Exzellenzcluster: IntCDC

Integrative Computational Design and Construction for Architecture

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EXC 2120: Exzellenzcluster IntCDC – Integrative Computational Design and Construction for Architecture

Die Universität Stuttgart gründet 2019 ihr neues Exzellenzcluster zum Thema 'Integrative Computational Design and Construction for Architecture'. Mit einer Anfangsförderperiode von 7 Jahren ist ein Exzellenzcluster die wichtigste und umfangreichste Förderung, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft vergeben wird. Zum ersten Mal wird ein Exzellenzcluster im Bereich Architektur gewährt. Es wird dazu beitragen, ein international sichtbares Forschungszentrum zu etablieren. 

Forschungsrelevanz: Die dringende Notwendigkeit, Design und Konstruktion in der Architektur zu überdenken

Menschen verbringen 87% ihres Lebens in Gebäuden. Architektur ist das Habitat der Menschheit. deshalb ist sie von zentraler ökologischer, ökonomischer, sozialer und kultureller Relevanz. Dies generiert erhebliche Herausforderungen: Aufgrund der rapiden Verstädterung und des Bevölkerungswachstums werden 2050 werden 2,6 Milliarden Menschen neuen Wohnraum, Arbeitsplatze und Infrastruktur benötigen.

Beispielsweise müssten allein in Deutschland jedes Jahr 400.000 neue Wohneinheiten und damit verbunden Geschäfts- und öffentliche Gebäude errichtet werden, aber nur die Hälfte dieser Anforderung wird momentan erreicht. Die Produktivität auf dem Bausektor stagniert seit den 1990ern und kämpf damit, wichtige Gebäude fristgerecht und im Kostenrahmen fertigzustellen. Darüber hinaus ist die Bauindustrie gegenwärtig veranwortlich für annähernd 40 % des globalen Ressourcenverbrauchs,für 40 % des Energieverbrauchs und für 50 % des globalen Abfalls. Es ist offensichtlich, dass nur schrittweise Verbesserungen der etablierten Herangehensweisen an Entwurf und Konstruktion nicht in der Lage sein werden, diesen ernsten Herausforderungen zu begegnen.

Stattdessen werden dringend neue Herangehensweisen benötigt. Gleichzeitig stellt die Bauindustrie weltweit den größten Industriezweig dar und bietet ein enormes Wachstumspotential. Digitale Technologien machen es möglich, diese Aufgaben und Gelegenheiten auf neuartige Weise anzugehen.

 Allerdings finden sie nur langsam Einzug in die Bauindustrie und typischerweise nur  ausgerichtet auf isolierte Aspekte des Bauprozesses aufgrund der zerklüfteten Natur des Bausektors und einer aufgespaltenen Forschungskultur. Deshalb ist Innovation auf losgelöste Forschungserkenntnisse und schrittweise Fortschritte bechränkt. Das Potential digitaler Technologien wird nicht voll ausgenutzt.

Forschungsauftrag: Die Zukunft von Architektur und Bauindustrie gestalten

Die Vision des Exzellenzclusters 'Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)' ist es, das ganze Potential digitaler Technologien nutzbar zu machen, um Entwurf, Herstellung und Konstruktion zu überdenken, basierend auf Integration und Interdisziplinariät, mit dem Ziel, bahnbrechende Innovation auf dem Bausektor zu ermöglichen, wie es nur durch höchst integrative Grundlagenforschung in einem fachübergreifenden, großmaßstäblichen Forschungsvorhaben geschehen kann.

Der Cluster setzt sich das Ziel. die methodologischen Grundlagen für ein tiefgreifendes Überdenken des Design- und Bauprozesses und verwandter Bausysteme zu legen, durch die Einführung einer integrativen, computerbasierten Herangehensweise auf der Basis einer interdisziplinären Forschung, die Architektur, Bauingenieurwesen, Bauphysik, Geodäsie, Baubetrieb, Projektplanung, Informatik, Robotik, Sial- und Geisteswissenschaften umfasst. Wir wollen die international anerkannten Kompetenzen der Universität Stuttgart und des Max Planck Instituts für Intelligente Systeme auf diesem Gebiet bündeln, um unsere Forschungsmission zu erreichen. Das Industriekonsortium des Clusters wird einen direkten Erfahrungsaustausch, -transfer und rasche Auswirkung sicherstellen. Die wesentlichen Unterschiede  zwischen der Bauindustrie und anderen Industriezweigen in Betracht ziehend, nehmen wir die verwandten entscheidenden Herausforderungen in Angriff, um ein höheres Maß an Integration, Leistungs- und Anpassungsfähigkeit zu erreichen, und wir beziehen die wichtigsten Gebäudetypologien Mehrgeschossige Gebäude, weitgespannte Bauwerke und die Verdichtung städtischer Zonen mit ein. 

