ARCH+ 196/197

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Erschienen in ARCH+ 196/197,
Seite(n) 2-5

ARCH+ 196/197

Zeitung: ARCH+ Wettbewerb SIMPLE SYSTEMS - COMPLEX CAPACITIES

Von Hensel, Michael /  Kraft, Sabine /  Menges, Achim

Der Wettbewerb basierte auf dem Entwurfs- und Forschungsansatz, der in der ARCH+ Ausgabe 188 „Form Follows Performance" vorgestellt wurde. Worum geht es dabei? Um die Suche nach alternativen Wegen zu dem in der zeitgenössischen Architektur herrschenden Primat der Gestalt – um nicht mehr, aber auch um nicht weniger. Eine Schlüsselrolle für die ARCH+ Ausgabe kommt dem Konzept der Materialsysteme zu. Die Entwicklung eines Materialsystems war auch der Inhalt des Wettbewerbs. Damit stellte der Wettbewerb die Teilnehmer vor die Herausforderung, nicht wie sonst üblich für eine gegebene Aufgabenstellung eine Lösung zu erarbeiten, sondern die Aufgabe selbst zu definieren. Was ist das Spezifische an Materialsystemen? Material an sich gibt es genau genommen nicht. Es ist immer zugleich auch Struktur; Struktur impliziert Form und Form impliziert Funktion. Strukturbildung auf allen Maßstabsebenen und durch alle Hierarchiestufen hindurch ist – sehr vereinfacht – der Trick, wie die Natur es geschafft hat, mit nur wenigen „Bausteinen“ eine unübersehbare Vielfalt zu erzeugen. Dieser Prozess der strukturellen Differenzierung in Respons auf die Umwelt beschreibt den Weg vom einfachen System zu komplexen Kapazitäten.

Er ist der gängigen Entwurfspraxis der geometrischen Komplizierung à priori und der Materialwerdung à posteriori diametral entgegengesetzt. Der Begriff des Materialsystems steht für ein integratives Verständnis von Materialität, Struktur und Form. Ziel des Wettbewerbs war es, in der Auseinandersetzung mit einem Materialsystem einen Möglichkeitsraum zu eröffnen, indem seine architektonischen und performativen Potenziale ausgelotet werden. Die zentrale Fragestellung dabei ist nicht das schnelle „Wozu kann ich es gebrauchen?“, sondern zunächst das „Was kann es?“

Die 115 Einsendungen aus 13 Ländern dokumentierten zweierlei: Erstens, wie schwierig es ist, eingeübte Denkbahnen zu verlassen, und zweitens, dass ein solcher auf dem Konzept der Materialsysteme beruhender Entwurfs- und Forschungsansatz eine große Bandbreite an eigenwilligen Entwicklungen zulässt. In einer ersten Jurysitzung am 17.2.2009 wurden aus den Beiträgen der ersten Wettbewerbsphase fünf Projekte zur weiteren Bearbeitung ausgewählt. Die zweite Phase sollte den Projektautoren die Möglichkeit geben, gemeinsam mit Experten aus verschiedenen Disziplinen ihr Konzept weiterzuentwickeln und anhand von Prototypen im Hinblick auf Herstellbarkeit und Performance zu testen. Vier der fünf Finalisten haben diese Chance genutzt und ihre Projekte am 9.11.2009 präsentiert.   

Die Projekte beeindrucken durch ihre Innovation und kompetente Ausarbeitung. Das Preisgericht entschied sich, drei erste Preise und einen zweiten Preis zu vergeben. Grundsätzlich lassen sich die vier siegreichen Beiträge in zwei Kategorien unterteilen: die statischen und die responsiven Materialsysteme.

Flat2Form und Tetratragwerk gehören in die erste Kategorie. Sie reagieren auf verschiedenartige Anforderungen durch eine spezifische Differenzierung der Systemmorphologie. Die Anpassung findet hier in der Entwurfsphase statt. Daher wird dem parametrischen, computerbasierten Entwurfswerkzeug ein hoher Stellenwert zugewiesen.

Flat2Form beweist eindrucksvoll, wie ein System von beachtlicher Komplexität aus dem einfachen Prinzip der parametrisierten Abstimmung von Lochmustern auf zwei Blechtafeln entstehen kann. Auf diese Weise können hochstabile Zylinder- oder Kegelflächen ohne aufwendige Formwerkzeuge gefertigt werden. Die Funktionalität dieses Prinzips wurde in Kooperation mit der Firma Seele anhand eines vollmaßstäblichen Mock-ups überprüft.

