Architectura et Machina

«Architectura et machina» ist der erste Teil einer auf drei Bände angelegten Arbeit, deren zweiter Titel «Architectura cum machina» und deren dritter Titel «Architectura ex machina» heißen wird. Damit sind bereits der Startpunkt und das vorläufige Ziel einer Entwicklung definiert, deren historische Anfänge im 14. Jahrhundert liegen und deren aktivste Phase gerade bevorsteht. Noch können Architektinnen und Architekten das Ergebnis dieser Entwicklung wesentlich mitbestimmen. «Architectura et machina» ist die Aufforderung und eine Anleitung dazu, das faszinierende Gebiet der zukünftigen Architekturmethoden und Architekturinstrumente zu definieren.

«Architectura et machina» stellt Ergebnisse der Arbeit an der Professur für Architektur und CAAD an der ETH Zürich seit ihrer Schaffung im Oktober 1988 dar. Mein Dank gilt deshalb zuerst meinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, die mir geholfen haben, die in diesem Buch beschriebenen Ideen zu finden, zu formulieren, umzusetzen und zu testen. Besonders erwähnen möchte ich Maia Engeli, Annelies Zeidler, Sibylla Spycher und Werner Riniker, Chen-Cheng Chen und Shen-Guan Shih aus Taiwan, die mir beim Aufbau in Lehre und Forschung von Anfang an zur Seite standen und die im administrativen und technischen Bereich große Hilfe leisteten; Bharat Dave aus Indien, der mich seit der gemeinsamen Zeit an der Carnegie Mellon University in meiner Arbeit kritisch begleitet und immer wieder neue Forschungsideen einbringt und umsetzt; Nathanea Elte, die mit großer Umsicht im Nachdiplom-Programm arbeitet; Stefan Hecker, der in seinem Beitrag ein interessantes Forschungsprojekt beschreibt; Robert Hupertz, der große praktische Erfahrung in ein Forschungsprojekt einbrachte; David Kurmann, der der erste Nicht-Architekt im Team war und wichtige Beiträge auf der Seite der Informatik und neuer Benutzeroberflächen leistete; Laura Lee aus Kanada, die in den ersten Semestern erfolgreich die Lehre mitgestaltete und ihre Arbeit an der Carnegie Mellon University fortsetzte; besonderer Dank gebührt Leandro Madrazo aus Spanien, der über erfolgreiche Arbeiten an der Harvard University und bei Skidmore, Owings, & Merril in Los Angeles zu uns stieß und der viele neue Ideen in der Lehre entwickelte und mit den Studierenden realisierte; von ihm stammen Textbeiträge und zahlreiche Anregungen für dieses Buch sowie die ersten wichtigen Umsetzungen der theoretischen Methoden und Instrumente in Entwürfe und Wettbewerbe; Hans-Uli Matter, der in einer kritischen Phase zu uns stieß und der die Entwicklung neuer Lehrinstrumente vorantrieb; Christian Müller, der am Projekt Eileen Gray arbeitete; Sharon Refvem aus Kalifornien, die in der Lehre, im Programmieren und in der Organisation Hervorragendes leistete; Urs Roth für seinen Beitrag und seine Anregungen; Antonino Saggio aus Italien, mit dem ich bereits an der Carnegie Mellon University zusammenarbeitete und der mit Begeisterung Beiträge im Unterricht und für dieses Buch beisteuerte sowie bei der Ausbildung der ersten Nachdiplomstudentinnen und Studenten eine wichtige Rolle spielte; Eric van der Mark, der sich zum Visualisierungsspezialisten entwickelte und von dem die meisten Darstellungen dieses Buches stammen; Claude Vezin aus Frankreich, der durch seine große Geduld den ersten Generationen von CAAD Studentinnen und Studenten das Lernen erleichterte; Daniel von Lucius aus Deutschland, der einen neuen Kurs entscheidend mitentwickelte und unterrichtete; Florian Wenz aus Deutschland, der neue Ideen für die virtuelle Realität einbrachte und maßgeblich beim Aufbau des Architectural Space Laboratory mitarbeitete.

Nehmen wir das Beispiel vom Asphalt. Der Duden gibt immer noch die Schreibweise mit ‘ph’ und signalisiert damit, daß der Begriff aus dem Griechischen stammt. Doch ob man nun die Asphaltwüste in unserer modernen Welt beklagt und jährlich die Größe zerstörten Kulturlandes aufrechnet, oder ob man die Vorzüge unserer autogerechten Verkehrsstränge lobt, jedermann wird Asphalt als spezifisch zu unserer eigenen industrialisierten, ‘modernen’ Welt rechnen und darauf schwören, es handle sich um etwas Neues, etwas, das unsere eigene Welt von der vergangenen, historischen, überholten unterscheidet. Daß Jahrhunderte zuvor — und Generationen vor den ersten asphaltierten Straßen — ein beträchtliches Wissen über Asphalt bestand und durchaus zu differenzierten Beobachtungen führen konnte, klingt wie eine Botschaft von einem andern Stern. Und doch trifft gerade dies zu, finden sich ‘Asphalt’ und ‘Bitumen’ in jedem enzyklopädischen Werk verzeichnet und ließe sich eine breitangelegte Geschichte dazu rekonstruieren.

Architectura, das lateinische Wort für Architektur, gewinnt im Zusammenhang mit dem Thema CAAD eine neue Bedeutung. Es sind darunter alle jene Schritte zu verstehen, welche die Existenz eines Gebäudes, beginnend bei dem Prozeß des architektonischen Entwerfens, über die Simulation des Gebäudes, zu seiner Fertigstellung bis hin zu seinem physischen Ende begleiten. Die elektronische Spiegelung dieser Schritte in einem neuen Medium wird den Prozeß der Entstehung und das Erscheinungsbild der Architektur verändern und damit eine neues Architekturverständnis eröffnen.

Das Wort traditionell umschreibt den Entwurfsprozeß, wie er vor der Einführung von Computern in die Architekturschulen und in die Architekturpraxis gelehrt wurde. Dies bedeutet, daß die hier beschriebene Situation in dieser Form kaum noch anzutreffen ist, da zu Beginn der neunziger Jahre Mischformen zwischen traditioneller und computerbasierter Ausbildung und Praxis zur Regel geworden sind. Die Curricula der meisten Architekturfakultäten waren durch die Gliederung in zwei große Gruppen gekennzeichnet: Entwurf und andere Fächer meist technischer Art. Die Einführung in das Entwerfen geschah entweder vor (Beispiel Carnegie Mellon University), während (Beispiel ETH Zürich) oder nach (Beispiel TU München) der Vermittlung mathematischer, technischer, rechtlicher und sozialer Aspekte der Architektur. Während für die technischen Fächer Skripten, Lehrbücher und Prozeduren zur Lösung von Aufgaben zur Verfügung standen, versuchten Architekturlehrende den Studierenden das Entwerfen in Form des ‘Studios’ zu vermitteln, für das sich verschiedene Formen entwickelt haben, das aber im Grunde überall durch ein intensives Engagement zwischen Meister und Schüler geprägt war.

Die wissenschaftliche Betrachtung des Entwurfsprozesses und die anschließenden Versuche der praktischen Umsetzung hatten ihre Blütezeit in den späten sechziger und in den siebziger Jahren. Zunächst bekämpft, danach kaum noch ernst genommen, sind doch einige der damals publizierten Ideen in Praxis und Lehre eingeflossen. Die Hauptkritik an solchen Versuchen war immer der Hinweis, daß sich das im ursprünglichen Sinne des Wortes architektonische Denken und Erfinden der Formalisierung entziehe. Kernbereiche der Architektur, wie Konzeptfindung und -Umsetzung, ließen sich, sagte man, nicht durch Programme ersetzen. Der Versuch der Formalisierung des Entwurfsprozesses führte zum Beginn der Entwurfsmethodik- (Design Methods) Bewegung, für die wissenschaftliche Modelle bestimmend waren. Ein wiederkehrendes Thema ist dabei der Wunsch, Design Methods in eine Science of Design weiterzuentwickeln. Die deutsche Übersetzung dafür ist am ehesten Entwurfswissenschaft oder wissenschaftliches Entwerfen.

