Weniger ist mehr: Warum smarte Algorithmen das Bauen grüner machen

Discrete Topology Optimization (DTO) ist ein computergestütztes Verfahren, das Tragstrukturen simultan nach Tragfähigkeit, Ausführbarkeit und gebundenem CO₂ optimiert. An diesem Schnittpunkt arbeitet Zane Schemmer, Doktorand am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und Fellow der MIT Morningside Academy for Design (MAD): Seine Algorithmen schreiben keine Geometrie fest, sondern fragen, welche Geometrie in einer gegebenen Aufgabe die materialeffizienteste und klimaschonendste Lösung ergibt.

Die Architektur- und Ingenieurwelt diskutiert seit Jahren über graue Energie und grauen Kohlenstoff, den sogenannten Embodied Carbon. Doch die meisten Optimierungsansätze der letzten Jahrzehnte führen zu Formen, die sich schlicht nicht bauen lassen, weil sie strukturell elegante, aber handwerklich unrealisierbare Geometrien erzeugen. Schemmer und seine Betreuerin Josephine V. Carstensen, Gilbert W. Winslow Career Development Associate Professor am Department of Civil and Environmental Engineering des MIT, setzen dem entgegen, was sie als ausführbarkeitsorientierte Optimierung beschreiben: Die Algorithmen erhalten von Beginn an Randbedingungen, die realen Bauprozessen entsprechen.

Wie kann ein Algorithmus den CO₂-Fußabdruck einer Brücke um 20 Prozent senken?

Auf dem IASS-Symposium 2024 in Zürich präsentierten Schemmer und Carstensen Ergebnisse, nach denen ihr DTO-Ansatz den Embodied Carbon von Brücken und anderen Tragwerken um bis zu 20 Prozent gegenüber konventionellen Entwurfslösungen verringert. Die entscheidende Neuerung liegt nicht in einer einzelnen Material- oder Formentscheidung, sondern in der gleichzeitigen Betrachtung mehrerer Variablen: Welches Material ist lokal verfügbar? Wie weit muss es transportiert werden? Welche CO₂-Intensität hat seine Herstellung? Und wie viel Material ist minimal nötig, um alle Lasten sicher abzutragen?

Das klingt nach einer einfachen Checkliste. Es ist in Wirklichkeit ein hochdimensionales Optimierungsproblem. Stahl beispielsweise hat gegenüber Beton oder Holz den Vorteil hoher Festigkeit bei geringem Eigengewicht. Was den Stahl teuer macht (in CO₂-Einheiten), ist seine energieintensive Herstellung und, je nach Beschaffungskette, sein langer Transportweg. Schemmers Algorithmus ersetzt in solchen Fällen Teile der Stahlstruktur durch Holzelemente oder optimiert die Dimensionierung einzelner Stahlbauteile nach unten, sodass eine Hybridkonstruktion entsteht, die funktional gleichwertig ist, aber deutlich weniger gebundenen Kohlenstoff aufweist. „Dasselbe Stahlprofil in zwei verschiedenen Teilen der Welt kann zu zwei völlig unterschiedlichen optimierten Entwürfen führen“, erklärt Schemmer. Kein Einheitsrezept, sondern ortsspezifische Effizienz.

Als konkretes Anwendungsbeispiel untersuchte Schemmer eine historische Stahl-Holz-Fachwerkbrücke aus dem späten 19. Jahrhundert über den Big Cypress Bayou in Osttexas. Der Algorithmus optimierte das Tragwerk im Hinblick auf heutige Anforderungen und derzeitige Materialbeschaffungsbedingungen. Das Ergebnis: eine überarbeitete Hybridkonstruktion, die die Grundform des originalen Fachwerks bewahrt, aber materialreduziert und CO₂-effizienter ist.

Was bedeutet Topology Optimization für die Praxis von Architekten und Tragwerksplanern?