Die breitgefächerten methodologischen Erkenntnisse und interdisziplinären Ergebnisse werden voraussichtlich einen umfassenden Schub der digitalen Technologien verursachen, was dabei helfen wird, den ökologischen, ökonomischen und sozialen Problemen zu begegnen, welche  die gegenwärtige, schrittweise Annäherung nicht  lösen kann.

Wir stellen uns vor, dass IntCDC die Zukunft der Architektur und der Bauindustrie durch eine stärkere Integration computerbasierten Entwerfens und bautechnischer Methoden, effektiver cyberphysikalischer robotischer Bauprozesse und neuer Formen der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine, effizienten und nachhaltigen Bausystemen der nächsten Generation und sozio-kultureller und ethischer Reflektion, maßgeblich gestalten wird. Deshalb wird der Cluster erheblichen Einfluss auf die Schaffung der Bedingungen haben, die für eine lebenswerte und nachhaltige, zukünftige gebaute Umwelt, qualitätvolle, aber bezahlbare Architektur und neuartige Baukultur erforderlich sind.

 

Forschungsprogramm: Hin zu wirklich integrativem Design und Konstruktion

Es ist wirklich eine Notwendigkeit, aber auch eine Gelegenheit, Design und Konstruktion in einer gesamtheitlichen Weise zu überdenken, denn wir können es uns einfach nicht leisten, so weiterzubauen wie bisher. Das Fehlen von Digitalisierung und der damit verbundene Mangel an Produktivität, können zusammen mit einem erheblichen Mangel an Nachhaltigkeit als ernste Innovationsschwäche im Bausektor zusammengefasst werden. Trotzdem, das Bauwesen voranzubringen, ist eine komplexe Aufgabe und erfordert tiefgreifende neue Methoden, da sich Architektur und Bauwesen wesentlich von anderen Industriezweigen unterscheidet, aufgrund der Ausprägung und Einmaligkeit von Gebäuden durch Ort, Kultur.

Integrativer Forschungsansatz: Co-Design von A. Methoden, B. Prozessen, C. Systemen, D. Fachübergreifenden Themen, E. Demonstratoren

Ein Haupthemmnis für Innovation in der Architektur und im Bausektor ist die Aufsplittung der Forschung an digitalen Technologien, die getrennt auf Design- und Planungsmethoden oder Herstellungs- und Bauprozesse oder Materialien und Bausysteme ausgerichtet ist. Um das ganze Potential des Einsatzes von Computern für bahnbrechenden Fortschritt zu erforschen, ist es wesentlich, einen integrativen Forschungsansatz zu wählen, der alle diese Bereich simultan erneuert. Unser Ziel ist es, eine allumfassende Methodik von Co-Design der Methoden, Prozesse und Systeme zu entwickeln, sektorübergreifende, soziokulturelle Studien und der Bau von Demonstratoren. 

Entsprechend unseren Zielen, umfasst das Forschungsprogramm drei bautechnische Instrumente:

(1) Die Forschungsfelder leiten sich von unserem Forschungsansatz eines inhaltsorientierten Netzwerks ab:

A. Methoden: Hin zu wirklich integrativen computerbasierten Design- und Konstruktionsmethoden
B. Prozesse: Hin zu robotischen cyber-physikalischen Herstellungs- und Bauprozessen
C. Systeme: Hin zu echten, computerbasierten Materialien und Bausystemen der nächsten Generation
D. Fachübergreifend: Hin zu umfassender und nachhaltiger Innovation mit kritischer Reflektion
E. Demonstratoren: Hin zu einer schnellen Wende, von der visionären Forschung zur architektonischen Anwendung

(2) Die Forschungseinheiten sind die Arbeitsgruppen des Clusters, die sowohl beste interdisziplinäre Erkenntnisse, als auch maßgeblichen, fachspezifischen Forschungsfortschritt gewährleisten. Ihre Arbeitsprogramme umfassen alle Forschungsfelder und tragen zum Erreichen unserer Ziele bei.