Der neue, computerbasierte Entwurfsprozeß ist Gegenstand systematischer Forschung in Architektur [Schmitt 1992b, S. 13] und Psychologie [Akin 1986]. Doch selbst bei Beherrschung eines Entwurfsprozesses bedeutet dies noch nicht, daß die so entstehenden Entwürfe auch zur Ausführung kommen. Schon heute ist es sicherlich so, daß in den industrialisierten Ländern weitaus mehr Projekte als wirkliche Architektur erzeugt werden. Der Prozeß der Entstehung von Architektur ist demnach sehr wichtig und oft auch das einzige Produkt neben der Zeichnung. Auch nach der Ära der Design Methods gab und gibt es Versuche der Formalisierung von zumindest Teilen des Entwurfsprozesses, diesmal unterstützt durch den Einbezug des Computers. Nach seinen frühen theoretischen Beiträgen lieferte Christopher Alexander mit seiner ‘Pattern Language’ ein eher praktisches Beispiel geliefert [Alexander 1977]. Alexanders viel kritisierte Vorschläge sind auch heute noch insofern interessant, als er als Mathematiker und mit dem Computer vertrauter Wissenschaftler früh Zugang zu den neuen Medien hatte.

In den vorangegangenen Abschnitten wurden verschiedene Ansätze für die Formalisierung und Vermittlung von Entwurfsprozessen behandelt. Doch der Begriff Architektur umfaßt neben den Prozessen auch physische Objekte mit unterschiedlichsten Eigenschaften, Funktionen, Beschränkungen und Beziehungen. Um sie angemessen beschreiben und verarbeiten zu können, sind Darstellungsformen oder Repräsentationen notwendig, durch die wir unsere Vorstellungen über Architektur vermitteln können. Mit der Einführung des CAAD in Lehre und Praxis wird die Bedeutung der Repräsentation von Architektur in ihrer Gesamtheit als fundamentale Größe noch offensichtlicher. Repräsentation ist etwas so Grundlegendes, daß sie ebensowenig in Kategorien wie in Methoden oder Instrumente einzuordnen ist.

Methoden entwickeln sich aus generalisierten Erkenntnissen. Einzelne Methoden eignen sich gut für besondere Problemstellungen, wie zum Beispiel die Anpassung von Prototypen für Routine-Entwurfsprobleme oder fallbasiertes Schließen für den Rückgriff auf bereits bestehende, bewährte oder zu vermeidende Lösungen. Kombinationen von Methoden innerhalb eines Systems sind ebenfalls möglich und üblich. Die hier vorgestellten Methoden sind gedankliche Werkzeuge, die den Vorteil haben, daß von ihnen bereits vollständige oder partielle Computerimplementationen bestehen. Methoden, wie sie in der CAAD-Literatur definiert sind, helfen bei der Lösung von Entwurfsproblemen durch die Verwendung von Suchmechanismen. Diese Methoden ermöglichen die Umwandlung komplexer Probleme in einfachere Teilproblembeschreibungen.

Die Verwendung von Abstraktion als Methode befreit uns von dem Zwang, bei der Darstellung der Wirklichkeit auch Dinge zu repräsentieren, die uns nicht interessieren. Abstraktion verwenden wir immer auch dann, wenn die Realität zu komplex oder zu umfangreich ist, um sie zu erfassen oder zu manipulieren. Realität bedeutet in diesem Fall gebaute oder geplante Architektur. Jeder Versuch, die Wirklichkeit zu repräsentieren, ist bereits eine Abstraktion. Die einzige vollständige Repräsentation der Wirklichkeit ist das Objekt selbst. Abstraktion wird damit zu einer wichtigen Eigenschaft der Repräsentation [Akin 1986, S. 188]. Abstraktion befähigt zur Manipulation von Objekten, zum Entwerfen oder Analysieren neuer Sachverhalte. Die verwendeten Abstraktionen können sich dabei von Phase zu Phase verändern. Es hat sich erwiesen, daß die Benutzung nur einer Abstraktion zum Entwerfen nicht genügt und zu unbefriedigenden Lösungen führt. Ergebnisse sind Gebäude, die zum Beispiel allein auf Energieverbrauch oder Kosten optimiert wurden.

Sobald die geeignete Abstraktion gefunden und ein Modell definiert ist, wird eine Simulation möglich. Die Simulation ist zum einen ein Mittel, ein real bestehendes Objekt oder einen real bestehenden Zustand in seinen interessanten Aspekten möglichst wirklichkeitsnah darzustellen. Sie ist zum anderen eine Methode, ein angestrebtes Objekt oder einen angestrebten Zustand in seinen interessanten Aspekten möglichst so darzustellen, daß er mit dem auszuführenden Projekt übereinstimmt. Deshalb muß das Modell möglichst vollständig sein.

Ausgehend von einer festen Zielvorstellung, dient die Top-Down-Methode der Erzeugung einer Gesamtlösung durch Zerlegung in Teilprobleme. Sie benötigt zu Beginn eine abstrakte und wohldefinierte Problemspezifikation, die danach solange in kleinere Teilspezifikationen zerlegt werden kann, bis primitive Operatoren darauf anwendbar sind [Simon 1992]. Die Methode ist besonders abhängig von der Identifikation passender Abstraktionen, von der Problem-Dekom-position und von der Handhabung und der Lösung von Konflikten, die während des Designprozesses auftreten können. Computerimplementationen benutzen dafür häufig iterative Schritte. Eine Vereinfachung erreicht man, wenn der gesamte Prozeß in eine vorkompilierte Struktur standardisierter Elemente paßt, für die dann lediglich die entsprechenden Parameter zu bestimmen sind. Beginnt man mit einer Beschreibung der Gesamtfunktion des Objektes, so lassen sich die Einzelkomponenten in Bezug auf ihre Eignung für die Unterstützung der Gesamtfunktion und ihre wechselseitigen Beziehungen testen.

Die Bottom-Up-Methode ist die Zusammensetzung einer Gesamtlösung durch schrittweise erfolgende, iterative oder rekursive Kombination von Einzelelementen. Sie ist nur dann einsetzbar, wenn das Entwurfsproblem durch rationale Entscheidungen gelöst werden kann. Die Einzelelemente müssen bekannt und kombinierbar sein, um neue zusammengesetzte Objekte oder Hypothesen erstellen zu können. Auf jeder Stufe des Kombinations- und Generierungsvorganges wird die neu erzeugte Information darauf geprüft, ob sie die anfangs definierte Zielvorstellung erfüllt. Die Methode ist das Gegenstück zur Top-Down-Methode. Die Bottom-Up-Methode verwendet Suchtechniken (Search), um aus verschiedenen Einzelelementen Gesamtkompositionen zu generieren. Architekturforscher glauben nachweisen zu können, daß diese Methode bei unerfahrenen Architekten mehr zur Anwendung kommt als bei erfahrenen, die mehrheitlich mit komplexeren Strukturen, wie Prototypen oder mit der Top-Down-Methode, operieren [Akin 1986]. Die Verwendung der Bottom-Up-Methode verlangt auf jeden Fall Wissen über das formale und funktionale Architekturvokabular, um aus Einzelelementen eine Gesamtlösung zu komponieren.

Prototypen sind konzeptionelle Schemata für die Repräsentation generalisierten Entwurfswissens, die hierarchisch vom Allgemeinen zum Spezifischen organisiert sind. Entwerfen mit Prototypen bedeutet die Erzeugung einer Variation eines bestehenden Prototyps, die den Anforderungen des Entwurfs entspricht. Operationen mit Prototypen fallen in drei Klassen: Verfeinerung von Prototypen, Anpassung von Prototypen und Erzeugung neuer Prototypen. Diese Klassifizierung entspricht Anwendungen im routine, im innovativen und im kreativen Design [Gero 1988, Gero 1990, Gero 1993].

Fallbasiertes Schliessen (Case-based Reasoning) ist der Versuch, das Gedächtnis von Experten oder ein reales Objekt in seiner Gesamtheit und unkompiliert zu simulieren. Dadurch unterscheidet es sich von anderen wissensbasierten Systemen, die Expertenwissen vor der Anwendung auf neue Probleme, zum Beispiel in Form von Regeln, kompilieren. Fallbasiertes Schließen benutzt die Funktion des Sich-Erinnerns, um ähnliche Lösungen in der Vergangenheit zu finden [Schank 1982]. Anwendungen des seit Beginn der achtziger Jahre aktiven Forschungsgebietes reichen von der Planung [Hammond 1989] über militärische Anwendungen bis hin zur Architektur. Ein fallbasiertes System geht neue Probleme an, indem es zunächst den am nächsten verwandten Fall sucht und ihn an die neue Situation anpaßt. Zu diesem Zweck sind die Fälle nach verschiedenen Gesichtspunkten indexiert. Ist eine Adaptation nicht möglich, kombiniert und adaptiert das System Teilproblemlösungen mehrerer Fälle. Dies vermeidet die wiederholte Lösung ähnlicher Probleme sowie die Schwierigkeiten in der Formulierung allgemeingültiger Regeln und deren Modifikation für Spezialfälle.

