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I. Pirstinger, M. Vuckovic, M. Majcen, M. Raudaschl, C. Tauber, A. Mahdavi, K. Kiesel, S. Glawischnig:
"EPIKUR - Energieeffizienz-Potenzial intelligenter Kernverdichtung des urbanen Raums";
Report for FFG- Österreichische Förderungsgesellschaft & BMVIT - Bundesministierum für Verkehr, Innovation & Technologie; Report No. publizierbarer Endbericht, 2017; 170 pages.

The present research project focuses on the potentials, implications, and consequences of the "inwards urban expansion" through densification of the existing urban tissues. In this context, densification is investigated not only through known and common aspects of building regulations and guidelines, but also based on what is reasonably feasible. Towards this end,
methods and computer-supported procedures for the evaluation of relevant architectural and urban planning aspects of an existing neighborhood will be investigated. Densification developments will not only be examined in view of the legal and possible scenarios, but also evaluated against desired administrative and political goals. Consequently, urban densification potential can be seen and treated as an instrument for a coherent future urban expansion
politic, offering a resource-efficient and energy-saving alternative/complement option for urban expansion plans.

Starting point/Motivation
The city of the 21st century as an expression of numerous cohabiting human beings is faced
with many challenges, including:
. substantial migration towards cities
. urban sprawl
. social and demographical issues
. environment pollution
. infrastructural supply and disposal
. traffic and mobility
In this context, one of the complex issues in need of addressing is the question of the future expansion of cities. Due to common inconsistencies among legal an administrative guidelines, the manner in which a city expands (commonly through designated urban
extension areas), is not considered optimal.

Contents and Objectives
The exploratory study EPIKUR focuses on urban densification. The objective is to generate a computerized method for geometrical and numerical presentation of spatial densification measures on different urban typologies, based on existing urban districts and in regard to distinct planning assumptions. With this method effects of various spatial interventions on the energy performance of a district are determined and contribute to the planning and decisionmaking process in city and infrastructure planning.

Methods
In the exploratory project EPIKUR, the potential of urban densification has been investigated, firstly independent of existing legal and normative requirements.
(1) The selection of the representative study areas and definition of the use case (one essential and two "control" quarters) in the inner city area of the city of Graz, in collaborative cooperation with the institutions of the city of Graz.
(2) Analyzing and evaluating the existing building stock of the selected city districts on different scales and according to urban and architectural principles.
(3) Formulation of parameters and evaluation criteria: architectural and urban, energyrelated, technical, ecological, economic, social and demographic aspects that are used
to evaluate the densification potentials from different perspectives. This resulted in a distinct set of spatial and legal constraints, such as, horizontal and vertical limits of
spatial growth (e.g., property boundaries, permitted building heights, building density, daylight access).
(4) Definition of rules and algorithms: the urban domain is represented in terms of "positive" (built volumes) and "negative" (i.e., void) spaces. Within the negative space, irreclaimable parts - such as those allocated to streets, urban parks, plazas - are identified. The building potential of the remaining volume is examined with regard to the aforementioned parameters and constrains. Thereby, different spatial arrangements are generated, including vertical extensions and/or horizontal extension
of existing buildings, given accessibility, insolation, and daylight feasibility.

Results
In EPIKUR project, we aimed toward the development of a computational environment for the generation and evaluation of alternative urban densification scenarios. The respective
developmental work required the collaboration of experts in urban planning, building informatics, and performance simulation. The envisioned densification scenarios considered measures such as new buildings on yet empty building lots as well as horizontal and vertical extension of existing buildings. The respective potential future developments are framed here in part by a set of spatial constraints such as horizontal and vertical limits of spatial growth (e.g., property boundaries, building footprints, maximum permitted building height, building density, daylight access). This specific class of constraints are informed by corresponding local urban development concepts, as well as land use and building regulations as per wellestablished national (Austrian) and local (i.e., relating to the city of Graz) standards and legislations.
In the current implementation, we adopted an approach that couples rule-based reasoning and generative algorithms. Toward this end, we utilised digital information provided by the city of
Graz, including 2D and 3D multi-layered CAD representations of geometry, cadastral lots, and street network. The initial district model was generated in the CAD-based modelling environment Rhinoceros 3D and further enhanced with the aid of parametric modelling and visual programming plug-in Grasshopper. Once the initial district model is generated, custom GH C# add-ons are developed for the inclusion and coherent application of spatial constraints within the buildable areas. The developed routines for constraint-based spatial operations were arranged and executed in terms of different sequences, exploring thus the theoretical
maximum buildable potential by vertical and horizontal extensions. The generated alternative urban densification solutions are subsequently subjected to comparative assessment and
ranked with regard to multiple evaluative indicators pertaining to net built volume gain, energy and environmental performance, cost factors.

