Das Hauptziel des Teilprojektes ist die Entwicklung einer umfassenden Methodik zur ganzheitlichen Bewertung der drei Nachhaltigkeitsdimensionen (Life Cycle Sustainability Assessment â€Ì LCSA), die ex ante Nachhaltigkeitsvoraussagen bei der Erforschung materialminimierter Carbonbetonstrukturen ermöglicht und für die Bewertung disruptiver Innovationen genutzt werden kann. Auf operativer Ebene werden hierzu Instrumente der verschiedenen Nachhaltigkeitsdimensionen wie Ökobilanz, Lebenszykluskostenrechnung und Sozialbilanz erforscht und weiterentwickelt.
Zunehmende Urbanisierungsprozesse und Umweltzerstörung lenken die Aufmerksamkeit auf Ökosystemdienstleistungen, die Pflanzen in Städten erbringen. Künftige Urbane Grünsysteme (UGS) können die Folgen des Klimawandels in Städten mildern, indem sie die Lebensqualität im Freien verbessern und Gebäude und Menschen vor extremen Wetterverhältnisse schützen. Der Entwurf, die Planung und das Management neuartiger UGS können Strategien und Methoden aus historischen Landnutzungssystemen adaptieren. Diese Systeme sind für bestimmte Kontexte mit dem Ziel entwickelt worden, definierte Funktionen zu erfüllen. Sie basieren auf einer Reihe von Techniken wie z.B. dem Kopfschnitt, dem Schneiteln, dem Leiten und Verbinden von Trieben. Das Potenzial dieser Praktiken für die Entwicklung neuartiger UGS ist bislang nicht systematisch untersucht worden.Das Ziel unserer Forschung besteht darin, die komplexe Dynamik des UGS-Designs und des Pflanzenwachstumsmanagements durch eine neuartige Kombination von performance-oriented design, remote sensing, und Simulation zu untersuchen. Ziel ist es, einen neuen Entwurfsansatz zu entwickeln, der generative und analytische Methoden mit einem geeigneten Entscheidungsunterstützungssystem verbindet. Dieser Arbeitsablauf wird von zwei historischen Systemen abgeleitet: Hausschutzhecken und geleite Baumkronendächer. Historisch basiert die Entstehung und Entwicklung dieser Systeme auf einem regelmäßigen Vergleich zwischen der tatsächlichen Entwicklung und der angestrebten Leistung. Die Vorgehensweise verbindet Entwurfsentscheidungen, physikalische Pflanzenmanipulationen und Wachstumsprozesse. Die Forschungsfragen sind: Wie können die Struktur und die mikroklimatischen Effekte solcher Pflanzensysteme erfasst und simuliert werden? Wie kann die Reaktion von Pflanzen auf Manipulationstechniken modelliert werden? Wie können Entwurfs- und Pflegeentscheidungen auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem Ist- und dem Soll-Zustand getroffen werden? Sind diese Methoden für Entwicklungsprognosen plausibel und eignen sie sich für den Entwurf und das Management neuartiger UGS? Das Projekt kombiniert verschiedene Methoden, interdisziplinäres Wissen und die notwendige Erfahrung dreier eng verwandter und sich ergänzender Forschungsbereiche: Architektur mit lebenden Bäumen (Baubotanik, f. Ludwig), Computational Design (M. U. Hensel) und Urban Forestry (T. Rötzer, H. Pretzsch).Dieser Antrag ist der zweite von zwei thematisch verbundenen Projektanträgen. Das erste Projekt untersucht mit einer ökosystemaren, multifaktoriellen Perspektive, wie historische Landnutzungspraktiken neuartige UGS inspirieren können. In einer computergestützten Ontologie werden hier historische Informationen mit Wissen aus dem Gartenbau verknüpft. Die beiden Projekte können unabhängig voneinander bearbeitet werden. Durch das Zusammenführen der Ergebnisse entstehen allerdings durch die erweiterte Wissensbasis verschiedener historischer Ansätze erhebliche Synergien.
