Zum Einsatz in frühen Planungsphasen

Digitale Methoden für klimaresiliente Nachverdichtung

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Nachverdichtung Klimawandel
1 Zusammenspiel der Arbeitspakete im Forschungsprojekt. Quelle: TUM, R. Reitberger, L. Lerner

Vielerorts stehen Kommunen vor einer doppelten Herausforderung - die steigende Wohnraumnachfrage bei gleichzeitiger Flächenknappheit und die Notwendigkeit, die bereits schon jetzt spürbaren Folgen des Klimawandels zu berücksichtigen. Innerstädtische Frei- und Grünflächen, die eine wichtige Rolle für die Klimaregulation spielen, geraten dabei unter zunehmenden Nutzungsdruck.

Das Leitbild der doppelten Innenentwicklung sieht vor, durch die Aktivierung von innerstädtischen Brachflächen und Baulücken die Neulandinanspruchnahme zu reduzieren, während zugleich Grün- und Freiflächen möglichst erhalten und weiterqualifiziert werden sollen (UBA, 2018). Die gleichzeitige Berücksichtigung dieser teils widersprüchlichen Planungsziele erfordert ein ganzheitliches Vorgehen und disziplinen- und sektorenübergreifendes Arbeiten. Informationen zu den lokalklimatischen Verhältnissen und digitale Planungsmethoden können dabei helfen, Konflikte frühzeitig zu erkennen und Synergien zu nutzen.

Das Projekt Nachverdichtung im Kontext des Klimawandel

Im Rahmen des Vorhabens "Nachverdichtung im Kontext des Klimawandels" untersuchte ein Forscher*innenteam der Technischen Universität München, bestehend aus Bauingenieur*innen, Architekt*innen, Informatiker*innen sowie Stadt- und Landschaftsplaner*innen die Möglichkeiten digitaler Methoden zur Planungsunterstützung vor dem Hintergrund des Klimawandels. Es wurden sowohl die Anforderungen an digitale Methoden ermittelt, als auch prototypische Umsetzungen und Erprobungen in Workshops durchgeführt. Ziel war es, auf Grundlage digitaler 3D-Stadtmodelle Simulations- und Visualisierungsmethoden zu entwickeln. In den digitalen Analysen sollten insbesondere die Aspekte Freiraumgestaltung, Mikroklima-, Energie- und Lebenszyklusanalysen integriert werden.

Dadurch soll die Berücksichtigung klimarelevanter Belange und die Bewertung von Planungsalternativen in kommunalen Planungsprozessen erleichtert werden. Das Projekt ist ein Teilprojekt des Zentrums für Stadtnatur und Klimaanpassung (ZSK) und wird vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz (StMUV) finanziert.

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2 Auswertung der Online-Umfrage zu relevanten Themen in Zusammenhang mit Nachverdichtung. Abb.: TUM, S. Erlwein, J. Meister
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3 Planungstisch mit Tiefensensor und Gestenerkennung, B. Abb.:TUM, G. Schubert
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4 Die Collaborative Design Platform (CDP) kombiniert analoge und digitale Planungsmethoden und ermöglicht so eine schnelle Simulation und Optimierung. Abb.: TUM, L. Lerner

Bedarf an digitalen Methoden wächst

Sowohl eine Onlineumfrage als auch Interviews belegen die Aktualität des Themas Nachverdichtung und zeigen einen hohen Bedarf an digitalen Methoden in diesem Zusammenhang. Im Projekt wurden dazu Vertreter*innen bayerischer Kommunen, der Politik, Planungsbüros, Träger*innen öffentlicher Belange, Zivilgesellschaft und Investor*innen befragt. Zahlreiche Aspekte - von der Schaffung bezahlbaren Wohnraums bis zum Erhalt von Baum- und Grünstrukturen - spielen eine wichtige Rolle und müssen im Planungsprozess Berücksichtigung finden (s. Abb. 3).

Die Digitalisierung hat das Potential, immer komplexer werdende Planungs- und Entscheidungsprozesse in der Stadtplanung zu unterstützen, indem sie große Mengen an Informationen aus verschiedenen Themengebieten zusammenfasst und räumliche Zusammenhänge herstellt. So kann beispielsweise die sektorenübergreifende Planung in der öffentlichen Verwaltung durch digitale Methoden vereinfacht und die Entwicklung gemeinsamer Lösungen für Herausforderungen in komplexen Stadtgefügen gestärkt werden. Interdisziplinäre Herangehensweisen sind insbesondere in frühen Planungsphasen erforderlich, da zu diesem Zeitpunkt die Handlungsspielräume größer sind (Meex et al., 2018).

