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Virtual Engineering

Große Baustellen werden oft zum Ärgernis – zu viele Fachleute verderben den schönsten Plan. Beim Bau eines Laborgebäudes in Stuttgart aber lief alles wie am Schnürchen: Denn allen Beteiligten stand ein neues Werkzeug zur Verfügung.




• Nach allem, was die Überlieferungen hergeben, muss eine ganze Armee von Architekten, Handwerkern, Arbeitern und Zulieferern am Werk gewesen sein. Ihr Ziel: das höchste, prächtigste, ambitionierteste Bauwerk ihrer Zeit. Konkret: ein gigantischer Turm von mehr als 8300 Quadratmetern Grundfläche, der sich über eine Serie abgestufter Plateaus in den Himmel schrauben sollte. Das Vorhaben war ebenso aberwitzig wie der Umstand, an dem es der Legende nach scheiterte: Die Beteiligten verstanden einander nicht. Weil der eine nicht wusste, was der andere gerade plante, mauerte oder zusammenzimmerte, versank die Baustelle alsbald im Chaos, bis vom Turmbau zu Babel wenig mehr übrig war als das berühmteste Beispiel für katastrophale Sprachlosigkeit.

Heute, ein paar Tausend Jahre später, sieht es auf Großbaustellen ganz anders aus. Architekten ersinnen elaborierte Entwürfe, Fachplaner modellieren sie mit Computer-aided-Design-(CAD)-Programmen bis in die feinsten Verästelungen durch, Spezialgewerke kümmern sich um die Umsetzung, und Projektsteuerer sorgen dafür, dass ein solches Gesamtkunstwerk nicht auseinanderfliegt. Bauarbeiter können auf schnell härtenden Beton und CAD-Software, Hochleistungskräne und Projektsteuerungsprogramme zurückgreifen. Und dennoch gilt auf vielen Großbaustellen immer noch das Prinzip Babylon. Ob Stuttgart 21, der abgestürzte Großflughafen Berlin, die Endlosbaustelle Hamburger Elbphilharmonie, wo der Streit zwischen Bauherren, Architekten und Generalunternehmen monatelang für Stillstand sorgte, oder die Münchner Pinakothek der Moderne, die zehn Jahre nach ihrer Eröffnung bereits wieder saniert werden muss: Sie alle scheinen zu belegen, dass immer noch gerne groß, vor allem aber großer Mist gebaut wird.

I. Großbaustellen

"Hat Deutschland als Land der Technik und Ingenieure das Bauen verlernt?", fragt ein Architekturkritiker in der "Süddeutschen Zeitung" angesichts der Serie an Großpleiten. Viel wahrscheinlicher ist, dass die zusehends spezialisierten Fachleute schlicht das Kommunizieren verlernt haben. Bei Bauprojekten kämpfen Dutzende Experten mit den Tücken von Material, Plänen, Kosten und Deadlines, immer jeder für sich und nicht selten gegeneinander. Bei Bauprojekten, so der Bauingenieur Walter Pelka, regiere häufig das End-of-Pipe-Prinzip: "Der Architekt macht einen Entwurf, die Fachplaner müssen zusehen, wie sie ihn irgendwie umgesetzt kriegen."

Noch komplizierter ist die Kommunikation mit Bauherren, die häufig weder die komplexen Pläne ihrer Planer noch die Abstimmungsprobleme ihrer Handwerker verstehen können, sie aber am Ende bezahlen müssen. Auch die bei Großprojekten inzwischen üblichen Computeranimationsfilmchen tragen wenig zur Klärung bei, schließlich zeigen sie naturgemäß nur die Schokoladenseite eines Baus und auch diese nur aus der Architektenperspektive.

Und weil das so ist, bricht früher oder später auf vielen Baustellen der "Tag der Wahrheit" an, wie ihn Pelka nennt: jener bittere Moment, in dem die Beteiligten realisieren, dass sie sich das alles eigentlich ganz anders vorgestellt hatten.

