KI in der Bebauungs-, Wohnungs- und Gebäudeplanung: Smarte Gebäudeplaner

Neben Textgeneratoren für Kundenanschreiben, Begehungsprotokollen oder Social-Media-Posts und Bildgeneratoren für die Visualisierung erster Entwurfsideen gibt es inzwischen auch auf mehreren Teildisziplinen der Künstlichen Intelligenz (KI) basierende Planungsprogramme. Sie erstellen automatisiert städtebauliche Studien, generieren und optimieren Baumassen oder Grundrisse in der Vorentwurfs- und Entwurfsphase oder erstellen BIM-Modelle für die Baueingabe- und Werkplanung.

Was können KI-Planungswerkzeuge?

KI-Planungswerkzeuge nutzen smarte Algorithmen für eine automatisierte Erstellung von städtebaulichen Bebauungsstudien, von Gebäudegrundrissen oder BIM-Modellen. Die jeweilige Form kann dann direkt bewertet und optimiert werden – beispielsweise im Hinblick auf die bauliche Dichte, Nutzungsqualität, Erschließung, Belichtung oder Wirtschaftlichkeit. Die verschiedenen Lösungen kombinieren dafür KI-Technologien des Generativen Designs, regelbasierter Systeme, der graphbasierten Modellierung, Simulationen, Bildverarbeitung etc., um funktionale, regelkonforme und für bestimmte Vorgaben optimierte Entwürfe zu erzeugen. Beim KI-gestützten Generativen Design erzeugt die Software auf Basis definierter Entwurfsziele, Regeln und Randbedingungen selbstständig eine Vielzahl von Entwurfsvarianten, bewertet und optimiert diese selbstständig. Bei der graphbasierten Modellierung werden räumliche Beziehungen, Erschließungen, Zonierungen oder funktionale Anforderungen algorithmisch erfasst und in Form von Graphen dargestellt. Das ist ein Netzwerk aus Knoten, die Räume repräsentieren, und Kanten, die Verbindungen, Beziehungen oder Abhängigkeiten darstellen. Dabei kann beispielsweise vorgegeben werden, welche Minimal bzw. Maximalgrößen und welchen Zuschnitt Räume haben sollen, dass Nassräume aus Installationsgründen möglichst nebeneinander oder gegenüber liegen oder Verkehrsflächen möglichst minimiert werden sollen.

Diese und weitere, vom Anwender definierten Regeln werden bei der automatischen Grundriss-Erstellung berücksichtigt. Die Methode erlaubt eine regelbasierte, dynamische Anpassung von Baukörpern und Grundrissen an Änderungen des Baugrundstücks, der Gebäudegeometrie, Nutzungs- oder Qualitätsanforderungen, quasi in „Echtzeit“. Simulationen, in definierten Zeitschritten ausgeführte Berechnungen, werden für rechnergestützte Echtzeit-Analysen und Bewertungen der funktionalen Qualität eines Entwurfs genutzt. Simuliert und optimiert werden beispielsweise der Sonnenlichteinfall, die Verschattung, die Luftzirkulation, Lärm- und Windverhältnisse etc. Für die Wirtschaftlichkeitsbewertung von Grundstücken lässt sich häufig parallel anzeigen, wie viele Wohneinheiten, Nutzflächen, Verkehrsflächen, Arbeitsplätze oder Parkplätze etc. möglich oder notwendig sind. Damit erhalten Planer und Investoren eine verlässliche und schnelle Rückmeldung zu essenziellen Fragestellungen, was Entscheidungsprozesse beschleunigt.

Wie funktionieren KI-Planungswerkzeuge?

