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1 18502_ 46-51_Fritz :38 Uhr Seite 46 BAUEN MIT COMPUTERN 1 Digitale Technologien in der Vorfabrikation Als eine Folge der digitalen Revolution haben oberflächlich individualisierte Massenprodukte auf dem Markt Einzug gehalten vom Turnschuh zum Fertighaus ist alles zu haben. Grundsätzliche Fragen stellen sich für die Elementbauweise: Wenn die Architektur nicht mehr als Zeichnung, sondern als Programm entworfen wird, ist es dank computergesteuerter Maschinen nicht mehr kostenrelevant, ob Standardoder Sonderteile hergestellt werden. Das Verhältnis von Regel und Ausnahme kann und muss neu definiert werden. Text: Oliver Fritz Seit Beginn des 20. Jahrhunderts experimentieren Architekten im Wohnungsbau mit industrieller Bauweise. Versuchssiedlungen wie Dessau-Törten von Walter Gropius sowie Konrad Wachsmanns und Jean Prouvés konstruktive Experimente lieferten die Grundlage für das heutige Verständnis von Vorfertigung im Bauwesen. Die daraus resultierenden Entwurfs- und Produktionsmethoden umfassen ein weites Spektrum: Es reicht vom Fertighaus uniform und von der Stange über hoch entwickelte Baukastensysteme bis zu Fassadenelementen, die in der Werkstatt vorgefertigt und grossflächig auf der Baustelle montiert werden. Diese Systeme unterscheiden sich grundlegend in ihrer Ausprägung, weisen jedoch auch gemeinsame 46 archithese

2 18502_ 46-51_Fritz :38 Uhr Seite 47 1 Beispiel eines individuell angepassten Massenprodukts: 500 Millionen Kombinationsmöglichkeiten eines Turnschuhs für 100 Euro Eigenschaften und Ziele auf: deutlich kürzere Baustellenzeiten, höhere Präzision, grössere Sicherheit, geringere Planungs- und Fertigungskosten. Während der klassische Fertighausbau als System sehr eingeschränkt ist und praktisch keine Anpassungen durch den Kunden oder den Architekten zulässt, zeichnen sich auch die viel flexibleren Baukastensysteme durch Regelmässigkeit und den Bezug auf ein Raster aus. Dagegen sind in der Werkstatt individuell vorgefertigte Bauelemente praktisch nicht an eine vorbestimmte Form und Konstruktion gebunden. Umgekehrt proportional zur Flexibilität der Bauweise verhält es sich meist mit den Baukosten: Die traditionellen und weniger flexiblen Planungs- und Fertigungsmethoden sind in der Regel die günstigeren. Eine Herausforderung für die Zukunft des industriellen Bauens stellt deshalb die Reaktionsmöglichkeit auf die individuellen Wünsche und Bedürfnisse der Auftraggeber und Nutzer dar. In der Industrie findet eine Orientierung zu individuell angepassten Massengütern statt. Wurde sie bisher nur bei kostenintensiven Produkten mit geringen Konfigurationsmöglichkeiten tatsächlich umgesetzt (Automobilindustrie), gibt es inzwischen auch Firmen, die kleine, preisgünstige Produkte auf individuelle Bedürfnisse anpassen. Diese Tendenz wird vor allem auch durch neue Zweige der Informationstechnologien, neue Kommunikationsformen wie das Internet und individualisierte Fertigungstechniken ermöglicht. Seit etwa zwei Jahren forscht die Professur für CAAD der ETH Zürich unter der Leitung von Ludger Hovestadt an der Integration aktueller Informationstechnologien in architektonische Entwurfs- und Produktionsvorgänge. Ziel dieser Forschung ist nicht die Entwicklung einer in formaler Hinsicht neuen Architektur oder die Definition von Stil- oder Formmerkmalen. Es geht vielmehr um die strukturelle Entwicklung von