Fachwissen: Nachhaltiges Entwerfen - Strategien und Werkzeuge in der internationalen Praxis
Nachhaltiges Entwerfen: Strategien und Werkzeuge in der internationalen Praxis Unter dem Paradigma der Nachhaltigkeit verändern sich derzeit nicht nur die Anforderungen an Gebäude, sondern auch die Arbeitsstrukturen in Architekturbüros. In international operierenden Großbüros haben sich Spezialistenteams gebildet, die sich mit Aspekten wie Energieeffizienz, den Lebenszyklen von Gebäuden oder der Entwicklung ressourcenschonender Konstruktionsmethoden befassen (Abb. 1). Insbesondere neue Simulationssoftware erweist sich dabei als Katalysator des Wandels: Sie beeinflusst Entwurfsprozesse und ermöglicht neue Arten der Zusammenarbeit mit externen Beratern und Forschungseinrichtungen. Der folgende Beitrag erläutert - basierend auf Interviews mit den Spezialisten führender Architekturbüros - die Auswirkungen des Wandels auf Teamstrukturen, Entwurfsprozesse und Softwarenutzung in den Büros. Die Spezialistenteams Die Nachhaltigkeitsteams, die in den vergangenen Jahren in vielen größeren Architekturbüros entstanden sind, bestehen in der Regel aus Architekten und Ingenieuren, wobei Letztere oftmals aus einer Vielzahl von Fachdisziplinen stammen: Bei der Specialist Modelling Group (SMG) von Foster + Partners etwa arbeiten neben Architekten auch Maschinenbau- und Flugzeugingenieure, Bauphysiker, Akustiker sowie Materialwissenschaftler. Das interdisziplinäre Forschungsteam bei KieranTimberlake umfasst unter anderem Umweltwissenschaftler, Stadtökologen, Infrastrukturexperten, Raumplaner, Chemiker, Physiker, Elektroingenieure sowie Marketingexperten. Entscheidend für den Erfolg ist in jedem Fall die Fähigkeit der Teammitglieder, über die eigene Fachdisziplin hinauszudenken und so gemeinsam mit anderen zu ganzheitlichen Lösungen zu gelangen (Abb. Spezialistenteams für nachhaltiges Entwerfen gibt es inzwischen sowohl in »klassischen« Architekturbüros als auch in großen Planungsbüros, die Architektur- und Ingenieurleistungen erbringen (z.bei Aedas, SOM und Stantec). In Letzteren haben die Nachhaltigkeitsteams oft die Aufgabe, »Brücken« zu bauen zwischen den Denkweisen der Architekten und Ingenieure. Auf jeden Fall gehört die Beherrschung rechnergestützter Simulationswerkzeuge zu ihren Kernkompetenzen. Zu Beginn des Entwurfsprozesses definieren die Spezialisten gemeinsam mit den Entwurfsteams die wesentlichen Nachhaltigkeitsziele für ein Projekt sowie die Strategien, mit denen diese zu erreichen sind. Durch ihre Mitarbeit an einer Vielzahl von Projekten bauen die Spezialistenteams im Laufe der Zeit Wissen auf, das sie nicht nur ihren Kollegen, sondern bei Konferenzen sowie in Zeitschriften- und Buchveröffentlichungen auch an die Öffentlichkeit weitergeben. Beispiele sind der von Adrian Smith + Gordon Gill Architecture entwickelte »Chicago Central Area Decarbonisation Plan«, die Studie »What about daylight?« [1] von Henning Larsen Architects sowie das Buch »Design Energy Simulation for Architects« von Kjell Anderson (LMN Architects). Büroübergreifende Forschungskooperationen Neben ihrer bürointernen Brückenfunktion wirken die Nachhaltigkeitsteams auch als Bindeglied zwischen Forschung und Praxis, indem sie neue Technologien, Entwurfs- und Simulationsmethoden an realen Projekten erproben. Oft sind sie dabei auch an Forschungsprojekten beteiligt, die mit öffentlichen Mitteln oder Geldern aus der Industrie finanziert werden. Foster + Partners etwa ist Mitglied eines von der European Space Agency (ESA) initiierten Konsortiums, das den Bau menschlicher Behausungen auf dem Mond mithilfe von 3-D-Druckern erforschen soll. [2] GXN, das Forschungsteam von 3XN, hat von der dänischen Energieagentur Mittel erhalten, um gemeinsam mit dem Hersteller PhotoSolar mikroperforierte Verschattungslamellen zur Integration in