Tetratragwerk, ein Hybrid zwischen Flächen- und Stabwerk, ist aus Einzelelementen generiert, die dem gleichen Herstellungsprinzip des Faltens planer Teilflächen folgen, jedoch in ihrem performativen Verhalten angepasst werden können. Die herstellungstechnische Entwicklung und Fertigung des Prototyps wurde durch die Firma Frener & Reifer unterstützt.

In die zweite Kategorie gehören Breathing Structure und Thermometrische Fassade, die durch materialspezifische Eigenschaften passiv auf Umwelteinflüsse reagieren können. Beide Systeme sind temperatur- responsiv und nutzen die Längenbzw. Volumenveränderung der eingesetzten Materialien – mit ganz unterschiedlichen Wirkungsprinzipien.

Breathing Structure verfolgt den einfachen Gedanken, dass Materialien auf Wärme unterschiedlich reagieren, für die Entwicklung eines schichtweise aufgebauten Bi-Materialsystems mit komplexer Performance. Entstanden ist ein dreidimensionaler Systemprototyp, der sich temperaturabhängig in einem architekturrelevanten Oberflächentemperaturbereich öffnet bzw. schließt. Dieser „Mechanismus“ kann auch als Batterieeffekt eingesetzt werden.

Der Grundgedanke von Thermometrische Fassade ist, dass Wachs mehr kann, als Wärme speichern. Die Volumenausdehnung im Phasenwechsel von fest zu flüssig wird für die Entwicklung eines Glassteins mit komplexer klimatischer Kapazität genutzt: Der PCM-Container fungiert nicht nur als Latentwärmespeicher, sondern auch als Sonnenschutz. Der Prototyp wurde sowohl im Hinblick auf die diffizile interne Geometrie des Glassteins als auch seine einfache Verbaubarkeit entwickelt.

Wir möchten uns an dieser Stelle noch einmal für die Unterstützung durch Architekturbüro Deutschland, Christoph Ingenhoven, Hanif Kara, Rettenmeier, seele, Xella und Autodesk bedanken.

 

1. Preis: Breathing Structure

Team Phase 1: Saskia Maier, Frauke Hausi; Team Phase 2: Ante Ljubas, Tim Waidelich; Projektbegleitung: Moritz Hauschild, Rüdiger Karzel; Beratung: Hasan Dadak ( Produktionstechnik )

Ausgangspunkt unserer Forschung war es, die unterschiedliche Reaktion zweier Materialien auf äußeren Wärmeeinfluss für die Entwicklung eines reagiblen Materialsystems zu nutzen. In der 1. Phase des Wettbewerbs wurde ein geschichteter Werkstoff aus Acrylglas (PMMA) und glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) entwickelt. Durch die flächige und kraftschlüssige Fügung beider Materialien entsteht bei Erwärmung ein Bi-Material- Effekt – der Kunststoff wird infolge der unterschiedlich wirkenden Wärmeausdehnungskoeffizienten gewölbt. In Phase 2 wurden die Ansätze mit alternativen Materialkombinationen auf Basis theoretischer und praktischer Erkenntnisse weiterentwickelt und nach und nach optimiert.

Die maßgeblichen Parameter für die Stärke und Art der Verformung des Werkstoffs sind das Verhältnis von Schichtdicke und inneren Widerstandskräfte, die Faserverläufe sowie die kumulativen Effekte, die durch die gegenläufige Addition der Systemelemente auftreten. In diesem Zusammenhang war es auch notwendig, den dabei auftretenden Reibungswiderstand mit zu untersuchen.

Anhand verschiedener Geometriekonzepte wurden flächige, räumliche und kumulative Entfaltungseffekte digital und physisch getestet. Ein regulierbarer Wärmeschrank diente hierbei – neben der virtuellen – der realen Simulation sich verändernder Umgebungstemperaturen. Die Erkenntnis über Zusammenhänge zwischen Schichtdicken und maßstabsgerechter Dimensionierung war für den Projektverlauf maßgeblich.