Maschinenlernen (Machine Learning hat zum Ziel, durch automatische Wissensaneignung und Wissensverfeinerung die Qualität von Programmen zu verbessern. Ein Machine Learning-System nimmt Beobachtungen auf und verarbeitet sie in einer Wissensbasis. Nach Michalski fällt Machine Learning in drei logische Kategorien [Michalski 1986]: (1) Lernen durch Deduktion. Dabei leistet ein Programm deduktive Inferenzen und reformuliert die Ableitungen in Form nützlicher Schlüsse. Die ursprüngliche Aussage wird beibehalten. Erklärungsbasiertes Lernen ist ein typisches Beispiel. (2) Lernen durch Analogie. Es besteht aus dem unveränderten Übertragen von Wissen aus vergangenen Problemlösungen auf ein neues Problem, das vieles mit den vorherigen gemeinsam hat, sowie aus der Anwendung und Anpassung des übertragenen Wissens zur Lösung eines neuen Problems. Dabei besteht zwischen der ursprünglichen Information aus vergangenen Problemlösungen und der neu gewonnenen Information lediglich ein loser Zusammenhang.

Instrumente entwickeln sich meist aus einem konkreten Bedürfnis und werden auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten. Sie sind deshalb mehr als Methoden an ein Einsatzgebiet gebunden. Diese Beobachtung bestätigst sich vor allem bei den verschiedenen Modellierprogrammen, die von einfachen zweidimensionalen Paint-Systemen bis zu komplexen und integrierten mehrdimensionalen Simulationsprogrammen reichen. Eine große Breite haben auch die verschiedenen Programmierinstrumente erreicht, welche die Verwirklichung von formalisierbaren Vorstellungen erlauben. Computer-Instrumente dienen entweder zum Finden einer ersten möglichen Lösung, verschiedener Lösungen, aller möglichen Lösungen oder einer optimalen Lösung.

Viele Anwendungen des Computers in der Architektur beinhalten die Repräsentation eines Gebäudes in Form von Zahlen oder Text. Zahlen und Text, zusammen mit den darauf ausführbaren Operationen, bilden ein abstraktes Gebäudemodell. Instrumente zur Manipulation dieses Gebäudemodells sind Zahlen- und Texteditoren. In der Entwicklung des architektonischen Entwurfs kommen Zahlen und Text in vielfältigster Weise zur Anwendung: quantitative Evaluation des Gebäudeverhaltens, statische Berechnungen, Beschreibung der Gebäudematerialien, sowie Kostenschätzungen. In einigen Gebieten sind Zahlen und Text die effektivsten Mittel zur Beschreibung und Manipulation von Gebäudeeigenschaften. Um die Idee der Zahlen und Texteditoren zu verdeutlichen, folgt die Beschreibung deren Anwendung in einigen Schritten im Entwurfsprozeß: Im frühen Entwurfsstadium, wenn die endgültige Form des Gebäudes noch flexibel ist, werden sinnvollerweise bereits Energie-, Kosten- und Lichtsimulationen durchgeführt, um die Einflüsse dieser Größen auf die Architektur bestmöglich zu erkunden.

Diagramme sind graphische Repräsentationen symbolischer Zusammenhänge. Die entsprechende Abstraktion ist die funktionale Beschreibung von Objekten, das zugehörige Modell besteht aus der Struktur des Diagramms und den daran auszuführenden Operationen, die im folgenden beschrieben werden. Diagramme lassen vorläufige Schlußfolgerungen und Verbindungen auf einem abstrakten Niveau zu. Sie erlauben es, sich auf bestimmte Aspekte einer Situation zu konzentrieren, ohne den gesamten Problemkreis erfassen zu müssen. Oft ist es am einfachsten, komplexe Sachverhalte mit einem Diagramm darzustellen [Larkin 1987]. Diagramme werden meist schnell auf Papier aufgezeichnet und danach in andere Repräsentationen übersetzt. Computerbasierte Diagramm-Editoren sind selten. Bisher war es notwendig, in einer genau definierten Weise eine Textrepräsentation zu erstellen, aus der sich ein Diagramm automatisch ergab. Dies ist jedoch nicht die Art, in der wir mit Diagrammen zu arbeiten gewohnt sind. Vielmehr sollte der Prozeß umgekehrt verlaufen: Aus einem Diagramm ist eine Textdatei zu entwickeln, die später für andere Zwecke weiterverwendbar ist.

Geometrie-Editoren sind der Hauptbestandteil kommerzieller CAD-Programme. Grundlage der Geometrie-Editoren ist das geometrische Modell sowie alle darauf anwendbaren Operationen wie Transformationen. Die bekanntesten Editoren sind als Instrumente für die Fläche und für den Raum konzipiert. Sie erlauben die Manipulation von Pixels, Vektoren, Flächen und Volumen. Ein Pixel definiert Punkte auf dem zweidimensionalen Computerbildschirm. Vektoren werden durch Anfangs- und Endpunkt definiert und sind unter anderem in Länge, Position, Lage und Strichstärke manipulierbar. Linien definieren die Ränder von Flächen, Flächen begrenzen dreidimensionale Objekte. Diese Objekte sind als Drahtmodelle (Wireframes), Oberflächenmodelle (Surface Models) und Volumenmodelle (Solid Models) darstellbar.

Jedes Programm besteht aus einem Text, der vom Computer interpretiert und ausgeführt wird. Der Text beinhaltet Berechnungen oder steuert Prozesse. Er ist in einer Programmiersprache geschrieben, der eine formale Definition zugrunde liegt. Das bedeutet, daß die so definierte Sprache bestimmten Regeln für Textzusammensetzung und Abläufe (Syntax und Semantik) folgen muß. Mit einer formalisierten Sprache kann man Abläufe und Strukturen am besten beschreiben. Eine Vielzahl verschiedener Programmiersprachen weist eine große Variation in Gestalt und Fähigkeit auf. Die Programmiersprachen lassen sich in diverse Ebenen aufteilen: Man spricht von der Hierarchie der Programmiersprachen. Die Einordnung dieser Sprachen hängt davon ab, wie nahe sie der Sprache (Code) ist, welche die Recheneinheit und die Peripherie direkt verstehen.

Wissensbasiertes Programmieren unterstützt die explizite Repräsentation menschlichen Wissens auf einem bestimmten und abgegrenzten Gebiet. Es hat die Entwicklung von wissensbasierten Systemen (Knowledge-Based Systems, KBS) zum Ziel. In traditionellen Programmen werden das Wissen über ein bestimmtes Gebiet und die Anweisungen, mit diesem Wissen umzugehen, in einem einzigen Programm zusammengefaßt oder vermischt. Dies erschwert die Untersuchung und die Veränderung des Wissens und des Verarbeitungsprozesses (Reasoning Process) und kann zudem unerwünschte Nebeneffekte zwischen den beiden erzeugen. Wissensbasiertes Programmieren dagegen behält die Trennung zwischen Wissen und seiner Anwendung, also dem spezifischen Verarbeitungsprozeß, bei. Dies ermöglicht die Entwicklung von wissensbasierten Programmen, die nicht nur für eine bestimmte Problemlösung einsetzbar sind. In diesem Aspekt weisen wissensbasierte Programme gewisse Ähnlichkeiten mit menschlichen Experten auf, die ihr Wissen und ihre Erfahrung einsetzen, um auch in unerwarteten Situationen richtig reagieren und handeln zu können.

Die objektorientierte Programmierung (OOP) ist ein relativ neuer Ansatz in der Entwicklung von Software [Cox 1987]. Das Ziel ist, eine bessere Art der Repräsentation von Sachverhalten zu erreichen und die Entwicklung von Programmen zu optimieren. OOP konzentriert sich die auf die Organisation von Programmablauf und Daten. Das Objekt bildet die Einheit, in der sich Daten und funktionaler Ablauf des Programms vereinen. Die Attribute (Daten) eines Objekts sind die internen Variablen und Zustände, die das Objekt einnimmt. Methoden sind die Operatoren und Funktionen, die ein Objekt ausführen kann. Eine Funktion ist an ein Objekt gebunden.