Isoliergläser zu entwickeln. [3] Die Zusammenarbeit von SOM mit dem Rensselaer Polytechnic Institute, einer Hochschule in den USA, zur Gründung des Center for Architecture, Science and Ecology (CASE), der Zukunftstechnologien für energetisch selbstversorgende Gebäude und Stadtquartiere entwickelt (Abb. 2) [4]. Im Rahmen der Zusammenarbeit profitiert SOM von dem Grundlagenwissen der Forscher, das weit über die üblichen, eher anwendungsbezogenen Kenntnisse von Architekten und Ingenieuren hinausgeht. Weitere Kooperationsprojekte zwischen Architekten und Fachplanern haben zur Entwicklung neuer Software für die Planung geführt. Ein Beispiel ist das »Tall Building Simulation Model« von Aedas, HilsonMoran und Arup [5]. Es gibt schon in frühen Entwurfsstadien Aufschluss darüber, wie sich Entscheidungen über Gebäudeform, Grundrisszonierung und andere Eigenschaften von Hochhäusern auf deren Bau- und Lebenszykluskosten sowie die Umwelt auswirken werden. Der begrenzte Einfluss der Gebäudezertifizierung Zweifellos haben Zertifizierungssysteme wie LEED, DGNB und BREEAM in den vergangenen Jahren das Interesse von Bauherren am nachhaltigen Bauen stimuliert. Sie haben jedoch kaum einen Einfluss auf die Arbeitsweise der Entwurfsteams in den frühen Entwurfsphasen. Generell überwiegt bei den Nachhaltigkeitsspezialisten die Meinung, dass Zertifizierungssysteme nur ein unvollständiges Bild der Umweltwirkungen von Gebäuden wiedergeben, zu eher konventionellen Entwurfslösungen führen und tendenziell Innovation und Kreativität blockieren. Henning Larsen Architects zum Beispiel betonen in ihrem Buch »Design with Knowledge«[6], dass sich mehr Energieeffizienz durch einfache Optimierungen der Gebäudegeometrie oft viel kostengünstiger erreichen lässt als durch aufwendige Verbesserungen der Gebäudetechnik oder die Nutzung erneuerbarer Energien, die bei vielen Zertifizierungssystemen im Vordergrund steht. Auch die Anforderungen der Zertifizierungssysteme an das Tageslicht halten viele der Befragten für zu undifferenziert. Bei LEED zum Beispiel gilt ein pauschales Mindestkriterium für die Tageslichtversorgung in allen Räumen eines Gebäudes. Sinnvoller wäre es, so die Experten, individuelle Anforderungen pro Raum je nach dessen Nutzung festzulegen. Die Spezialisten haben ihre eigenen Vorstellungen von Nachhaltigkeit und entwickeln daher eigene, projektspezifische Nachhaltigkeitsziele und Werkzeuge für die Entwürfe, die sie bearbeiten. Bei HOK zum Beispiel spielt die Orientierung an Mustern und Wirkprinzipien aus der Natur eine wichtige Rolle. In dem Buch »Genius of Biome« [7] hat das Büro einige dieser Phänomene näher untersucht und daraus Kriterien für die eigene Arbeit abgeleitet. Die »Green Design Strategy« von GXN hingegen fokussiert vorwiegend auf innovative Materialien. In puncto Energieverbrauch hat z. Aedas eigene Indikatoren entwickelt, die den absoluten Energieverbrauch in Gebäuden anzeigen und nicht wie das LEED-System prozentuale Verbesserungen gegenüber einem fiktiven Referenzgebäude nach dem amerikanischen ASHRAE-90.1-Standard. Die Gebäude-Performance in Echtzeit visualisieren Ein funktionierender bürointerner Wissenstransfer zwischen den Spezialisten und Entwerfern ist grundlegend für den Erfolg eines Büros. Dabei kommt es sowohl auf Verständlichkeit als auch auf Geschwindigkeit an: Das Risiko besteht, dass die Spezialisten ihre Ergebnisse in einer zu abstrakten Form kommunizieren oder zu einem Zeitpunkt, wenn das Entwurfsteam wichtige Entscheidungen schon getroffen hat. Da die durchschnittlichen Bearbeitungszeiten bei Entwürfen immer kürzer werden, investieren viele Büros in die Entwicklung effizienterer Arbeitsabläufe. Dazu zählen einerseits neue Techniken für die Dateneingabe in Simulationsprogramme und andererseits die intuitiv verständliche Visualisierung von Simulationsergebnissen. Büros wie