Wenngleich bereits unterschiedliche digitale Planungstools existieren, die Kommunen bei der Steuerung von Nachverdichtung unterstützen sollen, so ist deren Bekanntheitsgrad oft begrenzt und der Einsatz häufig nur eingeschränkt möglich. Dazu gehören die Flächenmanagement-Datenbank und der FolgekostenSchätzer des Bayerischen Landesamts für Umwelt sowie der Stadtklimalotse des BBSR. Die genannten Instrumente bieten eine gute Übersicht und erste Orientierungspunkte, aber keine lokal-spezifischen Analysen für einzelne Planungsprojekte.

Collaborative Design Platform (CDP) als Beispiel digitaler kollaborativer Methoden

Die Forschung hat gezeigt, dass eine Verbesserung der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine die Zusammenarbeit verschiedener Planungsdisziplinen erleichtern kann (Billinghurst, 1999). Das Forschungsprojekt beschäftigte sich mit der Entwicklung von Simulationsmethoden und der Echtzeitbewertung von Planungsoptionen. Als Basis für diese Entwicklung dient die an der TU München konzipierte Collaborative Design Platform (CDP). Das Planungsunterstützungstool konzentriert sich auf den sinnvollen und nützlichen Einsatz von Computern in den frühen Phasen der städtebaulichen Planung. Die CDP besteht aus einem Planungstisch, auf welchem das Quartiersmodell projiziert wird. Durch einen Tiefensensor werden platzierte Bauklötze in Position und Höhe erkannt und in das digitale Modell eingefügt. Zusätzliche Informationen und eine 3D-Darstellung werden auf einem weiteren Monitor angezeigt.

Vor allem die etablierten Methoden im architektonischen Entwurfsprozess wie Arbeitsmodelle und Handskizzen werden von der CDP unterstützt. Durch die laufende Aktualisierung des digitalen Modells werden Interaktionen wie Positionsänderungen und unterschiedliche Baukörperformen in der digitalen Szene aktualisiert und in den Berechnungen berücksichtigt. Dies führt zu direkten und objektiven Rückschlüssen in Echtzeit und bietet Möglichkeiten zur Variantenoptimierung (Schubert, 2014; Petzold, 2017).

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5 Eindruck aus dem Workshop an der CDP mit Vertretern von Kommunen, Planung, Wirtschaft und Wissenschaft. Foto: L. Lerner

Basierend auf einer Analyse der Planungs- und Kommunikationsprozesse wurden im Rahmen des Forschungsprojekts die Anforderungen an die methodische Erweiterung der Plattform analysiert und als Prototyp umgesetzt. Dabei standen die Aspekte Energie, Ökobilanz sowie thermischer Innen- und Außenraumkomfort im Mittelpunkt. Die Anwendung wurde in einem Workshop mit Teilnehmer*innen aus Planungspraxis, Immobilienwirtschaft und der Kommune Kempten an einem konkreten Planungsfall erprobt. Dabei zeigten sich große Potentiale zur Beschleunigung von Abstimmungsprozessen sowie zur Unterstützung einer faktenbasierten Kommunikation im Zuge von Planungsvorhaben. Die folgenden Abschnitte geben einen Einblick in die Projektentwicklungen sowie die beispielhafte Anwendung in einer Fallstudie.

Kennzahlen zur Bewertung von Bebauungsvarianten

Kennzahlen helfen dabei, Eingriffe an Gebäuden und im Außenraum im Zuge von Nachverdichtung zu bewerten und Ausführungsvarianten zu vergleichen. Für die Bewertung von Gebäuden wurden der Heiz- und Kühlenergiebedarf sowie lebenszyklusbasierte Treibhausgasemissionen (THG) herangezogen. Die Bewertung des thermischen Komforts im Außenraum erfolgte mittels der Kennzahl "Universal Thermal Climate Index" (UTCI), welche die gefühlte Temperatur beschreibt und Rückschlüsse auf die Hitzebelastungen am Tag zulässt (B?a?ejczyk et al., 2013).

Derartige Kennzahlen werden in der Regel durch zeitintensive Simulationen ermittelt, die mehrere Stunden bis Tage benötigen. Für die kollaborative Planung bedeutet dies, dass Ergebnisse nicht in Echtzeit verglichen werden können. Bis entsprechende Ergebnisse vorliegen, vergeht wertvolle Planungszeit und es entsteht ein erheblicher Aufwand für alle Beteiligten durch die Teilnahme an einer Vielzahl von Abstimmungsterminen. Im Rahmen des Projekts wurden daher Methoden entwickelt, die einen Kompromiss zwischen Detaillierungsgrad der Simulationen und dafür benötigtem Zeitaufwand ermöglichen. Die Planungsbeteiligten werden so in die Lage versetzt, szenarienbasierte Varianten bereits im Zuge des Entwurfes auf der Grundlage von Simulationsdaten zu diskutieren. Dafür wurden Vorberechnungen und zeitgemäße Methoden der Informatik eingesetzt.

