Weniger Stahl, weniger CO₂, bessere Brücken: Algorithmen neu denken den Ingenieurbau

baukunst.art | Kategorie: Innovation

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 COâ‚‚-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.