Prospects / Suggestions for future research
In EPIKUR project we introduced a computational environment, which is intended to support the generation, visualisation, and evaluation of alternative urban densification schemes. The
implementation process demonstrated the capability of proposed tool to generate potential densification schemes, such as horizontal and vertical extension of the already existing
buildings, while accommodating the consideration of spatial constraints defined, for instance, in building regulations and guidelines. The outcome of such parametric analyses of urban
densification scenarios is expected to provide valuable feedback to the decision makers toward more sustainable urban environment design and practices. Further activities will include the adaptation of a specific approach that incorporates full
dynamic numeric simulation capability in the urban energy computing environment. The resulting urban energy computing environment can facilitate the generation of dynamic and
realistic energy use patterns via incorporation of stochastic occupancy models, as well as pertinent (locally-adjusted) representation of external boundary (microclimatic) conditions. This environment can thus enable users to assess the energy and environmental implications of large-scale design and renovation proposals to support, amongst other things, policy making
at the urban level.

Das gegenständliche Forschungsvorhaben befasst sich mit den Möglichkeiten, Implikationen und Rückkopplungen die sich durch "Stadterweiterung nach Innen" mittels innerstädtischer urbaner Verdichtung ergeben: Dabei wurde Nachverdichtung frei von vorgegebenen Paradigmen untersucht, das heißt nicht ausschließlich basierend auf existierenden Vorschriften und Regulativen, sondern auch anhand des vernünftig Machbaren. Im Rahmen dieser Sondierung wurden die Möglichkeit untersucht, bestehende Wohnquartiere einer
architektonischen und stadtplanerischen Evaluierung mittels eines computergestützten Verfahrens zu untersuchen. Diese Entwicklung wurde sowohl in Verhältnis zu den "erlaubten" Verdichtungs-Maßnahmen untersucht, wie auch im Spiegel der von Seiten der Verwaltung und Politik gewünschten Verdichtungs-Effekte. Auf diese Weise können Potentiale der innerstädtischen Nachverdichtung als Instrument für eine zukünftige ganzheitliche Stadterweiterungspolitik erfasst und verfügbar gemacht werden, und die ressourcenschonende und energiesparende Alternative / Ergänzung zu Stadterweiterungsgebieten sinnvoll eingesetzt und entwickelt werden.

Ausgangssituation/Motivation
Die Stadt steht im 21. Jahrhundert als Ausdruck vieler zusammenlebender Menschen vor vielen Herausforderungen. Um nur einige davon zu nennen:
. starke Migration in die Städte
. Ausuferung der Städte
. soziale und demographische Fragen
. Umweltverschmutzung
. infrastrukturelle Ver- und Entsorgung
. Verkehr und Mobilität
In diesem Kontext gibt es 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 oft mit Skepsis betrachtet.

Inhalte und Zielsetzungen
Das Sondierungsprojekt EPIKUR befasst sich mit urbaner Nachverdichtung. Ziel ist eine die Möglichkeiten einer EDV-gestütze Methode zur geometrischen und numerischen Darstellung
von räumlichen Nachverdichtungspotentialen für unterschiedliche urbane Typologien auf Basis von bestehenden Stadtqartieren 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.
(1) Auswahl des repräsentativen Testfeldes und Definition des Use-Cases (ein nachzuverdichtendes 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 städtebaulichen und architektonischen Grundregeln.
(3) Parameterformulierung und Kriterien-Gliederung: architektonische und städtebauliche, bauphysikalisch-energetische, technische, humanökologische, ökologische, ökonomische, 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.
(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 unbebaubare 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-gestütze Methode zur geometrischen und numerischen Darstellung von räumlichen Nachverdichtungspotentialen für unterschiedliche
urbane Typologien auf Basis von bestehenden Stadtqartieren und unterschiedlichen Planungsprämissen zu entwickeln. Diese Entwicklung erfordert die Zusammenarbeit von Experten aus der Stadtplanung, der Gebäudeinformatik und der Simulation. Die geplanten Verdichtungsszenarien berücksichtigt 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 lokale städtebauliche Entwicklungskonzepten, lokalen Landnutzungs- und Bauvorschriften, Normen und Gesetzen formuliert.

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, Katasterpläne 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 des visuellen Programmierung Plug-Ins Grasshopper weiter ausgebaut. In dem so erstellten ursprünglichen Umgebungsmodel werden im nächsten Schritt benutzerdefinierte GH C # Add-ons 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 evauiert.

Ausblick
Im EPIKUR-Projekt wurde einen Computer basierte Umgebung geschaffen, welche 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 dynamisch Gebäudeperformance Simulation interessant. Die daraus resultierenden Ergebnisse des Energieverbrauchs der
gebauten Umwelt kann helfen, Energieverbrauchsmustern mit Hilfe von stochastischen Belegungsmodellen zu erstellen. Diese Modelle ermöglichen eine bessere Beurteilung der möglichen Auswirkungen von Stadtentwicklungen in einem sehr frühen Stadion und stellt somit eine optimale Unterstützung für Planer und Entscheidungsträger dar.

Project Head Ardeshir Mahdavi:
Epikur