Die Intensität und Häufigkeit von Dürren haben in den letzten zehn Jahren dramatisch zugenommen. Viele Wälder haben eine hohe Dürre-Anfälligkeit gezeigt, aber die Reaktionen sind komplex und nicht einheitlich, auch nicht für Bäume derselben Art. Um zu verstehen, wie Bäume auf künftige Klimabedingungen reagieren werden, ist es von größter Bedeutung auch ihre Anpassungsfähigkeit zu berücksichtigen. Änderungen der hydraulischen Eigenschaften des Xylems sind mittel- bis langfristige Anpassungen, die sich aus der Reaktion eines Baumes auf den Verlauf der Umweltbedingungen ergeben, denen er im Laufe seines Lebens ausgesetzt ist. Die Interaktion der daran beteiligten Treiber und Prozesse wie Wasserverfügbarkeit, Xylembildung, Kavitation, hydraulische Leitfähigkeit und Baumwachstum zu verstehen und zu beschreiben stellt für die Wissenschaft weiterhin eine Herausforderung dar. Mithilfe Individuen-basierter Modelle können die zugrundeliegenden Mechanismen direkt beschrieben und Merkmale als emergente Eigenschaften modelliert werden, wodurch diese Modelle auch besser als andere für Prognosen geeignet sind. Mit dem vorgeschlagenen Projekt beabsichtigen wir, das Verständnis über die Wechselwirkungen zwischen Baumwachstum, hydraulischer Architektur und Wasserverfügbarkeit zu erweitern, indem wir Muster holzanatomischer Studien für die Entwicklung eines neuen Individuen-basierten Xylem-Wachstumsmodells übernehmen und dieses in bestehende Waldsimulationsmodelle implementieren. Diese Arbeit wird sich auf einen bereits entwickelten Modellprototyp stützen und systematisch empirisch abgeleitete Hypothesen über die Interaktion von Prozessen testen. Das entwickelte Modell wird schließlich dazu dienen, die individuelle, adaptive, jährliche Veränderung der Xylemeigenschaften als Reaktion auf die Dynamik der Umweltbedingungen zu simulieren. Langfristige holzanatomische Daten aus Herkunftsexperimenten von Fagus sylvatica und Quercus rubra werden zur Modellanpassung und Kreuzvalidierung verwendet. Die Daten werden uns ermöglichen das Modell sowohl für diffus- als auch für ringporige Baumarten zu parametrisieren und die herkunftsspezifische Plastizität der Xylembildung zu charakterisieren. Mithilfe von Simulationsexperimenten sollen letztlich Chancen und Risiken unterschiedlich plastischen Xylem-Bildungsverhaltens unter verschiedenen Szenarien des Klimawandels identifiziert werden, sowohl auf Einzelbaum- wie auch auf Bestandesebene. Für letzteres soll das Xylem-Wachstumsmodell als Baustein für die Simulationsumgebung pyMANGA zur Verfügung gestellt werden, was die Integration des Xylem-Wachstumsmodells in einen bereits bestehenden Waldbestandssimulator ermöglicht. Mit dieser Erweiterung wird schließlich die lokale Konkurrenz vieler Bäume mit sich gleichzeitig entwickelnden Xylem-Merkmalen simuliert und untersucht wie sich unterschiedliche Zusammensetzungen von Arten des Xylem-Bildungsverhaltens auf die Widerstandsfähigkeit zukünftiger Waldökosysteme auswirken.
Der Begriff Baubotanik wurde am Institut Grundlagen moderner Architektur (IGMA) der Universität Stuttgart entwickelt und steht für einen Ansatz, mit lebenden Pflanzen zu konstruieren. Er beschreibt eine Bauweise, bei der Bauwerke durch das Zusammenwirken technischen Fügens und pflanzlichen Wachsens entstehen. Dazu werden lebende und nicht-lebende Konstruktionselemente so miteinander verbunden, dass sie zu einer pflanzlich-technischen Verbundstruktur verwachsen: Einzelne Pflanzen verschmelzen zu einem neuen, größeren Gesamtorganismus und technische Elemente wachsen in die pflanzliche Struktur ein.