Die beiden wissenschaftlichen Disziplinen Mathematik und Architektur sind seit jeher eng miteinander verbunden. Sich darauf besinnend, wird ein interdisziplinäres Team um Kristina Schinegger und Stefan Rutzinger vom Institut für Gestaltung und Tobias Hell vom Institut für Mathematik eine neue Designmethode zur Erstellung von digitalen Modellen in der frühen Designphase erarbeiten. Diese ermöglicht es den Designerinnen und Designern, effizient und intuitiv Geometrien mittels Referenzbildern und -objekten zu erzeugen. Mit dieser engen Zusammenarbeit und dem intensiven Austausch zwischen den Disziplinen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen wichtigen Beitrag zur Beantwortung der Frage leisten, wie implizites Designwissen in computergestützten Entwurfsprozessen auf systematische Weise integriert und operativ gemacht werden kann. Das Team der Uni Innsbruck ist Teil des österreichweiten interdisziplinären Spezialforschungsbereiches, in dem weiters Forscherinnen und Forscher der Informatik und der Ingenieurwissenschaften aus Wien und Graz beteiligt sind. Ziel ist es, die Entwicklung eines neuen Entwurfs- und Planungswerkzeuges voranzutreiben. „Wir suchen nach einem intuitiveren und direkteren Weg, in dem die Architektinnen und Architekten nicht durch starre Rahmenbedingungen eingeschränkt werden. Unser Wunsch ist, subjektive Präferenzen oder Ästhetik, Dinge, die sehr schwer in Zahlen zu fassen sind, trotzdem automatisieren zu können. Dazu brauchen wir die Hilfe von Mathematikerinnen und Mathematikern, die unseren Weg zu einem Design- und Entwurf-Konzept mit einem Data-Science-Projekt mit maschinellem Lernen unterstützen können“, so Kristina Schinegger.
Punktgenau
Zahlreiche Vorstellungen, Bilder im Kopf, Ideen und Konzepte beschäftigen Designerinnen und Designer. Erst durch den gemeinsamen Austausch und die Diskussionen über Möglichkeiten der Umsetzung kommt der kreative Prozess ins Rollen. „In der Architektur ist es wichtig, dass man pragmatische Rahmenbedingungen mit freien und intuitiven Ideen miteinander verhandeln kann. Wir stellen uns die Frage, ob es gelingt, durch maschinelle Unterstützung hier neue Möglichkeiten zu bekommen“, so Stefan Rutzinger. Die angestrebte Automatisierung soll die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine optimieren, indem aus Bildern bestimmte Features abgeleitet werden können. Für die Umsetzung haben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für das Geometrie-System von Punktwolken entschieden und wollen somit die bisher klassischen, in der Architektur verwendeten Linien- und Flächenmodelle ersetzen. „Punktwolken bieten ein großes Potential der Dreidimensionalität, um Objekte in der Tiefe zu beschreiben. Mit den neuesten Entwicklungen werden auch die Möglichkeiten an rechenintensiveren Prozessen erweitert“, erläutert Tobias Hell, der vor der Herausforderung steht, die von den Architektinnen und Architekten beschriebene Eigenschaft der „Vagheit“ zu integrieren. „Die Herausforderung besteht darin, die Informationen aus den Bildern in eine Punktwolke zu übertragen. Umgekehrt müssen wir es aber auch schaffen, dem Sammelsurium von Punkten wieder eine Struktur zu geben, ohne die Designerinnen und Designer mit fertigen Objekten zu konfrontieren. Rein mathematisch betrachtet liegen dem Verbinden beider Welten komplexe Prozesse zugrunde“, so der Mathematiker. Bereits vorangeschrittene Entwicklungen von neuronalen Netzen ermöglichen es, die wichtigen, auch geometrischen, Eigenschaften aus Pixeln zu extrahieren. „Unsere Idee ist es, die zweidimensional vorhandene Information, beispielsweise die Porosität eines Knochens, in eine Punktwolke zu übersetzen, aus der wiederum diese Information in eine dreidimensionale Struktur abgeleitet werden kann“, erläutert Schinegger. So soll durch maschinelles Lernen aus einer Bildersammlung eine dreidimensionale Struktur entstehen. Stefan Rutzinger erklärt: „Wenn mir das Muster von Zebras gut gefällt, werde ich in das Programm unterschiedliche Bilder der Tiere einlesen. Der Wunsch ist, dass sich daraus eine dreidimensionale Punktwolke ableitet lässt, welche die ‚Features’ des Zebramusters in sich trägt und am Ende eventuell in einem Fassadenkonzept mit Lamellen endet.“
Design lernen
Der starke Stamm eines Baumes, die verzweigten Äste und das filigrane Blattwerk sind Ergebnis eines evolutionären Designprozesses in der Natur, der eine optimal angepasste Form bzw. Struktur umgesetzt sowie alle physikalischen Regeln beachtet hat. Die Architektinnen und Architekten sprechen von einem impliziten Designwissen, das allen Objekten innewohnt. „Dieses Wissen möchten wir auch im Designprozess nützen, indem wir von Objekten oder Strukturen, auch aus der Natur, lernen und daraus formale Aspekte filtern können. Daraus entsteht das, was als ‚intelligentes Design‘ bezeichnet wird“, erläutert Rutzinger, der sich die Frage stellt, mit welchen Bildern zukünftige Systeme gefüttert werden müssten, um daraus dieses implizite und in Objekten verborgene Wissen schrittweise verfügbar zu machen. „Die Mathematik hat gerade durch die Digitalisierung und die Entwicklungen im Data-Science-Prozess eine zentrale Stellung bezogen. Teile unserer Disziplin haben sich so ausgeformt, dass sie sehr schnell unglaublich effizient und interdisziplinär nutzbar sind. Auch in Zusammenarbeit mit der Informatik wird immer klarer, wie nah sich die Disziplinen eigentlich sind und immer waren. Im Prinzip reden wir von Dingen, die uralt sind und bei denen man jetzt wiedererkennt, dass sie zusammengehören“, so Hell. Auch wenn sich die wissenschaftlichen Disziplinen seit Euklid oder Leonardo da Vinci unglaublich weiterentwickelt haben, ist die Mathematik immer noch die Mutter der Architektur. „Es ist schön, dass sich beide Wissenschaften wieder mehr annähern und im Spezialforschungsbereich ‚Advanced Computational Design‘ im Lauf der kommenden vier Jahre gemeinsam etwas Neues schaffen können“, freut sich Schinegger, die sich mit ihren Kollegen Rutzinger und Hell einig ist, dass sich die bisherige Kommunikation über Bilder zu einer Kommunikation über Dreidimensionalität ändern wird.
Dieser Artikel ist in der aktuellen Ausgabe der „Zukunft Forschung“, dem Forschungsmagazin der Universität Innsbruck, erschienen. Eine digitale Version des Magazins ist hier zu finden.