Auch der 3200 Quadratmeter große Bau, der seit 2009 auf dem Stuttgarter Universitätscampus errichtet wurde, barg eigentlich genügend Sprengstoff für Zeit- und Kostenexplosionen. Beauftragt hatte ihn das ortsansässige Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), das sich unter anderem mit der Erforschung und Konzeption von Arbeitswelten beschäftigt. Vorgesehen war ein 14 Millionen Euro teures Forschungsgebäude, vollgestopft mit Technik, Labors und Büros, konzipiert von zwei Architekturbüros und gedacht für eine Vielzahl von Nutzern mit vielfältigen Vorstellungen und ganz unterschiedlichen Interessen. Eigentlich, sagt ein Beteiligter, "ist so etwas die Blaupause fürs Scheitern".

Und dennoch wurde das Zentrum für Virtuelles Engineering (ZVE), ein schneeweißer Monolith auf vier Ebenen und mit markanter Sägezahnfensterfassade, im Juni dieses Jahres tatsächlich nahezu termin- und budgetgerecht eingeweiht. Nebenbei ist es auch ein echter Wow-Bau geworden, was undenkbar wäre, hätten sich die wichtigsten Baubeteiligten nicht ganz zu Anfang auf ein neuartiges gemeinsames Vorgehen geeinigt. Eines, das vom Maurerlehrling bis zum Tragwerksplaner jeder verstand. Eines, in dem Planer ihre Ideen und Nutzer ihre Bedenken artikulieren konnten. Als erstes Bauprojekt Europas wurde das ZVE von der ersten Skizze bis zur Schlüsselübergabe zweimal gebaut.

II. Durchblicke

Die erste Version des ZVE entstand auf den Servern des Architekturbüros UNStudio im Zentrum von Amsterdam. UNStudio ist das Büro von Ben van Berkel, ein niederländischer Stararchitekt, der bekannt ist für avancierte Entwürfe wie die Rotterdamer Erasmus-Brücke oder das verschraubte Stuttgarter Mercedes-Benz Museum. Nachdem van Berkel gemeinsam mit den Kaiserslauterner Asplan Architekten den Auftrag für das Fraunhofer ZVE erhalten hatte, begann er, seinen Entwurf Bit für Bit am Computer zusammenzusetzen. Allerdings tat er dies nicht mit konventionellen Computerskizzen und -plänen, sondern in einem dreidimensionalen, maßstabsgetreuen Virtual-Reality-Modell. Fachplaner und Handwerker statteten seinen Computer-Klon später Stück für Stück mit ihren Daten und Details aus, bis er genauso groß, räumlich, vielfältig und "echt" anmutete, wie es der geplante Neubau eines Tages sein würde. Ähnlich wie ein Gebäude aus Stahl und Beton konnten alle Beteiligten den digitalen Zwilling mit 3-D-Brillen auf ihren Nasen und 3-D-Mäusen in den Händen gemeinsam inspizieren, Details diskutieren und Großes wie Kleines verbessern. "Für uns", sagt der Architekt Stefan Hausladen von Asplan Architekten, "war das ein echter Augenöffner."

Dabei ist die Technik an sich schon mehr als zwei Jahrzehnte alt. Sie kombiniert die räumliche Wirkung von 3-D-Filmen mit der nutzergesteuerten Dynamik moderner Computerspiele. Diese Technik wird auch immersiv genannt, weil Nutzer in Computer-Modelle eindringen können wie Taucher in ihre Unterwasserwelten. Für Entwicklungsprozesse, bei denen es um eine möglichst präzise Vorstellung des Unvorstellbaren geht, ist dieser Effekt enorm wertvoll. Jeder größere Autohersteller nutzt heute 3-D-Simulationen zur Entwicklung seiner neuen Fahrzeugtypen; im Maschinenbau gehören sie genauso zum Alltag wie bei der Flugangsttherapie.

