Digital evaluiertes Konstruieren : exemplarische Entwicklung eines performanceorientierten Workflow vom Entwurf bis zur Werksplanung und Fertigung in Holzbauweise, mit dem Fokus auf einen digital evaluierten Workflow zur Einbindung bauphysikalischer und tragwerksplanerischer Prinzipien in den Entwurf

Abstract

Diese Arbeit widmet sich der Digitalisierung und Automatisierung des Bauwesens mit dem Fokus auf eine digitale Einbindung der Prinzipien der Bauphysik für die energetische Bewertung sowie der Prinzipien der Tragwerksplanung für eine automatisierte Vorfertigung in Holzbauweise in den architektonischen Entwurfs- und Planungsprozess.Kern dieser Arbeit ist die Ausarbeitung der wesentlichen Faktoren, Wertebereiche und Zusammenhänge der energetischen Bewertung üblicher Wohn- & Bürobauten in Verbindung mit der Tragwerksplanung. Anhand dieser Erkenntnisse ergibt sich eine digitale Arbeitsweise, in welcher die Prinzipien der Bauphysik und Tragwerksplanung unterbewusst in den digitalen Entwurfs- und Planungsprozess der Architektur integriert werden. Aufgrund der Breite dieses Themengebiets werden in dieser Arbeit hauptsächlich Zusammenhänge für übliche Wohn- & Bürobauten in Holzbauweise mit einer weitgehend automatisierten CNC-Vorfertigung in Betracht gezogen.Ergebnis der Arbeit ist die Formulierung eines digitalen Analysemodells, welches sich von der architektonischen Planung ableitet. Diesem wird automatisiert der Großteil der Parameter gemäß der vordefinierten Bauweise zugewiesen. Das Analysemodell stellt die Basiseingabe für bauphysikalische sowie statische Simulationen dar, wodurch diese Gesichtspunkte mit der architektonischen Planung digital verbunden werden. Insbesondere die Parameter für den solaren Eintrag haben einen wesentlichen Einfluss auf die energetische Bewertung des Bauwerks und ergeben sich anhand des architektonischen Modells völlig automatisch. Bei einer bauphysikalischen sowie statischen Optimierung kann durch die individuelle Anpassbarkeit von inhomogenen Aufbauten auf der Elementebene am meisten erreicht werden. Jedoch müssen diese Ansätze bereits im Entwurf des Bauwerks berücksichtigt werden, damit strukturell das Bauwerk dahingehend optimiert werden kann. Erst durch einen praktikablen Workflow können diese Prinzipien in den Entwurf einfließen, wodurch die Bedeutung von digitalen Medien und Methoden verdeutlicht wird.

This thesis addresses the digitalization and automation of the AEC industry, with a focus on the digital integration of building physics principles for energy performance assessment, as well as structural engineering principles for automated prefabrication in timber construction within the architectural design process.The core of this work lies in the elaboration of the essential factors, value ranges, and interrelationships involved in the energy performance assessment of typical residential and office buildings in connection with structural design. Based on these findings, a digital workflow is developed in which the principles of building physics and structural engineering are implicitly integrated into the digital architectural design and planning process. Due to the breadth of the subject area, this thesis primarily considers relationships relevant to typical residential and office buildings in timber construction with largely automated CNC-prefabrication.The result of the thesis is the formulation of a digital analysis model derived from the architectural design. The majority of parameters are automatically assigned to this model according to the predefined construction method. The analysis model serves as the primary input for building physics and structural simulations, thereby digitally linking these aspects with the architectural planning process. It was demonstrated that parameters related to solar gains are particularly significant for the energy performance evaluation of the building. These parameters were fully automated based on the architectural model. The greatest potential for optimization both in terms of building physics and structural performance lies in the individualized adjustment of heterogeneous assemblies at the component level. However, these approaches must be incorporated at the early design stage in order to structurally optimize the building accordingly. Only through a practical workflow can these principles be effectively integrated into the design process, highlighting the importance of digital tools and methodologies.