Für Tragwerksplaner und Architektinnen, die im deutschen Planungsrecht mit DIN 276, DIN EN 1990 (Eurocodes) und dem Gebäudeenergiegesetz (GEG) arbeiten, stellt sich die Frage nach der Praxistauglichkeit solcher Forschungsergebnisse zu Recht. Schemmers Antwort liegt im Konzept der „user-specified force flow“: Die Planenden geben dem Algorithmus vor, wie die Kräfte im Tragwerk verlaufen sollen, und der Algorithmus sucht innerhalb dieses Rahmens die materialeffizienteste Lösung. Das Ergebnis ist kein abstraktes Computerkonstrukt, sondern ein durch Normen prüfbares, nach Werkstückgeometrien fertigbares Tragwerk.

Schemmer selbst benennt den blinden Fleck klassischer Optimierungsforschung klar: Bisherige Ansätze hätten zwar mathematisch elegante Lösungen erzeugt, aber kaum Rücksicht auf Fertigungsrealitäten genommen. Sein Ziel ist ausdrücklich, die Brücke zwischen computergestütztem Idealentwurf und handwerklicher Bauwirklichkeit zu schlagen. Das ist kein akademisches Nebenprodukt, sondern der eigentliche Kern seiner Forschungsagenda.

Alte Trennung, neue Synthese: Wo Architektur und Ingenieurwesen wieder zusammenwachsen

Schemmer formuliert einen Gedanken, den Architekturgeschichte und Baukritik schon länger diskutieren: Vor hundert Jahren war die Trennung zwischen Architektur und Tragwerkslehre weit weniger scharf. Brückenbauer wie Gustave Eiffel oder John Augustus Roebling, der Konstrukteur der Brooklyn Bridge, dachten Form und Kraft als Einheit. Die institutionelle Trennung im 20. Jahrhundert hat Spezialisierungsgewinne erbracht, aber auch eine kognitive Barriere errichtet: Architekten entwerfen, Ingenieure rechnen nach. Schemmers Ansatz, der Designentscheidungen durch iterative Optimierungsschleifen in den Ingenieursrechenprozess integriert, weist zurück auf diese früheren, integrierteren Denkweisen.

Die MIT Morningside Academy for Design (MAD), in deren Rahmen Schemmer als Design Fellow arbeitet, versteht sich explizit als interdisziplinäre Brückeninstanz: Graduierte aus Ingenieurwissenschaften, Stadtplanung, Medienkunst und Architektur tauschen Perspektiven aus. Für Schemmer bedeutete das die Begegnung mit künstlerisch-intuitiven Entwurfsprozessen, die seine algorithmische Denkweise um eine explorative Dimension erweitern. Iteratives Design, so beschreibt er es, öffnet den Blick für Lösungen, die man aus einer einzigen Fachperspektive nie in Betracht gezogen hätte.

Für die deutschsprachige Architekturdebatte, in der Begriffe wie Lebenszyklusanalyse, Kreislaufwirtschaft und klimagerechtes Bauen derzeit intensiv diskutiert werden, liegt hier ein konkreter methodischer Beitrag: Strukturoptimierung nicht als Nachkontrolle eines fertigen Entwurfs, sondern als integraler Bestandteil des Entwurfsprozesses selbst. Das Potenzial ist erheblich. Wenn allein die Wahl zwischen einer reinen Stahlkonstruktion und einer Stahl-Holz-Hybridlösung den Embodied Carbon um bis zu 20 Prozent senken kann, und das bei gleichzeitiger Erhöhung der Fertigungseffizienz, dann ist diese Forschung kein fernliegendes Hochschulergebnis, sondern eine unmittelbar planungsrelevante Innovation.

Die Golden Gate Bridge, Schemmers frühkindliche Inspiration, entstand ohne jedes digitale Werkzeug. Alle Berechnungen von Hand, aller Kraftfluss im Kopf. Dass ein Algorithmus heute diese intuitive Meisterleistung analysieren, neu denken und in klimagünstigere Varianten überführen kann, ist keine Demontage des Ingenieurshandwerks. Es ist seine Weiterentwicklung in eine Zeit, in der Bauwerke nicht nur halten, sondern auch ihrer planetaren Verantwortung gerecht werden müssen.