 

1. Preis: Flat2Form

Team: ROK – Matthias Rippmann, Silvan Oesterle, Michael Knauß; Unterstützung durch: ILEK, Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren und Seele GmbH & Co.KG

Flat2Form basiert auf einer verblüffend einfachen Methode der Krümmung zweier Flächen, die sich mit Hilfe eines errechneten Zuschnittmusters – z. B. einer speziellen Lochung – und in Kombination mit definierten Abstandshaltern einstellen lässt. Auf diese Weise sind geometrisch komplexe Strukturen aus vollständig abwickelbaren Flächen (Gaußsche Krümmung = 0) herstellbar. Flexible Flächenmaterialien können in einfachen CNC-Bearbeitungsprozessen zugeschnitten und anschließend händisch gefügt werden. Die entstehende Geometrie der Struktur resultiert dabei aus dem eindeutigen Formschluss im Verbund der Einzelflächen bzw. deren individuellen Zuschnitten.

Dieses Verhalten wurde experimentell untersucht und prototypisch im Maßstab 1:1 umgesetzt. Die Untersuchungen zielten darauf ab, die performativen Eigenschaften des Systems auszuarbeiten und mögliche Anwendungsbereiche auszuloten. Hierbei wurden verschiedene Materialien wie Polystyrol, Brettschichtholz, Aluminium und Edelstahl getestet und in Kombination mit unterschiedlichen Fügetechniken hinsichtlich ihres Tragverhaltens überprüft. Zudem konnte ein Betonelement mit Hilfe einer gekrümmten Schalung entsprechend der hier dargelegten Methode hergestellt werden.

Die entwickelten Fügetechniken berücksichtigen materialspezifische Eigenschaften. Simplizität, Festigkeit und Sortenreinheit der Verbindungen standen dabei im Vordergrund. Für die prototypische Anwendung des Systems wurde zwischen heterogenen und systeminhärenten Verbindungen unterschieden:

Heterogene Verbindungen in Form einfacher Schraubverbindungen eignen sich für die Herstellung geschlossener Fassadenpaneele. Systeminhärente, laschenartige Verbindungen erzeugen durchlässige Elemente, die in tragenden Raumstrukturen eingesetzt werden können.

Die Fassadenpaneele bestehen aus jeweils zwei 2 mm dicken Edelstahlblechen, die mit Hilfe der Schraubverbindungen sowie der durchgängigen Lochstruktur und den Abstandhaltern zwischen den Blechen in ihrer individuellen Krümmung bzw. Geometrie definiert sind. Hierbei bewirkt der größere Lochabstand innerhalb einer Fläche automatisch eine Krümmung beider Bleche, wenn ihre Verbindung wie vorgesehen über das jeweilige Lochmuster erfolgt. Unter Berücksichtigung der materialspezifischen Minimalbiegeradien lassen sich so anhand der Lochgeometrie die erwünschten lokalen Krümmungen erzeugen. Weitere Parameter der Lochgeometrie sind die materialspezifisch mögliche Dichte bzw. Anzahl der Löcher, der Randabstand und die Beziehung zum Nachbarelement.

Ein weiterer Anwendungsbereich des Systems sind tragende Raumstrukturen, die auf mehreren sich schneidenden, abwickelbaren Flächen basieren – vergleichbar mit typischen Gewölbeformen, die ebenfalls durch die geometrische Durchdringung einfach gekrümmter Flächen beschrieben werden können.

Die so entstehende Konstruktion, die als Überdachung dienen könnte, weist Perforationen auf, die einerseits durch die Abkantung der Laschen und andererseits durch sekundäre Kriterien wie Sonneneinstrahlung bzw. Niederschlag definiert sind. Die statischen Eigenschaften der Konstruktion wurden mittels Simulationen und Berechnungen untersucht, um die Orientierung und Form der Laschenverbindungen zwischen den einzelnen Flächenpaaren zu bestimmen. Ob die Laschen aus der oberen Lage abgekantet werden und somit deren Ausbeulverhalten schwächen, oder ob gegenteilig verfahren wird, richtet sich nach dem Wert der lokalen Druck- bzw. Zugkräfte innerhalb des Systems. Dieses Vorgehen verbessert das Tragverhalten, ohne dass zusätzliches Material eingesetzt werden muss.

