Forschungsbereiche in CARE
In den Forschungsbereichen (Research Areas = RAs) in CARE werden theoretische und methodische Grundlagen erarbeitet und interdisziplinäres Fachwissen gebündelt. Die Forschungsbereiche adressieren zum einen die drei zentralen Aspekte des Bauens: Baustoffe (RA1), Konstruktionsprinzipien (RA2) sowie Fertigungstechnologien (RA3). Zwei weitere querschnittsorientierte Forschungsbereiche befördern die Fortschritte auf dem Weg zur Verwirklichung der Ziele von CARE: Digitale Methoden (RA4) und Ganzheitliche Nachhaltigkeitsbetrachtungen (RA5).
State of the Art in Baumaterialien (links) und Forschungsthemen der RA1 (rechts).
Klimaneutrale und zirkuläre Baustoffe sind die Schlüsselkomponenten für das Erreichen der Forschungsziele von CARE .
In RA1 werden zirkuläre und CO₂-neutrale Verbundwerkstoffe als multifunktionale Baumaterialien unter Einsatz innovativer Rohstoffe erforscht. Im Fokus steht die Entwicklung langlebiger Hochleistungsverbbaustoffe aus maßgeschneiderten, CO₂-neutralen Fasern und Matrizes. Die Entwicklung neuer Recyclingmethoden zur Rückgewinnung und Wiederverwendung der Bestandteile Verundbaustoffe ist wichtiger Bestandteil der Arbeiten. DIe neuartigen Materialien sollen nicht nur strukturellen Anforderungen genügen, sondern auch zusätzliche Funktionen wie Rissdetektion und Energiegewinnung bieten. RA1 fokussiert auf die folgenden drei Forschungsthemen:
RA1-1 Neue Ressourcen
- Methodenentwicklung zur Gewinnung reaktiver mineralischer Bindemittel, unter Gewährleistung von CO₂-Neutralität und Einsatz grüner Energie
- Entwicklung von Verfahren zur Nutzung von CO₂ als effektivem Reaktionspartner zur Herstellung moderner Baustoffe
- Entwicklung von Strategien zur vollständigen Ausschöpfung des großen Potenzials sekundärer Rohstoffe
RA1-2 Zirkuläre Materialien
- Entwicklung von Methoden für eine vollständig zirkuläre Nutzung zementhaltiger Bindemittel
- Verbesserung der Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Lehmbaustoffen bei Erhalt ihrer Zirkularität
- Entwicklung zirkulärer Hochleistungsfasern und Polymere für den Einsatz als Bewehrungen in den mineralischen Baustoffen
RA1-3 Neue Funktionalitäten
- Erkennung und Bewertung kritischer Risse
- Materialien zur Detektion von Feuchtigkeit und baustoff-schädigenden Medien sowie deren Unterscheidung
- Entwicklung von Ansätzen zur Energiegewinnung mit und in verbauten Baustoffen
State of the Art für Gebäude und Brücken (links) und die Forschungsthemen der RA2 (rechts)
Neue Entwurfs- und Konstruktionsprinzipe sind entscheidend für die Entwicklung ressourcenschonender, resilienter und anpassungsfähiger Tragwerksysteme mit CO₂-neutralen Fußabdruck.
In RA2 sind die Forschungsarbeiten auf die Entwicklung eines nachhaltigen Tragwerksdesign durch Materialminimierung und Einsatz nachhaltiger Baustoffe ausgerichtet. Die Herstellung der materialminimierten Tragstrukturen soll mithilfe digital gestützter Fertigungsmethoden erfolgen. Traditionelle Praktiken der Materialnutzung werden hinterfragt und zirkuläre Entwurfsprinzipe entwickelt, die eine Wiederverwendung von Bauteilen zulassen. Zur Verlängerung der Nutzungsdauer von Material und Baukörper werden neuartige Techniken zur Instandsetzung und Ertüchtigung bestehender Bauwerke erarbeitet und monitoringbasierte Ansätze für das prädiktive Lebensdauer-Management von Bauwerken erforscht. RA2 fokussiert daher auf folgende Themen:
RA2-1 Materialminimierung
- Erforschung neuer Designprinzipien zur Materialminimierung unter Verwendung generativer KI, inspiriert von historischen Vorbildern, anderen Ingenieurdisziplinen und der Natur
- Optimierung der strukturellen Topologie von flachen, im inneren geometrisch aufgelösten Bauelementen
- Charakterisierung des Einflusses neuartiger automatisierter Fertigungstechniken auf die mechanische Leistungfähigkeit zirkulärer, mineralischer Baustoffe
RA2-2 Zirkuläre Tragwerkskonzepte
- Entwicklung von Strategien zur Wiederverwendung Bauteilen, die aus bestehenden Strukturen gewonnen wurden, in neuen Tragwerkskontexten
- Entwicklung von Entwurfs- und Bemessungskonzepten auf Grundlage von Optimierungsalgorithmen für die Tesselierung von Fertigteilen und wiederverwendeten Bauteilen
- Erforschung hochleistungsfähiger, lösbarer Verbindungen zwischen Baukörpern. Die Verindungen sollen die Montage und Demontage mit Hilfe von Robotern erlauben
RA2-3 Verlängerte Nutzungsdauer von Bauwerken
- Erfoschung von minimalinvasiven, robotergestützten Verfahren für die Bauwerksverstärkung zur Verlängerung der Nutzungsdauer bestehender Strukturen
- Umwandlung bestehender Baukörper in intelligente Systeme, die autonom datenbasiert über ihren strukturellen Zustand, die verbleibende Lebensdauer und notwendige Wartungsmaßnahmen berichten
State of the Art im Betonbau (links) und Forschungthemen der RA3 (rechts)
Fertigungstechnologien ermöglichen innovative Ansätze zur Automatisierung von Bauprozessen, um die Produktivität zu steigern und dem Fachkräftemangel zu begegnen.
