Architektur Forschung Bauen: ICD/ITKE 2010-2020 9783035620542, 9783035620368

Table of contents :
DANKSAGUNG
INHALT
ARCHITEKTUR FORSCHUNG BAUEN
ICD UND ITKE, UNIVERSITÄT STUTTGART
ARCHITEKTUR NEU DENKEN
EXPERIMENTELLE ARCHITEKTUR FÜR DAS 21. JAHRHUNDERT
ARCHITEKTUR DIGITAL ANDERS DENKEN
COMPUTATION STATT COMPUTERISIERUNG
FORSCHENDES BAUEN UND BAUENDES FORSCHEN
FORSCHUNGSSTRÄNGE UND ENTWICKLUNGSLINIEN
INTEGRATIVE FORSCHUNG
INTEGRATION VON FORM, MATERIAL, STRUKTUR UND RAUM
BIONIK ALS WISSENSCHAFTLICHES QUERDENKEN
TRAGWERKE JENSEITS VON TYPOLOGIEN
INNOVATION HOLZ
INNOVATION FASERVERBUNDWERKSTOFF
VOM EXPERIMENT ZUR ANERKANNTEN BAUWEISE
EXPERIMENTELLES BAUEN
ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010
ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2011
EXTERNE POSITIONEN
ARCHITEKTUR UND BIONIK
EXPERIMENTELLES BAUEN
ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012
ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2013/14
EXTERNE POSITIONEN
MATERIALKULTUR
EXPERIMENTELLES BAUEN
FORSTPAVILLON
EXTERNE POSITIONEN
EXPLORATIVE LEHRE
EXPERIMENTELLES BAUEN
ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2014/15
EXTERNE POSITIONEN
KOMPLEXITÄT UND WIDERSPRUCH VON MATERIAL COMPUTATION
EXPERIMENTELLES BAUEN
ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2015/16
EXTERNE POSITIONEN
COMPUTERBASIERTES ENTWERFEN
EXPERIMENTELLES BAUEN
ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2016/17
ELYTRA FILAMENT PAVILION
EXTERNE POSITIONEN
INTERDISZIPLINARITÄT ALS NOTWENDIGKEIT FÜR INNOVATION
EXPERIMENTELLES BAUEN
BUGA HOLZPAVILLON
BUGA FASERPAVILLON
EXTERNE POSITIONEN
INNOVATIVE TRAGWERKE
EXPERIMENTELLES BAUEN
URBACH TURM
EXTERNE POSITIONEN
WENIGER GEWICHT DURCH MEHR FORM
PERSPEKTIVE FÜR FORSCHUNG UND PRAXIS
PERSPEKTIVE AKADEMISCHE FORSCHUNG: HOLZBAUWEISEN
PERSPEKTIVE AKADEMISCHE FORSCHUNG: FASERVERBUNDBAUWEISEN
PERSPEKTIVE ARCHITEKTONISCHE PRAXIS
ANHANG
PROJEKTBETEILIGTE ICD/ITKE BAUTEN
PERSONEN
LITERATURVERWEISE
BILDNACHWEISE

Citation preview

ARCHITEKTUR FORSCHUNG B AU E N

>> A R C H I T E K T U R FORSCHUNG B AU E N I C D/ I T K E 2 0 1 0 / 2 0

AC H I M M E N G E S / JA N K N I P P E R S B I R K H ÄU S E R BASEL

>> DA N K S AG U N G Die Arbeiten in diesem Buch sind nicht das Werk zweier Protagonisten, vielmehr gehen sie auf die intensive Teamarbeit einer Vielzahl Beteiligter zurück, ohne die keines der hier gezeigten Projekte möglich gewesen wäre. Unser ganz besonderer Dank gilt den Wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern an unseren beiden Instituten. Ihre Kreativität, Kompetenz und Leidenschaft sind eine unabdingbare Voraussetzung nicht nur für die im Buch dargestellten Projekte, sondern insgesamt für die über viele Jahre erfolgreiche Lehre und Forschung an ICD und ITKE. Dies trifft in gleichem Maße auf die beteiligten Studierenden zu, denen wir außerdem besonderen Respekt für ihren Mut zollen, sich auf das ergebnisoffene und risikobehaftete Experiment der verschiedenen Forschungspavillons einzulassen. Wir danken allen Kooperationspartnern aus Industrie und Wissenschaft für die wertvollen Beiträge und die gute Zusammenarbeit, die uns auf viele weitere gemeinsame Projekte hoffen lässt. Da wir auf die finanzielle Unterstützung durch private und vor allem öffentliche Fördermittelgeber angewiesen sind, bedanken wir uns für das uns entgegengebrachte Vertrauen. Ganz besonderer Dank gilt auch der Universität Stuttgart für die außergewöhnliche Unterstützung auf vielen verschiedenen Ebenen. Das die Fachgrenzen überschreitende wissenschaftliche Umfeld der Universität Stuttgart ist eine wesentliche Voraussetzung für unsere Arbeit. Achim Menges und Jan Knippers Herbst 2020

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>> INHALT

INTRO

ARCHITEKTUR

EINLEITUNG

NEU DENKEN

Einführung Architektur Forschung Bauen 8

Vorwort GEORG VRACHLIOTIS Experimentelle Architektur für das 21. Jahrhundert 16

ICD und ITKE, Universität Stuttgart 10

Architektur digital anders denken 22 Computation statt Computisierung 24 Forschendes Bauen und bauendes Forschen 26 Forschungsstränge und Entwicklungslinien 28

INTEGRATIVE

FORSCHUNG

Integration von Form, Material, Struktur und Raum 32 Bionik als wissenschaftliches Querdenken 34 Tragwerke jenseits von Typologien 36 Innovation Holz 38 Innovation Faserverbundwerkstoff 40 Vom Experiment zur anerkannten Bauweise 42

EXPERIMENTELLES

EXTERNE

BAUEN

POSITIONEN

ICD/ITKE Forschungspavillon 2010 46

THOMAS SPECK Architektur und Bionik 66

ICD/ITKE Forschungspavillon 2011 56

JENNY SABIN Materialkultur 88

ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 68

BOB SHEIL Explorative Lehre 100

ICD/ITKE Forschungspavillon 2013/14 78

ANTOINE PICON Komplexität und Widerspruch von Material Computation 112

Forstpavillon 90 ICD/ITKE Forschungspavillon 2014/15 102 ICD/ITKE Forschungspavillon 2015/16 114 ICD/ITKE Forschungspavillon 2016/17 126 Elytra Filament Pavilion 136 BUGA Holzpavillon 150 BUGA Faserpavillon 162 Urbach Turm 176

JANE BURRY Computerbasiertes Entwerfen 124 MET TE RAMSGAARD-THOMSEN Interdisziplinarität als Notwendigkeit für Innovation 148 PHILIPPE BLOCK Innovative Tragwerke 174 PETER CACHOLA SCHMAL Weniger Gewicht durch mehr Form 188

PERSPEKTIVE FÜR FORSCHUNG UND PRAXIS

Perspektive Akademische Forschung: Holzbauweisen 192 Perspektive Akademische Forschung: Faserverbundbauweisen 196 Perspektive Architektonische Praxis 200

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OUTRO ANHANG

Projektbeteiligte ICD/ITKE Bauten 206 Personen 220 Literaturverweise 224 Bildnachweise 228

>> A R C H I T E K T U R FORSCHUNG B AU E N In der Architektur sind technisch-konstruktive und sozio-kulturelle Aspekte untrennbar verwoben und bedingen sich wechselseitig. Seit die digitalen Technologien das Entwerfen und Bauen durchdringen, ist jedoch eine gewisse Rat- und Visionslosigkeit aufseiten der Bauschaffenden zu beobachten. Es stellt sich die Frage, wie dieser fundamentale Wandel nicht nur als technische Entwicklung verstanden, sondern als signifikante kulturelle Veränderung gestaltet werden kann. Mit unseren Arbeiten versuchen wir, einen Beitrag zu dieser Fragestellung zu leisten. Dabei ist uns bewusst, dass es sich immer nur um eine partielle Betrachtung handeln kann und nur einer von vielen Wegen begangen wird.

werke von Frei Otto, die auf erstaunliche Weise architektonische Eleganz und konstruktive Effektivität verbinden und so plötzlich zeitgemäßer erschienen als die zeitgenössische Architektur. Mit der Verleihung des PritzkerPreises an Frei Otto im Jahr 2015 wurde diese Leistung anerkannt. Uns erschien die Prämierung aber auch unter einem weiteren Gesichtspunkt bemerkenswert: Frei Otto wurde mit den höchsten Ehren der Architektur ausgezeichnet, obwohl es bei seinen bekanntesten Bauwerken jeweils auch einen (anderen) Architekten oder Ingenieur gab. Gewürdigt wurde also der übergreifende und architekturprägende Beitrag, der im Wesentlichen auf seine Forschungstätigkeit zurückging.

Unsere Forschung und Bauten als Architekten und Ingenieure gemeinsam voranzutreiben hat dabei vielschichtige Gründe. Zum einen ist die kooperative Ausrichtung dem akademischen Umfeld der Universität Stuttgart geschuldet, für das wir uns beide bewusst entschieden haben. Denn es ist geprägt von einer über viele Jahrzehnte gewachsenen Kultur der interdisziplinären Zusammenarbeit von Architektur und Ingenieurwissenschaften. Deren herausragende Vertreter Fritz Leonhardt, Jörg Schlaich und insbesondere Frei Otto sind eine Inspiration für unsere Arbeit. Die von Frei Otto entwickelte Entwurfsmethode der Gestaltfindung war uns ein wichtiger Anknüpfungspunkt, ebenso die Leichtigkeit seiner Bauten, die die banale und dennoch oft thematisierte Dialektik des Effizienten versus des Expressiven so mühelos überwindet.

