Wir standen nun vor der besonderen Herausforderung, den Erwartungen dieses Wettbewerbs gerecht zu werden. Im Entwurfsprozess kam bereits eine Kombination aus der Modellierungssoftware Rhinoceros und dem Zusatzmodul Grasshopper zur Anwendung. Mit Grasshopper ist es möglich, konzeptionelle Entwurfsgedanken mithilfe von Algorithmen zu beschreiben und deren Parameter durch grafische sowie numerische Eingaben beliebig zu editieren und die so veränderte Geometrie über Rhino unverzüglich darzustellen. Durch das Variieren der Parameter können alle möglichen Erscheinungsformen innerhalb zuvor definierter Regeln dargestellt und auf Eignung bzw. Gefallen überprüft werden – sei es nach ästhetischen, funktionalen oder anderen Kriterien. Auf diese Weise lassen sich sehr viel kontrollierter und schneller Entwurfsideen darstellen, überprüfen, verändern und weiterentwickeln, als das mit herkömmlichen 3D- oder plastischen Modellen möglich wäre. So entstand der Entwurf für das Dach der Olaya Iconic Station in enger Zusammenarbeit mit den Tragwerksplanern des Ingenieurbüros Bollinger + Grohmann an einem einzigen Tag. Die Form des Dachs gleicht einer riesigen geschwungenen Sanddüne. Da es als öffentlicher Park genutzt werden soll, ist es begehbar und reicht an drei Stellen bis auf Straßenniveau herunter. Die Dachfläche gliedert sich in Bereiche mit Treppenanlagen, Sitzstufen, befestigten Stein- oder Rasenflächen mit Wasserspielen und eingeschnittenen Amphitheatern. Die Geometrie des Dachs besteht aus einzelnen zusammengesetzten, programmierten »Patches« – Feldern –, denen jeweils unterschiedliche Oberflächengestaltungen zugeordnet werden können. Diese Zuordnung lässt sich jederzeit verändern und anpassen – ein weiterer Vorteil des parameterbasierten Programmierens. Beispielsweise entsprechen die Stufenanlagen den Höhenlinien der Dachtopografie. Auch sie sind programmiert, werden also automatisch aus der Topografie generiert und müssen nicht einzeln als Geometrie modelliert werden. Ändert sich die Dachgeometrie, reagieren die Stufen automatisch und passen sich den neuen Höhenlinien an, da sie mit den selben Parametern der Dachtopografie verknüpft sind.
Für den Wettbewerb erstellten wir den gesamten Entwurf innerhalb einer Woche als digitales 3D-Modell. Dieses basierte im Wesentlichen auf programmierter Geometrie. Aus diesem 3D-Modell ließen sich direkt die Renderings, eine Animation und das im 3D-Druck lasergesinterte Abgabemodell generieren. Allerdings war es für die Plandokumentation notwendig, das 3D-Modell zu »schneiden« und die daraus gewonnenen zweidimensionalen Daten im dwg- oder dxf-Format zur Weiterbearbeitung in ein klassisches CAD-Programm, in diesem Fall ArchiCad, zu importieren. Jede Änderung im 3D-Modell machte diesen zeitaufwendigen Prozess von Neuem für jeden einzelnen Grundriss und Schnitt erforderlich. Daher waren die dafür verbliebenen drei Wochen bis zur Abgabe äußerst knapp bemessen.
Einführung neuer Planungswerkzeuge
Mit der Beauftragung nach gewonnenem Wettbewerb kam die Bedingung des Auftraggebers hinzu, die gesamte Planung für die Metrostation als BIM-Projekt mit dem Programm Revit 2014 von Autodesk auszuführen. Diese zwingende Anforderung brachte den nötigen Druck, eine so weitreichende Maßnahme der Umstellung auf ein neues CAD-Programm tatsächlich in die Tat umzusetzen, ohne zu wissen, wie sehr dies den zuvor beschriebenen Workflow verbessern sollte. Das junge Berliner Team – inzwischen auf 14 Architekten aus über zehn Nationen angewachsen – startete mit der Olaya Metro Station ein komplexes Pilotprojekt. Die verschiedenen Gebäudeformen mit den spezifischen Anforderungen einer Mischnutzung aus unterirdischem Verkehrsbauwerk mit integriertem Einkaufszentrum und Tiefgarage sowie einem öffentlichen Park auf dem Dach sollte mit Revit in ein BIM-Modell übertragen werden.