Aedas und LMN Architects nutzen Cloud Computing und genetische Optimierungsalgorithmen, um Tausende von Simulationen in kürzester Zeit durchführen zu können. Die Specialist Modelling Group von Foster + Partners projiziert z. Ergebnisse von Simulationen auf physische Modelle des gleichen Entwurfs, damit Bauherren bei Präsentationen intuitiv die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Entwurfsalternativen einschätzen können (Abb. Das Büro Adrian Smith + Gordon Gill Architecture arbeitet an einem kombinierten Software- und Hardwaretool, bei dem physische Entwurfsmodelle dreidimensional eingescannt und direkt mithilfe von Simulationsprogrammen überprüft werden können. Zusammenarbeit zwischen Spezialisten und Entwerfern Abhängig von der Bürostruktur, der Art des Projekts und der Entwurfsphase lassen sich drei grundlegende Kooperationsmodelle zwischen Spezialisten und Entwerfern unterscheiden. In der Praxis kommen diese selten in Reinform vor, sondern werden meist miteinander kombiniert. Dabei obliegt es den Spezialistenteams, ihre entwerfenden Kollegen über die projektspezifisch am besten geeignete Strategie zu beraten. Diese Herangehensweise ist typisch für kombinierte Architektur- und Ingenieurbüros. Bei SOM und Stantec skizzieren die Entwurfsteams ein Spektrum unterschiedlicher Lösungsmöglichkeiten auf, bevor irgendwelche Simulationsprogramme zum Einsatz kommen. Die Spezialistenteams unterstützen die Entwerfer dabei, Nachhaltigkeitskriterien und damit verbundene grundsätzliche Entwurfsstrategien für ihre Projekte festzulegen. Sie erläutern den Entwerfern, wie sich Veränderungen in der Gebäudeform, dem Verglasungsanteil, der Grundrisszonierung und Gebäudenutzung tendenziell auf den Energieverbrauch auswirken, und identifizieren Entwurfsparameter, die zu Problemen führen könnten. Die Gestaltung der Gebäude bleibt bei dieser Herangehensweise Domäne der Entwerfer. Simulationssoftware kommt erst relativ spät zum Einsatz, um die »Nachhaltigkeitsmeriten« unterschiedlicher, schon recht weit ausgearbeiteter Entwurfsoptionen miteinander zu vergleichen. Szenarienbasiertes Entwerfen. Bei dieser Arbeitsweise, die von der Mehrzahl der befragten Architekturbüros angewandt wird, arbeiten die Entwerfer und das Spezialistenteam Seite an Seite. Simulationsprogramme werden während des gesamten Planungsprozesses genutzt, um unterschiedliche Entwurfsoptionen zu überprüfen. Die kontinuierliche, interaktive Evaluierung der Entwurfsideen fordert die Entwerfer dazu heraus, so lange zu experimentieren, bis eine ausgereifte Lösung gefunden ist. Der Entwurf wird - anders als beim parametrischen Entwerfen - nicht vom Rechner auf seine Leistungsfähigkeit hin optimiert. Solange der Architekt jedoch bereit ist, seinen Entwurf gemäß der Simulationsergebnisse zu modifizieren, lassen sich mit dieser Arbeitsweise energetisch hoch leistungsfähige Gebäude realisieren. Formfindung. Diese Arbeitsmethode fasst allmählich in Architekturbüros wie Foster + Partners, Mario Cucinella Architects und KieranTimberlake Fuß. Dabei generieren von den Entwerfern programmierte, parametrische Softwaretools automatisch Gebäudeformen, die vorgegebene Leistungsparameter (etwa in puncto Energieverbrauch oder Tageslicht) erfüllen. Die Spezialistenteams und das parametrische Entwerfen Immer öfter verwenden die Architekturbüros parametrische Software zur gezielten Optimierung der Gebäude-Performance. Oft handelt es sich dabei um Open-Source-Software, die sich an projektspezifische Anforderungen anpassen lässt. Die Programme erlauben es, das gleiche virtuelle Gebäudemodell sowohl für den Entwurf als auch für die Überprüfung mittels Simulationen zu verwenden; der Im- und Export zwischen unterschiedlichen Softwarelösungen entfällt. Unterschiedliche Plug-ins für Grasshopper, die am weitesten verbreitete parametrische Entwurfssoftware, erlauben