Neben der Wertschätzung von Forschung für die Architektur, der Begeisterung für das bereichernde Moment interdisziplinärer Arbeit und der Faszination für den Leichtbau ist eine wesentliche Motivation für unsere Arbeit und die in diesem Buch vorgestellten Bauten die Überzeugung, dass digitale Technologien die Architektur erheblich verändern werden. Wie wir aus der Geschichte wissen, ist ein erster Reflex im Umgang mit neuartigen technologischen Entwicklungen häufig, mit diesen zunächst vormalige Technologien nachzuahmen. Das vordigitale Bauschaffen zu digitalisieren und zu automatisieren, kann aber nicht das alleinige Ziel sein, weder die Optimierung der Verfahren, die Steigerung der Produktivität noch die reine Erweiterung des Formenkanons. Vielmehr muss das Ausloten neuer Möglichkeiten im Fokus stehen, die mit den Mitteln unserer Zeit die Vielschichtigkeit und Komplexität qualitativer und quantitativer Aspekte in Betracht ziehen, welche ein Gebäude ausmachen. Neben der architektonischen Qualität, der räumlichen Artikulation und dem soziokulturellen Beitrag besteht die übergroße Herausforderung, die ökologische Effizienz der Bauprozesse und Bausysteme drastisch zu verbessern. Dies wird nur gelingen, wenn die Möglichkeiten der Digitalisierung konsequent erforscht und genutzt werden. Dabei sind wir uns voll bewusst, dass dieselben digitalen Technologien, die die

Einige unserer Forschungspavillons haben ihren Ursprung in einer Zeit, in der die zuvor weitverbreitete Euphorie für die vordergründig „digitale Architektur“ einer allgemeinen Ernüchterung wich. Mit Ende der 2000erJahre war eine Vielzahl von Gebäuden fertiggestellt, deren digital generierte Formen erheblich mit ihren prädigitalen Bauweisen kollidierten. Verstärkt durch die gleichzeitige Weltfinanzkrise haftete ihnen der bittere Beigeschmack des Exzessiven an. Ganz anders die Bau-

Erkundung eines zukunftsfähigeren Bauschaffens und neuartiger architektonischer Ansätze erlauben, genauso dafür eingesetzt werden können, Konventionen zu verfestigen, Normierungen zu stärken und Daten zu monopolisieren. Es gilt also, den sich durch die digitalen Technologien vollziehenden Wandel aktiv, kritisch und zugleich positiv zu gestalten. Wer sollte dies an vorderster Front tun, wenn nicht Architektinnen und Architekten, Ingenieurinnen und Ingenieure? Wir sind uns bewusst, dass ein solches positives Gestalten und Untersuchen neuer Möglichkeiten erheblicher Anstrengungen bedarf, womit im Kontext digitaler Technologien auch die Frage nach Forschung in der Architektur neu aufgeworfen wird. Besonders im Bereich der baupraktischen Tätigkeit wird es zunehmend schwieriger, neue Möglichkeiten auszuloten und forschende Wege zu beschreiten. Die Konformität mit anerkannten Regeln der Technik wird immer stärker über die rechtlichen, versicherungstechnischen und bauwirtschaftlichen Rahmenbedingungen eingefordert. Die Baupraxis ist zunehmend beschränkt auf das Verbleiben innerhalb der Grenzen dieses anerkannten Stands der Technik, wie er in Normen und anderen bauaufsichtlichen Regelungen definiert ist. Dies widerspricht der Forderung nach mehr Innovationen durch Forschung, die per se neues Wissen jenseits der Konventionen schafft. Wenn also die Praxis einen immer geringeren Anteil an Forschung zulässt, kann daraus gefolgert werden, dass im Gegenzug die Forschung einen höheren Anteil an Praxis integrieren muss. Darunter verstehen wir nicht primär die baupraktische Anwendungsforschung, sondern ein architekturspezifisches Verständnis von Grundlagenforschung. Neben der Erforschung von Methoden und Prozessen verstehen wir Bau- und Architekturforschung als Erkenntnisgewinn in Bezug auf technisch-konstruktive wie auch architektonisch-kulturelle Fragestellungen. Dies erfordert einen gesellschaftlichen Wandel, der mühsam und unbequem, letztendlich aber unerlässlich ist.

Mit dem vorliegenden Buch möchten wir einen Einblick in zehn Jahre gemeinsame Anstrengungen in dieser Sache an den beiden Instituten für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) an der Universität Stuttgart geben. Das Buch gliedert sich in drei inhaltliche Teile: Das Kapitel „ARCHITEKTUR neu denken“ erläutert die uns zur Verfügung stehenden Mittel, Prozesse und Forschungsansätze mit dem Ziel, einen positiven Beitrag für die Architektur zu leisten und diese zukunftsorientiert unter Zuhilfenahme der digitalen Technologien voranzutreiben. Die komplexen Rahmenbedingungen, denen das Bauen der Zukunft ausgesetzt ist, die Synergien und Wechselwirkungen auf verschiedenen Forschungsebenen und die Vorteile integrativer und interdisziplinärer Ansätze fassen Fachartikel im Kapitel „Integrative FORSCHUNG“ zusammen. Die Rubrik „Experimentelles BAUEN“ gibt einen Einblick in eine Auswahl an gemeinsam realisierten ICD/ITKE Projekten als Vehikel und Gegenstand unserer Forschung von 2010 bis 2020. Kolleginnen und Kollegen, die unseren Weg auf unterschiedliche Weise begleitet haben, verankern in ihren Positionen das Spektrum unserer Projekte im Kontext des derzeitigen Architekturdiskurses. Uns allen geht es um ARCHITEKTUR FORSCHUNG BAUEN.

ACHIM MENGES

JAN KNIPPERS

ICD – Institut für

ITKE – Institut für

Computerbasiertes

Tragkonstruktionen

Entwerfen und

und Konstruktives

Baufertigung,

Entwerfen,

Universität Stuttgart

Universität Stuttgart

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>> I C D U N D I T K E , U N I V E R S I TÄT ST U T TG A R T

Die Strukturen deutscher Universitäten unterscheiden sich deutlich von denen vieler internationaler akademischer Institutionen. Eine deutsche Universität ist in Fakultäten organisiert, die entlang der klassischen akademischen Disziplinen ausgerichtet sind. Eine Fakultät ist wiederum in Untereinheiten strukturiert, zum Beispiel in Fachbereiche oder Institute. Die Fakultät für Architektur und Stadtplanung der Universität Stuttgart gliedert sich in insgesamt 14 Institute, die die gesamte Breite von der Architekturtheorie bis zum Städtebau abdecken. Diese übernehmen bestimmte elementare Lehrgebiete, sind ansonsten in ihrer Ausrichtung in Lehre und Forschung aber frei und unabhängig. Die beiden Institute – das Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung ICD und das Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen ITKE – sind zunächst für Aufgaben in der Grundlehre im Bachelorstudiengang der Fakultät verantwortlich: das ICD für Geometrie und CAD, das ITKE für Tragwerkslehre. Das ICD wurde im Zuge der wachsenden Bedeutung digitaler Modellierungs- und Fertigungsmethoden von Achim Menges nach seiner Berufung im Jahr 2008 gegründet. Seitdem wurde die Lehr- und vor allem Forschungstätigkeit kontinuierlich ausgebaut. Das ITKE vermittelt hingegen klassische Inhalte der Tragwerkslehre und geht auf die Ursprünge der Architekturausbildung an der Universität Stuttgart im 19. Jahrhundert zurück. Zunächst fast ausschließlich in der Lehre tätig, hat das Institut seine umfangreiche experimentelle Forschungstätigkeit erst mit dem Antritt von Jan Knippers im Jahr 2000 entwickelt. Für die Aufgaben in der Grundlehre werden die Institute mit bescheidenen personellen Mitteln durch die Universität ausgestattet. Die jeweils etwa 20 Wissenschaftlichen Mitarbeiter müssen fast ausschließlich aus externen Forschungsmitteln – die in teilweise sehr kompetitiven Verfahren von Achim Menges und Jan Knippers eingeworben werden – finanziert werden. Das derzeit größte und wichtigste Projekt ist der von der Deutschen Forschungs-

gemeinschaft (DFG) mit etwa 45,5 Mio. Euro für den Zeitraum von 2019 bis 2025 geförderte Exzellenzcluster „Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)“. Ein Exzellenzcluster ist die bedeutendste und umfangreichste Förderung der DFG. Mit dem Exzellenzcluster IntCDC konnte sich zum ersten Mal ein Cluster im Bereich der Architektur und des Bauens in diesem hochkompetitiven, sich über alle Wissenschaftsbereiche erstreckenden Wettbewerb durchsetzen. Neben ICD und ITKE sind in dem Exzellenzcluster IntCDC viele weitere Institute mit mehr als 130 Wissenschaftlern aus unterschiedlichen Bereichen der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme vertreten, vornehmlich aus den Bereichen der Architektur, dem Bauingenieurwesen, der Produktions- und Systemtechnik, der Robotik, den Computerwissenschaften sowie den Sozial- und Geisteswissenschaften. Das gemeinsame Forschungsziel ist es, das volle Potenzial digitaler Technologien zu nutzen, um das Planen und Bauen neu zu denken und durch einen systematischen, ganzheitlichen und integrativen computerbasierten Ansatz wegweisende Innovationen für das Bauschaffen zu ermöglichen. Der Exzellenzcluster knüpft direkt an die Vorarbeiten von ICD und ITKE, beispielweise die beiden BUGA Pavillons im Rahmen der Bundesgartenschau in Heilbronn 2019, an und wäre ohne diese nicht möglich gewesen. Achim Menges ist Sprecher, Jan Knippers stellvertretender Sprecher des Exzellenzclusters. Die Teams der beiden Institute sind entsprechend ihrer fachlichen Ausrichtung unterschiedlich besetzt: Am ICD sind überwiegend Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus der Architektur, aber auch aus der Informatik oder dem Design tätig, während am ITKE mehrheitlich Ingenieurinnen und Ingenieure sowie einige Architektinnen und Architekten beschäftigt sind. Entsprechend bringen die Mitarbeiter der beiden Institute komplementäre Kompetenzen in die gemeinsamen Projekte ein: Das ICD steuert computerbasierte Entwurfsmethoden und di-

1] Bei einer Verringerung des Feuchtegehalts im Material öffnet

2] Die elastische Verformung der Strelitzie beim Bestäuben diente

sich der Fichtenzapfen, ohne dass hierfür metabolische Energie

als Vorbild für die Entwicklung des FlectoFin am ITKE.

benötigt wird. Dieses Bewegungsprinzip wird am ICD im Rahmen des HygroSkin Projekts erforscht.

