EPIKUR

Energieeffizienz-Potential intelligenter Kernverdichtung des urbanen Raums

Das gegenständliche Forschungsvorhaben befasst sich mit den Möglichkeiten, Implikationen und Rückkopplungen welche sich durch „Stadterweiterung nach Innen“ mittels innerstädtischer urbaner Verdichtung ergeben: Dabei wurde „Nachverdichtung“ frei von vorgegebenen Paradigmen untersucht, das heißt nicht ausschließlich auf existierenden Vorschriften und Regulativen basierend, sondern auch anhand des „vernünftig Machbaren“. Zu diesem Zwecke wurde im Rahmen dieser Sondierung untersucht, wie bestehende Wohnquartiere einer architektonischen und stadtplanerischen Evaluierung mittels computergestützten Verfahren unterzogen werden können. Das urbane Entwicklungspotential wurde sowohl im Verhältnis zu den (üblichen) „erlaubten“ Verdichtungs-Maßnahmen untersucht, wie auch im Spiegel einiger, von Seiten der Verwaltung und Politik zwar gewünschten, aber rechtlich nicht unbedingt zulässigen Verdichtungsmöglichkeiten. Auf diese Weise können Potentiale der innerstädtischen Nachverdichtung als Instrument für eine zukünftige ganzheitliche Stadterweiterungspolitik identifiziert und verfügbar gemacht werden. Solche Potentiale können dann als ressourcenschonende und energiesparende Alternative bzw. Ergänzung zu Stadterweiterungsgebieten betrachtet werden und – im Rahmen raumplanerischer Prozesse weiterentwickelt und ausgestaltet werden.

Ausgangssituation/Motivation

Die Stadt steht im 21. Jahrhundert – als ultimativer Ausdruck vieler zusammenlebender Menschen – vor zahlreichen komplexen Herausforderungen. Nachstehende Auflistung nennt einige dieser Herausforderungen:

  • starke Migration in die Städte
  • Ausuferung der Städte
  • soziale und demographische Fragen
  • Umweltverschmutzung
  • infrastrukturelle Ver- und Entsorgung
  • Verkehr und Mobilität

In diesem Kontext sind zahlreiche und komplexe Fragestellungen zu klären. Eine davon ist, wie Städte in der Zukunft wachsen sollen. Da gesetzliche und administrative Vorschriften oftmals inkonsistent zu einander sind, ist die Art und Weise wie Städte wachsen (in der Regel durch Stadterweiterungsgebiete) nicht unbedingt als optimal zu betrachten. Nachverdichtung ist eine Möglichkeit des städtischen Wachstums nach innen, wird jedoch aufgrund vieler offener Fragen (und möglicher Probleme) oftmals mit Skepsis betrachtet.

Inhalte und Zielsetzungen

Das Sondierungsprojekt EPIKUR befasste sich mit urbaner Nachverdichtung. Ziel ist eine, die Möglichkeiten einer EDV-gestützte Methode zur geometrischen und numerischen Darstellung von räumlichen Nachverdichtungspotentialen für unterschiedliche urbane Typologien auf Basis von bestehenden Stadtquartieren und unterschiedlichen Planungsprämissen zu entwickeln. Mit dieser Methode sollen Auswirkungen von unterschiedlichen räumlichen Eingriffen auf die Energieperformance eines Quartiers ermittelt werden und so zur Unterstützung von Planungs- und Entscheidungsprozessen in der Stadt- und Infrastrukturplanung beitragen.

Methodische Vorgehensweise

Im Sondierungsprojekt EPIKUR wurde – anfangs losgelöst von bestehenden gesetzlichen und normativen Vorgaben – untersucht, welches Potential in urbaner Nachverdichtung schlummert. Hierzu wurden folgende methodischen Schritte unternommen:

  1. Auswahl des repräsentativen Testfeldes und Definition eines Use-Cases (ein nach-zu-verdichtendes und zwei „Kontroll“-Quartiere) im innerstädtischen Gebiet der Stadt Graz (in kollaborativer Zusammenarbeit mit den Organen der Stadt Graz),
  2. Analysieren und Evaluieren des Gebäudebestandes der ausgewählten Stadtquartiere auf mehreren Maßstabsebenen und nach verschiedenen städtebaulichen und architektonischen Grundregeln.

    Urbane Morphologie

    Spacemate (Berghauser-Pont, Haupt) : Zusammenhang zwischen urbaner Typologie und Dichte

  3. Parameterformulierung und Kriterien-Gliederung: Architektonische und städtebauliche, bauphysikalisch-energetische, technische, humanökologische, ökologische, ökonomische, sowie soziale und demographische Aspekte werden zur Evaluierung des Potentials -aus unterschiedlichen Blickwinkeln – herangezogen. Dadurch entsteht eine Liste aus räumlichen und rechtlichen Beschränkungen, zu der Variablen wie horizontale und vertikale Limits des räumlichen Wachstums (z.B.: Grundstücksgrenze, maximal erlaubte Gebäudehöhe, Bebauungsdichte, Tageslichtzugang) gehören.