Die Abwägung aller Parameter führte letztendlich zu einem prototypischen Materialsystem aus plastischem Polyvinylchlorid (PVC-P) und kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) in Form einer „Blüte“, deren Entfaltungsbewegung durch die sich gegenläufig krümmenden Systemelemente sowie ihre radiale Anordnung entsteht. Die Optimierung besteht hierbei in einer reibungsarmen Kippbewegung um eine Ringachse und einer Anpassung des Fügungsmusters auf den entfalteten Zustand der Kragkonstruktion. So konnten die innewohnenden molekularen Kräfte des verwendeten Kunststoffs durch relativ einfache geometrische Anpassungen funktional transformiert werden.

Das entstandene Materialsystem reagiert mit spontanen und augenfälligen Reaktionszeiten hypersensibel auf seine Umgebungstemperatur. Die Bewegung erfolgt in den Sommermonaten passiv; sie beschreibt eine sich selbsttätig entfaltende, blütenartige Überdachung, die bis zu einem statisch günstigen Maximum kippt und sich dann arretiert.

Die Skalierung des Systems auf den Maßstab 1:1 steht noch aus, jedoch projizieren Simulationen die Annahmen für Folgeprojekte auf deutlich größere Maßstäbe als im entwickelten Kleinmodell. Hierbei wird, neben dem möglichen Einsatz von Biomaterialien, die Untersuchung und optimale Einstellung des Materialmixes hinsichtlich seiner Flexibilität in den Forschungsfokus treten. Wir hoffen, auf diese Weise den schichtdickebedingten Skalierungswiderstand zu kompensieren und die der Dynamik der Struktur entsprechenden Details zu entwickeln.

Bislang ist eine nachhaltige, responsive Architektur entstanden, die passiv reagiert. Eine aktive Ausrüstung für ungünstige Klimata ist aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des CFK denkbar. Wegen der jahreszeitlichen Wiederkehr des energetischen Reaktionsmusters kann von einem material-inhärenten Batterieeffekt der passiven Variante gesprochen werden.

 

1. Preis: Thermometrische Fassade

Team: Georg Rafailidis, Stephanie Davidson; Beratung: Imagine Structure ( Tragstruktur ) und Roman Jakobiak ( Klima )

Die Nachhaltigkeitsdebatte scheint an unserer Kerndisziplin, dem architektonischen Entwurf, spurlos vorbeizuziehen. Nachhaltigkeit wird den Bauphysikern, den Materialforschern und den Politikern überlassen. Wir schlagen eine radikale Öffnung des architektonischen Entwerfens für Themen vor, die angeblich anderen Disziplinen angehören, um unseren Handlungsraum als Architekten zu erweitern.

So untersuchen wir mit dem Konzept der Thermometrischen Fassade das entwerferische und formgebende Potenzial von Latentwärmespeichern aus Wachs, die bisher aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften nur zur Erhöhung der thermischen Speichermasse eingesetzt werden. Wir haben nach den architektonischen Konsequenzen gefragt: Wie kann dieses temperatursensitive System zur Organisation von Raum eingesetzt werden? Ist Temperatur dabei der einzige Parameter? Lässt sich eine konstruktive Logik ableiten?

Wir nutzen die ca. zehnprozentige Volumenausdehnung beim Phasenwechsel des Wachses (die üblicherweise als nachteilig empfunden wird), um einen temperatursensitiven Glasstein zu entwickeln, der neben der effizienten Wärmespeicherung auch die Verschattung und Durchsicht modulieren kann. Durch eine thermometerartige Form des Wachsbehälters im Glasstein wird die Volumenänderung verstärkt, das aufsteigende Wachs fungiert als selbstregulierender Sonnenschutz.

Die wesentlichen Parameter des Systems sind die Hohlraumgeometrie und die Außenform des Glassteins sowie die Beschaffenheit des Wachses. Die Hohlraumgeometrie hat gezielten Einfluss auf die temperaturabhängigen Füllstände. Diese Abhängigkeit wurde mit verschiedenen Prototypen empirisch getestet. Die facettierten Auflagerflächen der Außenform ermöglichen ein Glassteingefüge ohne Bewehrungselemente. Das Wachs selbst kann auf unterschiedliche Schmelztemperaturen eingestellt und abgedunkelt werden. In der Überlagerung dieser Parameter lässt sich eine lokale Differenzierung im Glassteingefüge erreichen. Hergestellt wird der Glasstein im herkömmlichen Pressglasverfahren.

