Design nach KI-Entwurf Roboter bauen autonom neue hängende Gärten

Von Sebastian Gerstl

Mithilfe von künstlicher Intelligenz und vier kooperierenden Robotern entwerfen und fertigen Forschende der ETH Zürich eine 22,5 Meter hohe bepflanzte architektonische Skulptur.

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Vier Robotarme nehmen im Gleichtakt Holzplatten auf und platzieren sie gemäß Computerentwurf im Raum.
Vier Robotarme nehmen im Gleichtakt Holzplatten auf und platzieren sie gemäß Computerentwurf im Raum.
(Bild: Pascal Bach / Gramazio Kohler Research, ETH Zürich)

Für den Tech Cluster Zug entwerfen und erstellen Forschende aus der Gruppe der ETH-​Architekturprofessoren Fabio Gramazio und Matthias Kohler zusammen mit Müller Illien Landschaftsarchitekten, Timbatec und weiteren Partnern aus Industrie und Forschung eine bepflanzte architektonische Skulptur. Die 22,5 Meter hohe Struktur besteht aus fünf geometrisch komplexen Holzschalen, die – leicht zueinander versetzt – von acht schlanken Stahlstützen getragen werden.

Designt und gefertigt wird die Skulptur, die nach den hängenden Gärten der Semiramis aus der Antike benannt ist, mit neuartigen digitalen Methoden. Diese wurden im Rahmen des Projektes entwickelt.

KI schlägt intelligentes Design vor

Im klassischen Entwurfsprozess versuchen Architektinnen und Architekten die unterschiedlichen Anforderungen an ein Gebäude oder eine Struktur im Entwurf zu berücksichtigen und passen diesen dann solange an, bis alle möglichst gut erfüllt sind. Nicht so bei Semiramis: Ein maßgeschneiderter Machine-​Learning-Algorithmus, entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Swiss Data Science Center, zeigte den Forschenden ausgeklügelte Gestaltungsmöglichkeiten auf.

Die Vorschläge unterschieden sich hinsichtlich der Formen der Schalen und deren räumlichen Anordnung zueinander, zeigten aber auch auf, wie sich das jeweilige Design auf einzelne Zielgrößen wie beispielsweise die Beregnung der Schalen auswirkt.

„Das Computermodell ermöglicht es uns, den konventionellen Gestaltungsprozess umzukehren und den gesamten Gestaltungsspielraum für ein Projekt zu explorieren“, sagt Matthias Kohler, Professor für Architektur und digitale Fabrikation an der ETH Zürich. „Dadurch entstehen neue, oft überraschende Geometrien“

Im „Immersive Design Lab“, einem Labor für erweiterte Realität auf dem Campus Hönggerberg, konnten die Forschenden die Entwürfe dreidimensional erkunden und in Echtzeit gemeinsam daran weiterarbeiten. Eine gemeinsam mit dem Computational Robotics Lab der ETH entwickelte Software ermöglicht es ihnen zudem, die Entwürfe der Holzschalen einfach anzupassen: Verschieben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beispielsweise einen einzelnen Punkt innerhalb der Geometrie einer der Schale, die sich aus rund 70 Holzplatten zusammensetzen, passt die Software die gesamte Geometrie an. Gleichzeitig berücksichtigt sie die relevanten Fertigungsparameter wie beispielsweise das maximal mögliche Gewicht einer Platte und generiert so stets die effizienteste und belastbarste Konfiguration.

Paartanz für höchste Präzision

Der beste Entwurf wird derzeit im robotischen Fertigungslabor der ETH Zürich realisiert. Stets im Gleichtakt nehmen vier hängende Roboterarme die ihnen zugewiesene Holzplatte auf, führen einen hochpräzisen Tanz aus und platzieren die Platten schließlich gemäß Computerentwurf im Raum. Ein Algorithmus berechnet die Bewegungen der Roboter so, dass es dabei zu keinen Kollisionen kommt. Haben die Maschinen ihre vier Platten nebeneinander platziert, werden diese von Handwerkerinnen und Handwerkern zuerst temporär verbunden und danach mit einem speziellen Gießharz verleimt. So werden zwischen 51 und 88 solcher Holzplatten zu einer Holzschale zusammengefügt.

Im Gegensatz zur traditionellen Holzbauweise hat die robotische Fertigung mehrere Vorteile: Zum einen nehmen die Roboter dem Menschen das schwere Heben und das exakte Positionieren ab, zum anderen kann im Montageprozess auf aufwendige, ressourcenintensive Unterkonstruktionen verzichtet werden.

Ein Symbol für die Zusammenarbeit

Modell der fertigen, 22,5 Meter hohen Gartenskulptur.
Modell der fertigen, 22,5 Meter hohen Gartenskulptur.
(Bild: Pascal Bach / Gramazio Kohler Research, ETH Zürich)

Die robotische Vorfabrikation läuft derzeit auf Hochtouren. Die einzelnen Schalensegmente werden laufend auf Lastwagen nach Zug überführt und die architektonische Skulptur dann im Frühjahr 2022 aufgerichtet und schließlich bepflanzt. Ab Sommer 2022 wird es möglich sein, die Holzstruktur vom Boden und den Gebäuden aus zu betrachten und einen Blick in die begrünten Schalen zu erhaschen.

Für Matthias Kohler hat das Projekt aber bereits jetzt seinen Wert bewiesen: „Semiramis hat als Leuchtturmprojekt der Architekturforschung Menschen innerhalb und außerhalb der ETH zusammengeführt und heute maßgebende Forschungsthemen wie interaktives Architekturdesign und digitale Fabrikation vorangetrieben“, sagt Kohler.

Originalmeldung auf ETH News vom 23.11.2021.

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