Gebäuden aus dem Kern heraus: Die Architektur wird nicht mehr zeichnerisch beschrieben, sondern programmiert und in einem Datensatz fixiert, der einem «Gencode» vergleichbar alle relevanten Gebäudeinformationen, jedoch keine vorgegebene Repräsentationsform beinhaltet. Dieser Datensatz kann von beliebigen Ausgabegeräten konfiguriert, dargestellt oder produziert werden: im Internet, auf dem Plotter oder direkt als Bauteil. Individuelle Wünsche Umfragen zufolge ist der durchschnittliche Mitteleuropäer im Allgemeinen bereit, für ein auf ihn zugeschnittenes Produkt mehr zu bezahlen: Mit solchen Zeichen von Individualität assoziiert man Wohlstand und die Möglichkeit, sich abzugrenzen. Dies gilt insbesondere beim Hausbau erhält doch nach Bürgermeinung das Fertighaus bei gleicher Qualität weniger Sozialprestige als das individuell geplante, obwohl sie sich häufig kaum voneinander unterscheiden. Als Grundlage für das «Haus von der Stange» wird die durchschnittliche Vorstellung eines Hauses genommen. Damit diese Normhäuser jedoch wieder individuelle Merkmale erhalten, kann sich der Bauherr unterschiedliche Accessoires in Form von Gauben und Erkern auswählen, die dann an sein Eigenheim «angeklebt» werden. Bei dieser Art von Tuning wird man unfreiwillig an die Auspuffblenden oder Spoiler sportlicher Autofahrer erinnert. Betrachtet man dagegen das Konsumverhalten in der Modebranche, zeigt sich ein diesem Anspruch zuwiderlaufendes Verhalten: Gerade etablierte und viel verkaufte Markenartikel ein prominentes Beispiel ist die Lewis 501 sprechen die Zielgruppe der selbst ernannten Individualisten an. Der wesentliche Unterschied zwischen der Wahl eines Kleidungsstückes und dem Bauen eines Hauses besteht nicht zuletzt darin, dass Architektur unsere Lebensumgebung längerfristig prägt als Bekleidung, einen Rahmen für die Beziehungen zu Nachbarschaften bietet und eine verhältnismässig grosse Investition mit einem entsprechenden Planungsaufwand darstellt. Mass customization Der Ausdruck mass customization wurde ursprünglich in der Bekleidungsindustrie verwendet und entwickelte sich aus den Begriffen mass production und customization. So wurde Ende der Achtzigerjahre nachgewiesen, dass sich ein individuell gestaltetes Hemd genauso schnell und kostengünstig herstellen und vertreiben lässt wie ein in Serie produziertes. Der Begriff wird als «kundenindividuelle Massenproduktion» übersetzt und wird zunehmend in unterschiedlichen Sparten verwendet. Mass customization beruht auf der Idee, mit überlegten Formen der Beteiligung den Kunden so zu unterstützen, dass er seine Bedürfnisse und Wünsche einbringen kann, ohne mit den Möglichkeiten der Auswahl überfordert zu sein. Das Ziel ist, die Waren zu einem ähnlichen Preis wie Standardgüter herzustellen. Dabei können Informationen, die der Kunde in diesen Konfigurationsprozess einbringt, sinnvoll für die Entwicklung weiterer Produkte verwendet werden. Über diese Rückkopplung entsteht eine neue Schnittstelle zwischen Kunde und Entwickler/Hersteller. Überträgt man diese Vorgehensweise auf die Architektur, fällt es erst einmal schwer, eine direkte Umsetzungsmöglichkeit zu erkennen handelt es sich gerade bei einem Haus um ein spezielles, an Ort und Nutzer angepasstes Produkt. Eines der wesentlichen Merkmale von Architektur ist ihre Komplexität. Will der Bauherr als architektonischer Laie ein Haus konfigurieren, so kann er im Wesentlichen nur