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Virtual Architecture

Immersive Gebäudeplanung für das Bauen der Zukunft

In der Luft- und Raumfahrt und im Automobilbau werden Bauteile und Systeme in der virtuellen Realität geplant und optimiert. In der Baubranche findet diese nützliche Technik auf der Basis komplexer digitaler 3D-Modelle kaum Anwendung. Um dies zu ändern, forscht das Fraunhofer IAO verstärkt an innovativen Anwendungen für den Baubereich.

Lange bevor das erste Blech gebogen wird, können heute Entwickler und Konstrukteure ihre Entwürfe bereits auf Herz und Nieren testen. Alles, was sie dazu brauchen, ist die virtuelle Realität. In dieser können sie Autos Probe fahren und Produktionsanlagen fein justieren - ohne auch nur einen einzigen Prototyp zuvor bauen zu müssen. Denn neben Fragen des Designs lassen sich auch Produktionstechnik und -organisation virtuell planen, simulieren, optimieren und schließlich von prüfenden Augen abnehmen. Die Folge sind verkürzte Entwicklungszeiten, beträchtliche Kosteneinsparpotenziale und optimierte Prozessabläufe. Durch den Einsatz von Methoden und Werkzeugen des Virtuellen Engineering ist diese unternehmerische Vision in zahlreichen Industriezweigen bereits seit Jahren Realität.

Die Bauwirtschaft, einer der größten Wirtschaftszweige in Deutschland, bildet hier eine Ausnahme. Von zukunftsweisenden informationstechnologischen Entwicklungen der letzten Jahre konnte die Branche bislang kaum profitieren und steht somit noch immer am Anfang der digitalen Umwälzung. Dabei ist der Bedarf groß, wird dem Bausektor derzeit doch einiges abverlangt.

Eine Branche im Wandel - Herausforderungen für das Bauen der Zukunft

Die Werkzeuge, derer sich die Architekturplanung derzeit bedient, sind größtenteils 2D-CAD-Programme und selbst heute nur in wenigen Fällen vollständig 3D-basiert. Zur Visualisierung räumlicher Fragestellungen kommen in der Regel nach wie vor physikalische Nachbauten, also Modelle zum Einsatz. Immersive Technologien, bei denen der Anwender in ein Modell eintauchen und es mit seinen eigenen Sinnen erfahren kann, werden höchstens zur finalen Präsentation der Planungsergebnisse genutzt. Problematisch ist dies in zweierlei Hinsicht: Zum einen birgt der Austausch von Planungsdaten zwischen den eingesetzten Planungswerkzeugen der verschiedenen Gewerke aufgrund der unterschiedlichen Dateiformate ein hohes Risiko für Informationsverlust. Zum anderen fehlt auch den Planern selbst oft eine gemeinsame Planungsbasis. Denn auch die "Sprache" der am Bau Beteiligten (Architekten, Fachplaner, Nutzer) ist derart individuell und aufgabenspezifisch, dass Kommunikationsprobleme, Missverständnisse und schließlich auch Planungsfehler die Folge sein können.

Virtuelle Planung in der Architektur

Bei gängigen 2D-Planungswerkzeugen werden die ein Objekt beschreibenden Informationen abstrahiert und mengenmäßig reduziert. Die Darstellung ist also eine stark vereinfachte. Insbesondere räumliche Fragestellungen müssen mit vergleichsweise hohem Aufwand an physikalischen Arbeitsmodellen untersucht werden. Mit dem Medium Virtual Reality (VR), das am Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation explizit in gemeinsamen Projekten mit Unternehmen aus der Baubranche beforscht wird, können im Unterschied zu herkömmlichen Planungs- und Kommunikationsmedien Objekte maßstäblich und räumlich dargestellt werden. Zudem ist eine Echtzeitinteraktion zwischen Anwender und Modell möglich - der Betrachter kann sich frei in dem Modell bewegen und seine Perspektive selbst wählen. Dadurch wird ein hoher Grad an Immersion ermöglicht - der User hat das Gefühl, vollkommen in die virtuelle Welt eingebunden zu sein.

Klassische VR-Visualisierungen sind somit der Ausgangspunkt für den methodischen Ansatz der Virtuellen Architektur, der die Entwicklung spezifischer VR-Anwendungsbereiche für das Bauen der Zukunft ganzheitlich beschreibt. Durch VR wird der wahrnehmbare Raum als universelle, gemeinsame Planungssprache über die üblichen physikalischen Modelle hinaus interaktiv neu erschlossen. Wenn von Anfang an in 3D geplant wird und ein Prozess zur Überführung der 3D-Planungsdaten in echtzeitfähige Daten erst einmal aufgesetzt ist, stehen zu jeder Phase der Planung aktuelle räumliche Modelle zur Verfügung. Durch die nachhaltige Verbesserung der Qualität der Planung kann trotz eines äußerst komplexen Vorhabens eine sehr hohe Planungssicherheit erzielt werden.

Neben der reinen Visualisierung und der Navigation als Möglichkeit der Interaktion bietet Virtuelle Architektur jedoch noch viele weitere, für das Bauen bisher unerschlossene Potenziale. Diese bestehen etwa darin, durch maßgeschneiderte Planungswerkzeuge ein digitales Gebäudemodell noch effizienter als Besprechungs- und Planungsmedium nutzen zu können.

Das Forschungsgebiet "Virtual Environments" am Fraunhofer IAO

Virtuelle Umgebungen helfen uns, besser und schneller zu verstehen und zu kommunizieren. Sie machen die virtuelle Wirklichkeit im Computer erlebbar und erlauben Interaktionen mit der virtuellen Realität auf eine natürliche und intuitive Weise. Einige Anwendungsfälle und Visionen dabei können sein:

- Die Geschäftsleitung besichtigt zusammen mit dem Architekten das neue Bürohochhaus lange vor dem ersten Spatenstich und trifft fundierte Entscheidungen für den Bau.
- Fahrzeugkonstrukteure testen die neuen Modelle in der virtuellen Realität, ehe Prototypen gebaut werden, und sparen dabei Entwicklungskosten.
- Konstrukteure und Fertigungstechniker minimieren beim gemeinsamen Ortstermin in der "digitalen Fabrik" ihre Kommunikationsprobleme.
- Herr und Frau Krüger probieren ihre neue Küche erst einmal gemeinsam mit ihrer Küchenplanerin aus, ehe sie den Auftrag unterschreiben.
- Und Schüler erleben die mittelalterliche Stadt im VR-Raum der Schule auch aus der Anschauung und nicht mehr nur aus dem Lehrbuch.

Das interdisziplinäre Team des Competence Center Virtual Environments am Fraunhofer IAO erforscht und entwickelt Hardware und Software für solche und andere Anwendungen von der Konzeption bis zum schlüsselfertigen System.

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