In RA3 werden zirkuläre und automatisierte Fertigungs- und Bauprozesse für nachhaltige, resiliente und klimaneutrale Bauweisen erforscht. Im Zentrum Arbeiten stehen Verfahren für die robotergestützte De- und Rekonstruktion, autonome Transport- und Handhabungssysteme sowie additive Fertigung unter Einsatz zirkulärer und recycelter Materialien. Integrierte kognitive Systeme mit sensorbasierter Überwachung und maschinellem Lernen ermöglichen dabei neue Ansätze für effiziente Neubauten und angepasste Instandsetzungen unter Verwendung CO₂-neutraler Baustoffe. Die Forschungen in RA3 fokussieren auf:
RA3-1 Zirkulär automatisierte Konstruktion
- Skalierbare Bautechnologien mit klimaneutralen Materialien durch Automatisierung von Steuerungssystemen für schwere Baumaschinen
- Hochwertige zirkuläre Wiederverwendung von Bauteilen durch präzise automatisierte Rückbauprozesse
- Neue Bauprinzipien durch autonome Multiagentensysteme mit hoher Traglast
RA3-2 Kognitive Produktionssysteme
- Entwicklung neuartiger adaptiver Prozessketten in der Vorfertigung durch automatisierte Prozessüberwachung und Qualitätssicherung
- Untersuchung der Anforderungen an kognitive Robotersysteme zur Steigerung von Resilienz, Flexibilität und Sicherheit im Bauwesen
- Etablierung adaptiver, resilienter und auf technischer Kognition basierender Methoden für die Instandsetzung zur Verlängerung der Nutzungsdauer von Infrastrukturen
RA3-3 CARE Prozess Ontologie
- Ganzheitliche, nahtlose und echtzeitfähige Datenintegration in Vorfertigungs-, (De-)Konstruktions- und Rekonstruktionsprozesse durch den Einsatz von Prozessontologien
- Integration von Ontologien in die Prozesssteuerung von human cyber-physical construction systems (HCPCS) zur Ermöglichung effizienter und adaptiver Maschinensteuerung
- Quantensprung in der Prozesssteuerung des Bauwesens durch multimodale Datenintegration
Die Digitalisierung ermöglicht klimaneutrales Bauen durch datenbasierte semantische Modellierung, geometrische Optimierung und verbesserte Dateninteroperabilität.
In RA4 werden multimodale Daten genutzt, um neuartige Materialkonzepte, Entwurf und Bemessung von Tragwerken, deren automatisierte Bauausführung sowie die Nachhaltigkeitsbewertung aufeinander abzustimmen und zu verschränken. Neue Algorithmen und Datenmodelle ermöglichen die Vorhersage von Materialeigenschaften und Umweltwirkungen. Generative informationstechnische Modelle und geometrische Optimierungsverfahren erlauben die grundlegende Veränderung von Entwurfs- und Fertigungsprozessen. Als digitales Rückgrat von CARE bildet RA4 die Datenwertschöpfungskette ab – von Rohdaten bis hin zu integrierten Erkenntnissen für ressourceneffizientes Bauen. Die Forschung in RA4 ist foakussiert auf:
RA4-1 Datenerfassung, -integration und -darstellung
- Nutzung neuer Sensoren und Datenerfassungsmethoden für den Material- und Tragwerksentwurf auf verschiedenen Skalenebenen
- Semantische Integration und Fusion heterogener Datenquellen auf Basis eines offenen und föderierten Datenraums
RA4-2 Datenanalyse
- Nutzung geometrischer Datenanalysen für den Material- und Tragwerksentwurf
- Erweiterung von 3D-Geometrien und -Modellen durch Analyse nicht-geometrischer Daten
RA4-3 Datensynthese
- Beförderung von struktureller Zirkularität und erweiterter Nutzung von Bauwerken durch geometrische Operationen auf 3D-Strukturmodellen
- Einsatz von generativen Modellen und Reinforcement Learning beim Entwurf von Tragwerken und Materialien
Ganzheitliche Nachhaltigkeitsbetrachtungen unterstützen das Bauen für zukünftige Generationen durch umfassende Lebenszyklusbewertungen, Prinzipien der Zirkularität und menschzentrierte Perspektiven.
