Topologieoptimierung Neues Computermodell verspricht nachhaltigere Bauwerke

Forschende am MIT haben die Topologieoptimierung an die Anforderungen des Bauwesens angepasst, um Brücken und Gebäude materialsparender und nachhaltiger zu machen. Durch Berücksichtigung von Bauvorgaben sinken Materialverbrauch und CO₂-Emissionen.

Im Jahr 2022 verursachte die weltweite Produktion von Baumaterialien mehr als sieben Prozent der gesamten CO₂-Emissionen. Doch wie viel davon war für den Bau von Häusern und Brücken tatsächlich notwendig? Topologieoptimierung kann hier Strukturen entwerfen helfen, die den Materialverbrauch um bis zu 90 Prozent senken. Dies könnte die Emissionen im Bausektor im Gigatonnen-Bereich reduzieren. Bisher kam die Topologieoptimierung jedoch primär für Anwendungen wie den 3D-Druck zum Einsatz. Kaum jedoch wurde sie von Ingenieuren für große Bauprojekte genutzt.

Der Grund: Topologieoptimierte Entwürfe sind oft nicht termingerecht und budgetkonform umsetzbar – Faktoren, die für Bauunternehmen entscheidend sind.

Topologieoptimierung für die Baupraxis nutzbar machen

Forschende des MIT haben nun einen Weg gefunden, diese Entwürfe praktikabler zu gestalten. Ihr Framework, das heute in der Fachzeitschrift Automation in Construction vorgestellt wurde, erlaubt es Anwendern, den algorithmisch erzeugten Strukturen Beschränkungen aufzuerlegen, um deren Komplexität zu begrenzen. So lässt sich beispielsweise festlegen, wie viele Komponenten an einem Punkt zusammentreffen dürfen oder wie klein das kleinste Bauteil sein darf. Zudem berücksichtigt das System unterschiedliche Materialeigenschaften und die Art der Verbindungen, um Lasten optimal zu verteilen.

„Es gibt ein Zusammenspiel zwischen den verwendeten Materialien, der Baubarkeit und der Optimierung der Struktur“, erklärt Josephine Carstensen, Professorin für Bauingenieurwesen am MIT. „Man muss alle drei Aspekte gleichzeitig adressieren. Genau das haben wir hier getan.“

Die Forschenden demonstrierten ihren Ansatz an Fachwerkkonstruktionen aus Stahl, Holz und kombinierten Materialien. Dabei zeigte sich, dass die CO2-Emissionen stark variierten, je nachdem, welche baulichen Einschränkungen gewählt wurden. Ziel ist es, die Topologieoptimierung für die reale Baupraxis nutzbar zu machen.

„In der Fachliteratur gab es oft eine Diskrepanz zwischen den theoretischen CO₂-Einsparungen am Computer und der realen Umsetzung“, so Carstensen weiter. „Das Problem ist die mangelnde Realisierbarkeit. Viele Entwürfe gelten als zu schwierig für konventionelle Methoden und werden daher gar nicht erst versucht. Unser Ansatz fügt Bedingungen hinzu, damit kein Entwurf entsteht, der schlichtweg unbaubar ist.“ An der Studie war neben Carstensen auch der Doktorand Zane Schemmer als Erstautor beteiligt.

Bessere Baubarkeit durch intelligente Algorithmen

Die computergestützte Topologieoptimierung existiert bereits seit Jahrzehnten. Sie verteilt Material in einem gegebenen Raum so effizient wie möglich. Das Ergebnis sind oft komplexe, spinnwebartige Strukturen, die selbst für erfahrene Ingenieure eine Herausforderung darstellen.

Um dieses Problem zu lösen, nutzten die Forscher sogenannte gemischt-ganzzahlige Algorithmen. Diese helfen dabei, binäre Entscheidungen zu treffen – etwa, ob ein Bauteil aus Holz oder Stahl besteht. „Ein Bauteil kann nicht zu 72 Prozent aus Holz und zu 28 Prozent aus Stahl bestehen“, erklärt Schemmer. Das System entscheidet sich für ein Material und berechnet daraufhin, wie die Verbindungen beschaffen sein müssen, um die Sicherheitsstandards zu erfüllen.

Das Modell berücksichtigt zudem realistische Materialeigenschaften: Stahlstreben können Druckbelastungen standhalten, Stahlseile hingegen nicht. Nutzer können zudem die Komplexität begrenzen, indem sie die maximale Anzahl der Anschlüsse pro Knotenpunkt oder Mindestwinkel zwischen Bauteilen festlegen.

Vergleich mit herkömmlichen Methoden

Die Forscher verglichen ihre Entwürfe mit herkömmlichen Methoden und nutzten dafür unter anderem das Beispiel der „Upside-Down Bridge“ in Lockport, New York. Dabei zeigte sich, wie unterschiedliche Materialien – reiner Stahl, reines Holz oder eine Kombination – die Umweltbilanz und die Baubarkeit beeinflussen. „Das System versteht, dass eine reine Stahlbrücke stabil ist, aber ökologisch nicht optimal. Holz spart CO2, benötigt aber an kritischen Punkten die Festigkeit von Stahl. Wir finden hier die optimale Balance“, sagt Schemmer.

Von der Forschung in die Industrie

Obwohl der Ansatz rechenintensiver ist als bisherige Methoden, lässt er sich laut den Forschern auf herkömmlichen Laptops ausführen und ist somit für die meisten Ingenieurbüros praktikabel.

Carstensen plant nun, verkleinerte Modelle der entworfenen Strukturen zu bauen, um die Vorhersagen zu validieren. „Um den Klimawandel zu bekämpfen, ist das Bauwesen ein wichtiger Hebel“, schließt Schemmer ab. „Wir können bereits in der Entwurfsphase Entscheidungen treffen, die unnötigen Materialverbrauch verhindern.“

Wissenschaftliche Publikation: Minimum Carbon Trusses: Constructible Multi-Component Designs with Mixed-Integer Linear Programming 
Finanzierung: MIT Morningside Academy for Design.

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