I. Architektur befördert computerbasierte Entwurfsmethoden und integriert den Einfluss von IntCDC auf architektonische Systeme und Typologien und seinen Effekt auf die entstehende digitale Baukultur.
II. Bauingenieurwesen, Bauphysik und Geodäsie entwickeln Bausysteme der nächsten Generation, geschaffen für das robotische Bauen basierend auf 4D Modelling und Monitoring.
III. Fertigungstechnik und Systementwicklung vereinen cyber-physikalische Herstellung außerhalb der Baustelle und das robotische Bauen vor Ort in IntCDC-Bauprozessen, inklusive Zusammenarbeit von Mensch und Maschine.
IV. Computerwissenschaft und Robotik entwickeln Methodiken für IntCDCs Datenintegration, künstliche Intelligenz, interaktive  Untersuchung, autonomoe und kollaborative Robotik.
V. Geistes- und Sozialwissenschaften haben zum Ziel, die Vorbedingungen und Anforderungen für die soziale Einbettung von IntCDC zu klären, seine ethischen Auswirkungen und historische Perspektive.t

(3) Die Forschungsnetzwerke stellen flexible, thematische Vehikel für die Forschungseinheiten dar, um an einem Thema zu arbeiten und sich hin zu gemeinsamen Baudemonstratoren zu bewegen. Sie sprechen Schlüsselforschungsherausforderungen in interdisziplinärer Weise an und gewährleisten auch, dass die Arbeit für die wichtigsten architektonischen Anwendungen relevant ist:

Forschungsnetzwerk 1 wendet sich der co-design-basierten Entwicklung von Methoden, Prozessen und Systeme für den gängigsten Architekturtypus zu: mehrgeschossige Gebäude, wie Wohn- und Bürobauten, die wegen ihres hohen Maßes an Integration eine Herausforderung darstellen. 
Forschungsnetzwerk 2 konzentriert sich auf Gebäude mit großer Spannweite, wie große öffentliche, kulturelle und infrastrukturelle Gebäude. Das Thema dient als Herausforderung hinsichtlich eines hohen Niveaus an Performance, was ausschlaggebend ist für ähnliche architektonische Artikulation, ökonomische Machbarkeit und Auswirkung auf die Umwelt. 
Forschungsnetzwerk 3 untersucht die Verdichtung der existierenden Gebäudesubstanz, was eine zentrale Aufgabe für Städte in der entwickelten Welt darstellt. Bauen zwischen oder auf existierenden Gebäuden in dichten städtischen Bereichen erfordert ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit.

Forschungsumfeld: Schaffung langfristiger Exzellenz, Inklusivität und Vielfalt

Wir sind bestrebt, ein vielfältiges und integratives Forschungsumfeld zu schaffen und unterstützen daher nachdrücklich die Chancengleichheit zwischen den Geschlechtern, der ethnischen Zugehörigkeit, der Nationalität, den körperlichen Fähigkeiten und dem sozialen Hintergrund für alle Karrierestufen. Wir zielen darauf ab, die nächste Generation von Führungspersönlichkeiten auf dem Gebiet des IntCDC anzuziehen und auszubilden, und fördern so intensiv den wissenschaftlichen Nachwuchs und die frühe akademische Unabhängigkeit. Der Cluster wird mehrere neue Professuren, mehrere unabhängige Nachwuchsforschergruppen, fast 100 Doktoranden und Postdoktoranden sowie viele internationale Austauschforscher beherbergen. Wir werden eine Graduate School of Advanced Research in Integrative Computational Design and Construction einrichten, die individualisierte Ausbildung, "Blue Sky"-Stipendien, internationale Mobilitätsstipendien und Industrieabordnungen anbietet. Unsere Forscher werden die Ergebnisse des IntCDC auch in vielfältige Lehrangebote einfließen lassen.
Unser internationales Forschungsprogramm mit führenden Partnern (u.a. Harvard, MIT, ETH, UCL, Cornell, CITA, Tongji-Universität, Imperial College, TU Wien usw.) wird die Stellung des Clusters als globale Drehscheibe für den Wissensaustausch stärken. In Anbetracht des hohen Potenzials des IntCDC, die Bauindustrie stark voranzubringen, werden wir unser Industriekonsortium und unsere Demonstratoren intensiv einbinden, um Forschungsberatung und schnellen Wissenstransfer zu gewährleisten. Das IntCDC bietet auch zahlreiche unternehmerische Möglichkeiten, die wir durch spezielle Schulungen, die Förderung einer aktiven Gründungskultur und die Finanzierung des Wissenstransfers durch die Universität unterstützen werden.
Die Universität wird ein neues Robotik-Labor für Großkonstruktionen an einem zentralen Standort auf dem Campus errichten, das unser Forschungsprogramm und den Bau von Demonstratoren erleichtern wird. Es wird einen Innenbereich für unsere Instrumentationsplattform für die Vorfertigung vor Ort bieten, der nahtlos an einen Außenbereich für unsere Instrumentationsplattformen für den Bau vor Ort und für die Fertigung, Anpassung und Fertigstellung vor Ort angeschlossen wird. Dieses Labor, das den gesamten cyber-physikalischen Bauprozess abdeckt, wird eine weltweit einzigartige Forschungsinfrastruktur und einen bedeutenden langfristigen Beitrag zur Stärkung der führenden Rolle der Universität im Bereich des integrativen rechnergestützten Entwurfs und der Konstruktion darstellen.

