The Creative Potentials of Modelling: Models, Model-use, and the Activity of Modelling as Methods in Structural Design

Abstract

This dissertation deals with the creative potentials of model-use and modelling understood as methods in the structural design process. Hereby, structural design is considered as the creative process of developing a load-bearing concept for a structure or building. While previous research on the structural design process was largely based on specific examples, an abstraction to the methods used in the process is so far lacking. Specifically, there is a lack of knowledge on which methods contribute to the generation of creativity; yet creativity is a crucial prerequisite for addressing the multiple challenges the construction sector is currently facing, such as the transformation towards sustainable construction. Previous research suggests that the use and development of models representing the structural design or parts of it play an important role for the generation of creativity within structural design. However, an in-depth understanding of how model-use or modelling are related to the generation of creativity is lacking.

This dissertation aims to shed light on the generation of creativity in structural design. Particularly, it focuses on model-use and modelling as central practices of this process. Hereby, the model is seen as an agent with a generative capacity and the ability to actively contribute to the structural design process. The goal is to generate a better understanding of models, model-use and modelling as methods in the structural design process, and of their contribution to the generation of creativity. The main research question is: What are the creative potentials of model-use and modelling in structural design, and how can they be comprehended conceptually in a method of modelling?

To answer this research question, the dissertation combines different qualitative methods from the empirical social sciences with an interdisciplinary literature review in a grounded theory process. First, qualitative interviews with structural engineers were conducted. The interviews centred on the structural design process, its underlying methods, model-use and modelling, and their contribution to the generation of creativity. Second, a participatory observation of modelling practices in an engineering office was carried out. The empirical data was analysed using different coding techniques and comparative analysis. The generated findings were compared and contrasted with findings from an interdisciplinary literature review on models and modelling in the fields of structural design and philosophy of science and technology, and further validated using triangulation, expert validation, and peer debriefing.

The dissertation provides multiple insights on methods practising engineers employ in the structural design process and particularly on model-use and modelling. First, central mechanisms inherent to models are specified, as well as their effects and impacts on design development and communication, which are the main goals in the structural design process. Second, three ideal-typical translation processes - content-centred, communication-centred, and environment-centred - are identified, which can be conceptualised as the basic elements of the activity of modelling. Third, two different practices of modelling, namely an engaging with either the model content or the model environment, are described. As a synthesising result, a method of modelling is developed, which aims to provide orientation to engineers engaged in structural design processes.

Through these findings, the dissertation provides with a better understanding of models, model-use, and modelling in structural design, as well as of different strategies for creativity for structural design processes. Conceptually, implicit knowledge is made explicit and thus available for further reflection or application, namely knowledge on the structural design process and on model-use and modelling as methods within it. With respect to structural design practice, this could help to interact with models in a way that makes use of their creative potentials or lead to the development of modelling tools that appropriately respond to the working practices of structural engineers. Methodologically, the dissertation contributes by providing an in-depth and detailed example case of how qualitative methods from the empirical social sciences can be applied in the structural engineering context to generate new findings. Overall, the dissertation thus contributes on several levels to the state of research on models and modelling and the generation of creativity in structural design.

Diese Dissertation befasst sich mit den kreativen Potenzialen der Modellnutzung und der Tätigkeit des Modellierens als Methoden im Tragwerksentwurf. Der Tragwerksentwurf wird dabei als kreativer Prozess verstanden, bei dem eine tragende Struktur für ein Bauwerk entwickelt wird. Bisherige Forschung zum Tragwerksentwurf basiert weitgehend auf Beispielen - ohne von diesen Methoden zu abstrahieren. Insbesondere fehlt das Wissen, welche Methoden zur Entstehung von Kreativität im Tragwerksentwurf beitragen. Kreativität ist jedoch nötig für die Bewältigung der Herausforderungen, die sich der Baubranche aktuell stellen, beispielsweise durch die nötige Transformation zum nachhaltigen Bauen. Bisherige Forschung suggeriert, dass die Verwendung oder die Entwicklung verschiedener Modelle, die den Tragwerksentwurf oder Teile dessen repräsentieren, eine zentrale Rolle für die Entstehung von Kreativität spielen. Allerdings mangelt es an einem Verständnis dafür, wie genau die Modellnutzung und das Modellieren zur Generierung von Kreativität beitragen.