    Regelerstellung Beschattungsgeometrie – Problemfall spitzwinkelig zueinander angeordnete Gebäude

  4. Aufstellen von Regeln und Algorithmen: Das städtische Gebiet wird in Form von „positivem“ (bebautem) und „negativem“ (unbebautem) Raum repräsentiert. Innerhalb des negativen Raums werden nicht bebaubare Flächen – wie zum Beispiel jene die dem Straßenraum, öffentlichen Parks oder Plätzen zugeordnet sind – identifiziert und das verbleibende Volumen hinsichtlich der zuvor genannten Parameter und Beschränkungen untersucht. Dabei werden verschiedene Szenarien (vertikale und/oder horizontale Verdichtung) generiert und verglichen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Im EPIKUR-Projekt wurde versucht, eine EDV-gestützte Methode zur geometrischen und numerischen Darstellung von räumlichen Nachverdichtungspotentialen für unterschiedliche urbane Typologien auf Basis von bestehenden Stadtquartieren und unterschiedlichen Planungsprämissen zu entwickeln. Diese Entwicklung erfordert grundsätzlich die Zusammenarbeit von Experten aus der Stadtplanung, der Bauinformatik und der energetischen bzw. gebäude-Performance bezogenen Simulation. Die geplanten Verdichtungsszenarien berücksichtigen sowohl Neubauten (auf noch leeren Baugrundstücken) als auch horizontale und vertikale Verdichtungen bereits bestehender Gebäude. Die Rahmenbedingungen werden teilweise durch eine Reihe von räumlichen Beschränkungen wie horizontale und vertikale Grenzen der räumlichen Ausbreitung (z. B. Grundstücksgrenzen, bebaute Fläche, maximal zulässige Bauhöhe, Gebäudedichte, Tageslicht) vorgegeben. Diese Vorgaben werden basierend auf entsprechenden lokalen städtebaulichen Entwicklungskonzepten, lokalen Landnutzungs- und Bauvorschriften, sowie Normen und Gesetzen formuliert.

Schrittweise Exklusion des urbanen Negativraumes – Parameter Sonnenlicht

In der aktuellen Implementierung haben wir einen Ansatz verfolgt, der regelbasierte Argumentation und generative Algorithmen miteinander verbindet. Zu diesem Zweck wurden digitale Informationen der Stadt Graz, darunter 2D- und 3D-Mehrschicht-CAD-Darstellungen von Geometrie, Katasterplänen und Straßennetz zusammengetragen. Das ursprüngliche Modell der ausgesuchten Quartiere wurde in der CAD-basierten Modellierungsumgebung Rhinoceros 3D generiert und mit Hilfe der parametrischen Modellierung und der visuellen Programmierung des Plug-Ins Grasshopper weiter ausgebaut. In dem so erstellten ursprünglichen Umgebungsmodel werden im nächsten Schritt benutzerdefinierte Grasshopper (GH) Add-ons (in der Programmiersprache C#) für die Einbeziehung und kohärente Anwendung von räumlichen Zwängen innerhalb der bebaubaren Bereiche entwickelt. Diese Routinen für bedingungsbasierte räumliche Operationen wurden in unterschiedlichen Sequenzen arrangiert und ausgeführt, wobei das theoretische maximale bauliche Potential durch vertikale und horizontale Erweiterungen untersucht wurde. Die erzeugten alternativen städtebaulichen Verdichtungsszenarien werden anschließend evaluiert.

Ausblick

Im EPIKUR-Projekt wurde ein Software-Environment geschaffen, welches die Erzeugung, Visualisierung und Bewertung alternativer Stadtverdichtungsszenarien unterstützen soll. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigen die Möglichkeiten, aber auch die Probleme der vorgeschlagenen Methode auf. Das Ergebnis solcher parametrischer Analysen von städtischen Verdichtungsszenarien kann den Entscheidungsträgern ein wertvolles Feedback für eine nachhaltigere städtebauliche Entwicklung aufzeigen.

In einem nächsten Schritt wäre die Integration einer dynamischen Gebäudeperformance Simulation interessant. Die daraus resultierenden Ergebnisse hinsichtlich des Energieverbrauchs der gebauten Umwelt können helfen, Energieverbrauchsmuster mit Hilfe von stochastischen Belegungsmodellen zu erstellen. Diese Modelle ermöglichen eine bessere Beurteilung der möglichen Auswirkungen von Stadtentwicklungen in einem sehr frühen Stadium und stellt somit eine optimale Unterstützung für Planer und Entscheidungsträger dar.

I. Pirstinger, M. Vuckovic, M. Majcen, M. Raudaschl, C. Tauber, A. Mahdavi, K. Kiesel, S. Glawischnig, A. Heiderer
Technische Universität Wien, Abteilung Bauphysik und Bauökologie, 2016

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Ein Projekt im Rahmen des Programms Stadt der Zukunft im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie

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