Zur Ermittlung des Energiebedarfs großer Gebäudebestände wurde beispielsweise eine Vorgehensweise gewählt, die auf Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) beruht. 20.000 Gebäudesimulationen mit verschiedensten Parameterkombinationen (etwa Qualität der thermischen Hülle, Gebäudegeometrie, Gebäudeausrichtung) dienen als Datengrundlage für die Erstellung eines KI-Modells. In dem Modell müssen keine rechenintensiven Energiesimulationen für die betrachteten Gebäude durchgeführt werden. Ergebnisse für beliebige Konfigurationen können in Millisekunden abgerufen werden. Ein solches Ersatzmodell wurde im Rahmen des Projekts für den Standort Kempten erstellt und steht der Öffentlichkeit zur Verfügung. Das Modell kann auch für andere Standorte als Hilfestellung zur Identifikation von besonders sanierungsbedürftigen Gebäuden eingesetzt werden. Aufgrund der wenigen benötigten Eingabedaten sind die Ergebnisse für die Ermittlung des detaillierten Energieverbrauchs zwar eingeschränkt verwendbar, sie eignen sich jedoch für eine erste Abwägung im Planungsgebiet. Durch die einfache Handhabbarkeit und minimale Systemvoraussetzungen (Microsoft Excel) ist auch unerfahrenen Nutzer*innen eine Anwendung möglich. Nähere Informationen sowie eine detaillierte Beschreibung hierzu finden sich unter dem QR Code.

Vergleich von Nachverdichtungsszenarien

Die Untersuchung eines Fallbeispiels in Kempten diente zur Bewertung verschiedener Nachverdichtungsszenarien (Aufstockung, Zeilenschluss, Zusatzbauten) und Planungsmaßnahmen (zusätzliche Außenraumbegrünung) für eine Zeilenbebauung der 1950er Jahre. Zudem wurden der Effekt einer Zusatzbegrünung sowie die Wirkung des Bestandsgrüns (Szenario "Ohne Bäume") untersucht.

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6 Ausgangssituation im Gebiet der Fallstudie. Abb.: TUM, A. Espinosa
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7 In der Fallstudie betrachtete Nachverdichtungsszenarien. Abb.: TUM, R. Reitberger
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8 Thermischer Komfort im Außenraum der verglichenen Szenarien, Durchschnittswert über das Planungsgebiet. Abb.: TUM, R. Reitberger

Thermischer Komfort im Außenraum

Zur Bewertung des Außenraumkomforts wurde die durchschnittliche gefühlte Temperatur (UTCI) im Planungsgebiet während einer Hitzestunde (1. August, 16:00 Uhr) ermittelt. Dabei werden Werte zwischen 26 Grad Celsius und 32 Grad Celsius als moderater, Werte über 32 Grad Celsius als starker Hitzestress eingestuft.

Aus den Ergebnissen lassen sich folgende Erkenntnisse ableiten:

  • Die bestehenden Bäume tragen wesentlich zur Reduktion von Hitzestress tagsüber bei.
  • Zusätzliche Bäume stellen ein effektives Mittel zur Reduktion der Hitzebelastung dar, im direkten Umkreis der Bäume kann diese dadurch um bis zu 6 Grad Celsius (UTCI) verringert werden.
  • Durch eine gezielte Kombination aus baulichen (z. B. Aufstockung) und grünen Maßnahmen (z. B. zusätzliche Bäume) kann die Hitzebelastung weiter reduziert werden.

