Nutzungsorientierter konzeptueller Gebäudeentwurf : Modellierungsmethode und Realisierungsansatz

Frank, Matthias Klaus; Russell, Peter; Stapenhorst, Carolin Christin

doi:10.18154/RWTH-2018-224952

Nutzungsorientierter konzeptueller Gebäudeentwurf : Modellierungsmethode und Realisierungsansatz

Frank, Matthias Klaus^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Matthias Klaus Frank

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (241 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Russell, Peter (Thesis advisor) ; Stapenhorst, Carolin Christin (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-04-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-224952
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/726458/files/726458.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/726458/files/726458.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Computergestütztes Planen in der Architektur (211220)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Konzeptueller Entwurf (frei) ; Gebäudenutzung (frei) ; Nutzungsfall (frei) ; Modellierung (frei) ; Methode (frei) ; BIM (frei) ; Building Information Modeling (frei) ; Model Checking (frei) ; Petrinetz (frei) ; Referenznetz (frei) ; UML (frei) ; Unified Modeling Language (frei) ; Conceptual Design (frei) ; Building use (frei) ; Usecase (frei) ; Modeling (frei) ; Method (frei) ; Petri net (frei) ; Reference net (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Der konzeptuelle Gebäudeentwurf führt zu Festlegungen für das Gebäude und seine Nutzung. In dieser frühen Phase getroffene Entwurfsentscheidungen legen die Nutzungsmöglichkeiten des Gebäudes fest. Diese bestimmen seine Nutzbarkeit. Die Nutzbarkeit kann definiert werden als die durch das Gebäude erfüllte Unterstützung angeforderter Nutzungsprozesse, die aus einer Folge von Nutzungen von Funktionen und Bewegungen im umbauten Raum hin zu Funktionsangeboten bestehen. Die Nutzungsprozesse werden als Nutzungsfälle oder -szenarien meist textuell und auf Basis von Bauentwurfsstandards beschrieben. Die Anforderungen werden vom Architekten in einen Entwurf überführt. Eine formale Überprüfung von Nutzungsanforderungen ist gegenwärtig auf spezielle Nutzungsfälle wie Fluchtwegplanung oder Barrierefreiheit fokussiert und setzt ein Building Information Modeling (BIM) oder andere spezielle Entwurfsdatenerfassungen voraus. Individuelle und Nutzerrollen-orientierte Nutzungsfälle für einen individuellen Gebäudeentwurf werden allenfalls im BIM-Modell auf Basis von Erfahrungswerten des Architekten durchgespielt, werden aber nicht durchgängig formalisiert erfasst und können auch nicht computergestützt simuliert werden. Die Berücksichtigung der Anforderungen an die Nutzung eines Gebäudes – oder abstrakter eines Raumzusammenhangs – wird in dieser Arbeit als Gebäudenutzungsorientierung verstanden. Die Nutzungsorientierung im Gebäudeentwurf ist der Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Überlegungen, wie die Begriffe zur Nutzungsorientierung formal gefasst werden können, so dass auf dieser Basis eine Modellbildung erfolgen kann, die durch ein computergestütztes, modellbasiertes, methodisches Vorgehen relevante Verwendungen im Gebäudeentwurf ermöglicht, führen zu der Idee, etablierte Methoden zu betrachten, die insbesondere die Modellierung eines weiten Spektrums der realen Welt, ihrer Dinge und Abläufe gestatten: Die Informatik bietet genau diese Grundlagen für die Modellierung und ein methodisches Vorgehen. In einem interdisziplinären Diskurs, der die Problemstellung der Architektur, also der Unterstützung des nutzungsorientierten konzeptuellen Gebäudeentwurfs, mit dem Lösungsfundus der Informatik hinsichtlich der Modellierungsmethodik verbindet, wird eine methodische Modellierungsbasis für die herausgearbeiteten Anforderungen der gegebenen Problemstellung selektiert und ein Metamodell für den nutzungsorientierten konzeptuellen Gebäudeentwurf entwickelt sowie ein Realisierungsansatz vorgeschlagen, der mit BIM kombinierbar ist. Die methodische Vorgehensweise für Verwendungen im Entwurf ist Bestandteil der Modellierungsmethode. Zwei Verwendungen stehen im Vordergrund dieser Arbeit: die Unterstützung des Entwurfs von Individual- und Spezialbauten und die Unterstützung der Bestandsprüfung und Diagnose eines gegebenen Gebäudes. In beiden Verwendungen bilden bestehende Anforderungen an die Nutzung den Ausgangspunkt für eine Lösung der gestellten Aufgaben. +++ Ergebnisse: Im Rahmen des Diskurses über den funktionalisierten Raum und Nutzer ist die Einführung des Begriffs des nutzungsorientierten konzeptuellen Gebäudeentwurfs ein neuer Schritt zu einer Vervollständigung des Verständnisses über die Modellbildung von Gebäuden und ihrer Nutzung. Die formale Modellbildung zu den Unterbegriffen Gebäudenutzung, Gebäudetopologie, Nutzung und Nutzungsfall beschreibt eindeutig diese Begriffe. Die Verwendungen im Entwurf von Individual- und Spezialbauten sowie in der Diagnose zur Bestandsprüfung aufgrund formal spezifizierter Nutzungsanforderungen in Form von Nutzungsfällen werden unterstützt durch das methodische Vorgehen auf Basis von Modellen für die Gebäudenutzung, Gebäudetopologie und Nutzungsfälle, die aufgrund von Metamodellen aus Referenznetzen gebildet sind. Referenznetze sind Petrinetze. Der theoretische Beitrag für die Architekturinformatik liegt in der formal basierten Definition der Begriffe der Gebäudenutzung, Gebäudetopologie, Nutzung und des Nutzungsfalls, sowie der Unterstützung durch die Metamodelle und das methodische Vorgehen auf Basis des gewählten Realisierungsansatzes mit Referenznetzen. Für die Wahl einer Modellierungsbasis liegt die Verwendung von BIM mit den Industry Foundation Classes (IFC) im aktuellen Diskurs der Architekturinformatik nahe. Der erforderliche Modellierungsgegenstand der Gebäudenutzung mit ihrer inhärenten Dynamik ist mit Petrinetzen besser abzubilden, wie die Untersuchung der allgemeineren Unified Modeling Language (UML) zeigt. Es wird gezeigt, dass Integrationsmöglichkeiten zwischen BIM-Modellen auf Basis der IFC und den hier definierten Modellen bestehen, die in Integrationswerkzeugen implementiert werden können. Insofern ist die Arbeit auch ein Beitrag zum Diskurs über die Erweiterung von BIM um den Aspekt der Nutzungsorientierung und einer entsprechenden Erweiterung der Modellierungsbasis. Die Überprüfung der Nutzbarkeit eines Gebäudes unter dem Begriff des Model Checking ist in der Historie vielfach diskutiert und realisiert worden. Hierbei wird ein Modell des Gebäudes oder eine spezielle Abbildung des interessierenden Wirklichkeitsausschnitts gebildet. Die Anwendungsbereiche sind speziell. Die vorgestellte Modellierungsmethode bietet erstmalig die Möglichkeit, allgemeine Nutzungsanforderungen als Nutzungsfälle mit Nutzungsabläufen formal in graphischer Form zu spezifizieren und die Gebäudenutzung durch Simulation zu prüfen. Sie stellt damit einen bezüglich der Modellbasis neuen Beitrag zur Theorie und bezüglich der Werkzeugunterstützung des methodischen Vorgehens einen neuen Beitrag zur Praxis der Architekturinformatik dar.