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gitale Fertigungsprozesse bei; Entwurf und Analyse der Tragwerke sowie Prüfung der Materialien und Baukomponenten stammen aus dem ITKE. Es sind nicht nur die Kompetenzen von ICD und ITKE, die sich ergänzen, sondern auch die übergeordneten Perspektiven und Sichtweisen. Diese ergeben sich nicht nur aus der fachlichen Orientierung der Architektur und des Bauingenieurwesens, sondern auch aus den verschiedenen Biografien von Achim Menges und Jan Knippers. Die unterschiedlichen, aber komplementären Institutskulturen lassen sich am Beispiel der Forschung an adaptiven Systemen für die Architektur, basierend auf nachgiebigen Verformungsmechanismen verdeutlichen. Dieser Forschungsbereich wird – entgegen der in diesem Buch vorgestellten kooperativen Arbeiten – an beiden Instituten weitestgehend unabhängig voneinander und auf unterschiedliche Weise untersucht. Das ICD verfolgt das Thema der passiven, hygroskopischen Aktuierung von geschichteten Holzverbundelementen, sogenannten Bilayern. Bei einer Änderung des Feuchtegehalts reagiert Holz durch Schwinden und Quellen senkrecht zur Faser. Dieses Materialverhalten wird üblicherweise als Nachteil von Holz betrachtet, dem man durch Laminieren rechtwinklig zueinander angeordneter Holzlagen begegnet. Die vom ICD untersuchten passiv aktuierten Bilayer zeigen, wie dieses

natürliche Verhalten von Holz – in Anlehnung an Vorbilder aus der Natur, wie etwa dem Fichtenzapfen – für bewegliche adaptive Elemente genutzt werden kann. Dieses Verhalten lässt sich in 3D-gedruckten, mehrlagigen Strukturen aus synthetischen Materialien nachempfinden, die komplexe Formen und Bewegungsabläufe abbilden können und in erheblichem Maße skalierbar sind: Beim Urbach Turm wurde dieses Verfahren zur Herstellung gekrümmter Brettsperrholzplatten mit 14 m Länge genutzt. Diese wurden im Anschluss durch Laminieren zweier gekrümmter Lagen und Aufbringen einer Sperrschicht in ihrem Verformungszustand eingefroren. Bei einem Feuchtigkeitswechsel verformen sie sich nun nicht mehr. Am ITKE werden in Zusammenarbeit mit der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg und den DITF Denkendorf aktiv aktuierte biegsame Faserverbundelemente entwickelt, mit dem Ziel, robuste und wartungsarme bewegliche Fassadenbekleidungen zu realisieren. Diese sollen mit wenigen mechanischen Komponenten wie z. B. Lagern oder Gelenken auskommen. Die Idee ist ursprünglich aus der Untersuchung von Pflanzenbewegungen entstanden. Da die Kinematik im Gegensatz zu gängigen Verschattungsmechanismen ohne Rotations- oder Translationsachse auskommt, sondern auf Biegeverformung beruht, können die Elemente auf doppelt gekrümmten Flächen angewendet werden. Die Faserverbundbauteile bieten für außenliegende Bauelemente ausreichend Steifigkeit zur Aufnahme der Wind-

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3, 4] Der Meteorosensitive Pavilion des ICD überträgt die Beziehung zwischen Umweltbedingungen und Materialeigenschaften in ein sich wandelndes räumliches Erlebnis. HygroSkin ist bei Regen geschlossen und öffnet sich von allein, wenn das Wetter besser wird. Hier ist das Material selbst die Maschine, die keine Energiezufuhr von außen benötigt.

lasten und können zudem mit funktionalen Schichten, wie beispielsweise biegsamer Fotovoltaik oder lichtreflektierenden bzw. -umlenkenden Folien, belegt werden. Im Mittelpunkt der Forschungen am ITKE stehen dabei neben der Entwicklung der Kinematik die Untersuchung des Materialverbunds hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Ermüdung. Die Aktuierung erfolgt durch Pneumatik, die sehr robust ist, in den mehrschichtigen Materialverbund integriert und somit gegen Witterungseinflüsse geschützt werden kann. Die passiv aktuierten hygroskopischen Mechanismen des ICD entstanden aus der konzeptionellen Reflexion des natürlichen Verhaltens von Holz. Die Forschung stellt also zunächst grundsätzlich konventionelle, durch die Industrialisierung und Standardisierung geprägte Sichtweisen auf den Werkstoff infrage. Dem wird eine andersartige Materialkultur gegenübergestellt, in der sich architektonische Form, Struktur und Performance aus der intensiven Auseinandersetzung mit den inhärenten Eigenschaften des Materials ableiten. Im Falle der hygroskopisch aktuierten Systeme wird das Material selbst zur programmierbaren Maschine, was neben technischen vor allem auch konzeptionelle Fragestellungen aufwirft. Nicht umsonst handelt es

sich bei vielen Arbeiten des ICD in diesem Bereich, wie dem HygroScope für das Centre Pompidou in Paris oder HygroSkin für das FRAC in Orléans, um Projekte im kulturellen Kontext. Dahingegen ist die Entwicklung der aktiv aktuierten Faserverbundelemente des ITKE, beispielsweise die Projekte FlectoFin und FlectFold, auf die Anwendung im großen Maßstab der gebauten Architektur ausgerichtet. Dies betrifft nicht nur den leistungsfähigen Materialverbund, der auch hohe Windlasten über eine lange Lebensdauer sicher abtragen kann, sondern auch die aktive Aktuierung, die dem Nutzer die Kontrolle über den Bewegungszustand überlässt, wie es bei den meisten Anwendungen in der Praxis gewünscht ist. Für den Antrieb wird eine Pneumatik eingesetzt, die zwar die Zufuhr externer Energie erfordert, aber nur sehr geringe Luftdrucke benötigt und daher nicht nur ressourceneffizient, sondern auch wartungsarm und langlebig ist. Die Elemente werden sehr einfach eben laminiert und gepresst, sodass auch größere Stückzahlen wirtschaftlich herstellbar sind.

Es ist genau die Kombination dieser unterschiedlichen Sicht- und Herangehensweisen, die die gemeinsamen ICD/ITKE Projekte auszeichnet: einerseits die Hinterfragung etablierter architektonischer und konstruktiver Konventionen und andererseits der Anspruch, konkrete Ideen zu verfolgen, die sich auf das Anforderungsprofil der realen Architektur skalieren und übertragen lassen.

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5] FlectoFin war die erste biegsame Fassadenverschattung des

6] FlectoFold stellt die Weiterentwicklung von FlectonFin zu

ITKE aus Faserverbundlaminaten.

robusten und langlebigen biegsamen Fassadenverschattungen aus Faserverbundkomponenten dar.

ARCHITEK TUR FORSCHUNG

BAUEN POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

ARCHI TEKTUR NEU DENKEN

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>> E X P E R I M E N T E LL E ARCHITEKTUR FÜR DAS 2 1. JA H R H U N D E R T

ARCHITEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

GEORG VRACHLIOTIS

„Es ist heute sinnvoll, eine Erörterung über die Rolle der Wissenschaft mit den Strukturwissenschaften zu beginnen“, schrieb der Physiker und Philosoph Carl Friedrich von Weizsäcker 1971 in seinem Buch „Die Einheit der Natur“ und diagnostizierte ergänzend: „Die Mathematisierung der Wissenschaften ist eines der Merkmale der heutigen wissenschaftlichen Entwicklung. Ein Physiker, ein Populationsbiologe, ein Ökonom können dieselbe Mathematik benutzen.“ [1] Mit dem Begriff der Strukturwissenschaften versuchte von Weizsäcker, nicht nur die reine und angewandte Mathematik zu fassen, sondern auch diejenigen interdisziplinären Wissenschaftszweige, die als Systemtheorie, Kybernetik oder Informationstheorie geläufig sind.[2] Damit benannte er jene Modellwissenschaften, die die technologischen Grundlagen unserer heutigen digitalen Gesellschaft bilden. Doch von Weizsäcker veröffentlichte seine Überlegungen über die Strukturwissenschaften nicht zufällig in einer Aufsatzsammlung, in der er die Idee der Natur zum Gegenstand philosophischer Betrachtungen machte. Er vermutete, dass die Strukturwissenschaften eine neue Tendenz in den Naturwissenschaften andeuteten, wonach Prozesse und Formen in der Natur nicht mehr nur digital analysiert, sondern auch simuliert und schließlich wieder synthetisiert, d. h. reproduziert und hergestellt werden könnten. In welchem Maße diese Entwicklung nicht nur die methodischen Grundlagen der Naturwissenschaften, sondern auch das entwerferische Selbstverständnis der Architektur erweitern werden würde, konnte von Weizsäcker zu diesem Zeitpunkt noch nicht ahnen.

DENKKOLLEKTIV ZWISCHEN COMPUTER UND ÖKOLOGIE Zwei Entwicklungen haben die 1970er-Jahre besonders geprägt: die Popularisierung des Computers als neues Werkzeug und Medium einerseits und der Beginn der modernen Ökologiebewegungen und damit die Politisierung von Natur andererseits. Die Architektur blieb davon nicht unberührt, wenngleich sich das technologische und das ökologische Denken in der Baupraxis noch kaum berührten.[3] Als von Weizsäcker sein Buch veröffentlichte, wurden die Fundamente für die transparente Zeltlandschaft anlässlich der Olympiade 1972 in München gelegt. Und als Donella und Dennis Meadows zusammen mit Jay Wright Forrester mit ihrer – im gleichen Jahr veröffentlichten – Studie über „Die Grenzen des Wachstums“ eine internationale Debatte über die globale Zerstörung der Umwelt entfachten, befand sich die Dachkonstruktion für die Multihalle in Mannheim in der Planungsphase.[4] Obgleich beide Projekte nicht explizit ökologisch konnotiert waren, so ist nicht von der Hand zu weisen, dass konzeptionelle Überlegungen zur Nachhaltigkeit unterschwellig eine gewisse Rolle spielten. Die Frage, worin der gesellschaftliche Beitrag der Architektur zu dieser Debatte bestehen könnte, rückte Schritt für Schritt in den Vordergrund. Stuttgart gelang es, sich als innovatives Zentrum einer architektonischen Avantgarde zu etablieren, in der die Idee des Leichtbaus sowohl einen Zugang zur technologischen als auch zur ökologischen Debatte öffnete. Leichtbau galt zu Zeiten Frei Ottos zwar als ein inno-

vativer und interdisziplinärer Forschungszweig, nahm jedoch innerhalb der Architekturszene eher einen Randbereich ein. Während vielerorts die poetische Monumentalität des Brutalismus oder die verspielte Ästhetik der bunten Postmoderne zelebriert wurde, fertigte man in Stuttgart kleine Modelle aus Seifenblasen an, beobachtete das Fließverhalten von Sand und dachte über die Zusammenhänge von Biologie und Bauen nach.[5] Um den Querdenker Frei Otto hatte sich ein lebendiges Denkkollektiv gebildet, dessen einflussreichsten Akteure die beiden Bauingenieure Fritz Leonhardt und Jörg Schlaich, der Geodät Klaus Linkwitz sowie der Computerwissenschaftler John Agyris waren.[6] Dieses in der Geschichte des 20. Jahrhunderts einzigartige Denkkollektiv prägte mit seinem experimentellen Denken ganze Generationen an Architekten und Ingenieuren – und kann deshalb ohne Zweifel in einem Atemzug mit Achim Menges und Jan Knippers genannt werden.[7] Beide knüpfen in gewisser Hinsicht an die Konzepte und Methoden von Frei Otto an. Dessen jahrzehntelange Auseinandersetzung mit Prozessen der Formfindung in der Natur dient auch ihnen als Inspiration.