Während üblicherweise eine gleichmäßige Temperaturverteilung angestrebt wird, minimieren wir den konventionell temperierten Raum auf einen kompakten Kern, ergänzt durch einen umlaufenden, großzügigen Perimeterraum, der über die thermometrische Fassade begrenzt wird. Die klimaregulierende Kapazität der Fassade bietet in dieser Raumkonfiguration ausgedehnte Zeitfenster thermischen Komforts – das Programm des Kernraums kann sich witterungs- und jahreszeitenabhängig in den Perimeterraum ausdehnen.

Um zusätzliche Aussteifungselemente zu vermeiden, wird die laufende Wandlänge auf maximal fünf Meter begrenzt und die Fassade gefaltet. Es entstehen Raumtaschen, deren Wachsschmelztemperatur entsprechend der beinhaltenden Aktivitäten eingestellt werden kann, z. B. für einen 24° C-Baderaum oder für einen 18° C-Schlafraum. Dieses Konzept folgt nicht der gewohnten Logik einer Minimierung der Hüllfläche. Im Gegenteil, die sich selbstverschattende, gefaltete Fassadengeometrie verstärkt die Wirkungsweise der Thermometrischen Fassade. Anstatt einer Minimierung der Wechselwirkungen mit der Umwelt wird zur Steigerung der klimatische Performance der Fassade ihre Maximierung vorgesehen.

 

 

2. Preis: Tetratragwerk

Team: Philipp Dittus; Beratung: Ursula Frick /utos (Grasshopper ), Daniel Roth ( FEM-Analyse), Philipp Rumpf ( Rhino-Script ), ABK Stuttgart – Klasse de sowie Frener & Reifer Metallbau

Ziel meines Projektes war die Entwicklung eines Materialsystems, das sich aus möglichst einfachen Elementen genetisch gleicher Herkunft zusammensetzt. Als Grundform des Tetratragwerks fungiert ein Tetraedermodul, das einem schrittweisen Transformationsprozess unterworfen wurde, wobei sich sowohl die Abmessungen wie auch Öffnungsgrade verändern. In der repetitiven Anordnung entsteht eine in Bezug auf die Materialverteilung in sich differenzierte Feldstruktur. Diese Differenzierung korrespondiert einerseits mit der Abtragung der Kräfte im Tragwerk, andererseits mit dem Öffnungsgrad der einzelnen Elemente.

Die anfängliche These, dass es sich bei dem System um einen Hybrid aus Flächentragwerk und Faltwerk mit einem kontinuierlichen Übergang von der Fläche zum Vektor handeln könnte, hat sich bei der Tragwerksanalyse nicht bestätigt, da die Kräfte vorwiegend über die Elementkanten abgetragen werden. Das Materialpotenzial in der Elementfläche kann somit frei genutzt werden, um die Durchlässigkeit zu steuern.

Das System kann als generisches Entwurfswerkzeug eingesetzt werden, da es auf der Logik der Flächenpopulation basiert. Die parametrischen Variablen sind:

a) eine zugrunde gelegte Idealfläche, die jede – auch doppeltgekrümmte – Form annehmen kann;

b) die Unterteilung dieser Fläche in U- und V-Richtung, die die Auflösung und Bauhöhe der Struktur in der Normalen steuert;

c) der Öffnungsgrad der Elemente, der die Tragfähigkeit und die Durchlässigkeit bestimmt, sowie

d) wechselnde Materialstärken im Hinblick auf die Tragfähigkeit.

In der Variation dieser Parameter ergibt sich eine Reihe von Anwendungen wie freistehende Pavillons, eingespannte Dachkonstruktionen oder auch vorgesetzte Fassadenstrukturen.

Der Schwerpunkt der Weiterentwicklung des Systems lag bei Fragen der Herstellung. So wurde die Komponentengeometrie mittels FEM-Analyse optimiert und die Bauteilgeometrie im Hinblick auf Fertigungsconstraints sowie eine Minimierung der Fügekanten im digitalen geometrischen Modell analysiert. Darüber hinaus wurden ein systemimmanentes Wasserableitungssystem, eine den Montageablauf unterstützende Fügelogik und -technik und Elementsonderformen für den Anschluss der Struktur an Boden und Wand entwickelt.

Die Baubarkeit der Struktur konnte in einem ersten Prototyp nachgewiesen werden. Eine wesentliche Erfahrung dabei war, dass digitales Know-how und computergesteuerte Maschinen alleine nicht ausreichen. Die Erfahrung und das Wissen von Spezialisten aus der Fertigung sind mindestens ebenso wichtig.

 

 

 

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