Die Dissertation beleuchtet ebendiese Entstehung von Kreativität im Tragwerksentwurf. Dabei fokussiert sie auf die Modellnutzung und das Modellieren als zentrale Praktiken dieses Prozesses. Modelle werden als Agenten mit produktiven Fähigkeiten betrachtet, die aktiv zum Tragwerksentwurf beitragen. Ziel ist es, ein besseres Verständnis von Modellen, der Modellnutzung und dem Modellieren als Methoden im Tragwerksentwurf sowie von deren Beitrag zur Entstehung von Kreativität zu entwickeln. Die Hauptforschungsfrage lautet: Welches sind die kreativen Potenziale der Modellnutzung und des Modellierens im Tragwerksentwurf und wie können diese konzeptionell in einer Methode des Modellierens erfasst werden?

Um diese Forschungsfrage zu beantworten, wurden qualitative Methoden der empirischen Sozialforschung mit einer interdisziplinären Literaturrecherche in einem Grounded Theory-Prozess kombiniert. Zunächst wurden qualitative Interviews mit Tragwerksplanenden durchgeführt. Die Interviews fokussierten den Tragwerksentwurf, die ihm zugrundeliegenden Methoden der Modellnutzung und des Modellierens sowie deren Beitrag zur Entstehung von Kreativität. Darauf aufbauend erfolgte eine teilnehmende Beobachtung von Modellierungspraktiken in einem Planungsbüro. Die empirischen Daten wurden mithilfe verschiedener Kodierungstechniken und vergleichender Analysen ausgewertet. Die resultierenden Erkenntnisse wurden mit den Ergebnissen einer interdisziplinären Literaturrecherche zu Modellen und der Tätigkeit des Modellierens in den Bereichen Tragwerksentwurf und Wissenschafts- und Technikphilosophie verglichen und mittels Triangulation, Expertenvalidierung und Peer-Debriefing weiter validiert.

Die Dissertation liefert zahlreiche Erkenntnisse zu den Methoden von Tragwerksplanenden im Tragwerksentwurf, insbesondere zur Modellnutzung und zum Modellieren. So werden erstens zentrale modellimmanente Mechanismen sowie deren Auswirkungen auf die Entwurfsentwicklung und Kommunikation, zwei Hauptziele im Entwurfsprozess, spezifiziert. Zweitens werden drei idealtypische Übersetzungsprozesse - inhalts-, kommunikations- und umgebungszentriert -- identifiziert, die als Grundelemente der Tätigkeit des Modellierens betrachtet werden können. Drittens werden verschiedene Praktiken des Modellierens beschrieben. Als synthetisierendes Ergebnis wird eine Methode des Modellierens entwickelt, welche Tragwerksplanenden als Orientierung in Entwurfsprozessen dienen kann.

Anhand dieser Ergebnisse vermittelt die Dissertation ein besseres Verständnis von Modellen, der Modellnutzung und der Tätigkeit des Modellierens sowie von verschiedenen Kreativitätsstrategien im Tragwerksentwurf. Auf konzeptioneller Ebene wird implizites Wissen über den Tragwerksentwurf sowie über die Modellnutzung und das Modellieren als Methoden dieses Prozesses explizit und somit für weitere Überlegungen und Anwendungen verfügbar gemacht. Im Hinblick auf die Entwurfspraxis könnte dies zu einer Interaktion mit Modellen führen, die kreative Potenziale nutzbar macht, oder zu einer Entwicklung von Werkzeugen, die die Arbeitsweisen von Tragwerksplanenden unterstützen. Ein zusätzlicher methodischer Beitrag besteht in der Darstellung eines umfassenden und detaillierten Fallbeispiels, welches aufzeigt, wie qualitative Methoden der empirischen Sozialforschung im Kontext des Ingenieurwesens angewendet werden können. Insgesamt trägt die Dissertation somit auf mehreren Ebenen zum Stand der Forschung zu Modellen, der Tätigkeit des Modellierens und der Entstehung von Kreativität im Tragwerksentwurf bei.