1, 2] Frei Otto fotografiert ein Modell für den Münchner Olympiapark, Atelier Warmbronn, ca. 1968

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PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN FORSCHUNG ARCHITEK TUR

3] Frei Otto, Nachtaufnahme des Tanzbrunnens auf der Bundesgartenschau 1957, Köln

Allerdings stehen Menges und Knippers der einstigen Idee des Leichtbaus keinesfalls unkritisch gegenüber. Sie erliegen nicht der Verführung, diese Idee aus seiner Geschichte gutgläubig in unsere Gegenwart zu überführen. Auch sehen sie im Leichtbau nicht die alleinige Antwort auf die ökologischen Fragen unserer Zeit. Vielmehr – und hier sind die Eigenständigkeit und Originalität ihrer Arbeiten zu suchen – kombinieren Menges und Knippers den Leichtbau mit Methoden des computergestützten Designs und der robotischen Fertigung. Sie forschen damit an den Grundlagen für einen vollkommen neuartigen und integrativen Entwurfsprozess zwischen Architektur, Tragwerk, Materialität und digitaler Fabrikation. VON DER PHYSIK DER NATUR ZUR DIGITALEN FABRIKATION Viele der Pavillons und Prototypen, die auf diese Weise in den vergangenen zehn Jahren von Menges und Knippers entwickelt wurden, passen weder in eine der uns so vertrauten Epochenschubladen noch unter eines der zahlreichen Stiletiketten, mit denen wir die gebau-

te Umwelt immer wieder zu kategorisieren versuchen. Damit entziehen sich die Pavillons womöglich auch der tradierten Architekturkritik. Denn statt um Fragen der Formgebung geht es Menges und Knippers darum, die materialkulturelle Dimension von Architektur herauszuarbeiten – zum einen um den Begriff der Ressource zwischen Natur und Technik neu zu verorten, zum anderen um die physische Dimension der Natur mithilfe des Digitalen besser erforschen zu können. Materialität ist also nicht etwas, das man wohl oder übel in eine bereits festgelegte Form zwingen muss, sondern das gewissermaßen als Ausgangspunkt für den Entwurfsprozess selbst dienen kann. Was im ersten Moment nach einer akademischen Spielerei klingt, entpuppt sich bei genauerer Betrachtung als ein eleganter Angriff auf nichts Geringeres als die historisch tradierte Hegemonie der Geometrie. Wir haben es hier also mit einer ähnlichen Radikalität im Denken zu tun, die auch den Arbeiten von Frei Otto zugeschrieben wird. Anschaulich wird dies insbesondere am letzten Bauprojekt von Menges und Knippers.

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4] ICD/ITKE Universität Stuttgart, BUGA Faserpavillon auf der

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Bundesgartenschau 2019, Heilbronn

Der 2019 in Heilbronn realisierte BUGA Faserpavillon stellt trotz des Maßstabs und der temporären Nutzung eine kleine bautechnische Revolution dar. Auf der Basis bionischer Forschung zu Chitin und Zellulose wurde für die Tragstruktur des Pavillons mithilfe der digitalen Fabrikation ein neuartiges Faserverbundbausystem aus leichten Glas- und Kohlenstofffasern entwickelt. Der BUGA Faserpavillon lässt damit einmal mehr das experimentelle Denken und die Innovationskraft der 1960erund 1970er-Jahre wieder aufblühen. FORSCHUNG STAT T GENIEKULT, KOOPERATION STAT T AUTONOMIE „Unter den verschiedenen Vorstößen, die heute erfolgen, um Technik natürlicher zu machen, spielt die Entdeckung der Naturgesetzlichkeiten, die die Zusammenhänge zwischen Form, Materialausnutzung, Belastbarkeit und Funktion erklären, eine wichtige Rolle“, notierte Frei Otto Anfang der 1980er-Jahre in dem Gründungsdokument für den Forschungsverbund „Natürliche Konstruktionen – Leichtbau in Architektur und Natur“.[8] Es ist nicht ganz klar, worin die hier erwähnten

„verschiedenen Vorstöße“ genau bestanden. Doch wie zentral für ihn die „Entdeckung der Naturgesetzlichkeiten“ war und wie handwerklich und zugleich apparativ er dabei den Begriff der „Technik“ verstand, wird deutlich, wenn man seine physikalischen Modellexperimente studiert. Seine Hinwendung zum physischen Modell basierte nicht auf einer Verwissenschaftlichung der Architektur im engen Sinne der Naturwissenschaften, sondern auf einer architektonischen Interpretation von versuchsweise gefundenen Formen. Das Experimentieren diente also nicht nur der Erforschung von kausalen Zusammenhängen, sondern auch als Verfahren der Formfindung. Inspiriert von der Formenvielfalt in der Natur, hatte Frei Otto schon früh damit begonnen, die Struktur von Zellen und Knochen, Stämmen und Halmen, Kieselalgen und Spinnennetzen sowie Wasserwirbel, Seifenblasen, Termitenhügel und Vogelnester zu untersuchen. Er entwickelte Instrumente zur Erforschung selbst organisierender Prozesse in der Natur, Messtische zur Bestimmung von Kräfteverläufen, Apparate zur Erforschung pneumatischer Konstruktionsformen oder feingliedrige Netzmodelle zur Optimierung komplexer Zeltstrukturen. Frei Ottos Forschung wurde

PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN FORSCHUNG ARCHITEK TUR

als gesellschaftliche Innovation relevant, weil es ihm fortwährend gelang, den tradierten Autonomieanspruch der Architektur zu hinterfragen – und zu überwinden. Das war nicht zuletzt auch eine Frage der Technik. Doch obwohl Frei Otto ein dem technischen Fortschritt durchaus zugewandter Architekt war, machte er keinen Hehl daraus, dass er dem Computer skeptisch gegenüberstand: „Ich bin überhaupt nicht gegen digitale Prozesse, aber ich betone die Wichtigkeit des Verständnisses dessen, was wir tun. Das Lösen von Problemen mit Softwareprogrammen, die nicht speziell für das jeweilige Problem, mit dem man sich beschäftigt, geschrieben wurden, kann zu einem mangelnden Verständnis dessen führen, was auf dem Bildschirm angezeigt wird. Etwas mag auf dem Bildschirm perfekt aussehen, aber das bedeutet nicht, dass man es versteht oder dass es in echter Größe funktioniert.“[9] Angesichts des universitären Umfelds, in dem Frei Otto forschte, mag eine solche Aussage zunächst verwundern. An der Universität Stuttgart stand ihm bereits seit Ende der 1960er-Jahre einer der damals leistungsfähigsten Großcomputer zur Verfügung. Mit Blick auf von Weizsäcker könnte man sogar meinen, Frei Otto wollte sich gegenüber der technischen

5] Teamarbeit für die Installation der Kuppel für das pneumatische Modell des Arctic-City-Projekts, Atelier Warmbronn, ca. 1971

Macht der neuartigen Strukturwissenschaften rechtfertigen. Das Arbeiten mit Seifenblasen und Hängemodellen schien einigen in seinem Umfeld angesichts der immer leistungsfähiger werdenden Computersimulation zunehmend unzeitgemäß.[10] Doch weder die ungeheure Rechenleistung noch die exakten Visualisierungen auf dem Bildschirm konnten ihn scheinbar überzeugen. Mit Blick auf seine frühen Arbeiten ergibt seine skeptische Haltung allerdings Sinn. Aus den etlichen Kooperationen mit Architekten, Ingenieuren und Biologen und aus der jahrzehntelangen Erfahrung mit empirischen Arbeiten an Modellen hatte Frei Otto sich ein wertvolles Material- und Prozesswissen erarbeitet, das nicht einfach in eine Computersimulation überführt werden konnte. Der Schritt vom analogen Modell zum digitalen Modellieren war daher in seinen Augen noch nicht sinnvoll. Heute sind wir in der Architekturproduktion bekanntlich etliche Schritte weiter. Längst setzt man sich wieder intensiv mit einer Vielzahl von Materialien und Werkstoffen auseinander. Mit der Rückbesinnung auf die Physik der Natur rückt somit auch die Geschichte des experimentellen Denkens zwischen Architektur, Kunst und Wissenschaft wieder in den Vordergrund.

DIE NEUE NOTWENDIGKEIT DES EXPERIMENTIERENS Bald 50 Jahre sind seit der Veröffentlichung der Studie über „Die Grenzen des Wachstums“, dem Bau der Dachlandschaften in München und der Multihalle in Mannheim vergangen. Längst geht es heute um eine Architektur, die zwar ohne den Computer konstruktiv kaum denkbar ist, die jedoch erst aus einer produktiven Distanz zu der Welt des Digitalen ihre konzeptionelle Originalität gewinnt. Eine der zentralen Errungenschaften von Menges und Knippers ist die Initiierung sowohl von erkenntnistheoretischen als auch von bautechnologischen Diskursen zwischen Architektur, Tragwerk, Leichtbau und digitaler Fabrikation. Mit ihren Pavillons haben sie eindrucksvoll bewiesen, dass man sich in der Architektur selbst über Grundlagenforschung einen öffentlichkeitswirksamen Zugang zur Gesellschaft verschaffen kann.

20

6, 7] Frei Ottos Seifenblasenmodell des Tanzbrunnen,

In diesem Sinne fungieren ihre Forschungsarbeiten und Bauprojekte wie Reflexionsmaschinen, die uns immer wieder von Neuem herausfordern, unsere starren Denkschablonen zu hinterfragen. Die Radikalität ihrer Forschung liegt darin, dass es ihnen nicht nur darum geht, Architektur neu bauen, sondern auch neu denken zu können. So verstanden kann Forschung wissenschaftliche Erkenntnisproduktion, aber eben auch intellektueller Ausgangspunkt für einen gemeinsamen Diskurs über die Zukunft der Gesellschaft sein. Wie kann die digitale Fabrikation einen Beitrag zum ökologischen Bauen leisten? Und was heißt es, als Architektin bzw. Architekt oder als Ingenieurin bzw. Ingenieur in einer Gesellschaft zu entwerfen, die ihr Gleichgewicht zwischen der Verdatung sämtlicher Lebensbereiche, der sozialen Herausforderung von Urbanisierung, Klimawandel und einem immer wichtiger werdenden Ressourcenbewusstsein sucht? Wir sind auf der Suche nach neuen Modellen des Bauens – sozial, politisch, kulturell, aber eben auch technisch, d. h. mit digitalen Fertigungstechniken. Angesichts der zukünftigen ökologischen Herausforderungen kann es daher gerade nicht darum gehen, sich in sozialromantischen Bildern vergangener Tage zu

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Entwicklungsstätte für den Leichtbau EL, Berlin (oben) und ein Fadenmodell des BUGA Faserpavillons von ICD und ITKE (unten).

verlieren. Im Sinne von Frei Otto ist es vielmehr an der Zeit, das experimentelle Denken zu stärken und für das digitale Zeitalter neu zu interpretieren. Nicht um das Scheitern der damaligen Epoche zu konstatieren, sondern um aus ihrem methodischen Optimismus heraus neue Fragestellungen und Narrative für eine gemeinsame ökologische Zukunft zu entwickeln – eine Zukunft, in der wir einmal mehr vor die Herausforderung gestellt werden, die gesellschaftliche Relevanz von Architektur über das Experimentieren zu erreichen.