Position in der Forschung: Ein ausgezeichneter Ausgangspunkt für ein internationales Zentrum auf einem aufstrebenden Gebiet

Die Universität Stuttgart ist in einer einzigartigen Position, um sich den Forschungsherausforderungen des Clusters zu stellen. Sie verfügt über eine langjährige Tradition und genießt als Zentrum für Innovationen in den Bereichen Design, Engineering und Konstruktion von Architektur und gebauter Umwelt international hohe Sichtbarkeit. Die akademische Arbeit bahnbrechender Architekten und Ingenieure hat zu Forschungserkenntnissen mit außerordentlicher internationaler Wirkung geführt, die zu einigen wahrhaft ikonenhaften Bauwerken des 20. Jahrhunderts geführt haben und die höchste Auszeichnungen in der Disziplin verdienen, z.B. erhielt Frei Otto 2015 den Pritzker-Preis. Verwandte wegweisende DFG-Sonderforschungsbereiche wie SFB 64 (1971-1985) und SFB 230 (1984-1995) haben eine einzigartige Forschungskultur etabliert und die Universität Stuttgart als Global Player auf diesem Gebiet positioniert. Diese nachhaltige Forschungsexzellenz spiegelt sich heute in zwei DFG-Sonderforschungsbereichen wider: SFB/TRR 141 und SFB 1244. Dies stellt eine herausragende Stellung der Forschungsexzellenz auf diesem Gebiet in Deutschland dar und ist eine ideale Ausgangsbasis für die hochinnovative Forschung des Clusters.

Forschungsteam: Die Zukunft der Architektur und des Bauwesens gestalten

Die Principal Investigators und beteiligten Forscher des Clusters repräsentieren die Breite der wissenschaftlichen Exzellenz in sieben Fakultäten der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme. Dieses interdisziplinäre Team von Forschern mit internationalem Rang in den jeweiligen Disziplinen ist für die Ziele des Clusters gut ausbalanciert. Darüber hinaus wird die Universität Stuttgart vier neue Professuren speziell für den Cluster einrichten sowie eine internationale Gastprofessur, um renommierte Wissenschaftler zu gewinnen, die unsere Forschung vorantreiben und weitere Partnerschaften schmieden.

Die Hauptforscher des Clusters sind:
Prof. Dipl. AA (Hons) Achim Menges, Institut für computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung,
Exekutivdirektor des Clusters
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen,
Stellvertretender Exekutivdirektor des Clusters
Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl, Institut für Industrielle Fertigung und Management
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. Dr.-Ing. Manfred Bischoff, Institut für Baustatik und Baudynamik
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Hanaa Dahy, Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen
Prof. Dr.-Ing. Harald Garrecht, Institut für Werkstoffe im Bauwesen (IWB) und Materialprüfungsanstalt
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser, Institut für Textil- und Fasertechnologien
Prof. Dr. rer. nat. Melanie Herschel, Institut für Parallele und Verteilte Systeme, Prof. Dr. rer. nat.
Prof. Dr. phil. Cordula Kropp, Institut für Sozialwissenschaften
Prof. Katherine J. Kuchenbecker, Ph.D., Haptische Intelligenz, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Kuhlmann, Institut für Tragwerksplanung
Prof. Dr.-Ing. Philip Leistner, Institut für Akustik und Bauphysik
Prof. Dr.-Ing. Peter Middendorf, Institut für Flugzeugentwurf
Prof. Dr. phil. habil. Klaus Jan Philipp, Institut für Baugeschichte
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Oliver Sawodny, Institut für Systemdynamik
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schwieger, Institut für Ingenieurgeodäsie
Prof. Dr. Metin Sitti, Physikalische Intelligenz, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. Werner Sobek, Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren
Prof. Dr.-Ing. Uwe Sörgel, Institut für Photogrammetrie
Prof. Dr. rer. nat. Marc Toussaint, Institut für Parallele und Verteilte Systeme
Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen
Prof. Dr. habil. Daniel Weiskopf, Forschungszentrum Visualisierung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir auf der Exzellenz der Universität Stuttgart bei der Integration von Architektur und Ingenieurwissenschaften aufbauen wollen, um ein weltweit sichtbares Forschungszentrum mit einer einzigartigen Forschungseinrichtung zu schaffen. Wir erwarten, dass das IntCDC die Zukunft der Architektur und des Bauwesens maßgeblich mitgestalten wird.
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Dieses Bild zeigt  Jan Knippers
Prof. Dr.-Ing.

Jan Knippers

Institutsdirektor

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