich sogar gegenseitig befeuern können. Die Skulptur besteht aus fünf amorphen Holztrögen die von insgesamt acht Stahlsäulen getragen werden und soll als vertikaler städtischer Garten verschiedenen Pflanzen und Tieren einen neuen Lebensraum bieten.

Interaktiv entwerfen mit maschinellem Lernmodell

Im Rahmen des Projekts entstanden vier Kerninnovationen, allen voran ein maschinelles Lernmodell für den Entwurf, das in Zusammenarbeit mit dem Swiss Data Science Center entwickelt worden ist. Der sogenannte Autoencoder – ein künstliches Neuronales Netz – wurde so trainiert, dass er sowohl die Form und die räumliche Anordnung der Schalen als auch die daraus resultierende Leistung in Bezug auf Sonnen- und Regenschutz sowie bepflanzbare Fläche abbildet. Damit besteht eine freie und intuitive Methode der Entwurfsexploration, mit der die Beteiligten neue und unerwartete Geometrien entwerfen können, ohne diese anschließend manuell auf die erforderlichen technischen Zielgrößen hin anpassen zu müssen.

In Zusammenarbeit mit dem Computational Robotics Lab der ETH Zürich entstand zudem ein interaktives Designtool, das in eine gängige 3D-Modellierungssoftware integriert wurde und es erlaubt, mehrere Kriterien parallel zu optimieren. Im Falle von Semiramis konnte die komplexe Geometrie der facettierten Holzschalen nach Belieben geändert werden; die Software sorgte währenddessen bei jeder Änderung dafür, dass die einzelnen Holzplatten eben bleiben, ihre Größe einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet und zugleich die strukturelle Tragfähigkeit verbessert wird.

Kollaborative Roboterfertigung

Auch für Fertigung und Montage nutzten die Forschenden digitale Methoden. Die Fertigung erfolgte mithilfe von vier Roboterarmen, die sich auf einem an der Decke montierten Portalsystem aus zwei linearen Achsen im rechten Winkel befinden. Die Arme können sich auf ihrer jeweiligen Achse hin und her bewegen und so die Holzplatten präzise an vordefinierte Zielpositionen bringen. Ein Algorithmus berechnet dabei die Bewegungen der Roboter so, dass es zu keinen Kollisionen kommt.

Diesen Multi-Roboter-Montageprozess entwickelte man am Robotic Fabrication Laboratory der ETH Zürich in Zusammenarbeit mit Intrinsic, dem Roboter-Softwareunternehmen von Alphabet. Der Prozess ist kollaborativ: Während die Roboter das schwere Heben und präzise Positionieren der Platten übernehmen, ist der Mensch für die Aufgaben verantwortlich, die viel Geschick erfordern, wie beispielsweise das Verleimen der Platten. Für die Erhaltung der Baustandards bei der Umsetzung zog man das Generalunternehmen Erne hinzu.

Die fertige Skulptur markiert seit diesem Jahr den Eingang des neuen Tech Clusters in Zug. Mit integrierten Strom- und Wasserinstallationen versorgt sich der Garten selbst und soll auch explizit nicht von Menschen betreten werden. Die Natur soll hier komplett ungestört wachsen – ohne jegliche Steuerung oder Beeinflussung von außen.

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