Jede Software hat ein eigenes Funktions- und Bedienkonzept – im Prinzip sind die Abläufe aber ähnlich: Zunächst müssen Anwender die Rahmenbedingungen und Anforderungen wie das Gelände und Baugrundstück, die Nutzungsart, Raumanzahl, Flächenvorgaben, Raumbeziehungen, Belüftung/Belichtung, Erschließung etc. definieren. Die KI erzeugt anschließend, basierend auf den definierten Regeln per Generativem Design und einer KI-Optimierung automatisch mehrere Varianten. Unterstützt die Software eine graphbasierte Modellierung, lassen sich Baumassenverteilungen und Raumbeziehungen definieren und danach Gebäude- oder Grundrisslayouts iterativ optimieren, um sich schrittweise dem gewünschten Ziel zu nähern. Simulationen ermöglichen eine Feinabstimmung in Bezug auf Belichtung/Verschattung, Lärm/Wind etc. Automatische Fehler-Checks prüfen im Hintergrund auf Vorgaben- und Normkonformität und funktionale Qualität. Die generierten Varianten können anschließend vom Anwender verglichen, bewertet, individuell angepasst und über Schnittstellen oder direkt im nativen Datenformat in CAD- oder BIM-Programme wie Revit, Rhino, Sketchup, Archicad etc. importiert und dort weiterbearbeitet werden.

Welche KI-Planungstools sollte man kennen?

Aus der inzwischen beachtlichen Vielzahl an KI-Planungswerkzeugen (siehe auch Infokasten) fallen die folgenden Lösungen durch besondere Funktionen oder eine häufige Nennung auf. Die meisten Lösungen sind kostenpflichtig und setzen eine Registrierung voraus. Einige bieten, nach einer Anmeldung über ein Google- oder Facebook-Konto, auch eine kostenfreie Testmöglichkeit einer limitierten Version. Die monatlichen Kosten liegen pro Nutzer, je nach Funktionsumfang, zwischen 25 und 250 Euro bzw. US-Dollar – und mehr.

• Architechtures: Diese webbasierte Entwurfsplattform für Architekten, Bauträger und Projektentwickler verspricht völlig neuartige Entwurfsprozesse für Wohngebäude. Anwender können dabei in frühen Entwurfsphasen in einem iterativen Prozess anhand von Variantenvergleichen zu vorgegebenen Geometrien, Zielen und Entwurfskriterien optimierte Gebäude- und Grundrisslösungen entwickeln. Die Ergebnisse werden in Echtzeit als BIMModell angezeigt, das im IFC-, XLSXund DXF-Format exportiert werden kann. (www.architechtures.com)
• Forma Site Design: … ermöglicht Stadtplanern und Projektentwicklern KI-gestützte Standortanalysen und Baumassenstudien. Anhand von KI-Echtzeitsimulationen für Wind, Lärm, Tageslicht, Verschattung etc. lassen sich die Baukörper optimieren und auf dem Baugrundstück ausrichten. Die Konzeptstudien können anschließend in Revit weiterbearbeitet werden. (www.autodesk.com/de)
• Finch: … ist ein parametrisches Designwerkzeug für Planungsbüros mit dem Fokus Wohnungsbau und BIM-Integration. Damit können Grundrissvarianten nach Anwendervorgaben automatisiert erstellt und beispielsweise bezüglich der Flächengrößen optimiert werden. Gebäudeentwürfe lassen sich dynamisch und in Echtzeit optimieren. Das Programm ermöglicht auch Analysen von Tageslicht, Flächenverteilung oder CO2-Fußabdruck sowie eine nahtlose Anbindung an Revit und Rhino. (www.finch3d.com)
• Skema: … ist ein in die BIM-Autorensoftware Revit integrierbares Online-Designwerkzeug für Gebäude unterschiedlicher Nutzung. Es kann Schemapläne auf der Grundlage von Anwendervorgaben, Nutzungsprofilen und/oder früherer Entwürfe generieren und daraus automatisiert BIM-Modelle bis zum Detaillierungsgrad LOD 350 erstellen. Aus vorhandenen BIMModellen extrahiert Skema semantisch strukturierte, wiederverwendbare Bauteilgruppen, die man für neue Entwürfe verwenden kann. (www.skema.ai)
• Swapp: Auf der Grundlage einfacher Raumlayouts können entsprechend den konstruktiven Vorgaben des Anwenders komplette Revit-Modelle inklusive aller Grundriss-, Schnitt- und Detailzeichnungen erstellt werden. Swapp automatisiert die BIM-Modell- oder Bauplanerstellung und richtet sich an größere Planungsunternehmen, die repetitive Projektplanungen rationalisieren wollen. (www.swapp.ai)
• TestFit: … ist ein KI-gestütztes Tool zur Machbarkeitsanalyse und Grundstücksausnutzung für Planer, Projektentwickler und Investoren. Es zeigt an, wie viele Wohneinheiten, Parkplätze oder Fensterflächen möglich oder notwendig sind – inklusive Wirtschaftlichkeitskennzahlen – und bietet eine schnelle Variantenbildung, Echtzeit- Finanzkennzahlen sowie eine Revit-Integration. (www.testfit.io)
• Urbanistic: … ist eine deutsche Web-Plattform für die Planung von 3D-Stadtmodellen, KI-gestützte Analysen und die Kollaboration mit Projektbeteiligten. 3DStadtmodelle werden auf der Grundlage amtlicher Geodaten automatisch generiert. 2D-Zeichen- und 3D-Modellierwerkzeuge ermöglichen das Erstellen und Verändern von Baukörpern, Grünflächen und Straßen. KI-gestützte Analysen, Kennzahlen und Schlüsselwerte unterstützen Potenzialund Risikobewertungen, dynamische Checks prüfen Entwürfe auf Baurechtskonformität. (www.urbanistic.de)