Die Anwendung von Formengrammatiken in der Architektur basiert auf der Annahme einer Analogie zwischen gesprochener Sprache und Architektur. Bietet die Sprache grammatische Regeln, nach denen Worte Sätze bilden, so existieren auch grammatische Formregeln, nach denen ein Vokabular von Entwurfselementen zu einem Entwurf kombiniert werden kann. Formengrammatiken sind das graphische Äquivalent der Produktionssysteme und werden auch als solche implementiert. Eine graphische Regel entspricht einer geometrischen Transformation, die eine Wenn- oder Bedingungsseite (Left Hand Side, LHS) und eine Dann- oder Aktionsseite (Right Hand Side, RHS) hat. Sowohl LHS als auch RHS sind geometrische Formen. Bei Anwendung der graphischen Regel wird die LHS durch die RHS ersetzt.

Die fraktale Geometrie erlaubt es, natürliche Formen mathematisch zu beschreiben und chaotische Systeme bildlich zu veranschaulichen. Ein bekanntes Fraktal ist jede Küstenlinie. Betrachtet man einen immer kleineren Ausschnitt der Küste, zeigen sich mit jedem Schritt mehr Buchten und Halbinseln. Mit jedem Fels oder Sandkorn wiederholen sich dieselben, selbstähnlichen Muster, und die Gesamtlänge wächst gegen Unendlich. Neben der Selbstähnlichkeit haben Fraktale die Eigenschaft der Nichtlinearität: Eine Küstenlinie kann nicht mit den Elementen der euklidischen Geometrie, der eindimensionalen Geraden oder der zweidimensionalen Fläche beschrieben werden. Die Dimension der Küstenlinie ist größer als eins, aber kleiner als zwei. Sie entspricht damit einer gebrochener Zahl zwischen eins und zwei, daher der Name Fraktal. Fraktale sind durch die fraktale Dimension vergleichbar. So unterscheiden sich etwa Bäume durch ihre Dimension zwischen zwei und drei. Man kann Fraktale als Untermenge (Subset) der Formengrammatiken betrachten, denn es genügt eine rekursiv angewendete Formenregel, um komplexe Gebilde zu generieren [Peitgen 1986, Peitgen 1988].

Parameter sind Größen, mit denen Objekteigenschaften innerhalb gesetzter Grenzen variiert werden können, ohne daß sich der Charakter der Objekte dabei grundlegend ändert. Die Topologie des Objektes bleibt erhalten, seine Geometrie kann sich insgesamt oder in Teilbereichen ändern. Ist ein Objekt einmal parametrisiert, lassen sich unendlich viele parametrische Variationen daraus ableiten. Dies bedingt Effizienz, denn die einzelnen Objekte sind nicht separat zu speichern, sondern lediglich die Parameter, nach denen sie sich unterscheiden. Das ursprüngliche Objekt, die Parameter, ihre Begrenzungen (Ranges) und die notwendigen Herstellungsmethoden bilden so eine Beschreibung für eine unendliche Vielfalt ähnlicher Objekte. Besitzt ein Objekt mehrere Parameter, so können Interferenzen auftreten, die entweder manuell oder automatisch zu entschärfen sind. Andererseits kann die absichtliche oder zufällige überproportionale Betonung bestimmter Parameter zu neuen Sichtweisen des Objektes führen. Parametrisierung wird entweder bei der Definition des Objektes angegeben oder automatisch durch Methoden wie fallbasiertes Schließen erreicht.

Als Typ bezeichnen wir ein Objekt, das sich durch Form, Funktion oder beides eindeutig identifizieren läßt. Wir beziehen uns damit nicht primär auf die Typendiskussion in der Architektur, sondern definieren einen Typ in Anlehnung an William Mitchells Diskussion dieses Themas, besonders auf seine Beschreibung der essentiellen und zufälligen Eigenschaften eines Typs [Mitchell 1990a, S. 86]. In der Architektur oft wiederkehrende Elemente können damit durch Variation eines Typs abgeleitet werden. Obwohl die Form oder der Inhalt in den meisten Fällen einen Typ definieren, beziehen wir auch andere Attribute, wie Farbe, Transparenz oder Funktion, ein. In einem bestimmten Einsatzgebiet kann die Farbe das Essentielle sein, das einen Typ definiert, in einem anderen Bereich kann es der Wärmedurchgang sein, der den Typ bestimmt.

Substitution bedeutet das Ersetzen eines Objektes durch ein anderes. Das Prinzip der Substitution hat in unserem Fall drei Bedeutungen. Die erste betrifft das einfache Austauschen von Alternativen innerhalb der gegebenen Rahmenbedingungen, also das vollständige Ersetzen eines Objektes durch ein anderes. Die zweite Bedeutung betrifft das Ersetzen aller Objekte einer Klasse durch die entsprechenden Objekte einer anderen. Die dritte Bedeutung tangiert das wichtige Gebiet des Ersetzens von einfachen Platzhaltern oder Symbolen durch komplexe, realitätsnähere Objekte. In allen Fällen ist der syntaktische Vorgang gemeint, der eine, mehrere oder alle Variationen eines Typs durch andere austauscht.

Der Detaillierungsgrad ist ein Instrument, um für den jeweiligen Stand des Entwurfs das richtige Maß an Objekt-Detaillierung zur Verfügung zu stellen. Er erlaubt, das gleiche Objekt in verschiedenen Detaillierungen zu betrachten. Essentielle Eigenschaften des Objektes, wie seine Position, Größe und Lage im Verhältnis zum Gebäude, ändern sich dabei nicht. Anstelle der Substitution durch einen anderen Typ geschieht hier der Ersatz durch einen anderen Detaillierungsgrad innerhalb desselben Typs. Gehören verschiedene Objekte zu einem Typ, so unterscheiden sie sich in der Regel nur durch ihren Detaillierungsgrad, also den Grad ihrer Ausarbeitung. Entscheidend ist dabei nicht die geometrische Form der Objekte, sondern ihre strukturelle Zusammengehörigkeit.

Das Prinzip des Designfokus oder des Logical Zoom ist in der Architektur von essentieller Bedeutung. Es erlaubt, in definierten Stufen von rein symbolischer Darstellung zu detaillierteren Repräsentationen überzugehen. Eine Parallele zu der traditionellen Planherstellung besteht im Detailgehalt der verschiedenen Maßstabsdarstellungen. So ist es selbstverständlich, daß ein Lageplan keine Informationen über Fensterdetails enthält, oder daß in der genauen Darstellung einer Tür keine Informationen über das umliegende Gelände auftreten. Selbst die leistungsfähigsten CAD-Systeme ist benötigen die Fähigkeit des Logical Zoom. Die Vorstellung, daß in einem Modell alle Informationen vom Kontext bis zum 1:1 Detail, einschließlich aller Attribute vorhanden sein müßten, überfordert jedes CAD-System. Vielmehr wird ein intelligentes CAD-System Verbindungen und Vernetzungen zwischen Geometrie, Symbolen, Details und Attributen auf einer höheren Ebene speichern und nur bei Bedarf zusammensetzen. Damit wird auch eine neue Klasse von Operationen auf abstrakterem und daher effizienterem Niveau möglich.

Die Zahl bekannter, formalisierter und durch den Computer unterstützter Methoden und Instrumente wächst ständig. Noch werden die Methoden und Instrumente vorwiegend für die Analyse und Rekonstruktion eingesetzt, doch eine zunehmende Zahl junger Architektinnen und Architekten benutzt sie als selbstverständliche intellektuelle Instrumente für die Tätigkeit des praktischen Entwurfs. Immer öfter tauchen in Publikationen Entwürfe bekannter Architekten auf, bei denen zumindest ein Teil der Präsentation die Verwendung eines Computers erkennen läßt. Interessant ist die Tatsache, daß die Verwendung des neuen Instruments durch bekannte Architekten einen höheren Abstraktionsgrad aufweist als die Beispiele weniger bekannter Architekten, die den Realitätsgrad möglichst hoch ansetzen [Gandelsonas 1991]. Am besten läßt sich das Eindringen des CAAD in Lehre und Praxis in den letzten entscheidenden Jahren wohl am Beispiel des ACS-Preises bei der jährlich stattfindenden Wiesbadener ACS-Messe nachverfolgen.