Oberflächenmerkmale oder Accessoires des Gebäudes verändern. Der hoch entwickelte Fertighaus-Konfigurator der Firma Streif ermöglicht beispielsweise unterschiedliche Grundrissvarianten und erstellt am Ende des gemeinsamen Entwicklungsprozesses fertige Grundrisse und eine Perspektive der Aussenansicht; der strukturelle Kern des Gebäudes verändert sich durch die Einflussnahme des Kunden nicht. Aspekte wie die Beziehung zum Ort, zur Nachbarschaft und zur Umwelt werden nicht berücksichtigt, die Bauwerke könnten überall stehen und sind typologisch eher mit Wohnwagen vergleichbar. Experimente in diese Richtung erscheinen aus architektonischer Sicht daher unbefriedigend: Offensichtlich lassen sich die variablen Parameter der Architektur nicht auf Bereiche der Oberflächengestaltung beschränken. 47

3 18502_ 46-51_Fritz :38 Uhr Seite 48 2 Siedlung Yppenburg Singles Subplan 6 Variierte «Häuser von der Stange»: Auf elegante Weise wurden drei unterschiedliche Entwürfe mit drei Materialien kombiniert. Die resultierenden neun Varianten sind zudem jeweils um eine vorgegebene, leichte Varianz gegeneinander versetzt. Die Struktur sieht gewachsen aus, die einzelnen Gebäude grenzen sich ausreichend vom Nachbarn ab. Gesamtplan und Städtebau: West 8 Architekten: Diener & Diener, Karelse van der Meer, Architecten CIE (Foto: Oliver Fritz) 3 Konfigurierbares Fertighaus der Firma Streif Der Eingriff des Bauherrn verändert den strukturellen Kern nicht. 4 Kas Oosterhuis, Variomatic House Das Haus wird innerhalb einer bereits geplanten Siedlungsstruktur konfiguriert. variomatic/variomatic.html archithese

4 18502_ 46-51_Fritz :38 Uhr Seite 49 Zu besseren Ergebnissen gelangt man möglicherweise, wenn der Architekt die veränderbaren Parameter mit sinnvollen Werten im Vorfeld bestimmt, bevor sie durch den Kunden modifiziert werden. Dies zeigt sich in einem engagierten Projekt von Kas Oosterhuis: Der Konfigurator «variomatic» ermöglicht den Besuchern der Webseite ein bestimmtes Haus innerhalb einer bereits geplanten Siedlungsstruktur zu konfigurieren. Hier ist der Städtebau schon vorbestimmt, die Abweichungen in Form und Struktur der Gebäude sind eingeschränkt. Durch dieses Vorgehen wird eine für den Architekten kalkulierbare Beeinflussung durch den Bauherrn initiiert, und das Ergebnis trägt die spezifische Handschrift von Kas Oosterhuis. Eine mögliche Strategie der mass customization in der Architektur ist das Reduzieren des Komplexitätsgrades. In unterschiedlichen Massstabsprüngen können Einstellungen bezüglich der Konfiguration des Hauses im städtebaulichen Kontext, Grundriss, Ansicht und Schnitt bis hin zur Parametrisierung des einzelnen Bauteils getrennt voneinander vorgenommen werden. Dadurch wird das übergrosse Problem auf mehrere kleine Probleme verteilt, und ein beratender Architekt könnte gemeinsam mit dem Bauherrn relativ schnell ein Haus zusammenstellen. Hier deutet sich ein weites Entwicklungs- und Forschungsfeld an. Weltweite Interfaces Das Internet ist ein denkbar geeignetes Medium, Konfiguratoren miteinander zu verknüpfen und weltweit zugänglich zu machen. Dass Marketing und Verkauf über das Internet funktionieren, belegen bereits verschiedene Marktzweige. Zahlreiche gute Beispiele sind auf der Website für mass customization von Dr. Frank T. Piller, einem der prominentesten Spezialisten in diesem Forschungsgebiet, unter mass-customization.de einsehbar. Die Konfiguratoren sind