GEORG VRACHLIOTIS Prof. Dr. / Fachgebiet Architekturtheorie, Karlsruher Institut für Technologie KIT / Prodekan Strategische

[1], [2], [3],

Weiterentwicklung / Direktor saai

[4], [5], [6],

| Südwestdeutsches Archiv für

[7], [8], [9],

Architektur und Ingenieurbau

[10]:

223

224

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BAUEN

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>> A R C H I T E K T U R D I G I TA L ANDERS DENKEN

Menschen verbringen 87 % ihrer Zeit in Gebäuden. Diese bilden den physischen Raum und stofflichen Rahmen, aber auch die Basis für den gesellschaftlich-kulturellen Kontext, in dem sich ein Großteil unseres Lebens abspielt. Durch das aktive Gestalten der gebauten Umwelt entfaltet Architektur ihre soziale Bedeutung sowie ihre ökologische und ökonomische Relevanz. Wie dieses Gestalten erfolgt und unser Umfeld prägt, steht in direktem Zusammenhang mit dem intellektuellen und physischen Schaffen von Architektur, den Prozessen des Entwerfens und Bauens. Die digitalen Technologien erlauben nun, die bisherigen Wechselwirkungen, in denen diese Prozesse der Generierung und Materialisierung von Form und Raum seit der Renaissance verharren, infrage zu stellen. Ein wesentlicher Schwerpunkt der in diesem Buch vorgestellten Forschung betrifft die Frage, wie wir das Materielle und das Materialisieren in der Architektur durch das Digitale und die Digitalisierung anders denken können. Die Beschäftigung mit digitalen Technologien ist kein Selbstzweck, sondern die Suche nach Antworten auf einige der drängenden Fragen an die Architektur von morgen. Bau und Betrieb von Gebäuden sind zentrale Ursachen für den menschgemachten Energie- und Ressourcenverbrauch, den Ausstoß von Schadstoffen und die Produktion von Abfall. Wir müssen den Verbrauch endlicher, vor allem fossiler Ressourcen für Gebäude und die CO2-Emissionen deutlich reduzieren, wenn wir die Ziele der Klimakonvention der Vereinten Nationen erreichen wollen. Gleichzeitig erfordert die rapide Verstädterung, dass die Produktivität der Planungs- und Bauprozesse drastisch erhöht wird. Wenn wir dabei nicht auf die repetitive Gestaltung und Monotonie des Bauens des letzten Jahrhunderts zurückgreifen wollen, brauchen wir neue Methoden und Prozesse, die architektonische Vielfalt und Qualität mit digitalen Planungsmethoden und Bauprozessen in Einklang bringen. Die Herausfor-

derung besteht darin, deutlich mehr zu bauen, gleichzeitig aber weniger an Ressourcen zu verbrauchen. Das heutige Planen und Bauen ist fest mit der Vorstellung einer Prozesskette verknüpft: Am Anfang steht die Formidee und Raumkonzeption der Architekten, gefolgt von der technischen Bearbeitung der Ingenieure, der Vorfertigung in der Werkstatt und schließlich der Umsetzung auf der Baustelle. Auch wenn die Realität mit zahlreichen Querbezügen und Iterationsschleifen zumeist erheblich komplexer ist, organisiert sich die gängige Praxis entlang dieser Kette. Dieser traditionelle Ablauf bewirkt allerdings, dass der Grad an Innovationen beschränkt bleibt, weil jedes Glied der Prozesskette die Informationen, die es vom vorangegangenen Partner erhält, mit seinen eigenen Methoden bearbeitet und entsprechend seiner eigenen Kriterien bewertet, bevor es diese an den Nächsten weitergibt. Das Aufbrechen dieses linearen und hierarchisch organisierten Prozesses ist daher der Schlüssel für das Freisetzen echter Innovationen, die über eine inkrementelle Steigerung der Effizienz vorhandener Planungsmethoden und Bausysteme hinausgehen. Nur wenn alle Projektbeteiligten in Planung und Realisierung von Beginn an in einem offenen und hierarchiefreien Prozess miteinander kommunizieren und sich die verschiedenen Ebenen gegenseitig beeinflussen, kann etwas wirklich Neues entstehen. Digitale Technologien bieten die Möglichkeit, das Bauwesen grundlegend zu verändern. Derzeit steht im Vordergrund von Forschung und Entwicklung zumeist die Datendurchgängigkeit zwischen den verschiedenen Teilbereichen des Bauschaffens. Davon abgesehen erfolgt die Digitalisierung der einzelnen Teilbereiche weitestgehend entkoppelt voneinander. Im Ergebnis führt dies in den meisten Fällen zu isolierten Erkenntnissen und punktuellen Verbesserungen bereits bestehender Planungsverfahren, Fertigungsprozesse und Bausyste-

me, mit wenig Einfluss auf die ästhetischen und funktionalen Qualitäten der daraus entstehenden Gebäude. Somit erfordert die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit den digitalen Technologien auch, die grundsätzliche Frage nach Forschung in der Architektur neu zu stellen. Unsere Forschung am ICD und ITKE hat zum Ziel, die Möglichkeiten digitaler Technologien für die Architektur integrativ und interdisziplinär zu untersuchen, aber auch kritisch zu reflektieren. Im Zentrum steht dabei die Frage, wie sich neue digitale Technologien nicht nur für die Optimierung bestehender prädigitaler Prozesse und Systeme einsetzen lassen, sondern stattdessen neuartige Ansätze für Entwurf, Planung, Fertigung und Bauen entwickelt werden können. Unser Ziel ist es, genuin digitale Bausysteme und Bauweisen zu entwickeln, die eine Architektur ermöglichen, die der Digitalisierung als fundamentale technische und vor allem auch soziokulturelle Veränderung gerecht wird. In diesem Sinne erproben die vorgestellten ICD/ITKE Bauten ein radikales Gegenmodell zur heutigen Praxis des Planens und Bauens. Sie zeigen, wie in einem grundlagen- und erkenntnisorientierten Prozess Lösungen entstehen können, die sich außerhalb etablierter Typologien von Architektur, Konstruktion und Tragwerk befinden und trotzdem sowohl hinsichtlich der funktionalen Leistungsfähigkeit als auch des architektonischen Ausdrucks überzeugen. Dies kann nur gelingen, wenn das Potenzial digitaler Technologien zu einer tiefgreifenden Integration voll genutzt wird und dabei alle Disziplinen und Kompetenzen von Beginn an beteiligt sind. Umwege und Sackgassen sind dabei nicht nur ein unvermeidlicher, sondern auch ein bereichernder Teil des Weges.

1, 2] Das ICD/ITKE Team während des Entwurfs des BUGA

22

Faserpavillons zur Bundesgartenschau 2019 in Heilbronn

23

Ein wesentlicher Aspekt von zukunftsorientierter Architekturforschung ist also die Untersuchung digitaler Technologien, nicht als Fortführung bestehender Methoden und Prozesse, sondern als Ausgangspunkt und Vehikel, das Entwerfen und Bauen anders zu denken. Dabei geht es nicht um das Unkonventionelle an sich, sondern um das Erforschen alternativer Ansätze, die den Möglichkeiten und den Mitteln unserer Zeit gerecht werden. Es geht darum, die epochale Veränderung durch digitale Technologien als Chance aufzugreifen und deren disruptives Potenzial kritisch, aber positiv zu gestalten.

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>> C O M P U TAT I O N STAT T COMPUTERISIERUNG

Digitale Technologien und deren Bezug zum Entwerfen und Bauen werden seit mehr als einem halben Jahrhundert erforscht. Bemerkenswert daran ist nicht nur der lange Zeitraum, sondern auch, dass Konzepte wie das parametrische Modellieren und regelbasierte Entwerfen bereits in einer sehr frühen Phase entwickelt und untersucht wurden. Zunächst waren hierfür allerdings umfangreiche Computeranlagen notwendig, die nur an ausgewählten akademischen Institutionen und bei vereinzelten Firmen vorhanden waren. Erst mit der Erfindung des Mikroprozessors und des Personal Computers waren ab Anfang der 1980er-Jahre die Hardware-Voraussetzungen für eine breitere Anwendung in der Praxis geschaffen. Bei der anschließenden Entwicklung und Ausbreitung von Computer Aided Design (CAD) stand allerdings die Digitalisierung der Tätigkeiten des technischen Zeichners im Vordergrund. Der Wechsel vom analogen zum digitalen Erstellen von Plänen hatte dadurch keine konzeptionellen Auswirkungen auf die grundsätzliche Herangehensweise des Planens. Für den kommerziellen Erfolg der CAD-Anwendungen war das zunächst zuträglich, denn ein unbequemes Umdenken war nicht erforderlich. Dies änderte sich im Wesentlichen auch nicht, als Anfang der 1990er-Jahre die Erstellung komplexer Geometrien leichter zugänglich wurde. Technologien wie NURBS- und Mesh-Modelling, die bis dato nur durch hochspezialisierte und geschützte CAD-Anwendungen beispielsweise durch die Automobilindustrie eingesetzt wurden, konnten in allgemein zugängliche und leichter handhabbare Software-Anwendungen überführt werden. Dies wurde von Architekten aufgegriffen, um das zweidimensionale Zeichnen durch das dreidimensionale Modellieren zu ergänzen. Der mögliche Formenkanon wurde dadurch von geometrischen Grundelementen hin zu Freiformflächen erheblich erweitert. Die daraus entstandenen, zum Teil provokanten neuen Architekturformen, die je nach Standpunkt begeistert aufgenommen

oder zutiefst verachtet wurden, prägen bis heute die allgemeine Vorstellung von sogenannter digitaler Architektur. Trotz ihrer neuartigen Formensprache sollten die Bauten aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass die radikal anmutenden Entwürfe einem methodisch konventionellen Prozess des Entwerfens entsprangen. Ebenso steckt hinter einer digital generierten, doppeltgekrümmten Fassade zumeist auch weiterhin eine herkömmliche prädigitale Konstruktion. Seit den 2010er-Jahren hat sich der Bezug zu digitalen Technologien in der Architektur weiter gewandelt. Nach dem von Architekten vorangetriebenen, aber als exzessiv empfundenen Ansatz der parametrischen Freiformarchitekturen werden heute digitale Technologien vor allem zur Steigerung der Effizienz von Entwurfs-, Planungs- und Bauabläufen an Architekten und Fachplaner herangetragen. Dazu gehören das Generative Design, das eine automatisierte Erzeugung von Entwurfsvarianten erzielt, sowie das Building Information Modeling (BIM), das durch datenbankbasierte Modellierung die Erhöhung der Datendurchgängigkeit von der Planung bis zum Betrieb eines Gebäudes ermöglichen soll. In Kombination erlauben diese beiden Ansätze das schnellere Iterieren von Entwurfsvarianten, das zügige Implementieren von Planungsänderungen, das disziplinübergreifende Arbeiten in einem Modell und das integrierte Verfolgen von Planungsinformationen über den gesamten Gebäudelebenszyklus. Aber zugleich werden bestehende Konventionen verfestigt, Standards gestärkt und herkömmliches Entwurfsdenken nicht infrage gestellt. Technisch und konzeptionell bedingt, manifestiert BIM bestehende Normierungen und erfordert zusätzlich neue. So wird die Konventionalisierung des Bauschaffens zu einem Zeitpunkt weiter bestärkt, der eigentlich stattdessen ein kritisches Umdenken erfordert.[11] Die zentrale Begrifflichkeit der „Digitalisierung“ muss hinterfragt werden. Das deutsche Wort Digitalisierung suggeriert, dass der Einsatz digitaler Technologien im