Für die realitätsgetreue Simulation ganzer Gebäude mit einer Vielzahl von Geschossen, Oberflächen und Ausstattungsdetails hatte die verfügbare Rechnerleistung jedoch lange nicht ausgereicht. "Als wir in den Neunzigerjahren mit Virtual-Engineering-Modellen experimentierten, war die Darstellungsqualität noch so schwach, dass die Architekten uns die Modelle um die Ohren gehauen haben", sagt Roland Blach. Der 47-jährige Kybernetikingenieur und Science-Fiction-Fan hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten beim Fraunhofer IAO all die Höhenflüge und Pleiten der virtuellen Realität miterlebt. In seiner Werkstatt steht ein langes Regal voll mit ausgemusterten Datenhelmen und -handschuhen, von Blach "Museumsmeile" genannt, weil die digitalen Sehgeräte zwar alle nach Science Fiction aussähen, sich in der Anwendung jedoch als träge, instabil und untauglich entpuppten.

Mittlerweile ist das anders. Blach und Kollegen schlucken heute mit ihren Rechnern komplette Gebäudedatensätze und spucken sie in Form realitätsnaher, begehbarer Modelle wieder aus. Blach spricht von einem "großen, interaktiven Guckkasten". Und natürlich setzten die Büroplaner diesen Guckkasten beim Entwurf ihres eigenen Neubaus konsequent ein.

Alle zwei bis vier Wochen trafen sich die Forscher mit Architekten, Fachplanern und Handwerkern zur Baubesprechung im Altbau des Fraunhofer-Instituts. 3-D-Brillen wurden aufgesetzt und Hochleistungsprojektoren gestartet, die das 3-D-Modell auf eine raumgroße Powerwall projizierten. Während sich die Besprechungsteilnehmer im virtuellen Modell umschauten, erfassten Motion-Tracking-Kameras jede ihrer Bewegungen und passten die Darstellungsperspektive auf der Powerwall dem Blickwinkel der Betrachter an.

Seeing is believing, heißt es, und mit ihrem fertigen Gebäude vor Augen konnten die Bauarbeiter die Ergebnisse ihrer Arbeit sehen, bevor sie überhaupt mit ihr begonnen hatten. Sie konnten Flure durchqueren und Räume erspüren, sich unter Tische bücken, typische Wege durchs Gebäude abschreiten oder das offene Foyer auf sich wirken lassen. Roland Blach bekam bei einem dieser Ausflüge eine erste Ahnung davon, wie "verdammt klein" sein künftiges Büro sein würde. Der Rohbaupolier und seine Lehrlinge konnten sich die von ihnen zu verschalende Foyertreppe ansehen, die von derart komplizierter Form ist, dass sie auf einem konventionellen Plan kaum zu erfassen wäre. Klimatechniker und Elektriker mussten im virtuellen Modell überrascht feststellen, dass einige Leitungsstränge miteinander kollidierten – und konnten das für die reale Version entsprechend ändern. Alle Korrekturen wurden erfasst und als Datensatz in das virtuelle Gebäude injiziert. Bei der nächsten Baubesprechung stand dann das jeweils aktualisierte Modell zur Besichtigung bereit.

"Ohne eine solche dreidimensionale Visualisierung", sagt der Architekt Stefan Hausladen, "kriegt man einen solch komplexen Bau weder vermittelt noch geplant."

Warum aber ist das eigentlich so? Wieso müssen Bauten immer komplizierter, vertrackter und damit häufig auch immer teurer und aufwendiger werden?