in diesem Fall nicht nur für die Werbung der Produkte zuständig, sondern auch für die interaktive Kommunikation mit dem Kunden. Sie erlangen quasi den Stellenwert eines Interfaces zwischen Kunde und Produkt. Die dabei gesammelten Daten und Erhebungen sind Programmierobjekte, die als Grundlage für die Fertigung des individuellen Produktes dienen können. An dieser Stelle besteht also kein Unterschied zwischen dem Programmierobjekt, welches in dem Konfigurator erstellt wird, und dem Objekt, welches zur späteren Produktion dient. Es handelt sich um ein einziges Objekt, das mehrere unterschiedliche Methoden besitzt einige zur Konfiguration und einige zur Produktion. Es wäre denkbar, ein benötigtes architektonisches Element herzustellen, welches ab diesem Zeitpunkt automatisch zur Konfiguration und Produktion zur Verfügung steht. Dieser durchgängige Prozess bedingt den sinnvollen Einsatz von Computertechnologie es ist notwendig, die Prozesse der Architektur, der Informationstechnologie und der Produktion zu verstehen und kreativ zu kombinieren. Hier könnte sich ein neues Beschäftigungsfeld für Architekten öffnen, deren traditionelle Qualifikation als «Integrator» eine gute Voraussetzung bilden würde. Programmierte Objekte, Laserdrucker, CNC-Maschinen Vor wenigen Jahren war das Produzieren eines einzelnen Buches oder einer geringen Stückzahl farbiger Postkarten eine verhältnismässig aufwändige Lösung, da sich eine Auflage erst ab einer Stückzahl von mehr als 1000 rentiert hat. Vor ca. 10 Jahren kamen die ersten Farblaserdrucker und Tintenstrahldrucker auf den Markt. Ein Laserdrucker unterscheidet sich wesentlich von seinen Vorgängern, zum Beispiel den Offsetdruckmaschinen: Auf einmal ist es nicht mehr wesentlich, ob man eine oder mehrere gleiche Seiten drucken will, für jede neue Seite kann ein beliebiger Schrifttyp oder eine unterschiedliche Gestaltung gewählt werden. Der Laserdrucker ist ein flexibles Ausgabegerät für beliebige Inhalte, während eine Offsetdruckmaschine für jeweils nur einen Druckbogen gerüstet wird. Diese Flexibilität kann auch für Produktionsabläufe in der Architektur nutzbar gemacht werden, wenn ein vergleichbares Verhältnis zwischen Beschreibungsformat und Ausgabegerät gefunden wird. Es wurde bereits erwähnt, dass Architektur statt üblicherweise als Zeichnung auch als Programm entworfen werden kann. Das für die Architektur grundsätzlich Neue daran ist, dass aus dem gleichen Code, der ein Gebäude beschreibt, verschiedene Repräsentationsformen generiert werden können: eine CAD-Zeichnung, eine Druckdatei, ein Datenblatt mit Stückteillisten oder eine Ausschreibung. Besitzt das programmierte Architekturobjekt die Methode «Drucken» und wird diese vom Programm ausgelöst, wird aus dem Code eine CAD-Darstellung zusammengestellt und an einen Laserdrucker gesendet. Der Drucker wiederum führt dieses Programm schrittweise aus und erstellt auf einem Papier die Zeichnung des Programmierobjektes. Dabei ist es für den Laserdrucker irrelevant, welches Objekt welche Druckanweisungen geschickt hat, solange das Programm für ihn ausführbar ist. Ebenso kann das erwähnte Programm jedoch als Eigenschaft die eigene Produktion haben. Die Methode «Produktion» würde aus dem Code die notwendigen Produktionsdaten errechnen und an die entsprechende Produktionsmaschine senden. Wenn also der Laserdrucker als Maschine in der Lage ist, auf Papier zu drucken, müsste es auch