Wesentlichen darauf abzielt, vormals analoge Methoden, Prozesse und Systeme lediglich zu digitalisieren. Eine ausdifferenziertere Terminologie des Englischen wird dieser Thematik gerecht. Hier wird zwischen den Begriffen Computerisation und Computation unterschieden, für die es im Deutschen keine Äquivalente mit entsprechendem Bedeutungshintergrund gibt. Computerisation – zu Deutsch Computerisierung im vorgenannten Sinne – bezeichnet die Automatisierung, Mechanisierung und Konvertierung von Entitäten oder Prozessen, die in nichtdigitaler Form bereits gegeben und genau definiert sind.[12] Dies trifft in weiten Teilen auch auf den Einsatz digitaler Technologien in der Architektur zu: Mit der Einführung von konventionellen CADApplikationen erfolgte die Digitalisierung des Tuschestifts und Zeichenbretts durch Maus und Bildschirm. Daraufhin wurde das plastische Modellieren im dreidimensionalen Raum computerisiert. BIM digitalisiert nun die Planung unter Verwendung bautechnischer Standardelemente, -produkte und -details und überführt diese in eine datenbankbasierte Modellierung. Konzeptionell betrachtet, ist Computerisation bzw. Computerisierung eine Evolutionsstufe bestehender Herangehensweisen. Computation stellt dahingegen einen genuin digitalen Ansatz dar.[13, 15] Anders als bei der Computerisierung steht hier die Erschließung unbestimmter, vager oder nicht ausreichend definierter Möglichkeits- und Lösungsräume im Vordergrund, die nur durch den Computer anhand algorithmischer und logischer Methoden generativ und explorativ ermittelt werden können. In der Architektur erlaubt Computation respektive dessen Anwendung in Computational Design und Computational Construction, herkömmliche Ansätze, etablierte Abläufe und tradierte Typologien zu hinterfragen und zu überdenken.

24

1, 2] Die grundlagenorientierte und ergebnisoffene Erforschung der

25

Möglichkeiten von digitalen Technologien führt zu genuin neuen Bausystemen, wie hier am Beispiel des Elytra Filament Pavilion auf dem Vitra Campus in Weil am Rhein gezeigt (oben).

Computation bildet die Grundlage für die Erforschung eines originär digitalen Bauschaffens, dessen spezifische Eigenheiten und Logiken aus den digitalen Mitteln und Möglichkeiten abgeleitet werden und nicht wie bisher üblich eine lineare Weiterentwicklung der prädigitalen Konzepte darstellen.[14, 15]

[11], [12], [13], [14], [15]: 224

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>> F O R S C H E N D E S B AU E N U N D B AU E N D E S F O R S C H E N

Architektur macht Ideen und Erkenntnisse sichtbar. Sie kann neue Methoden der Planung und Simulation, Ergebnisse der Materialforschung sowie Fortschritte in Robotik und Fertigungstechnik in erlebbare Strukturen und Räume überführen. Der Pavillon ist hierfür das geeignete Mittel. Er erlaubt es, ausgewählte Fragen gezielt zu untersuchen, ohne die Vielzahl an funktionalen, wirtschaftlichen und rechtlichen Anforderungen erfüllen zu müssen, die Innovationen in der Architektur so schwierig machen.[16] Gleichzeitig erfordert er aber bereits die reale Umsetzung in einem Größenmaßstab, der dem eines Bauwerks entspricht. Hierbei erweist sich, ob eine Idee so vielversprechend ist, dass sich eine Weiterentwicklung für die breitere Anwendung lohnt. Ebenso werden die Grundlagen für eine neue, digitale und zugleich materielle Kultur gelegt.[17]

Die ICD/ITKE Forschungspavillons sind an der Schnittstelle von universitärer Lehre und Forschung angesiedelt und stellen somit auch ein pädagogisches Experiment dar. Es geht darum, in einem Team aus Studierenden, wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie Professoren gemeinsam und ergebnisoffen anhand einer bestimmten Fragestellung das Potenzial digitaler Technologien für ein höheres Maß an Integration und Innovation zu untersuchen. So soll die nächste Generation von Bauschaffenden für dieses Thema sensibilisiert und begeistert werden. Die Projekte waren dabei von Beginn an so angelegt, dass neben der technischen auch die architektonische Betrachtung eine wichtige Rolle spielte. Es galt, im Verlauf eines akademischen Jahres in einem induktiven Forschungsansatz ein Pavillonbauwerk vom ersten Konzept bis zur vollmaßstäblichen Realisierung zu tragen, anhand

1] Projektbeteiligte Studierende, Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter vor dem ICD/ITKE Research Demonstrator 2018

dessen neue Entwurfsmethoden, Fertigungsprozesse und Konstruktionssysteme erforscht wurden. Das Projektteam deckte dabei alle hierfür notwendigen Bereiche als integrativer Bestandteil der Untersuchung ab, von der Entwicklung der notwendigen Software- und Hardware-Technologien über Materialversuche und Belastungstests bis hin zu Bauantrag und Nachweisführungen. Ab 2011 wurde dies noch durch bionische Forschung, gemeinsam mit Naturwissenschaftlern der Universität Tübingen, ergänzt. Wurden die ICD/ITKE Forschungspavillons bis 2012 noch als reine Semesterprojekte im Rahmen der allgemeinen Architekturlehre durchgeführt, veranlasste uns das erstaunliche Interesse – besonders aus dem Ausland – dazu, diese zu einem zentralen Bestandteil eines neuen, internationalen und forschungsorientierten Studiengangs auszubauen, dem „Integrative Technologies and Architectural Design Research“ (ITECH) Masterprogramm. Dieses steht Studierenden der Architektur und des Bauingenieurwesens, aber auch verwandter Ingenieurwissenschaften, der Informatik und Naturwissenschaften offen. So kultiviert es den interdisziplinären und integrativen Charakter ebenso wie das Format des forschenden Lernens und des lehrenden Forschens, das wir für einen unerlässlichen Bestandteil einer zeitgemäßen und zukunftsfähigen Bildung für künftige Bauschaffende halten. Die Forschungspavillons sind Vehikel zur Generierung neuer Ansätze und Konzepte, deren technischer und architektonischer Exploration wie auch deren Erprobung und Verifikation anhand der vollmaßstäblichen Realisierung. Als solche sind sie allein im akademischen Kontext verortet, wo wir zugleich als Forscher, Planer, Ausführende und Auftraggeber fungieren. Die mit den Forschungspavillons als baulichem Proof-of-Concept begonnenen Entwicklungen wurden dann in verschiedenen weiter-

2] Der ICD/ITKE Research Demonstrator 2018 entstand an der Schnittstelle von biologischer Grundlagenforschung, 26

architektonischer Exploration, anwendungsorientierter Ingenieurentwicklung und integrativer Lehre.

führenden Projekten aufgegriffen, die im Rahmen von größeren wissenschaftlichen Projektkonsortien unter Beteiligung von Industriepartnern und Bauherren bearbeitet wurden. Trotz der angestrebten Innovationen galt es dabei auch immer, allen Anforderungen an Bauvorhaben hinsichtlich ortsspezifischer Gegebenheiten, fixer und zumeist sehr ambitionierter Kosten- und Zeitrahmen sowie erforderlicher Genehmigungsverfahren gerecht zu werden. Auf Basis der Erfahrung dieser Versuchsbauten hat nun der Transfer in die allgemeine Baupraxis begonnen. Im Zentrum des Buches steht das Aufzeigen unserer gemeinsamen Forschung anhand von ausgewählten Bauten aus dem letzten Jahrzehnt. Trotz facettenreicher Querbezüge und nichtlinearer Entwicklungslinien fügen sich diese als Einzelteile in ein Gesamtvorhaben ein. Allen Projekten gemeinsam ist die integrative und sich wechselseitig informierende Erforschung von Entwurfsmethoden, Fertigungsprozessen, Konstruktionssystemen, Baumaterialien sowie der Bionik. Der Schwerpunkt ist jeweils unterschiedlich ausgeprägt, aber die Entwicklungslinien sind in allen Projekten präsent und auch projektübergreifend ineinander verwoben. Diese Querbezüge und Verknüpfungen bilden in all ihren Verzweigungen das vielgestaltige, aber zugleich verbindende Moment unseres im Verlauf der letzten zehn Jahre entstandenen wissenschaftlichen und architektonischen Werkes.

27

[16], [17]: 224

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010 46

FORSCHUNG

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2011 56

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012 68

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2013/14 78

FORSTPAVILLON

90

Turm aus gebogenen Brettsperrholzstreifen

Einteiliger Kragarm aus Faserverbundgitterwerk

Segmentierte Dachplatte aus sechseckigen Faserverbundgitterwerksegmenten

Stabkuppel aus Faserverbundgitterwerkröhren mit mechanisch vorgespannter ETFE-Membran

Einteilige Schale aus ETFE-Folie mit eingeklebtem Faserverbundlegewerk

Einteilige Schale aus Faserverbundgitterwerk

Segmentschale aus vieleckigen Faserverbundgitterwerksegmenten

BAUEN

PER SPEKT IV E

Krag- und Turmkonstruktion

Plattenkonstruktion

Schalenund Kuppelkonstruktion

Bogenkonstruktion

Faserverbundwerkstoff

Holzwerkstoff

POSI TI ONEN

Baumaterial

Segmentschale aus dreieckigen, verschnürten Hohlsegmenten

Segmentschale aus vieleckigen Hohlkassettensegmenten

Segmentschale aus vieleckigen Plattensegmenten

7-Gelenk-Bogenkonstruktion aus biegeaktiven Lamellen

Kohlenstofffaserrovings mit Epopxidharz auf ETFE-Membran

Kohlenstofffaserrovings und Glasfaserrovings mit Epoxidharz

Brettsperrholz

Furnierschichtholz

Individualisiertes Furniersperrholz

Furniersperrholz

ARCHITEK TUR

>> F O R S C H U N G S ST R Ä N G E U N D E N T W I C K LU N G S L I N I E N Konstruktionssystem

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2014/15 102

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2015/16 114

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2016/17 126

136

ELYTRA FILAMENT PAVILION

150

BUGA HOLZPAVILLON

BUGA FASERPAVILLON

162

URBACH TURM

176

Selbstformung von Nadelbaumzapfen

Deckflügel flugfähiger Käfer

Exoskelett des Hummers

Funktionale Morphologie

Bildungsprozess

Agentenbasierte Modellierung

Dynamische Gleichgewichtsmodellierung

Parametrische Modellierung

Computerbasierte Formfindung

Selbstformung

Kombinierte additive und subtraktive robotische Fertigung

Additive robotische Fertigung

Subtraktive robotische Fertigung

Entwurfsmethode

Plattenskelett des Sanddollars

Kokonbau der Larve der Miniermotte

Nestbau der Wasserspinne

Agentenbasierte Modellierung in Rückkopplung mit cyber-physischem Fertigungssystem