III. Komplexität

Ein paar Hundert Kilometer nordöstlich vom Fraunhofer ZVE drückt sich ein Experte für Komplexität tief in seinen Bürosessel, greift sich ins graue Resthaar und seufzt. Walter Pelka ist 58 Jahre alt und Präsident der HafenCity Universität, er hat lange als beratender Bauingenieur gearbeitet und kennt die Tücken des Planens und Bauens in- und auswendig. Zwei Straßenzüge von seinem Präsidialbüro entfernt wächst gerade der 66 Millionen Euro teure Neubau seiner Hochschule in den Hamburger Himmel. Eigentlich, meint Pelka, müsste sich ein solches Gebäude binnen anderthalb Jahren fertigstellen lassen. Tatsächlich aber werden wohl mehr als zweieinhalb Jahre vergehen, bis Studenten und Dozenten ihre neue Heimat beziehen können. Und natürlich liege das vor allem an der wachsenden Komplexität des Bauens, sagt er und hält einen Moment inne, "einerseits jedenfalls".

Andererseits habe man früher sehr viel ambitioniertere Bauten bewältigt. Mit sehr viel einfacheren Mitteln. Und dennoch pünktlicher.

Für die gigantische Hoover-Talsperre zwischen den US-Bundesstaaten Nevada und Arizona etwa mussten in den Dreißigerjahren 2,5 Millionen Kubikmeter Beton und 43500 Tonnen Stahl bewegt werden – und trotzdem wurde das beispiellose Bauwerk wie geplant fertiggestellt. Die Schöpfer des Empire State Building - vier Jahrzehnte lang das größte Gebäude der Welt – brauchten vom ersten Spatenstich bis zur Einweihung 1931 keine 15 Monate, obwohl sie über keinerlei Erfahrung mit vergleichbaren Hochhausbauten verfügten. "Es gibt also kein Naturgesetz, dass Großbauten grundsätzlich aus dem Ruder laufen müssten", folgert Pelka, "und dennoch tun sie es immer häufiger."

Schuld sei zum einen die immer spektakulärere Gebäudeästhetik. "Heute steht immer mehr der skulpturale Effekt eines Bauwerks im Vordergrund, während Baubarkeit und Bauzeit, Effizienz im Tragverhalten, der Materialeinsatz sowie die Wirtschaftlichkeit von Investition und Nutzung vernachlässigt werden." Hinzu kämen immer umfassendere Auflagen – etwa zu Gebäudesicherheit und Wärmeschutz – sowie aufwendigere Ausstattungen. Weil gleichzeitig der Kostendruck zunehme, würden Teilaufträge von Subunternehmern an Sub-Subunternehmer weitergereicht, was den Abstimmungsbedarf und die Fehleranfälligkeit erhöhe. Denn der billigste Anbieter sei nun mal nicht automatisch derjenige mit der nötigen Erfahrung und den erforderlichen Ressourcen.

Die zentrale Fehlerursache aber sieht Walter Pelka in der zunehmenden Spezialisierung der beteiligten Fachleute, die immer weniger von der Arbeit des anderen verstünden. "Am Bau lernen wir heute immer tiefer und wissen immer weniger", seufzt der HCU-Präsident. Architekten hätten sich von ihrer eigentlichen Aufgabe als Treuhänder des Bauherrn zu reinen Entwerfern entwickelt – und delegierten alle anderen Aufgaben und Probleme an Spezialfirmen.

Nach Ansicht des Architekten Ben van Berkel wird die Technik das ändern. "Die Zeiten, in denen Architekten als einsame Dirigenten den kreativen Prozess steuerten, sind lange vorbei", sagt er. "Heute bringen manche meiner Kunden bereits zur Auftragsvergabe ein halbes Dutzend Fachberater mit. Wir Architekten müssen uns künftig mitten durch das Orchester aus Auftraggebern, Handwerkern und Fachberatern bewegen, um gemeinsam am Entwurf zu arbeiten." Ein Glück, dass es die virtuellen Prototypen gebe und damit eine ganz neue Grundlage zur Verständigung. Sie erspare viele Missverständnisse und damit Zeit und Kosten. "Virtuelle Prototypen bringen uns, wenn man so will, näher an unsere eigentliche Aufgabe."