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Gebaut und schon veraltet: Der kurze Atem der Gegenwartsarchitektur

Bauwerke sind keine Wegwerfprodukte. Diese Aussage klingt so selbstverständlich, dass man sie kaum aussprechen müsste, und doch beschreibt sie einen Widerspruch, der den gegenwärtigen Architekturdiskurs zunehmend bestimmt: Gebäude werden kürzer genutzt, früher abgerissen und schneller ersetzt als je zuvor in der Nachkriegsgeschichte des Bauens.

Das britische Fachmagazin Dezeen hat im Dezember 2025 eine längere Recherche unter dem Titel „How long should a building last?“ veröffentlicht, die diesen Widerspruch auf den Punkt bringt. Die Fakten sind ernüchternd: Die meisten Gewerbebauten werden mit einer kalkulierten Nutzungsdauer von 50 bis 60 Jahren entworfen, in der Praxis halten viele nicht einmal halb so lange. Als symptomatisches Beispiel nennt der Artikel den ersten Träger des britischen Stirling Prize, das Centenary Building der Universität Salford: Noch in diesem Jahr wurde der Abriss genehmigt, gerade einmal 30 Jahre nach der Fertigstellung. Ein Preis für Architektur, die drei Jahrzehnte später nicht mehr gebraucht wird. Das ist keine Randnotiz, das ist ein Systemversagen.

Warum werden Gebäude so früh aufgegeben?

Die Antwort ist vielschichtig. In vier Jahrzehnten Berufspraxis habe ich erlebt, wie sich das Verhältnis zwischen Bauinvestition und Nutzungshorizont verschoben hat. In den 1980er Jahren sprachen Bauherrinnen und Bauherren noch selbstverständlich von Generationenprojekten. Heute denkt der gewerbliche Investor in Abschreibungszyklen von 15 bis 20 Jahren. Was danach kommt, ist planungstechnisch irrelevant, weil es wirtschaftlich nicht mehr interessiert. Das Gebäude als Finanzprodukt hat das Gebäude als baukulturelles Erbe längst überholt.

Hinzu kommt eine strukturelle Schwäche der Moderne: die Monofunktionalität. Städtische Stadien für Olympia und Fußball-Weltmeisterschaften werden heute bewusst als temporäre Strukturen geplant, was für diesen Sonderfall auch vertretbar ist. Problematisch wird es, wenn diese Denkweise auf das Alltagsbauen übertragen wird. Bürogebäude, die auf einen einzigen Nutzertyp zugeschnitten sind, Einzelhandelsbauten, deren Geometrie keine Umnutzung erlaubt, Schulen ohne Flexibilitätsreserven: All das produziert Gebäude mit vorgezogenem Verfallsdatum. Das Gegenteil von baulicher Weisheit.

Nicht zufällig haben die großen Bauwerke der Geschichte überlebt, weil sie strukturell großzügig dimensioniert waren: massive Mauern, hohe Räume, neutrale Grundrisse. Der gotische Sakralbau lässt sich vom Gotteshaus zum Konzerthall umnutzen, weil seine Geometrie Spielraum lässt. Das durchoptimierte Bürogebäude der Jahrtausendwende hingegen ist nach 20 Jahren Technologiegeschichte buchstäblich überholt, weil seine Grundrissraster, seine Haustechnikschächte und seine Installationsebenen auf eine bestimmte Arbeitsorganisation zugeschnitten wurden, die es nicht mehr gibt.

Was bedeutet verkörperter Kohlenstoff für die Lebensdauerdebatte?