Multi-Agentenbasierte Modellierung

Dynamische Gleichgewichtsmodellierung mit Multi-Criteria-Form-Steering

Inverse Gleichgewichtsmodellierung biegeaktiver Bauteile

Parametrische Modellierung in Rückkopplung mit lokaler und globaler Materialsimulation

Globale Formfindung durch lokale Interaktion biegeaktiver Bauteile

Selbstformung mit anschließendem 5-Achs-CNC-Fräsen und -Bohren

Robotisches 13-AchsPositionieren, -Kleben, -Fräsen

Kernloses robotisches 12-Achs-Wickeln mit integriertem UAV

Kernloses robotisches 12-Achs-Wickeln, stationärer Faserwickelkopf, robotergeführtes Lehrgerüst

Kernloses robotisches 8-Achs-Wickeln, robotergeführter Faserwickelkopf, rotierendes Lehrgerüst

Kernloses robotisches 7-Achs-Wickeln, robotergeführter Faserwickelkopf, rotierendes Lehrgerüst

Robotisches 6-Achs-Faserlegen

Robotisches Nähen

Robotisches 7-Achs-Fräsen und -Bohren

Robotisches 3-Achs-Fräsen

Fertigungsprozess Biologisches Vorbild

28

29

A RCHI TEK TUR FORS CHUN G

BAUEN POSI TI O NEN

PER SPEKT IV E

INTEGRATIVE

FOR  S C H UNG

30

31

A RCHI TEK TUR

FORS CHUN G

BAUEN

POSI TI O NEN

PER SPEKT IV E

>> I N T E G R AT I O N VO N F O R M , M AT E R I A L , ST R U K T U R U N D R AU M Als verbindendes Element zwischen Entwurf und Bau gilt die Zeichnung bzw. der architektonische Plan. Der moderne Bauplan entstand zwischen dem 13. und 15. Jahrhundert. Mit der Entwicklung der perspektivischen und parallelen Projektion in der Renaissance waren die Voraussetzungen geschaffen, auf deren Grundlage sich der Wandel vom mittelalterlichen Baumeister zum neuzeitlichen Architekten vollzog, dessen Entwurfstätigkeit nicht länger direkt in das Baugeschehen integriert ist. Symptomatisch für diesen Wandel war z. B. Leon Battista Albertis Forderung nach der Trennung der Prozesse des Entwerfens und Bauens.[18] Die Notationsform der darstellenden Zeichnung spielt dabei eine entscheidende Rolle. Sie erzeugt die architektonische Aussage und gibt zugleich die Handlungsanweisung für deren Umsetzung. Aufgrund dieser zentralen Rolle gilt die Architektur als eine der Kunstformen, die auf ein Notationssystem angewiesen ist.[19] Allerdings ist genau in diesem entmaterialisierten System der geometrischen Zeichnung und des Plans eine wesentliche Konvention des architektonischen Denkens angelegt, nämlich die vorrangige Stellung der Geometrie und deren hierarchisches Verhältnis zur Materialisierung. Das gängige Entwurfsdenken priorisiert die geometrische Form und versteht das Material als deren passiven Empfänger zur Umsetzung der Form. Selbstverständlich nehmen die meisten Architekten für sich in Anspruch, materialgerecht zu entwerfen. Die spezifische Materialität wird dabei allerdings zumeist vorgefassten konstruktiven, strukturellen und räumlichen Typologien zugeordnet, die in der konventionellen Hierarchie von Form und Material verharren. Das Bauen wird als der nachgeordnete Schritt des Überführens einer geplanten in eine materielle Form verstanden. Inzwischen hat sich diese Konzeption nicht nur in der Architekturpraxis tief verwurzelt, sondern auch in den gesetzlichen Rahmenbedingungen, die die Berufswelt regeln.

Im Gegensatz dazu stehen Ansätze, die Entwerfen und Bauen im Kontext digitaler Technologien von Beginn an integrativ behandeln. Durch Computation werden Aspekte der materiellen Welt zugänglich, die zuvor weit außerhalb der Intuition des Entwerfers und jenseits der Erfassbarkeit mit herkömmlichen Notationsformen lagen.[20] Der Computer stellt eine direkte Schnittstelle zwischen der virtuellen und physischen Welt dar, die es erlaubt, Materialverhalten bereits im Entwurfsprozess zu aktivieren. Computation ist somit nicht nur auf rein digitale Prozesse beschränkt, sondern bezieht im Sinne von Material Computation die Möglichkeit mit ein, dass die Materialien selbst spezifische Formen erzeugen oder sogar programmiert werden können.[21] Diese Herangehensweise des materialspezifischen, kombinierten Gestaltungs- und Konstruktionsprozesses greift die Entwurfsmethode des „Gestalt Findens“ von Frei Otto auf und erweitert diese.[22] ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010

S. 46

Ein anschauliches Beispiel für eine entwurfsintegrierte Rückkopplung von Material und Form ist der ICD/ITKE Forschungspavillon 2010. Hier wurde die Integration des elastischen Verhaltens von Holzlamellen in den Entwurfsprozess genutzt, um daraus eine neuartige biegeaktive Architektur zu erzeugen. Das Material ist nicht länger der passive Empfänger einer zuvor geometrisch definierten Form, sondern wird im Entwurfsprozess aktiv zu deren Erzeuger. Analog dazu verhält sich der Materialisierungsprozess. Durch das hohe Maß an Integration ist kein herkömmlicher, geometrischer Bauplan notwendig – oder gar möglich. Die Bauteile werden in einer prozessual festgelegten Abfolge gefügt, wodurch sich auf der Baustelle die architektonische Form des Pavillons durch das elastische Materialverhalten von selbst einstellt.

Interessant ist nicht nur die entwurfsmethodische Entwicklung, sondern auch eine veränderte Gewichtung von Aspekten wie Formenkomplexität, Einfachheit eines Bauprozesses, Effektivität einer Konstruktion oder Authentizität eines Materialausdrucks. Im weiteren Forschungsverlauf wurde der integrative Ansatz kontinuierlich vertieft. Dies reicht von gezieltem Differenzieren des Materialverhaltens im ICD/ITKE Forschungspavillon 2015/16 hin zu einem Programmieren des Materials beim Urbach Turm, sodass dieses von selbst eine bestimmte Form annimmt. ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2015/16

S. 114

URBACH TURM

S. 176

In einem weiteren Forschungsfeld wird untersucht, wie der Materialisierungsprozess auch im Kontext digitaler Produktionstechnologien entwurfsgenerativ gestaltet werden kann.[23] Am Anfang stand die Erkenntnis, dass der Wechsel von prozessspezifischen CNC-Maschinen, die in den meisten Fällen eine automatisierte Variante herkömmlicher Fertigungsverfahren darstellen, zu generischen Fertigungseinheiten wie dem Industrieroboter die Möglichkeit bietet, den Fertigungsprozess so zu gestalten, dass es zu einer entwurfsintegrierten Rückkopplung zwischen dem Materialisierungsprozess und der zu materialisierenden Form kommen kann. Dies ermöglicht zum einen die entwurfsintegrierte Konzeption neuartiger Fertigungsprozesse, wie beispielsweise das im Rahmen des ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 konzipierte kernlose, robotische Wickeln von großformatigen Faserverbundbauteilen. Zum anderen erfordert es aber auch entsprechende Entwurfsmethoden.

jedes Bauteilagenten auf die spezifischen Möglichkeiten und Einschränkungen einer Fertigungsumgebung reagiert. Entscheidend ist dabei, dass diese Rückkopplung nicht nur offline, also die Fertigung antizipierend, sondern auch online erfolgen kann. Dies bedeutet, dass während des Fertigungsprozesses Abläufe in direkter Reaktion auf Sensordaten aus dem Fertigungsumfeld erfolgen. Diese cyber-physischen Produktionssysteme verändern das Verständnis der Materialisierung, also der Herstellung von Architektur.[24] Statt vor Beginn des Herstellungsprozesses einen eindeutigen Satz an Handlungsanweisungen – ob in Form eines Bauplans oder eines vordefinierten Maschinensteuerungscodes – festzulegen, steht das Entwerfen des prozessualen Maschinenverhaltens im Vordergrund. Exemplarisch kann der ICD/ITKE Forschungspavillon 2014/15 aufgeführt werden, anhand dessen ein cyber-physisches Faserlegeverfahren auf formveränderlichen pneumatischen Hüllen untersucht wurde.

32

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2014/15

S. 102

33

Bei einer solchen verhaltensbasierten Fertigung werden kontinuierlich Daten gesammelt und an den Fertigungsroboter zurückgeführt. Dies bedeutet, dass im Fertigungsverlauf neue Informationen gewonnen und weitere Erkenntnisse erzeugt werden. Im Lauf der Herstellung führt diese Rückkopplung dazu, dass sich der Entwurf bis zum Abschluss des Bauprozesses stetig weiterentwickelt.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012

S. 68

FORSTPAVILLON

S. 90 [18], [19], [20], [21],

Für den Forstpavillon im Rahmen der Landesgartenschau 2014 wurde ein agentenbasiertes Modellierungssystem entwickelt, in dem das generative Verhalten

[22], [23], [24]: 224

A RCHI TEK TUR

FORS CHUN G

BAUEN

POSI TI O NEN

PER SPEKT IV E

>> B I O N I K A LS W I S S E N SCHAFTLICHES QUERDENKEN

In den kommenden Jahrzehnten müssen wir unsere Bautätigkeit aufgrund der rapiden Verstädterung und der wachsenden Weltbevölkerung drastisch intensivieren. Der Kollaps des Ökosystems Erde lässt sich dabei nur verhindern, wenn wir für die Errichtung und den Betrieb von Gebäuden deutlich weniger Ressourcen verbrauchen als bisher. Mehr mit weniger zu bauen, ist also eine zentrale Herausforderung an die Architektur von morgen.

äußeren Verkleidung. Jede dieser Schichten ist für die Erfüllung der ihr zugewiesenen Funktion optimiert. Im Ergebnis bedeutet dies, dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Werkstoffen eingesetzt wird, wie mineralische Baustoffe, erdölbasierte Kunststoffe, Metalle, Holz und vieles mehr. Diese unterschiedlich beschaffenen Komponenten haben meist eine einfache und sich wiederholende Geometrie und werden zu einem funktionsfähigen Gesamten gefügt.

Für Konstruktionen der Natur ist der geringe Ressourcenverbrauch ein entscheidender Vorteil in der Evolution. Darüber hinaus zeigen natürliche Konstruktionen weitere Eigenschaften, die auch für das Bauen der Zukunft eine wesentliche Rolle spielen. Alle pflanzlichen und tierischen Strukturen basieren letztlich auf der Nutzung von Solarenergie. Um den Energieverbrauch zu reduzieren, können sie sich an veränderliche klimatische Bedingungen anpassen, und zwar sowohl im Tages- und Jahresverlauf als auch während ihrer Lebenszeit. Sie sind robust, d. h., sie können Störungen überstehen, ohne völlig aus dem Gleichgewicht zu geraten. Falls Schäden auftreten, sind sie in der Lage, diese selbst zu reparieren. Sie nutzen vorwiegend diejenigen Stoffe, die in unmittelbarer Umgebung vorhanden sind. Am Ende ihrer Lebensdauer zerfallen sie wieder in Grundbausteine, die im Sinne eines Kreislaufs Lebensgrundlage für andere, neue Lebewesen sind.