computergesteuerte Maschinen geben, die eine Konstruktion direkt «drucken» können. In der Tat existieren «Druckwerke», die sich für die Herstellung beliebiger Betonwände eignen: Eine solche Maschine kostet zur Zeit zwischen 10 und 15 Millionen Euro, kann pro Jahr die Wände von individuellen Einfamilienhäusern (die zum Beispiel von einem Architekten entworfen sind) «ausdrucken» und benötigt zur Bedienung vier Personen. Technisch und inhaltlich ist das «Drucken von Häusern» also scheinbar gelöst. So, wie sich ein Programmierobjekt mit einem Laserdrucker auf Papier ausdrucken lässt, kann dasselbe Objekt mit dem Betondrucker in Beton «ausgedruckt» werden. Bleche und Kunststoffe lassen sich mit Laserschnei- 49

5 18502_ 46-51_Fritz :38 Uhr Seite NDS-Pavillon, ETH Hönggerberg, Zürich, 2002 Das Gebäude besteht aus 416 unterschiedlichen Einzelteilen. Diese wurden zuerst numerisch beschrieben, dann mit einem eigens zu diesem Zweck programmierten CAD- Script von drei auf zwei Dimensionen «entfaltet» und schliesslich an einer computergesteuerten Laserschneidemaschine geschnitten archithese

6 18502_ 46-51_Fritz :38 Uhr Seite 51 demaschinen schneiden, beliebige Formen aus Glas und Stein können mit Wasserstrahlschneidemaschinen produziert werden, Kunststoffe und Holz werden mit CNC-Fräsen bearbeitet (CNC = computerised numerical control). Eine Herausforderung für die Architektur besteht darin, Konstruktionen zu entwickeln und einzusetzen, die sich mit diesen Prinzipien vereinbaren lassen und auf solchen Maschinen produziert werden können. Das neue Handwerk Während die Vorstellung, ganze Gebäude «auszudrucken» und den gesamten Entwurf zu parametrisieren und zu konfigurieren, im Bereich der Architektur noch nicht alltäglich ist, zeigen Beispiele aus dem Möbeldesign, dass dies auch ohne Programmierungen und technischer Raffinesse ausführbar ist. Die Tische und Hocker des Basler Designers Hans-Peter Weidmann beispielsweise sind jeweils aus einem Aluminiumblech geschnitten und gefaltet, wozu lediglich Papiermodelle und Zeichnungen des Entwerfers und die computergesteuerten Maschinen eines Lüftungsanlagenbauers (Fa. Trunz, Schweiz) erforderlich waren. Die Herstellungskosten des Prototyps unterscheiden sich unwesentlich von den Kosten eines Möbels aus der Serie sofern bei dieser Art von Entwicklungs- und Herstellungsprozessen der Gedanke der Serienproduktion überhaupt noch eine Rolle spielt. Optimierungen, Anpassungen und Kundenwünsche können permanent in die Produktion eingebunden werden: Der Gedanke der mass customization wird bei diesen Produkten in hoher Qualität realisiert. Das Konfigurieren und der Vertrieb im Internet wäre ebenso und ohne wesentliche Kosten leicht realisierbar. Mit diesen Entwurfs- und Produktionsprinzipien können kleine Stückzahlen mit geringem Personalaufwand wirtschaftlich konstruiert, produziert und verkauft werden. Aus der Sicht des Architekten könnte die Mischung von handwerklicher Organisationsform und industrieller Fertigung einen neuen, reizvollen Aspekt liefern. Warum sollte er das selbst entwickelte Fassadenteil nicht gleich «prototypen» und letztendlich selbst produzieren? Während die Entwicklungsprinzipien des klassischen Industriellen Bauens für einen Bauteil hohe Anfangsinvestitionen bedeuteten, die sich nur durch grosse Stückzahlen, einem aufwändigen Vertrieb und einer grossen Arbeitsgruppe amortisierten, sind hier Konstruktionen und