Der Raum zwischen Architectura — die wir als theoretisch fundiertes Gedankengebäude charakterisiert haben — und Machina, deren Beschreibung im letzten Kapitel erfolgt, enthält Beispiele, welche die Wechselwirkung von Architektur und Maschine erzeugt. Diese Beispiele sind wichtig, zeigen sie doch die Distanz zwischen dem mit der Maschine oder in der Theorie Denkbaren und dem praktisch Realisierbaren. Sie gewähren einen Einblick in das heute Mögliche und einen Ausblick in die Zukunft.

In der Geschichte der Architekturausbildung ist es ungewöhnlich, Instrumente oder Methoden in der Lehre zu vermitteln, bevor sie in der Praxis ihren Nutzen bewiesen haben. Und trotzdem finden sich CAD oder CAAD inzwischen in beinahe allen Architekturschulen der industrialisierten Länder als Pflicht- oder Wahlfach. Es handelt sich dabei um einen kostenintensiven Lehrbereich, dessen gesamte Infrastruktur im Rhythmus weniger Jahre zu erneuern ist. Außerdem entwickelt sich die CAAD-Forschung mit großer Geschwindigkeit, was eine ständige Anpassung der Lehrinhalte notwendig macht. Zur Erklärung dieser an sich erstaunlichen Tatsache läßt sich anführen, daß CAAD wie andere Gebiete der Wissenschaft auf Prinzipien beruht, die einem weniger schnellen Wandel unterworfen sind. Die im ersten Kapitel beschriebenen Methoden und Instrumente sind Beispiele dafür. Verschieden sind nur die Vollständigkeit und die Art der Umsetzung der Prinzipien in den verschiedenen Programmen.

Die meisten der Studierenden haben bereits vor Studienbeginn in Schule und Ausbildung Kontakt mit einem Computer gehabt. Computerunterstützter architektonischer Entwurf dagegen ist eine Anwendung, die den Wenigsten bekannt ist. Wichtig ist der Zeitpunkt, zu dem die Studierenden mit dem neuen Instrumentarium in Berührung kommen: Geschieht dies zu Beginn des Studiums, so kann CAD zum selbstverständlichen Entwurfsinstrumentarium werden. Eine Folge kann sein, daß die entsprechenden Studentinnen und Studenten traditionelle Darstellungsformen nicht mehr erlernen. Geschieht die Einführung während oder gegen Ende des Studiums, so sind die wichtigsten Prägungen bereits geschehen. Ein mögliche Folge ist die falsche Einschätzung des neuen Instruments und dessen Reduktion auf die Funktion eines elektronischen Bleistifts. An der ETH Zürich sind seit Jahren beide Methoden implementiert. Besonders interessant sind die Ergebnisse des ersten Jahreskurses in Entwurf und Konstruktion bei Herbert Kramel. Innerhalb dieses Kurses gibt es eine große, über 200 Studentinnen und Studenten umfassende Gruppe, die nach traditioneller Art unterrichtet wird, sowie eine kleinere Gruppe von etwa 80 Studierenden, die von Beginn an den Computer für Entwurf und Darstellung einsetzen.

Es besteht die Ansicht, daß CAAD wie kein anderes Instrument in der Architektur zur Disziplin zwinge. Dies zeigen die vielen Leitfäden und Checklisten für den Einsatz von CAD im Bauwesen [Meißner 1992], in denen immer wieder ein diszipliniertes und geplantes Vorgehen empfohlen wird. Diese Anweisungen sind für den praktischen Einsatz von CAD in der Tat richtig. Sie sind jedoch auch ein Zeichen dafür, daß die meisten CAD-Programme noch nicht ausgereift sind [Dette 1992]. Je besser und intuitiver die Anwendung programmiert ist, desto mehr Freiheit besteht für die Benutzer. Ordnung und Chaos sind auch im Gebrauch von CAAD im Entwurf nahe miteinander verwandt.

Bei der Einführung von Computern in den Entwurf gibt es die verschiedensten Ansätze, von denen hier lediglich zwei Extrempositionen dargestellt werden sollen. Das erste Extrem ist die Computerisierung bestehender Methoden, charakterisiert durch die Idee des elektronischen Bleistifts. Nach dieser Methode kommen nur solche Computer und Programme zum Einsatz, welche die bestehende Lehre- oder Praxis nachahmen. Experimente und Programme, die solche unterstützen, sind unerwünscht. Das zweite Extrem ist der völlige Bruch mit der bestehenden Entwurfs- und Lehrpraxis. Programminstrumente werden um ihrer selbst willen eingesetzt, um die neuen Möglichkeiten zu erkunden, ohne Rücksicht auf überkommene Lehrvorstellungen.

Als integrierten Entwurf in der Architekturausbildung wollen wir vereinfacht die interaktive Einbeziehung von verschiedenen Architekturaspekten bezeichnen. Voraussetzung dazu ist ein Set kompatibler Abstraktionen. Alle so entstehenden Simulationsmöglichkeiten basieren auf einem digitalen Modell des Gebäudes. Die große Informationstiefe, die das Arbeiten mit Computerprogrammen erlaubt, macht den integrierten Entwurf erst möglich. Die zugrunde liegende Idee erscheint logisch: Alle meßbaren Größen werden während des Entwerfens simuliert und geben ein direktes Feedback, aufgrund dessen der Entwurf sich in eine bestimmte Richtung bewegt.

Traditionelle Architekturmodelle haben ihren festen Platz in der Entwicklung und Präsentation von Entwürfen in Lehre und Praxis. Das traditionelle Architekturmodell zeigt primär die formal-geometrischen Eigenschaften eines Entwurfs. Arbeitsmodelle erlauben ein interaktives und schnelles Testen von räumlichen Alternativen und Materialien. Präsentationsmodelle sind trotz der notwendigen Abstraktion ein Versuch der Vorwegnahme von Realität und dienen als Entscheidungshilfe. Im traditionellen Modell ist es möglich, den Modellelementen nur eine begrenzte Zahl von Attributen wie Farbe und Text zuzuordnen. Die sich daraus ableitenden Folgerungen müssen im menschlichen Gedächtnis analysiert werden. Im Unterschied zum physischen Modell gestattet es die Repräsentation im Computer, jedem Objekt eine Vielzahl von Attributen zuzuordnen, nach denen sich das Gesamtobjekt später analysieren läßt. Zusätzlich kann die zeitliche und inhaltliche Struktur des Entwurfsprozesses im Computermodell vorhanden sein.

Die Beziehung zwischen Architektur und natürlicher Sprache, bekannt unter dem Begriff ‘Design as Language’, ist seit Jahren Gegenstand der Forschung. Besonders Anfang der achtziger Jahre, angeregt durch neue Forschung in der Psychologie und durch die Computerimplementierung generativer Algorithmen, gewann die Idee von Architektur als Sprache an Boden. Mitchell faßte diese Gedanken zusammen [Mitchell 1990a].

Im ersten Schritt erhalten die Studierenden eine Sammlung einfacher Objekte, die zusammen das Vokabular bilden. Die Objekte unterscheiden sich nach ihrer Farbe. Jedes einzelne Objekt bezeichnen wir als Typ (siehe Instrument: Objektorientiertes Modellieren I — Typen und Variationen). Als weitere Vorgabe erscheint ein Raster von 16 Quadraten, auf denen vier Reihen von Kompositionen zu entwickeln sind. Die ursprüngliche Komposition befindet sich jeweils in der ersten Spalte, in den weiteren Spalten sind Variationen der vorhergehenden Komposition zu entwerfen.

Die Konstruktion im dreidimensionalen Raum, aus dem traditionellen Entwerfen bekannt, ergänzen wir durch die nur mit dem Computer mögliche Fähigkeit der Substitution (siehe Instrument: objektorientiertes Modellieren II — Substitution). Bei der Verwendung traditioneller Entwurfsmethoden ist die Darstellung auf dem Medium Papier immer zweidimensional, das entwerferische Denken dagegen dreidimensional. In einem räumlichen Modelliersystem ist das Objekt selbst dreidimensional und erlaubt so beliebige zweidimensionale Abbildungen auf dem Bildschirm. Das Modellieren gewinnt in diesem Schritt mehr Freiheitsgrade und verlangt daher eine höhere Konzentration. Neue Operatoren gelangen zum Einsatz. Typenvariationen lassen sich nun im Raum und um jede Achse bewegen, drehen, skalieren und spiegeln. Das Verlassen der Ebene, des sicheren Bodens, bereitet vielen Studentinnen und Studenten zu Beginn gestalterische Mühe, sie lernen jedoch schnell die neuen Freiheiten zu schätzen. In der ersten Übung verwenden die Studentinnen und Studenten Orthogonalprojektionen und Axonometrien die das Objekt auf eine abstrakte Art zeigen.

