Nutzungsorientierter konzeptueller Gebäudeentwurf : Modellierungsmethode und Realisierungsansatz

Frank, Matthias Klaus; Russell, Peter (Thesis advisor); Stapenhorst, Carolin Christin (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Der konzeptuelle Gebäudeentwurf führt zu Festlegungen für das Gebäude und seine Nutzung. In dieser frühen Phase getroffene Entwurfsentscheidungen legen die Nutzungsmöglichkeiten des Gebäudes fest. Diese bestimmen seine Nutz­barkeit. Die Nutzbarkeit kann definiert werden als die durch das Gebäude erfüllte Unterstützung angeforderter Nutzungsprozesse, die aus einer Folge von Nut­zun­gen von Funktionen und Bewegungen im umbauten Raum hin zu Funktionsangeboten bestehen. Die Nutzungsprozesse werden als Nutzungsfälle oder -szenarien meist textuell und auf Basis von Bauentwurfs­standards beschrie­ben. Die Anforderungen werden vom Architekten in einen Entwurf überführt. Eine formale Überprüfung von Nutzungs­anfor­derungen ist gegenwärtig auf spezielle Nutzungsfälle wie Fluchtweg­pla­nung oder Barrierefreiheit fokussiert und setzt ein Building Information Modeling (BIM) oder andere spezielle Ent­wurfsdaten­erfassungen voraus. Individuelle und Nutzerrollen-orien­tierte Nutzungsfälle für einen indi­viduellen Gebäude­entwurf werden allenfalls im BIM-Modell auf Basis von Erfah­rungs­werten des Architekten durchgespielt, werden aber nicht durch­gängig formalisiert erfasst und können auch nicht computer­ge­stützt simuliert werden. Die Berücksichtigung der Anforderungen an die Nutzung eines Gebäudes - oder abstrakter eines Raumzusammenhangs - wird in dieser Arbeit als Gebäudenutzungsorientierung verstan­den. Die Nutzungs­orientierung im Gebäudeentwurf ist der Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Überlegungen, wie die Begriffe zur Nutzungs­orien­tie­rung formal gefasst werden können, so dass auf dieser Basis eine Modellbildung erfolgen kann, die durch ein computergestütztes, modell­basiertes, methodisches Vorgehen relevante Verwendungen im Gebäudeentwurf ermöglicht, führen zu der Idee, eta­blier­te Methoden zu betrachten, die insbesondere die Model­lierung eines weiten Spektrums der realen Welt, ihrer Dinge und Abläufe gestatten: Die Informatik bietet genau diese Grundlagen für die Modellierung und ein methodisches Vorgehen. In einem interdisziplinären Diskurs, der die Problemstellung der Architektur, also der Unterstützung des nutzungs­orien­tier­ten konzeptuellen Gebäudeentwurfs, mit dem Lösungsfundus der Informatik hinsichtlich der Modellierungs­methodik ver­bin­det, wird eine methodische Modellierungsbasis für die herausgearbeiteten Anfor­de­rungen der gege­benen Pro­blem­stellung selektiert und ein Metamodell für den nutzungsorientierten konzeptuellen Gebäudeentwurf entwickelt sowie ein Realisierungs­ansatz vorgeschlagen, der mit BIM kombinierbar ist. Die methodische Vorgehens­weise für Verwendungen im Entwurf ist Bestandteil der Modellierungsmethode. Zwei Verwendungen stehen im Vordergrund dieser Arbeit: die Unter­stüt­zung des Ent­wurfs von Individual- und Spezialbauten und die Unterstützung der Bestands­prüfung und Diagnose eines gegebenen Gebäu­des. In beiden Verwendungen bilden bestehende Anforderungen an die Nutzung den Aus­gangs­punkt für eine Lösung der gestellten Aufgaben. +++ Ergebnisse: Im Rahmen des Diskurses über den funktionalisierten Raum und Nutzer ist die Einführung des Begriffs des nut­zungs­orientierten konzeptuellen Gebäudeentwurfs ein neuer Schritt zu einer Vervoll­ständigung des Verständ­nis­ses über die Modellbildung von Gebäuden und ihrer Nutzung. Die formale Modellbildung zu den Unterbegriffen Gebäudenutzung, Gebäudetopologie, Nutzung und Nutzungsfall beschreibt eindeutig diese Begrif­fe. Die Verwendungen im Entwurf von Individual- und Spezial­bau­ten sowie in der Diagnose zur Bestands­prüfung aufgrund formal spezifi­zierter Nutzungs­anforderungen in Form von Nutzungs­fällen werden unterstützt durch das methodische Vorgehen auf Basis von Modellen für die Gebäudenutzung, Gebäudetopologie und Nutzungsfälle, die aufgrund von Meta­modellen aus Referenznetzen ge­bildet sind. Referenznetze sind Petrinetze. Der theoretische Beitrag für die Architektur­informatik liegt in der formal basierten Defini­tion der Begriffe der Gebäude­nutzung, Gebäudetopologie, Nutzung und des Nutzungsfalls, sowie der Unterstützung durch die Metamodelle und das metho­dische Vorgehen auf Basis des gewähl­ten Realisierungs­ansatzes mit Referenznetzen. Für die Wahl einer Modellierungsbasis liegt die Verwendung von BIM mit den Industry Foundation Classes (IFC) im aktuellen Diskurs der Architektur­informatik nahe. Der erforderliche Modellierungsgegenstand der Gebäudenutzung mit ihrer inhärenten Dynamik ist mit Petrinetzen besser abzubilden, wie die Untersuchung der allgemeineren Unified Modeling Language (UML) zeigt. Es wird gezeigt, dass Integrationsmöglichkeiten zwischen BIM-Mo­dellen auf Basis der IFC und den hier definierten Modellen bestehen, die in Integrationswerkzeugen implemen­tiert werden können. Insofern ist die Arbeit auch ein Beitrag zum Diskurs über die Erwei­terung von BIM um den Aspekt der Nutzungs­orientierung und einer entsprechenden Erweiterung der Modellierungsbasis. Die Überprüfung der Nutzbarkeit eines Gebäudes unter dem Begriff des Model Checking ist in der Historie vielfach diskutiert und realisiert worden. Hierbei wird ein Modell des Gebäudes oder eine spezielle Abbildung des interes­sieren­den Wirklich­keits­ausschnitts gebildet. Die Anwendungs­bereiche sind speziell. Die vorgestellte Modellierungsmethode bietet erstmalig die Möglichkeit, allge­meine Nutzungsanforderungen als Nutzungsfälle mit Nutzungsabläufen formal in graphischer Form zu spezifizieren und die Gebäudenutzung durch Simulation zu prüfen. Sie stellt damit einen bezüglich der Modellbasis neuen Beitrag zur Theorie und bezüglich der Werkzeugunterstützung des methodischen Vorgehens einen neuen Beitrag zur Praxis der Architekturinformatik dar.