Im BIM-Prozess sind alle Planungspartner und -disziplinen gemeinsam in ein und dasselbe Gebäudedatenmodell eingebunden. Sämtliche Informationen zum Projekt werden darin zentral organisiert und gespeichert: Neben der Gebäudegeometrie sind dies alle Arten von relevanter Information, sei sie dreidimensional, zweidimensional, grafisch, textlich oder numerisch, zu Beschaffenheit, Menge, Anforderungen etc. Alle Beteiligten tragen im Verlauf der Planung zur kontinuierlichen Anreicherung des Datenmodells mit Informationen bei. Diese Informationsdichte wird beständig erhöht, und zwar gemäß zuvor festgelegter Niveaus, der so genannten LODs (Level of Development). Sie reichen von LOD 100 (Vorentwurf) über LOD 200 (Entwurfsplanung) und LOD 350 (Ausführungsplanung) bis zu LOD 500 (»As-built«-Modell als verifizierte Darstellung des ausgeführten Gebäudes). Die Dateneingabe kann zeitgleich und direkt von allen Beteiligten erfolgen. Wenn alle mit derselben BIM-fähigen Software arbeiten, geschieht dies ohne Umweg über ein weiteres Austauschformat, mögliche Übersetzungsfehler lassen sich so vermeiden. Jede Dokumentation zum Projekt wird aus dem Datenmodell generiert. Dies gilt für Grundrisse, Schnitte, Ansichten ebenso wie für die Flächen- und Mengenermittlung, das Raumbuch, Tür-, und Fensterlisten, aber auch für Renderings, Filme, Gebäudesimulationen, physische Modelle und vieles mehr. Grundrisse, Schnitte und Ansichten sind immer korrekt aufeinander abgestimmt, alle Listen geben den aktuellen Planungstand jederzeit akkurat wieder. Über das Zusatzprogramm Navisworks lässt sich zudem eine Kollisionsprüfung der einzelnen Gewerke im Datenmodell durchführen und koordinieren.
Neue Entwurfs- und Planungsprozesse
In den folgenden sechs Monaten schulten externe Berater das Team in dieser neuen Arbeitsweise, denn nur einer hatte bereits Erfahrung mit dem eingesetzten Programm. Eine weitere Herausforderung bestand darin, die gewohnte Gestaltungsfreiheit aus dem erprobten Einsatz von Grasshopper und Rhino beizubehalten. Leider erzeugte der Import von Geometrien aus Grasshopper in Revit zunächst nur »tote Geometrie«, die all ihre parametrischen Qualitäten verloren hatte und auch nicht mehr in ein intelligentes »native object« umgewandelt werden konnte, das weiter mit neuer Information aufgeladen werden kann.
Wir benötigten also eine Software, um die parametrisch erstellte 3D-Geometrie in ein solches »native object« umzuwandeln. Dies gelang schließlich mithilfe des Übersetzungsprogramms Hummingbird, das die Geometrie so überträgt, dass Revit sie als programmeigene Daten erkennt. Im Zusammenspiel von Rhino, Grasshopper und Hummingbird sowie dem Programm Revit war nun ein optimierter Prozessablauf gefunden worden. Damit ließen sich sowohl anspruchsvolle gestalterische Ziele erreichen, als auch die Anforderungen an das BIM-Modell erfüllen.
Am Ende zahlte sich die Mühe aus: Sobald die gesamte Geometrie eingegeben war, ließen sich daraus schnell und bequem beliebig umfängliche Dokumentationen erstellen. Bereits nach drei Monaten erhielt der Bauherr termingerecht und in vollem Umfang das erste Abgabepaket mit über hundert Plänen und Visualisierungen.
In der Folge wurden die Arbeitsprozesse weiter optimiert, indem wir einfache Gebäudegeometrien direkt mit Revit erstellten, z. B. die unterirdischen Bahnsteige für die sich kreuzenden Metrolinien und das diese umschließende, ebenfalls unterirdische, viergeschossige Einkaufszentrum. Komplexere Gebäudeteile jedoch, wie die doppelt gekrümmte Glasfassade, die die Metrostation vom Einkaufszentrum trennt, sowie die ringförmigen Brücken oder die geschwungene Dachkonstruktion, wurden zunächst weiterhin in Grasshopper programmiert und danach »übersetzt«.
Alle Abhängigkeiten zwischen der Mastergeometrie des Dachs und dessen Aufbauten, wie etwa den Treppenanlagen, dem Amphitheater und den Wasserspielen, blieben auf diese Weise erhalten.
Nutzung des innovativen Potenzials digitaler Planungsmethoden
Ein wesentlicher Vorteil des digitalen Arbeitsflusses zeigt sich, wenn Änderungen nötig sind. Neue Anforderungen zum Schutz vor Hochwasser – die Wüstenstadt Riad ist hiervon tatsächlich betroffen –, machten es notwendig, das Gebäude um zwei Meter anzuheben, wobei jedoch der Anschluss an das Straßenniveau unverändert blieb. Dies hatte erhebliche Auswirkungen auf die Dachgeometrie und die daran anschließenden Bauteile. Mit traditioneller Arbeitsweise wäre das gesamte Dach einschließlich Aufbauten und angrenzender Bauteile manuell neu zu modellieren gewesen. Mit der parametrischen Methode waren im Wesentlichen nur die Parameter der Mastergeometrie des Dachs anzupassen, sodass sich alle in Abhängigkeit zu ihr erstellten Aufbauten und angrenzenden Bauteile automatisch änderten. Die Reduzierung sämtlicher Geschosshöhen im fortgeschrittenen Planungstand stellten genauso wenig ein Problem dar wie das spätere Weglassen eines kompletten Tiefgeschosses.