Details vorstellbar, die individuell und in hohem Masse an die Architektur angepasst sind. Der NDS Pavillon Seit Oktober 2002 steht vor der Physikmensa der ETH Hönggerberg der «NDS Pavillon». Die Architekten des Pavillons sind die sieben Teilnehmende des letztjährigen Nachdiplomkurses, den der Lehrstuhl für CAAD von Ludger Hovestadt am Departement Architektur der ETH Zürich angeboten hat (Philipp Dohmen, Jenny Donno, Ulrike Horn, Johann Käding, Rüdiger Karzel, Nils Kemper, Oskar Zieta, Leitung: Oliver Fritz). Der Bau steht für die eingangs beschriebenen Interessensfelder der Professur für CAAD. Er dient keinem Zweck, seine Form folgt keiner Funktion; es handelt sich um ein gebautes Manifest für die kompromisslose Umsetzung aktueller Informationstechnologien in Planung und Konstruktion. Konstruktion: Die unregelmässige Röhre besteht aus 416 miteinander vernieteten Blechteilen. Jedes der 416 Blechteile ist ein Unikat. Um die Teile nicht zu verwechseln, ist jedes mit einem Code beschriftet. Die von den Teilnehmern getaufte N-Z-Konstruktion besteht, wie der Name vermuten lässt, aus N- und Z-förmigen Elementen, die jeweils die horizontalen und vertikalen Kräfte aufnehmen und durch die Diagonalen eine Aussteifung gewährleisten. Konfiguration: Die Form des Pavillons wurde mit Hilfe eines Konfigurators entworfen. Aus einer ursprünglich regelmässigen Form, in der die Eckpunkte jedes N und Z einem Würfel entsprechen, kann mit dem Konfigurator eine unregelmässige Form generiert werden. Die veränderten Koordinaten werden in einem einheitlichen Datenformat abgespeichert. Transformation: Um die 416 Einzelteile nicht zeichnen zu müssen, ist ein CAD-Script programmiert worden, welches die dreidimensionalen Koordinaten gleichsam «entfaltet» und für die Produktion an der Laserschneidemaschine vorbereitet. Mit einer eigens dafür geschriebenen Software werden aus den Koordinaten sämtliche Einzelteile generiert und mit den notwendigen Perforationen, Lochungen und der Codierung für den späteren Zusammenbau gezeichnet. Produktion: Die Einzelteile können nun über das standardisierte CAD-Austauschformat DXF in die Steuerungssoftware der Laserschneidemaschine importiert werden. Diese Software optimiert die Anordnung der Bauteile und die für die Schneidemaschine notwendigen Parameter entsprechend den importierten Daten selbstständig. Das Heraustrennen der Einzelteile aus dem 1 Millimeter starken Edelstahl wurde mit der Laserschneidemaschine bewerkstelligt. Eine moderne Maschine dieser Art benötigt für einen Teil dieser Grösse und Komplexität weniger als eine Minute. Montage: An den perforierten Stellen konnten die N und Z nun mit einer Biegemaschine gefaltet und die Konstruktion zusammengesteckt werden. Bei der Montage wurden vier Halbschalen liegend zusammengenietet, die dann aus Transportgründen nachträglich untereinander verschraubt wurden. Dieser Pavillon wird programmiert statt gezeichnet, er wird über Internet präsentiert und konfiguriert und ausschliesslich mit verschiedenen Maschinen «ausgedruckt». Das jährlich stattfindende Nachdiplomstudium soll sich als Werkstatt im Sinne des «neuen Handwerks» etablieren und mit Experimenten die aktuellen Technologien und Fragestellungen in das Konzept des frühen industriellen Bauens einbinden. Autor: Oliver Fritz ist Architekt und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der ETH Zürich, Lehrstuhl CAAD, Ludger Hovestadt. 51