The conceptual building design leads to specifications of the building and its use. Design decisions made at this early stage determine the use of the building, and determine its usability. The usability can be defined as the building's support for requested use processes, which consist of a sequence of uses of functions and movements in the building to offered functions. The use processes are described as use cases or scenarios mostly textually and based on building design standards. The requirements are translated by the architect into a building design. A formal review of use requirements is currently focused on specific use cases such as escape route planning or accessibility, and requires Building Information Modeling (BIM) or other specialized design data management. Individual and user role-oriented use cases for an individual building design are at best modeled in the BIM model on the basis of the architect's experience, but are not consistently formalized and can not be simulated computer-aided. The consideration of the requirements for the use of a building – or more abstract of a spatial context – is understood in this work as “building use orientation”. The use orientation in the building design is the subject of the presented work. The considerations of how to formulate the concepts of use orientation in such a way that a model formation based on computer-aided, model-based, methodological approaches allows relevant application in building design, lead to the idea of considering established methods that allow in particular modeling a broad spectrum of the real world, its things and processes: Computer science provides exactly these basics for modeling and a methodical approach. In an interdisciplinary discourse, which combines the support of the use-oriented conceptual building design with the solutions of computer science with regard to the modeling method, a methodical modeling basis for the elaborated requirements of the given problem is selected and a meta-model for the use-oriented conceptual building design is developed as well as a realization approach is proposed, which can be combined with BIM. The methodical approach for application in the building design is part of the modeling method. Two applications are at the forefront of this work: the support of the design of individual and special buildings and the support of the check and diagnosis of a given building. In both applications existing requirements for the use of a building form the starting point for a solution of these tasks. +++ Results: In the context of the discourse on functionalized space and users, the introduction of the concept of use-oriented conceptual building design is a new step towards completing the understanding of modeling of buildings and their use. The formal modeling of the terms building use, building topology, use and use case clearly describes these terms. The application in the design of individual and special buildings as well as in the diagnosis of existing buildings based on formally specified use requirements in the form of use cases are supported by the methodical approach based on models for building use, building topology, use and use cases, which are based on meta-models that are modeled with reference nets. Reference nets are Petri nets. The theoretical contribution to architectural informatics lies in the formally based definition of the concepts of building use, building topology, use and use case, as well as the support of the meta-models and the methodical approach on the basis of the selected realization approach with reference nets. For the choice of a modeling basis the use of BIM with the Industry Foundation Classes (IFC) is obvious in the current discourse of architectural informatics. The required modeling object of building use with its inherent dynamics is easier to map with Petri nets, as the study of the more general Unified Modeling Language (UML) shows. It is shown that integration possibilities exist between BIM models based on the IFC and the models defined here, which can be implemented in integration tools. Insofar, the work is also a contribution to the discourse on the extension of BIM by the aspect of use orientation and a corresponding expansion of the modeling basis. The review of the usability of a building under the term of Model Checking has been widely discussed and realized in the history. In those approaches a model of the building or a special mapping of the section of interest is formed. The application areas are special. For the first time, the presented modeling method offers the possibility of formally specifying general use requirements in terms of use cases with use sequences in graphical form and to test the building use by simulation. It thus represents a new contribution to the theory with regard to the model basis and a new contribution to the practice of architectural informatics regarding the tool support of the methodological approach.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)