Während des Entwurfens ist es wichtig, daß für Objekte verschiedene Abstraktionsgrade zur Verfügung stehen (siehe Methode: Abstraktion und Modellbildung). Wir wollen in der Lage sein, ein Objekt nur in seinen räumlichen Umrissen zu sehen, in einer vorläufigen Darstellung oder in verschiedenen Graden der Detaillierung. Dabei gehen wir davon aus, daß grundsätzliche Entscheidungen über die innere Struktur des Entwurfs bereits wie in Schritt 2 beschrieben gefallen sind. Dieses Vorgehen erlaubt es, Wichtiges von Unwichtigem zu trennen und sich auf ausgewählte Teile des Entwurfs zu konzentrieren, ohne den Gesamtüberblick zu verlieren. Wir erreichen dies mit einem speziell für diesen Zweck entwickelten Instrument (siehe Instrument: Objektorientiertes Modellieren III — Detaillierungsgrade, sowie Instrument: objektorientiertes Modellieren IV — Designfokus — Logical Zoom). Das Äquivalent der Detaillierungsgrade in der natürlichen Sprache sind die verschiedenen Sichten, unter denen man ein Dokument betrachten kann. Textverarbeitungsprogramme zum Beispiel bieten die Funktion der Gliederung an.

Der Sinn dieses Schrittes besteht darin, zusammengehörige Elemente innerhalb eines Objektes zu erkennen und diese so zu gruppieren und zu verbinden, daß sie als Einheit behandelt werden können. Damit lernen die Studentinnen und Studenten, Hierarchien zu erkennen, beziehungsweise zu etablieren. Die so definierten hierarchischen Objekte verhalten sich danach wie die zuvor beschriebenen Typen. Sie können ebenso gespeichert und abgerufen werden. Allerdings kann ein zusammengesetztes Objekt Elemente auf verschiedenen Detaillierungsgraden enthalten, was bei der späteren Weiterverarbeitung der Variationen besondere Sorgfalt verlangt.

Sämtliche im vorangegangenen Abschnitt angesprochenen Übungen bleiben auf das Arbeiten mit Objekten beschränkt. Verbindungen zum Entwurf werden angesprochen, die Übungen sind aber nicht primär zur Erzeugung architektonischer Objekte gedacht. Denn Entwurf als Sprache ist lediglich eine Sichtweise und ein gedanklicher Rahmen, den das objektorientierte Modellieren unterstützt. Die Kenntnis des beispielhaft beschriebenen Vorgehens dient vielmehr bei der Anwendung im Entwurf als wichtige methodische Grundlage. Die syntaktischen Aspekte des Entwurfs stehen dabei im Vordergrund. Doch auch auf der Ebene der Instrumente selbst — also der Typen und Variationen, der Substitution, der Detaillierungsgrade und der Compound Objects — sind interessante Entwurfsanstöße möglich.

Modellieren mit Prototypen ist eine Technik, die in Zukunft große Veränderungen in den CAD-Systemen verlangen wird. Im vorliegenden Beispiel haben wir uns typische Konstruktionen von Rossi, Sterling, Lerup und Le Corbusier vorgenommen und versucht, mit Hilfe von Chris Luebkeman statische Gemeinsamkeiten zu entdecken und zu formulieren. Ziel war nicht die architektonische Rekonstruktion der Gebäude, sondern die Herstellung eines Computerinstruments, das die Stabilität von automatisch mit Prototypen erzeugten Objekten garantiert, die entfernt an Gebäude der genannten Architekten erinnern. Nach dieser Definition entstanden vier verschiedene Programme, die von einer graphischen Benutzeroberfläche abrufbar sind. Nach der Wahl eines Prototyps werden bestimmende Parameter, wie Anzahl der Geschosse, Zahl der Achsen, Dachformen und -Neigungen, abgefragt. Danach erscheint ein Set von Rechtecken auf dem Bildschirm, welche die so definierten Constraints darstellen.

Aventicum, das heutige Avenches, liegt am Murtensee in der Westschweiz. Der Name der Stadt ist abgeleitet von der helvetischen Göttin Aventia. Um 8 v. Chr. wurden der Helvetierstaat — Civitas Helvetiorum — und ein neuer administrativer Mittelpunkt, Aventicum, gegründet. Die Wahl des Standortes wurde bestimmt durch die große Durchgangsstraße durchs Schweizer Mittelland, die Nähe des Murtensees und die Qualität des Baugrundes.

In Zusammenarbeit mit dem Architekten Mario Campi fand 1990 ein Computer Aided Architectural Design-Studio für Studentinnen und Studenten in den beiden letzten Studienjahren statt. 16 Teilnehmerinnen und Teilnehmer, zum Teil mit zum Teil ohne Computererfahrung, wollten an dem Experiment teilnehmen. Die Entwurfsaufgabe — das Industrie-Areal der Firma Sulzer in Winterthur und dessen Überführung in eine neue Nutzung und architektonische Gestalt — war komplex. In einem ersten Schritt, der gleichzeitig als Einführung in das CAD-Programm diente, digitalisierten die Assistentinnen und Assistenten die bestehende Stadt.

Als Teil der Fall-Datenbank im ‘Architectural Space Laboratory’ der Architekturabteilung der ETH Zürich entstanden acht Modelle nicht realisierter Projekte des italienischen Architekten Giuseppe Terragni (1904–1941). Diese Modelle geben Einblick in eine wichtige Phase des italienischen Rationalismus. Die ‘Accademia di Brera’, zwei Versionen der Villa ‘Floricoltore’, das Projekt des ‘Palazzo dei congressi’, das ‘Haus für einen Künstler’, die ‘Villa con Darsena’, das Projekt einer Kathedrale und zusammen mit Pietro Lingeri das ‘Danteum’ stehen in verschiedenen Datenformaten zur Verfügung.

Die Vermittlung von Programmentwicklungs-Kenntnissen in der Architekturausbildung ist ein umstrittenes Thema. Die Befürworter sehen darin eine überzeugende Möglichkeit, Studentinnen und Studenten zum systematischen Denken und Planen zu erziehen. Die Gegner halten es für eine unnötige Belastung des ohnehin überfüllten Stundenplanes, die nichts mit dem Erlernen des Architektur-Schaffens zu tun habe. Ist das Programmieren erst einmal eingeführt, wird es entweder bei der Informatik gelehrt oder bei den Architekten selbst. Die Computerwissenschaftler garantieren die ‘reine Lehre’ des Programmierens, haben aber meist keinen Bezug zur Architektur. Die Architekten sind in der Vermittlung des Programmierens eher an der Anwendbarkeit im Entwurf interessiert. Wir haben letztere Möglichkeit gewählt. Die Anwendung aller zuvor beschriebenen Methoden und Instrumente setzt das Vorhandensein von Programmen voraus. Der Entwurf und die Erstellung solcher Programme ist eine Tätigkeit, die mit Entwurf und Ausführung in der Architektur vieles gemeinsam hat.

Der Beginn der neunziger Jahre brachte eine explosionsartige Verbreitung der neuen Technologie in bekannten Architekturbüros Europas. Programme und Maschinen haben einen Grad der Zuverlässigkeit erreicht, der ihre Verwendung in Großprojekten erlaubt. Die folgenden Beschreibungen sind unvollständig und schlaglichtartig und können lediglich die Situation zu einem bestimmten Zeitpunkt beschreiben. Doch geben sie aufschlußreiche Einblicke in die Gründe und Denkvorgänge, die zur Computerisierung der Büros führten.

Dieses Projekt beschreibt einen Wettbewerb für eine Bank in Granada, Südspanien. Der Wettbewerb gab die Möglichkeit, einen Entwurf von Beginn an mit dem Computer zu entwickeln und unter praxisähnlichen Bedingungen zu arbeiten. Während des Entwurfs kam eine Reihe verschiedener Computerprogramme zum Einsatz. In der frühen Phase wurden zweidimensionale Zeichenprogramme verwendet, in der Entwurfsphase kamen dreidimensionale Modellierprogramme zur Anwendung, und die letzten Bilder wurden mit Rendering-Programmen für die photorealistische Darstellung erzeugt.