die Generierung von Gebäudeformen abhängig von so unterschiedlichen Einflussgrößen wie Tageslichteinfall, Windrichtung und -geschwindigkeit sowie der solaren Strahlungsintensität. Nicht selten programmieren die Spezialisten in den Architekturbüros diese Plug-ins selbst und stellen sie dann einer breiten Öffentlichkeit zur Verfügung. Zwei Beispiele sind Ladybug und Honeybee, die beide von dem Softwarespezialisten Mostapha Roudsari (Thornton Tomasetti, früher Adrian Smith + Gordon Gill Architecture) stammen. Interoperabilität bei Softwarelösungen: noch immer Mangelware BIM (Building Information Modelling) fußt auf der Idee digitaler, mit Daten angereicherter Gebäudemodelle, die den nahtlosen Datenaustausch zwischen Softwarelösungen vom Vorentwurf bis zum Gebäudebetrieb ermöglichen sollen. In der Praxis zeigt sich, dass die großen (General-)Planungsbüros in puncto Datenmanagement bereits über ausgereiftere Strategien verfügen als die reinen Architekturbüros. Grundsätzlich sind jedoch viele Nachhaltigkeitsspezialisten skeptisch, was den Einsatz von BIM in frühen Entwurfsstadien angeht. Ein wesentliches Argument ist der hohe Aufwand für die Dateneingabe, den diese Programme erfordern. Außerdem funktioniert der Datenaustausch zwischen Zeichen- und Simulationssoftware meist nicht reibungslos. Sehr oft müssen die Projektmitarbeiter in den Büros das Gebäudemodell für jedes Simulationstool neu erstellen. Doch auch hier entwickeln die betroffenen Büros aus Eigeninitiative Lösungen, die die von den Softwareherstellern gelassenen Funktionslücken füllen. Um den Datenaustausch zu erleichtern, haben Foster + Partners sowie Stantec bürointern standardisierte BIM-Workflows und -Datenformate entwickelt. LMN haben gemeinsam mit Arup ein Tool programmiert, um Verglasungsflächen zwischen Gebäudemodellen in unterschiedlichen Softwarepaketen zu im- und exportieren. Auswertung realisierter Gebäude In späteren Entwurfsstadien sowie beim Bau und Betrieb eines Gebäudes übernehmen oft Fachingenieure die Regie, sodass die Nachhaltigkeitsspezialisten in den Architekturbüros nur selten Kenntnisse über den realen Energieverbrauch im Gebäude haben. Daher führen einzelne Büros wie KieranTimberlake, Foster + Partners, LMN Architects und Aedas inzwischen eigene Messungen in realisierten Gebäuden durch und hoffen, daraus für künftige Entwürfe lernen zu können (Abb. Bei Stantec sieht man vor allem die gute Zusammenarbeit mit den Gebäudebetreibern und -nutzern als Erfolgsvoraussetzung: Nur mit einer kontinuierlichen Überwachung der Gebäude und gemeinsamen Feinjustierung der Anlagentechnik lassen sich ambitionierte Energieziele auch in der Praxis erreichen. Für mehr Transparenz in diesem Bereich hat insbesondere Aedas mit der Internetplattform »CarbonBuzz« gesorgt [9]. Auf der vom Royal Institute of British Architects (RIBA) und dem britischen Ingenieursverband CIBSE unterstützten Website veröffentlichen Architekten und Bauherren freiwilig sowohl die in der Planung errechneten Energiebedarfswerte als auch die real erreichten Energieverbräuche ihrer Gebäude. Bislang hat CarbonBuzz gezeigt, dass der reale Verbrauch oft um ein Mehrfaches über den Rechenwerten aus der Planung liegt. Die Gründe sind vielfältig; sie reichen von unrealistischen Annahmen in den (vom Gesetzgeber vorgeschriebenen) Rechenmethoden bis zu Fehlern bei der Ausführung und dem Gebäudebetrieb. Bei Aedas selbst hat man daraufhin mit der Entwicklung neuer Softwaretools begonnen, die bereits in der Planungsphase eine realistischere Einschätzung des späteren Energieverbrauchs ermöglichen. Ein neuer Arbeitsschwerpunkt: Umweltwirkungen von Materialien Noch befassen sich die Spezialistenteams hauptsächlich damit, den Energieverbrauch für den Gebäudebetrieb zu minimieren. Nur wenige von ihnen sind in der Lage, auch die Umweltwirkungen von Baumaterialien