Lebenszyklusbasierte Treibhausgasemissionen

Auf Gebäudeebene erfolgte die Untersuchung zur Klimawandelwirkung der Szenarien mithilfe einer Ökobilanz. Dabei wurden die Lebenszyklusphasen Herstellung, Betrieb sowie Rückbau und Entsorgung berücksichtigt und die Ökobaudat in Version 2020-II verwendet (BBSR, 2021). Für die neuen Bauteile wurde Holzrahmenbau als konstruktive Ausführung angenommen. Zudem wurde von einer Sanierung der Bestandsgebäude auf den gesetzlichen Mindeststandard ausgegangen und der bisherige Energieträger (Gas) beibehalten. Die Ergebnisse zeigen, dass allein die Sanierung der Bestandsgebäude zu einer annähernden Halbierung der Emissionen im Betrieb führt (vgl. Abb. 12). Außerdem konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden:

  • Durch die energetische Sanierung der Bestandsgebäude im Zuge von Nachverdichtungsvorhaben lässt das Quartier im Vergleich zum unsanierten Zustand mehr Wohnfläche bei gleichzeitig geringeren Emissionen zu.
  • Es sind jedoch weitere Maßnahmen zur Reduktion und ggf. Kompensation der Treibhausgasemissionen erforderlich, um Klimaneutralität zu erreichen. Beispielsweise könnten Photovoltaikanlagen oder die Pflanzung von Bäumen zur dauerhaften Einlagerung von CO2 als Ergänzung dienen.
  • Wird Gas als Energieträger beibehalten, weist der Gebäudebetrieb den größten Anteil an den Treibhausgasemissionen auf. Bei Umstellung auf zum Beispiel Wärmepumpe sinkt der Anteil des Betriebs und die Optimierung der Gebäudekonstruktion rückt in den Fokus.

Darstellung von Zielkonflikten und Synergien zur Entscheidungsfindung

Die Gegenüberstellung des thermischen Komforts im Außenraum und der lebenszyklusbasierten Treibhausgasemissionen zeigt den vorherrschenden Zielkonflikt (vgl. Abb. 13). Zusatzbebauung und Zusatzgrün gehen häufig mit einer Verschattung der umliegenden Gebäude und entsprechend einer Erhöhung von Heizbedarfen und betrieblichen THG-Emissionen einher. Auf die Hitzebelastung im Außenraum wirkt sich diese Verschattung dagegen positiv aus. Die Gebäudeaufstockung mit zusätzlicher Begrünung kann für das Fallstudienquartier als guter Kompromiss hinsichtlich Treibhausgasemissionen und der Reduktion der sommerlichen Hitzebelastung identifiziert werden. Dies ist unter anderem auf die kompakten Gebäudegeometrien und deren Ausrichtung zurückzuführen, wodurch aufgestockte Wohnflächen im Vergleich zu Neubauten einen verringerten Wärmebedarf aufweisen. Dieser Effekt hebt im Fallbeispiel die durch Aufstockungen entstehende Verschattung der Bestandsgebäude zum Teil auf.

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9 Treibhausgasemissionen der verglichenen Szenarien über deren Lebenszyklus (Herstellung, Betrieb, Rückbau & Entsorgung). Abb.: TUM, R. Reitberger
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10 Zielkonflikt zwischen Treibhausgasemissionen und thermischen Komfort im Außenraum. Abb.: TUM, R. Reitberger

Praxistransfer

Die im Zuge des Projekts entwickelten Simulationsmethoden (Energie, thermischer Außenraumkomfort) wurden veröffentlicht und können in der Praxis genutzt und weiterentwickelt werden. Zu den Zielgruppen zählen insbesondere Kommunen, Stadtverwaltungen, Planungsbüros, politische Entscheidungsträger*innen sowie Eigentümer*innen großer Immobilienbestände. Zudem wurde eine Handreichung zum Einsatz digitaler Methoden bei Nachverdichtungsvorhaben veröffentlicht, welche auf der Homepage des Forschungsprojektes zu finden ist. Dort können ebenso der detaillierte Schlussbericht sowie weitere Veröffentlichungen im Rahmen des Projekts abgerufen werden.

Fazit und Ausblick

Mangelnde finanzielle und personelle Ressourcen, Informationsdefizite und unzureichende Kommunikation stellen Hürden für eine kontrollierte und klimaresiliente Nachverdichtung dar. Entwicklungs- und Gestaltungssatzungen schaffen Rahmenbedingungen außerhalb von Bebauungsplänen, während die Entwicklung von städtischen Leitbildern eine Verständigung innerhalb der Stadtgesellschaft anstößt und Ziele transparent nach außen kommuniziert. Die frühzeitige Bereitstellung von klimarelevanten Informationen trägt entscheidend dazu bei, mögliche Konflikte, aber auch Synergien und Potentiale für eine klimaresiliente Nachverdichtung zu erkennen.