Das wachsende Bewusstsein für die enormen Umweltkosten von Bauen und Abriss verstärkt den Druck, zu einer langlebigeren Architektur zurückzukehren. Der Begriff „embodied carbon“, auf Deutsch: der im Gebäude gebundene Kohlenstoff, ist in der Fachwelt angekommen, hat aber die Planungspraxis noch nicht grundlegend verändert. Dabei liegt die Rechnung auf der Hand: Wenn ein Gebäude in 30 Jahren abgerissen wird, amortisiert sich der erhebliche CO2-Aufwand seiner Herstellung nie. Das graue Energie-Budget ist schlicht verbraucht, ohne dass ein adäquater Nutzen dagegen steht.

Das Expo-Beispiel aus Osaka, das Dezeen ebenfalls beleuchtet, zeigt die Grenzen gut gemeinter Intentionen. Der Grand Ring, das weltgrößte Holzgebäude, war als demontierbare Konstruktion konzipiert. Soweit, so nachhaltig. Doch nach Informationen des Dezeen-Autors soll das Gros der verwendeten 27.000 Kubikmeter Holz schlicht verbrannt werden, als Brennstoff, was der Architekt selbst als „das Schlimmste“ bezeichnet, was man damit tun könnte. Der Kreislauf bleibt offen, das Material wird vernichtet. Die schöne Idee der Kreislaufwirtschaft scheitert an der logistischen Realität.

Für die Planungspraxis folgt daraus ein unbequemer Auftrag: Nicht jedes Material eignet sich für jeden Zweck, nicht jede Bauform ist gleich klimaverträglich. Wer ernsthaft über Nachhaltigkeit spricht, muss auch ernsthaft über Dauerhaftigkeit sprechen. Die Lebensdauer eines Gebäudes ist kein ästhetisches Thema, sie ist ein ökologisches.

Für die Ewigkeit bauen, ohne an die Ewigkeit zu glauben

John Ruskin, der viktorianische Architekturkritiker, schrieb bekanntlich: „When we build, let us think that we build forever.“ Dieser Satz klingt heute fast utopisch. Aber er enthält eine operative Wahrheit, die keine Romantik ist, sondern Handlungsanweisung.

Eine der befragten Architektinnen formuliert es pragmatisch: Es gehe darum zu wissen, „wann man mit Tinte zeichnet und wann mit Bleistift“. Das trifft den Kern. Nicht alles muss für die Ewigkeit gebaut sein. Ein Ausstellungspavillon, ein temporäres Bürogebäude für eine Projektphase, ein Notfallbau: Hier ist Vergänglichkeit systemimmanent und legitim. Die moralische Frage stellt sich bei Wohngebäuden, Schulen, Krankenhäusern, Verwaltungsbauten. Bei der Infrastruktur des öffentlichen Lebens.

Genau hier aber regiert seit Jahrzehnten die Kostenkalkulation auf Basis des Tagespreises, nicht der Lebenszykluskosten. Wer billiger baut und früher abreißt, gewinnt die Ausschreibung. Wer teurer baut, aber 150 Jahre lang nicht abreißen muss, verliert sie. Das ist kein Marktversagen, das ist Politikversagen. Die öffentliche Hand, die bei Beschaffung und Förderprogrammen nicht konsequent auf Lebenszyklusbetrachtungen umstellt, trägt eine Mitverantwortung für die strukturelle Kurzlebigkeit des Baubestands.

Gute Architektur ist keine Frage des Stils, sie ist eine Frage der Haltung. Und zur Haltung gehört, nicht nur die Eröffnung zu denken, sondern das Ende. Ein Gebäude, das nach einer Generation nichts mehr wert ist, war von Anfang an zu wenig gedacht. Dass sich diese Einsicht ausgerechnet über die Klimakrise in die Planungsdebatte zurückarbeitet, ist eine der wenigen produktiven Nebenwirkungen des ökologischen Drucks.

Vielleicht ist das der eigentliche Fortschritt: nicht das immer Neue, sondern das entschlossen Bleibende.