Teamstruktur und Zusammenarbeit aller Disziplinen
Mit Beginn der Ausführungsplanung Ende letzten Jahres verdoppelte sich das Planungsteam noch einmal auf 28 Mitarbeiter. Hinzu kommen etwa doppelt so viele Ingenieure und Spezialisten von BuroHappold, mit dem wir eine Arbeitsgemeinschaft für dieses Bauvorhaben bilden. Aufgrund seiner Größe wurde das Projekt in drei Bereiche aufgeteilt: oberirdische Bauten, unterirdische Bauten und Außenanlagen. Jeder dieser Bereiche existiert als eigenes Teil-BIM-Modell. Genauso bestehen neben diesen Architekturmodellen die jeweiligen BIM-Modelle der Fachplaner: eines für das Tragwerk und ein weiteres für den technischen Gebäudeausbau. Im weiteren Planungsverlauf werden je nach Erfordernis weitere neue Teilmodelle hinzukommen, z. B. für die Lichtplanung. Alle Modelle lassen sich jeweils einzeln oder zusammen und in unterschiedlicher Kombination sichtbar schalten. Innerhalb eines jeden Teilmodells gibt es so genannte Worksets, die das unabhängige und parallele Arbeiten verschiedener Bearbeiter erlauben. Jedes Teammitglied kann so eine bestimmte Stelle bearbeiten und sich dabei nach Belieben die zur Abstimmung notwendigen anderen Teilmodelle einblenden.
Gemäß der neuen Arbeitsweise wurde auch die interne Büroorganisation angepasst. Neben den drei Architekturteams für die eben genannten Bereiche gibt es mittlerweile zwei Spezialteams für BIM-Management und Computional Design, die ihre Kollegen unterstützen und betreuen.
Aufgabe des BIM-Teams ist neben der Pflege und Kontrolle der Modelle die Erstellung und stetige Fortschreibung des »BIM-Implementierungsplans«, von dem es sowohl eine allgemeine Bürofassung, als auch jeweils eine projektspezifische Fassung gibt. In diesem Plan werden die BIM-Standards und Arbeitsabläufe innerhalb des Planungsteams und zwischen den anderen Planungsbeteiligten bzw. die Vorgaben des Bauherrn festgelegt.
Die Tätigkeit der so genannten Parametric-Designer aus dem Computational-Design Team besteht darin, für komplexe Gebäudeteile algorithmische Beschreibungen zu finden, die deren Bearbeitung erleichtern und beschleunigen.
Der Aufgabenbereich dieser beiden Teams reicht über die reine Projektarbeit hinaus und umfasst die Recherche und das Testen neuer innovativer Technologien und Programme, sowie den Informationsaustausch auf verschiedenen Expertenplattformen.
Anwendung der entwickelten Methoden auf weitere Projekte
Den Erkenntnis- und Erfahrungsgewinn der vorangegangenen zwölf Monate konnten wir erneut für die Konzeption und Planung der Haram Intermodal Station in Mekka, Saudi-Arabien, einem weiteren sehr großen Metroprojekt, überprüfen. Der Planungszeitraum für Konzeptentwurf, Plandokumentation im Maßstab 1: 200 und Vorabzug der Ausschreibungstexte war mit acht Wochen wieder sehr knapp bemessen, weshalb wir den mittlerweile erprobten Weg der Kombination aus algorithmisch-parametrischem Programmieren der komplexen Geometrien sowie der Planerstellung mit Revit einschlugen.
Das etwa 90 000 m2 große Dach über dem Metrohauptbahnhof setzt sich aus 18 Kugelsegmenten unterschiedlicher Größe zusammen. Die parametrische Programmierung erlaubte die gezielte Steuerung der Größe und Anordnung der einzelnen Kugeln. Jede Veränderung dieser Parameter lässt sich in »Echtzeit« visuell überprüfen und auf diese Weise ein optimales Verschneidungsbild der Kugeln sowie ein gezieltes Herunterführen der tragenden Stützen aus der Kugelgeometrie erreichen. Diesmal verwendeten wir den zu Revit gehörigen Algorithmeneditor Dynamo, der die Dachgeometrie ohne weiteres Übersetzungswerkzeug in Revit übertragen und als Dach mit samt seinem baukonstruktiven Aufbau in der Plandokumentation darstellen konnte. Derart komplexe Ergebnisse wären ohne den Einsatz der neuen Technologien und Arbeitsweisen wenn überhaupt nur mit erheblichem Mehraufwand zu erzielen gewesen.
Steigerung der Effizienz
Die positiven Erfahrungen der Kombination aus programmiertem Modellieren und der anschließenden Planung mit Revit bestärken uns darin, die richtige Entscheidung getroffen zu haben. Dabei scheinen die Größe der Projekte und die zu bearbeitende Leistungsphase nicht von Bedeutung zu sein. Selbst bei kleinen Entwürfen, wie jüngst für eine Metrostation in Moskau oder für den Entwurf des German House in Abu Dhabi, – beides Wettbewerbe – bewährte sich die Arbeitsweise und bietet für uns die größtmögliche Freiheit im Entwurfsprozess bei gleichzeitiger hoher Geschwindigkeit, Qualität und Vielfalt in der Dokumentation.