und Gebäudekonstruktionen zu bewerten. Die meisten Interviewpartner prognostizieren jedoch, dass sich die Ökobilanzierung bald zu einem alltäglichen Bestandteil der Gebäudebewertung entwickeln wird. Das hat zum Teil mit den Anforderungen der Zertifizierungssysteme zu tun. Beispielsweise fordert das DGNB-System seit seiner Markteinführung 2008 eine Ökobilanz für jedes zu zertifizierende Gebäude. Auch bei LEED gehört eine solche Untersuchung seit der neuesten Version 4 zum Standardumfang der Gebäudedokumentation. BREEAM hingegen nutzt mit dem „Green Guide to Specification" eine stark vereinfachte Methode, um die Umweltwirkungen von Gebäudekonstruktionen zu bewerten. Im Moment gehören solche Berechnungen aber auch bei Großbüros noch keineswegs zu den Standardleistungen, und nur selten nutzen die bürointernen Nachhaltigkeitsteams selbst einfache, überschlägige Berechnungsmethoden, um ökologisch vorteilhafte Materialien auszuwählen. Auf dem Markt sind zwar schon länger diverse Ökobilanzierungs-Tools erhältlich; diese sind aber oft wenig architekturspezifisch und weisen Schnittstellenprobleme mit anderer Planungssoftware auf. Mehrere Planungsbüros arbeiten daher an eigenen Lösungen: Aedas entwickelt derzeit eine hausinterne Analysemethode, um für künftige Gebäude den Gehalt an Recyclingmaterialien, die Wiederverwendbarkeit von Materialien, den Gehalt an flüchtigen Kohlenwasserstoffen (VOC) und andere materialbezogene Umweltaspekte bewerten zu können. Das Forschungsteam von KieranTimberlake hat mit »Tally« [10] ein BIM-kompatibles Softwaretool entwickelt, das das Treibhauspotenzial sowie weitere Emissionen berechnet, die bei der Erstellung von Gebäuden entstehen. Auf die CO2-Emissionen in der Gebäudekonstruktion fokussiert auch das »Environmental Analysis Tool«, das SOM als Freeware-Programm entwickelt hat [11]. Die Rechenalgorithmen der Software bauen auf den Auswertungen Hunderter bereits realisierter Gebäude des Großbüros auf. Was lässt sich von den Großbüros lernen? Im Mittelpunkt dieses Beitrags standen international operierende Großbüros, die bereits früh die Chancen und Herausforderungen nachhaltigen Entwerfens erkannt und ihre Teamstrukturen und Arbeitsmethoden entsprechend umgestellt haben. Nun ließe sich einwenden, dass den Büros eine solche Anpassung nur aufgrund ihrer Größe, ihrer gut funktionierenden Expertennetzwerke und ihrer guten Finanzausstattung möglich gewesen sei. Andererseits zeigt das Beispiel kleinerer und mittelgroßer Büros wie Mario Cucinella Architects oder 3XN, dass die hier beschriebenen Strategien und Softwaretools keine Domäne der großen Firmen sind. Der Anpassungsdruck und der latente Zwang, sich mit neuen Entwurfsthemen auseinanderzusetzen, betreffen heute jedes Architekturbüro. Demgegenüber stehen positive Entwicklungen bei den Rechnerkapazitäten und bei der Bedienbarkeit der Software, sodass viele Simulationswerkzeuge heute eine realistische Option auch für durchschnittliche Architekturbüros sind. Während die Bildung von Spezialistenteams zweifellos die Arbeitsabläufe in den betroffenen Architekturbüros verändert hat, könnte ihr Einfluss noch größer sein, wenn es mehr büroübergreifende Zusammenarbeit gäbe. Oft wissen die Teams nicht, woran ihre Kollegen aus anderen Büros arbeiten, und in manchen Fällen arbeiten mehrere Teams parallel an der Entwicklung sehr ähnlicher, sich thematisch überlappender Softwarelösungen. Um die Verbreitung dieser Planungswerkzeuge und -methoden zu unterstützen, hat das Büro SOM gemeinsam mit dem dem Beratungsbüro Case, Inc. die Onlinebibliothek AEC-APPS entwickelt [12]. Sie enthält eine breite Auswahl an Planungswerkzeugen von einzelnen Programmcode-»Schnipseln« bis zu kompletten Softwarepaketen und macht diese auch für die Mitarbeiter kleinerer Architekturbüros sowie für Forschungsinstitute und Studenten verfügbar.