Das Projekt war ein Testfall in verschiedenen Beziehungen. Es demonstrierte, daß die von uns entwickelten Instrumente nicht nur für den Unterricht, sondern bei entsprechendem Wissen auch für den praktischen Entwurf von Nutzen sind. Es zeigte auch die Wichtigkeit der Verwendung verschiedener Programme und Techniken sowie die Bedeutung menschlicher Arbeitsteilung und Kommunikation.

Neue Wirklichkeiten sind am besten in den Arbeiten mit intelligenten Programmen am graphischen Computer sichtbar. 1992 und 1993 fand an der Schule für Gestaltung in Zürich die Ausstellung ‘New Realities’ statt. War 1992 das Thema ein allgemeiner Einblick in die neuen Techniken, so stand 1993 ganz im Zeichen des CAAD. Für beide Ausstellungen wählten wir eine Reihe von Animationen aus. Die Video-Samples entstanden aus den verschiedensten Anlässen. Allen gemeinsam ist die Absicht, etwas noch nicht oder nicht mehr Bestehendes in anderer Sicht darzustellen und bei bestehenden Bauten Aspekte zum Ausdruck zu bringen, die in traditionellen Darstellungsweisen verborgen bleiben. ‘Ando’ entstand aufgrund einer Idee am Ende einer Seminarwoche ‘Beyond Reality’ im Dezember 1991. Ich erinnerte mich an die Möglichkeit nicht-linearer Transformationen in einem High End-Visualisierungsprogramm, das wir bisher nur für Renderings eingesetzt hatten. Zugleich hatten wir ein dreidimensionales Computermodell des Gebäudes von Tadao Ando, das meiner Meinung nach nicht die dynamischen Aspekte des Gebäudes zeigte.

Im Sommer 1991 fand an der ETH Zürich die Konferenz CAAD futures ’91 statt [Schmitt 1992b]. Die Ausstellung Lineamenta-CAAD war Teil dieser Konferenz und wurde gemeinsam vom Institut für Geschichte und Theorie der Architektur (gta) und von der Professur für Architektur und CAAD veranstaltet. Die Ausstellung hatte zwei Ziele: zum einen die Präsentation der seit der Etablierung der Professur für Architektur und CAAD entstandenen Arbeiten, die sich auf die Anwendung des Computers in der Architektur beziehen; zum anderen den Versuch, eine Verbindung zwischen dem modernen Gebrauch von Computern in der Architektur und der in der Architekturtheorie verankerten Idee von Architektur als Wissenschaft zu schaffen.

Ausgehend von einer Idee des Einsiedler Regisseurs Karl Saurer entstand die Aufgabe, mögliche Konsequenzen der Schaffung eines künstlichen Sees zu visualisieren. Ausgangspunkt waren verschiedene Vorschläge für einen Stausee in der Zentralschweiz zu Beginn dieses Jahrhunderts. Das schließlich ausgeführte Projekt ließ den heute als Sihlsee bekannten Stausee bei Einsiedeln entstehen. Die Planungen lagen in unterschiedlichem Detaillierungsgrad vor, vom ausgearbeiteten Projekt bis zur schematischen Skizze. Wir setzten uns zum Ziel, alle Projekte digital darzustellen, um so visuelle Vergleichsmöglichkeiten zu haben.

Das Projekt ‘Triemli’ entstand als praktische Anwendung in Zusammenarbeit mit dem Architekturbüro Sumi und Burkhalter in Zürich. Das Büro hatte den Auftrag, für das Zürcher Triemli-Spital einen neue Fassade zu entwickeln. Nicht nur die äußere Hülle und die Farbgebung bedurften der Modifikation, sondern auch das damit verbundene Energiekonzept. Die Forschungskomponente liegt in der Erprobung und Verfeinerung der von uns entwickelten objektorientierten Variations- und Substitutionsmethoden an einem realen großen Bauwerk. In vielen Sitzungen mit den Architekten entstand das vorliegende, farblich abgestimmte Computermodell, von dem während des Prozesses hauptsächlich orthogonale Projektionen entstanden. Das im Video gezeigte dreidimensionale Computermodell war die Basis für alle Schnitte und Ansichten. Die Farben der neuen Bauteile definierten die Architekten und Sharon Refvem gemeinsam interaktiv am Bildschirm und am Video-Monitor. Die Animation ist eine Echtzeit-Aufzeichnung der Abläufe, mit denen sich die Beobachter am Computer durch und um das Triemli-Spital bewegen können.

Eine Ausstellung der Gesellschaft Schweizerischer Maler, Bildhauer und Architekten G.S.M.B.A. im Zürcher Kunsthaus gab den 1992 aufgenommenen Künstlern die Gelegenheit, sich je mit einem Werk der Öffentlichkeit vorzustellen.

Die in den Computerwissenschaften entwickelten Methoden und Instrumente zeigen ihre Brauchbarkeit in der Anwendung auf den kreativen künstlerischen Schaffensprozeß. Wie alle anderen technischen Werkzeuge wird der Computer Teil unserer Kulturgeschichte, indem wir ihn in den kreativen Prozeß einbinden. Als verlustfreier präziser Mechanismus ist die Computermaschine neutral und führt ihre Operationen im unbegrenzten Datenraum aus. Als übergeordnetes Meta-System kann sie uns helfen, Strukturen zu erkennen und die materielle Welt mit Inhalten zu besetzten, die uns vorher verborgen waren.

Die Forschung nimmt im Computer Aided Architectural Design eine zentrale Stelle ein. Sie umfasst die Definition, das Testen und die prototypische Implementation zukünftiger Richtungen. Wie der Entwurf, so entwickelt sich auch die Forschung sowohl entlang vordefinierter Wege als auch in chaotischen Sprüngen. Beide Möglichkeiten garantieren erst das Entstehen wirklich neuartiger und nützlicher Programme.

Die ‘Maison en bord de mer’ ist ein wichtiges Baudenkmal der Moderne. Die Architektin und Designerin Eileen Gray erbaute es in den Jahren 1926 bis 1929 in Südfrankreich. Heute sind nur noch Teile von Gebäude und Einrichtung vorhanden, das Haus ist in einem schlechten baulichen Zustand und nicht zugänglich. Ebenso verhält es sich mit anderen kulturhistorisch wertvollen Bauten, die sich enormen Interessenskonflikten ausgesetzt sehen. Nicht nur kollidieren die Bedürfnisse der Allgemeinheit nach Erhaltung und Besichtigungsmöglichkeit mit den Intentionen der meist privaten Eigentümer, auch der eigentliche denkmalpflegerische Umgang mit den Objekten ist oft von unterschiedlichen Auffassungen geprägt. Die Konzepte bewegen sich in einem Spannungsfeld, das von Konservierung über Restaurierung, Sanierung, Rekonstruktion bis hin zu einer Neuinterpretation reichen kann. Jeder Eingriff birgt die Gefahr, daß er aus einer anderen Sichtweise den Wert des Denkmals und dabei besonders seine geschichtliche Materie schmälert.

Seit jeher faszinieren die Erforschung der Vergangenheit und die Planung der Zukunft. 1990 setzten es sich drei Professuren an der ETH Zürich zum Ziel, ein neues Planungs- und Entwurfs-Instrumentarium zu entwickeln: die systematische Erkundung einer Hard-und Software-Umgebung, in der Modelle urbaner Entwicklung repräsentiert, manipuliert und entworfen werden können. Das Schwergewicht liegt dabei auf der Identifizierung und der Darstellung von Informationen, die in Städtebau und Architektur für Analyse und Entwurfszwecke nützlich sind. Als Gegenstand eines ersten prototypischen Systems diente die Stadt Aventicum. Beschreibungen und Dokumente über die Stadt, Pläne in verschiedenen Maßstäben und aus verschiedenen Zeiten werden in einer Computer-Datenbank zusammengefaßt. Durch die Verwendung der Datenbank sind Entwurfs- und Wachstumsaspekte interaktiv erfahrbar.