In RA5 wird die Anwendung der Lebenszyklus-Nachhaltigkeitsbewertung (LCSA) im Bauwesen erforscht , indem Aspekte wie Zirkularität, ein Ressourcen-Nexus-Ansatz sowie die räumlich-zeitliche Dimensionen in digitale Werkzeuge für nachhaltige Baupraktiken integriert werden. Der Faktor Mensch wird durch psychologische Untersuchungen zu Wahrnehmungen von Verfahrensbeteiligten adressiert, um Akzeptanz und Vertrauen in die innovativen baulichn Lösungen zu stärken. Darüber hinaus wird ein methodischer Rahmen entwickelt, der die Bauwirtschaft bei der Einführung nachhaltiger Finanzierungsmodelle unterstützt. Die Arbeiten in RA5 sind fokussiert auf:
RA5-1 Nachhaltigkeitsbewertung
- Weiterentwicklung des LCSA-Ansatzes durch digitale Methoden zur Ableitung von Nachhaltigkeitsanforderungen und Schwellenwerten als Grundlage für ein nachhaltiges Bauwesen
- Erhöhen der Relevanz der Nachhaltigkeitsbewertung für Baubeteiligte durch belastbarere Ergebnisse für verschiedene regionale und zeitliche Rahmenbedingungen
- Entwicklung einer Methode zur Bewertung wesentlicher sozialer Auswirkungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bei gleichzeitiger Minimierung von Zielkonflikten
RA5-2 Zirkularität und Ressourcen-Nexus
- Charakterisierung der Wechselwirkungen, Funktionen und Messbedingungen des Ressourcen-Nexus-Ansatzes um vollständige Zirkularität zu erreichen
- Entwicklung von Zirkularitätskriterien für zirkuläre Materialien sowie neue und wiederverwendete Bauteile
- Einbindung des Faktors Mensch zur Sicherstellung von Akzeptanz, Vermeidung von Umsetzungsbarrieren und Förderung von Zirkularität im Bauwesen
RA5-3 Menschzentrierte Nachhaltigkeitsfaktoren
- Analysen zur Wahrnehmung neuer Materialien, Entwurfsansätze und Bautechnologien durch Baubeteiligte sowie deren Optimierung im Hinblick auf subjektiv empfundene Nachhaltigkeit
- Optimierung von Prozesse zur Entscheidungsfindung mit Baubeteiligten hinsichtlich der Förderung nachhaltiger Lösungen
- Entwicklung eines umfassenden methodischen Rahmens zur Bewertung zentraler Nachhaltigkeitsindikatoren und -methoden im Bauwesen unter Berücksichtigung von Vorgaben wie der EU-Taxonomie
In RA1 werden innovative, CO₂-neutrale und zirkuläre Baumaterialien mit multifunktionalen Eigenschaften entwickelt. Diese Baumaterialien sollen leistungsfähig und zugleich nachhaltig sein. In RA2 werden durch Materialminimierung und modulare Bauweisen nachhaltige und ressourcenschonende Tragwerkskonzepte erarbeitet. Diese werden durch intelligente Monitoringkonzepte erweitert, bei denen auf multifunktionale Eigenschaften der neuen Baustoffe aus RA1 zurückgegriffen wird. Durch das Monitoring soll die Nutzungsdauer von bestehenden und neuen Konstruktionen deutlich erhöht werden. In RA3 werden Prinzipe und Technologien erforscht, die eine effiziente, weitgehend automatisierte und vernetzte Bauausführung ermöglichen. Die Technologische Umsetzung ist auf die neuen Baustoffe aus RA1 und Tragwerkskonzepte aus RA2 fokussiert und soll so den gesamten Bauprozess nachhaltiger und zukunftsfähiger machen.
In RA4 werden digitale Algorithmen formuliert. Die Algorithmen ermöglichen und unterstützen die bahnbrechenden Fortschritte in RA1 bis RA3 und können so einen wichtigen Beitrag zur grundlegenden digitalen Transformation der gesamten Wertschöpfungskette im Bauwesen leisten. In RA5 werden die in RA1 bis RA3 erarbeiteten disruptiven Ansätze auf das Ziel eines nachhaltigen und resilienten Bauens ausgerichtet.
Die folgende Grafik illustriert die inhaltliche Verschränkung der fünf Forschungebereiche (RA) in CARE und detailliert deren wesentlichen Forschungsthemen.