Wo liegen die Schwächen und Grenzen?

Neben den Vorteilen wie Zeiteinsparung, Variantenvielfalt und Optimierung weisen die Tools auch einige Schwächen auf. So erzeugen sie zwar funktionale, den Vorgaben folgende Baukörper- oder Grundrisslayouts. Diese verfügen aber häufig über eine begrenzte architektonische Qualität, Kreativität und gestalterische Raffinesse. Bau- und Brandschutzvorschriften oder Vorgaben zur Barrierefreiheit werden teilweise nur grob oder überhaupt nicht berücksichtigt. Manche KI-generierten Vorschläge sind auch inhaltlich nicht nachvollziehbar und dahinterstehende Prozesse intransparent. Die meisten KI-Generatoren sind auf den Wohnungsbau oder Bürogebäude sowie auf US-Normen und Richtlinien trainiert und optimiert. Komplexere Gebäudetypen wie öffentliche Gebäude, Gewerbebauten oder Änderungen am Bestand lassen sich nicht oder nur eingeschränkt abbilden. Auch die Exportformate, etwa für BIM-Projekte, sind nicht immer vollständig kompatibel mit dem IFC-Standard. Außerdem fehlt es meist an Kollaborations-Schnittstellen zur TGA-, Tragwerks- oder Brandschutz-Fachplanung. Achten sollte man bei den durchweg cloudbasierten Programmen auch auf die Lizenzmodelle, Preise, Kündigungsfristen und mögliche Risiken im Umgang mit sensiblen Projektdaten. Als Herausforderung können sich auch ein Umstieg auf andere Systeme, inklusive Projektdatenmitnahme, und der Support aufgrund von Sprach- und Zeitunterschieden erweisen.

Trotz dieser Probleme sind speziell beim automatisierten Entwurf von Baumassen- und Grundrissen oder bei der BIM-Modellierung die Einsatzpotenziale vielversprechend und können sogar begeistern, wenn man den herkömmlichen manuellen Aufwand vergleicht. Welche der oben genannten Lösungen sich in der Praxis als nützlich erweisen und sich gut in Arbeitsprozesse und andere vorhandene Programme einfügen, muss man individuell herausfinden. In jedem Fall sollte man sich mit den neuen Werkzeugen beschäftigen, denn sie werden künftig die Arbeitsweise, mittel- und langfristig vermutlich auch das Berufsbild von Architekten und Stadtplanern, verändern.

Der Autor

Marian Behaneck
Dipl.-Ing. (Architektur) Marian Behaneck ist freier Fachautor für Bausoftware und Bau-IT.