Die Repräsentation und Aneignung von architektonischem Wissen sowie dessen Formalisierung für die Verwendung in Computerprogrammen ist noch immer ein schwieriges Forschungsgebiet, ohne dessen Lösung keine intelligenten CAAD-Systeme möglich sind. Traditionellerweise sind Produktionsregeln ein weitverbreitetes Paradigma, Wissen für Computeroperationen zu repräsentieren. Die Regeln und Aktionen können in sich einen hohen Komplexitätsgrad erreichen und durch Kontrollmechanismen, wie Vorwärtsdeduktion oder Rückwärtsdeduktion, miteinander verknüpft sein (siehe Instrument: Programmieren II — Wissensbasierte Programme). Für Anwendungen in Gebieten wie Architektur und Design ist es jedoch praktisch unmöglich, ein kohärentes Set solcher Wenn-Dann-Regeln zu formulieren, das den großen Reichtum von architektonischem Wissen adäquat umfaßt. Noch ist nicht bekannt, welche Art von Wissen notwendig ist, um einen kompletten Entwurf mit Regeln zu erzeugen. Außerdem gibt es starke Hinweise aus der Psychologie, daß beim Entwerfen nicht lediglich Regeln zum Einsatz kommen, sondern erfahrene Entwerferinnen und Entwerfer vermehrt auf zuvor gelöste, ähnliche Probleme zurückgreifen.

Zahlreich und treffend sind die Argumente, die man gegen Computer in der Architektur vorbringen kann. Für jeden neuen Vorschlag findet sich ein warnendes Beispiel, wohin diese Entwicklung führen könnte. Besonders deutlich wird dies auf dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz. Bei der erstmaligen Erwähnung dieses Wortes kommt fast zwangsläufig die Feststellung, man solle erst einmal die natürliche Intelligenz unterstützen, das Ganze sei nicht ausgereift, und überhaupt habe man schlechte Erfahrungen mit diesem Humbug gemacht.

Mit dem Erscheinen der ersten Architekturzeichnung begann in der Baukunst eine Entwicklung, deren nächster konsequenter Schritt die Anwendung der Technik der Virtuellen Realität (VR) sein wird. Heute erlauben es die neuesten gedanklichen und technischen Möglichkeiten, dem Ziel einer virtuellen Architektur näherzukommen, die vor ihrer Ausführung in möglichst vielen ihrer Konsequenzen bekannt und erfahrbar ist. Die Komponenten der VR sind bekannt, neu ist ihre Kombination.

Machina — dieser Teil des Buches ist der Maschine und den Programmen gewidmet, die Computer zum Arbeiten benötigen. Das Kapitel machina beschreibt die Computerumgebung als Ganzes, kurz Computerinfrastruktur genannt. Zu Beginn steht eine allgemeine Schilderung der Entwicklung und der Rolle der Maschine in der post-industriellen Gesellschaft, sowie der Programme und ihrer Arbeitsweise. Es folgen Betrachtungen zu einigen architekturspezifischen Aspekten des Computers und über die speziellen Anforderungen an die Maschine im Architekturbüro. Am Ende steht ein Ausblick mit Gedanken über die Rolle der Künstlichen Intelligenz (KI) und die Bedeutung des Ausbaus der Netzwerke. Beschrieben werden im ersten Teil dieses Kapitels lediglich kommerzielle Computer und Programme, die bereits heute verfügbar sind. Im Gegensatz dazu stehen die in den ersten beiden Kapiteln behandelten innovativen Lehr- und Forschungsprogramme sowie Entwicklungen, die noch keine weite Verbreitung im kommerziellen Markt gefunden haben.

Es dauerte weniger als ein Jahrzehnt, bis der Computer in der industriellen Gesellschaft zum wichtigsten technischen Instrument wurde. Die achtziger Jahre des 20. Jahrhunderts, in denen der Dienstleistungssektor der größte Faktor der westlichen Volkswirtschaften wurde, sahen eine unaufhaltsame Verbreitung der Systeme und der damit einhergehenden Infrastruktur. Es ist nicht verwunderlich, daß erst mit der Einführung des ‘Personal Computer’ (PC) im Jahre 1981 die Massenverbreitung der neuen Technik einsetzte. Denn im Gegensatz zu den bis dahin üblichen Maschinen brauchten die neuen Computer lediglich eine Steckdose und einen Arbeitsplatz- und wurden so überall einsetzbar. Erst später erkannte man, daß mit isolierten Arbeitsplätzen wenig modernes Arbeiten möglich ist, woraufhin eine Welle von Peripherie- und Infrastrukturinvestitionen begann, die bis heute noch nicht abgeschlossen ist.

Das neue Architekturbüro unterscheidet sich grundsätzlich von dem der Vergangenheit. Der Arbeitsplatz der Architektinnen und Architekten, einst die billigste aller vorstellbaren Arbeitsumgebungen in Einrichtung und Unterhalt, wird kapitalintensiv. Seit Mitte der achtziger Jahre tritt zudem vermehrt der Fall auf, daß die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in einem Büro über mehr technisches Wissen und Gerät verfügen als die Chefs. Doch nicht nur im materiellen Bereich — Hardware und Peripherie — deuten sich Veränderungen an. Auch das intellektuelle Instrumentarium der Architektur in der Form neuer Programme und Modelliermöglichkeiten wächst ständig.

Bei der Betrachtung der Grundlagen von CAD und bei der Vorstellung der Komponenten und Programme sind zwei Perspektiven zu unterscheiden. Die erste geht vom Ist-Zustand aus, der auf dem CAD Gebiet von einer großen Zahl kommerzieller Insellösungen für spezielle Probleme gekennzeichnet ist. Alle, die schnell eine CAD-Umgebung brauchen, müssen sich mit diesem Ist-Zustand auseinandersetzen und die entsprechenden Komponenten auswählen. Die zweite Betrachtungsweise ist zukunftsorientierter und geht davon aus, daß mittelfristig die verschiedenen Komponenten besser kompatibel werden und langfristig in einem integrierten System zur Verfügung stehen werden. Mit dieser Möglichkeit vor Augen, wird die Planung der Infrastruktur, die Anschaffung der Maschinen und Software sowie die Ausbildung der Beteiligten anders aussehen.

Heute gehören Kameras, deren Chips mit unscharfer Logik (Fuzzy Logic) und neuronalen Netzen (Neural Network) arbeiten, zu den normalen Konsumgütern. Autofokus und garantiert scharfe Bilder sind das Resultat. Die Grundlagenforschung, die heute Produkte dieser Art ermöglicht, geschah um die Mitte des Jahrhunderts. Bereits Jahre, bevor Evan Sutherland seine Gedanken zu Sketchpad niederschrieb, kam der Begriff der KI 1956 nach einer Konferenz in Dartmouth in Umlauf. Damals wollte eine Gruppe junger Forscher in einer zweimonatigen Studie nachweisen, daß jede Art des Lernens und jeder andere Aspekt der Intelligenz so präzise beschrieben werden können, daß eine Maschine konstruierbar ist, die dieselben Vorgänge simuliert. 30 Jahre später definieren Eugene Charniak und Drew McDermott den Begriff KI folgendermaßen: “Artificial intelligence is the study of mental faculties through the use of computational models.” [McDermott 1987] — “Künstliche Intelligenz ist die Erforschung mentaler Fähigkeiten mit Hilfe von Computermodellen.” (dt. v. Verf.).

Die nächste Generation der Hardware wird zunehmend von der Möglichkeit der Parallelisierung Gebrauch machen und zugleich die Geschwindigkeit der parallel geschalteten Einzelprozessoren erhöhen. Doch wird es bis zur Mitte der neunziger Jahre dauern, bis Spitzenrechner eine für das architektonische Entwerfen und Modellieren akzeptable Geschwindigkeit erreicht haben werden. Bis diese Leistung auf Personal Computern zur Verfügung steht, werden noch einmal drei bis fünf Jahre vergehen. Doch sicherlich wird sich der portable Computer weiter durchsetzen und die direkte Eingabe auf großen, farbigen Bildschirmen erlauben.

In einem Aufsatz über den neuen Entwurfsprozeß und dessen Organisation schreibt eine Expertengruppe 1969 an das Britische Arbeitsministerium: “Der Entwerfer den Zukunft wird direkte Verbindungen von seinem Büro nicht nur zu massiver Computerleistung und externen Datenbanken haben, sondern auch zu Menschen mit anderen Fähigkeiten und Interessen. Der im Computer gespeicherte Entwurf wird anderen Partnern zugänglich sein, die so an seinem Fortschritt teilnehmen. Daten für die Herstellung des Gebäudes können über diese Verbindungen direkt zu den Firmen oder sogar zur Baustelle gesandt werden. Die Entwurfszeit für einzelne Projekte wird auf einen Bruchteil ihrer jetzigen Größe schrumpfen, jedoch zugleich dem Entwerfer Gelegenheit zum detaillierten Studium von Varianten geben, für die er im Moment weder Zeit noch Gelegenheit besitzt.” [London 1969, dt. v. Verf.].