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Eigenschaften von Carbon

Carbon ist ein Verbundwerkstoff, der aus Kohlenstofffasern und Harzen besteht. Diese Kombination verleiht dem Material eine hohe Steifigkeit, Leichtigkeit und Bruchfestigkeit. Die Fasern werden in verschiedenen Richtungen verlegt, um eine hohe Stabilität zu gewährleisten. Die Harzsysteme, meist Duroplaste wie Epoxidharz oder Phenolharz, sorgen dafür, dass die Fasern bei mechanischer Belastung nicht gegeneinander verschieben

Einführung der Carbonbeton-Platten

Die ZHAW hat ein innovatives Bausystem entwickelt, das erstmals wiederverwendbare Carbonbeton-Platten im Hochbau einsetzt. Diese Platten bieten erhebliche CO₂- und Materialeinsparungen und ermöglichen eine flexible Bauweise, ähnlich einem modernen Lego-System. Ein 120 Quadratmeter großer Pavillon in Winterthur demonstriert die Vorteile dieses Systems, das als Informations- und Veranstaltungsort für nachhaltiges Bauen dient.

Vorteile der Carbonbeton-Platten

Die Platten werden bereits in der Fabrik maßgeschneidert und zu Bauelementen zusammengefügt, was die Bauzeit erheblich verkürzt – ein großer Vorteil für städtische Baustellen. Die Platten sind leicht und dennoch belastbar, wodurch sich Gebäude einfach anpassen und erweitern lassen. Ein neuartiges Sharing-Modell von Holcim ermöglicht es, rund 90 Prozent des Materials und der Wertschöpfung wiederzuverwenden, was angesichts der hohen Umweltbelastung durch Zement ein bedeutender Fortschritt ist.

Technologische Innovationen

Carbonfasern, die die Platten verstärken, absorbieren Zugkräfte und verhindern Risse. Dies macht die Platten dreimal dünner und dennoch tragfähiger als herkömmliche Betonplatten. Die Platten werden industriell hergestellt und maßgeschneidert zugeschnitten, ohne dass sie rosten. Der Baustoffproduzent Holcim produziert diese Platten bereits in Deutschland, wobei künftig biobasierte Carbonfasern aus nachwachsenden Rohstoffen verwendet werden sollen.

Zukunftsaussichten

Aktuell wird an Optimierungen für Schall- und Brandschutz sowie an speziellen Konstruktionen für erdbebensichere Gebäudekerne geforscht. Die Platten sollen künftig auch in der Schweiz produziert und breit im Hochbau eingesetzt werden. Das System soll den CO₂-Fußabdruck um den Faktor zwei bis vier reduzieren und bis zu 75 Prozent Material einsparen, was es zu einer zukunftsweisenden Lösung für nachhaltiges Bauen macht.

Nachhaltigkeit und Embodied Carbon

Embodied Carbon bezieht sich auf die CO2-Bilanz von Baumaterialien, einschließlich der Emissionen, die bei der Herstellung, dem Transport, dem Bau, der Wartung und der Entsorgung entstehen. Die Reduktion von Embodied Carbon ist entscheidend für die Nachhaltigkeit in der Bauindustrie. Recycling und die Verwendung von Materialien mit geringem CO2-Fußabdruck sind wichtige Strategien zur Reduktion von Embodied Carbon.

Herausforderungen

Trotz der vielen Vorteile ist der Materialpreis von Carbon relativ hoch und variiert stark je nach Faserqualität und Herstellungsverfahren. Dies bedeutet, dass Carbon derzeit hauptsächlich dort eingesetzt wird, wo andere Materialien überfordert sind oder wo durch die Verwendung von Carbon signifikante Einsparungen erzielt werden können.Insgesamt bietet Carbon in der Bautechnologie erhebliche Vorteile in Bezug auf Festigkeit, Leichtigkeit und Nachhaltigkeit, obwohl die Kosten und die Komplexität der Herstellung weiterhin Herausforderungen darstellen.

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