IV. Augenöffner

Beim Fraunhofer ZVE veränderte der digitale Zwilling im Lauf der Monate nicht nur die Vorstellungen aller Beteiligten vom Projekt, sondern auch das Projekt selbst. So war den Planern bei ihren virtuellen Erkundungstouren aufgefallen, dass das vorgesehene Trägerwerk die lichte Anmutung des Gebäudeinneren spürbar beeinträchtigen würde. Also machten sie sich auf die Suche nach einer Ersatzlösung und fanden sie in luftgefüllten Kunststoffkugeln, die in die Betondecken eingelassen wurden und auf diese Weise viel Material und Gewicht sparten, ohne die Tragfähigkeit zu mindern. Dank der intelligenten Luftnummer kommt das Foyer des realen ZVE heute ohne störende Stützpfeiler aus – ein unmittelbares Resultat seiner realitätsgetreuen Simulierung.

Genauso konnten die Planer probeweise die Lüftung prüfen. Gelb-orange leuchtende Vektoren zeigten ihnen die voraussichtliche Zirkulation der Luftströme an, die sie – wo notwendig - durch bauliche Veränderungen umlenken konnten. Sollten die Mitarbeiter des ZVE also künftig von Zugluft und Nackenverspannung verschont bleiben, wäre das nicht zuletzt der virtuellen Planung ihrer Arbeitsplätze zu verdanken.

Am 20. Juni 2012, als das echte Fraunhofer ZVE dann eingeweiht wurde, spazierten Planer, Bauarbeiter und Nutzer durch ein Gebäude, das ihnen längst bis in die letzten Winkel vertraut war. Ob das nicht ein seltsames Gefühl für ihn sei, wurde der Architekt Ben van Berkel gefragt. "Nein", antwortete er, "nur eine sichtbare Bestätigung, dass unsere virtuellen Modelle auch in der Realität funktionieren."

Für Roland Blach und seine Kollegen vom Fraunhofer IAO ist das Projekt erst der Anfang. Sie haben mit ihrer Methode unter anderem bei der Planung der Neubauten des Bildungs- und Forschungsministeriums am Berliner Spreebogen, des Essener ThyssenKrupp Hauptquartiers und des Schweizer Sitzes der Würth-Gruppe in Rorschach am Bodensee geholfen. Die Kosten liegen bei 20.000 und 80.000 Euro pro 3-D-Gebäudemodell, eine Vor-Ort-Präsentation auf einer mobilen Powerwall inbegriffen. Künftig könnten virtuelle Modelle nicht nur bei der Simulation von Gebäuden, sondern auch bei der Verkehrsplanung und der Anlage ganzer Stadtviertel genutzt werden, so Blach. "Die Diskussion um Stuttgart 21 hätte ganz anders laufen können, wenn man den Bürgern offen in einer realitätsnahen Simulation gezeigt hätte, wie sich der Neubau tatsächlich anfühlen wird", sagt er. "Dazu muss man die Feedbacks natürlich sinnvoll sortieren und integrieren lernen. Bei Hunderten Beteiligten wäre das nicht ganz einfach, da brauchen wir entsprechende Moderationsprozesse."

Und dann gibt es noch ein ganz anderes, kurioses Problem: Weil in Kino- und Fernsehfilmen schon seit Jahrzehnten Virtual-Reality-Modelle auftauchen, glauben heute viele Leute, das gebe es längst auch in der Wirklichkeit. So kennt jeder "Star Trek"-Fan das "Holodeck" des Raumschiffs Enterprise, in dem die Mannschaft bereits in den Sechzigerjahren komplexe Prozesse simulierte. Das war zwar reine Fiktion und von tatsächlichen Möglichkeiten etwa so weit entfernt wie die Erde vom Mars. Doch irgendwie setzte sich die Vorstellung in den Hirnen der Menschen fest. "Heute können wir noch so beachtliche Fortschritte erzielen", sagt Fraunhofer-Forscher Roland Blach amüsiert, "immer wieder heißt es: ,Was? Ich dachte, das gäb's schon längst!'"