Digitale Methoden ermöglichen diese Bereitstellung und helfen bei der Visualisierung, Verknüpfung und Abwägung von szenarienbasierten Planungsalternativen. Um einen maximalen Nutzen durch derartige Tools zu erzielen, sollte der Einsatz in frühen Planungsphasen erfolgen. Dabei bieten die im Rahmen des Projekts entwickelten Methoden zur Echtzeitbewertung hohes Potential zur Unterstützung einer informierten Diskussion in kollaborativen Planungsprozessen. Dadurch können Planungsprozesse eine auf konventionellem Weg kaum erzielbare Dynamik erlangen. Auf diese Weise können Planungsbeteiligte Zielkonflikten mit innovativen Ansätzen begegnen.

Die Fallstudie hat einige besonders relevante Aspekte in Nachverdichtungsvorhaben herausgestellt. Neben dem Erhalt von Bestandsgrün spielen die Sanierung des Gebäudebestandes sowie die Energieversorgung eine entscheidende Rolle auf dem Weg zur nachhaltigen Transformation bestehender Quartiere. Aufstockungen und zusätzliches Grün bieten dabei hohes Potential und können Synergien mit existierenden Ansätzen erzeugen. Nichtsdestotrotz sind weitere Anstrengungen erforderlich, um klimaneutrale, resiliente Quartiere im Bestand zu etablieren, weshalb auch künftig der regenerativen Energieversorgung und der Kompensation eine entscheidende Rolle zukommen wird. Die Ergebnisse und Methoden des kollaborativen Prozesses können in einem separaten nächsten Entwicklungsschritt weiteren Beteiligten zur Verfügung gestellt werden. So könnten kollaborative Tools auch in Beteiligungsverfahren eingesetzt werden. Entscheidend dabei sind unter anderem eine gute Vermittlung der Ergebnisse und eine professionelle Einbindung in Kommunikationsprozesse mit der Zivilgesellschaft. Somit können Missverständnisse vermieden, Potentiale aufgezeigt und mehr Transparenz in der Entscheidungsfindung erzeugt werden.

Literatur und Quellen

Bundesinstitut für Bau-, Stadt-und Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR) (2021): ÖKOBAUDAT. Online verfügbar unter: https://www.oekobaudat.de/www.oekobaudat.de

Billinghurst, M.; Kato, H. (1999): Collaborative Mixed Reality. IN Proceedings of the First International Symposium on Mixed Reality (ISMR'99). Mixed Reality - Merging Real and Virtual Worlds, pp. 261-284. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-87512-0_15doi.org/10.1007/978-3-642-87512-0_15

B?a?ejczyk, K., Jendritzky, G., Bröde, P., Fiala, D., Havenith, G., Epstein, Y., Psikuta, A., & Kampmann, B. (2013). An introduction to the Universal Thermal Climate Index (UTCI). Geographia Polonica, 86(1), 5-10. https://doi.org/10.7163/GPol.2013.1doi.org/10.7163/GPol.2013.1

Meex, E., Hollberg, A., Knapen, E., Hildebrand, L., & Verbeeck, G. (2018). Requirements for applying LCA-based environmental impact assessment tools in the early stages of building design. Building and Environment, 133, 228-236. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2018.02.016doi.org/10.1016/j.buildenv.2018.02.016

Petzold, F.; Auer, T. (2017): Simulationsgestützte Entwurfsplanung im städtebaulichen Kontext unter Berücksichtigung energetischer und raumklimatischer Aspekte. ZukunftBau (BBSR). Online verfügbar unter https://www.zukunftbau.de/projekte/forschungsfoerderung/1008187-1659www.zukunftbau.de/projekte/forschungsfoerd...

Schubert, G. (2014): Interaktionsformen für das digitale Entwerfen. Konzeption und Umsetzung einer rechnergestützten Entwurfsplattform für die städtebaulichen Phasen in der Architektur. Dissertation. Technische Universität München, München. Online verfügbar unter https://mediatum.ub.tum.de/node?id=1207655mediatum.ub.tum.de/node

Umweltbundesamt (2018): Umwelt- und Aufenthaltsqualität in kompakt-urbanen und nutzungsgemischten Stadtstrukturen. Verfügbar unter https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/umwelt-aufenthaltsqualitaet-in-kompakt-urbanenwww.umweltbundesamt.de/publikationen/umwel...

Dr. Sabrina Erlwein
Autorin

Stadtplanerin

Technische Universität München
M. Sc. Jakob Fellner
Autor

Architekturinformatiker

Technische Universität München
Prof. Dr. Werner Lang
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Lehrstuhl für energieeffizientes und nachhaltiges Planen & Bauen

Technische Universität München, School of Engineering and Design
M. A. Juliane Meister
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Prof. Dr. Stephan Pauleit
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Prof. Dr. Frank Petzold
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M. Eng. Roland Reitberger
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Bauingenieur

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Dipl.-Ing. Carsten Schade
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