Natürliche Konstruktionen zeigen dagegen eine nahezu unendliche Vielfalt an Strukturierungsmöglichkeiten.[26] Sie verwenden wenige polymere Grundbausteine, beispielsweise in Form von Proteinen, Polysacchariden oder Nukleinsäuren, die fast ausschließlich aus den immer gleichen, leichten, chemischen Elementen aufgebaut sind: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor. Im Verlauf der Evolution sind durch Mutation, Rekombination und Selektion aus diesen Grundbausteinen hochgradig ausdifferenzierte Strukturen entstanden. Vom makroskopischen Organismus bis hinab zu den einzelnen Molekülen besteht jedes Strukturbauteil aus kleineren Elementen, die aus jeweils ähnlichen Grundbausteinen aufgebaut sind. So entstehen aus wenig leistungsfähigen Grundbausteinen multifunktionale Strukturen, die an vielfältige und sich teilweise widersprechende Anforderungen angepasst sind. Sie tragen nicht nur Lasten, sondern transportieren gleichzeitig Nährstoffe und Wasser. Sie katalysieren chemische Reaktionen, erkennen Signalstoffe und sind zu vielfältigen „Self-X“-Funktionen in der Lage, wie Selbstorganisation, Selbstadaptivität, Selbstheilung und Selbstreinigung. Grundprinzip aller biologischen Systeme ist dabei die effektive Umwandlung von Energie in physiologische Leistungen, ein Ziel, das im übertragenen Sinn auch in der Architektur verfolgt wird.

Viele dieser Eigenschaften aus der Natur sind auch für die Architektur erstrebenswert. Kriterien der biologischen Evolution und Entwicklungsziele in der Architektur sind sich ähnlich, die Strategien zur Umsetzung sind allerdings diametral entgegengesetzt.[25] In der architektonischen Konstruktion werden komplexe technische Herausforderungen in einzelne Teilaufgaben zerlegt, für die jeweils optimierte Einzellösungen entwickelt werden. Als einfaches Beispiel sei eine Wand genannt: Sie besteht im Wesentlichen aus einer Tragschicht, einer Dämmebene, einer Abdichtung und einer

Fast alle biologischen Systeme verwenden dabei faserartige Strukturen, beispielsweise Zellulose in Pflanzen, Chitin für Außenskelette von Insekten oder Kollagen

in Sehnen und Knochen von Säugetieren, um durch Orientierung, Schichtaufbau und Packungsdichten der Fasern sehr fein abgestimmte Struktureigenschaften und somit eine hohe Struktureffizienz zu erzielen. Die Bionik spielt daher bei der Entwicklung einer ressourceneffizienten Faserverbundbauweise eine besondere Rolle.

Strukturen, die sich den üblichen Kriterien der Architektur entziehen, gefordert. Unser Bauen ist vor allem auf eine einfache und zuverlässige Umsetzung ausgerichtet und verwendet daher immer gleiche Methoden, Prozesse und Systeme. Diese fest etablierten Strategien werden durch die Auseinandersetzung mit natürlichen Konstruktionen hinterfragt.

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Ein linearer Transfer solcher Strukturbildungsprinzipien aus der Biologie in die Architektur wird nur in den seltensten Fällen möglich sein. Noch sind die technischen Möglichkeiten weit davon entfernt, die im Verlauf der Evolution von 3,8 Milliarden Jahren entstandenen natürlichen Strukturen in ihrer ganzen Komplexität abzubilden. Der Transfer in die Architektur ist zudem meist mit der Herausforderung der Skalierung verbunden, nicht allein in Bezug auf die Größe, sondern auch hinsichtlich der aufzunehmenden Lasten, der erwarteten Lebensdauer und weiterer für die Architektur relevanter Kriterien.[27] Ein zentraler Unterschied zwischen biologischen und technischen Strukturen ist weiterhin, dass Erstere während des gesamten Wachstumsprozesses lebensfähig sein müssen. Die Morphologie natürlicher Strukturen ist untrennbar mit dem Prozess ihres Entstehens verbunden.

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Der Austausch zwischen Biologen und Architekten betrifft nicht nur das Teilen von Wissen, sondern auch die Methoden des wissenschaftlichen Arbeitens. Die Naturwissenschaften bringen digitale Bildgebungsverfahren wie die Magnetresonanztomographie in die Zusammenarbeit ein. Im Gegenzug ermöglichen die numerischen Simulationsmethoden der Ingenieure einen vertieften Einblick in die Funktionsweise biologischer Systeme. Es treffen zwei wissenschaftliche Kulturen aufeinander, die unterschiedlicher kaum sein könnten – in der Biologie stehen das Erkennen und Verstehen im Vordergrund, während die Forschung in Architektur und Ingenieurwesen auf den Transfer in die Anwendung ausgerichtet ist. Die Bionik führt diese verschiedenen Perspektiven zusammen und erfordert von jedem, die Grenzen gewohnter Denkmuster zu überschreiten. Darin liegt ihr eigentliches Potenzial zur Generierung echter Innovationen.[30]

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Bauliche Analogien zu biologischem Wachstum wurden erst durch die Einführung additiver Fertigungsprozesse geschaffen. ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2013/14

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Die anhand der Pavillons dargestellten Faserverbundstrukturen befinden sich während des robotischen Wickelns im statischen Gleichgewicht. Sowohl beim Wachsen in der Natur als auch in der additiven Fertigung stellen die physikalisch möglichen Formen den Rahmen für den Gestaltungs- und Optimierungsraum dar. Die Bionik analysiert Form-, Strukturierungs- und Funktionsprinzipien der Natur und sucht nach Möglichkeiten, diese in abstrahierter Form auf Architektur und Bautechnik zu übertragen.[28, 29] Von Architekten und Ingenieuren wird dabei die Auseinandersetzung mit

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Der Umgang mit Tragwerken in der Architektur, so wie wir ihn heute praktizieren, konstituierte sich in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Die rasche Verbreitung der Eisenbahn erforderte den Bau von zahlreichen Hallen und Brücken. Diese mussten für bisher unbekannte Lasten und neuartige Spannweiten schnell und sicher gebaut werden. Weder die Architekten noch die frühen Pioniere des Eisenbaus konnten dies mit ihrem experimentellen „Trial and Error“-Vorgehen leisten. In wenigen Jahren wurden die Methoden der grafischen und analytischen Statik entwickelt. Mathematik und Mechanik ersetzten Intuition und Erfahrung und wurden zum Entwurfswerkzeug der Ingenieure. Dies führte zu einem neuen Selbstverständnis, das sich nicht nur von dem der Architekten, sondern auch von dem der früheren Generationen von Ingenieuren grundsätzlich unterschied. Als Ergebnis entstanden Mitte des 19. Jahrhunderts neue Tragwerkstypologien, wie z. B. Fachwerkträger oder Gelenkbogen, die in der Folge für nahezu alle Brücken und Hallen verwendet wurden und noch immer werden. Im vollständigen Gegensatz zur gesamten Bau- und Konstruktionsgeschichte wurde Sicherheit nicht durch Masse und Steifigkeit, sondern durch Gelenke und Bewegung erreicht, da diese eine zuverlässige Berechnung der inneren Kräfte ermöglichen. Durch diesen neuen, analytischen Zugang zum Entwerfen wurden Spannweiten und Traglasten möglich, die bisher undenkbar waren. Gleichzeitig reduzierte sich die Vielfalt der Strukturformen auf wenige berechenbare und standardisierte Typologien, die seitdem reproduziert werden. Statische Berechenbarkeit wurde zum dominanten Entwurfskriterium für Ingenieure.[31, 32, 33, 34] Mit der Einführung der numerischen Analyseverfahren in den 1970er-Jahren und den computerbasierten Fertigungsketten um die Jahrtausendwende wurden die Möglichkeiten für den Entwurf und die Berechnung von Tragwerken erheblich ausgeweitet. Heute stellen vielfach unbestimmte Tragsysteme keine Herausforderung mehr für die statische Berechnung dar. Computerba-

sierte Planungs- und Fertigungsketten ermöglichen individualisierte Bauteile und damit aufwendig geformte Konstruktionen. Architektonische Vielfalt und statische Leistungsfähigkeit nehmen dabei ständig zu. Dahinter stecken jedoch fast immer noch die Tragwerkstypologien des 19. Jahrhunderts: Rahmen und Bogen, Fachwerkträger oder triangulierte Gitterschalen, um nur einige zu nennen. Grund hierfür ist, dass die rechnerische Vorhersage der Tragfähigkeit weiterhin die unabdingbare Voraussetzung für jedes Bauwerk ist. Hierin unterscheidet sich das Bauwesen von anderen Gebieten der Technik, wie beispielsweise dem Automobilbau. Dort erfolgt die Entwicklung neuer Fahrzeuge vor allem mittels Prototypen und umfangreicher Testläufe. Simulationen werden als Methode gesehen, den hohen Aufwand für Versuche zu reduzieren, nicht aber als Ersatz hierfür. Im Bauwesen gilt dagegen: Was nicht berechnet werden kann, kann auch nicht gebaut werden. In der Praxis führt dies zu der Verwendung immer gleicher Tragwerkskonzepte, die in der Forschung lediglich inkrementell verbessert werden. Der Raum für Innovationen wird damit drastisch eingeschränkt. Ein Ziel der Forschung von ICD und ITKE und der Versuchsbauten ist es, integrative, computerbasierte Entwurfs- und Fertigungsprozesse dazu zu nutzen, die Beschränkung auf wenige, fest etablierte und immer wiederkehrende Tragwerkstypologien zu überwinden.[35] Die strukturelle und ökologische Effizienz von Tragkonstruktionen soll signifikant erhöht werden. Dabei betrachten wir nicht nur das Gewicht der Konstruktion, sondern beziehen auch die Fertigungs- und Montageprozesse in die Bewertung mit ein. Das Paradigma des Leichtbaus wird damit neu und umfassender interpretiert.[36, 37, 38] ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010 S. 46

Als Beispiel kann der ICD/ITKE Forschungspavillon 2010 angeführt werden, der aus Bogen mit sieben Gelenken besteht. Nach der Theorie des 19. Jahrhunderts wäre dieses System instabil und damit unbaubar. Möglich wird es jedoch, indem die Anordnung der Gelenke über die Fläche der Schale so variiert wird, dass die lokale Schwächung keine globale Instabilität zur Folge hat. Die geometrische Variation der Bauteile – möglich durch die computergestützte Fertigung – ist in diesem Fall die Voraussetzung für die Stabilität der Konstruktion.

nenden und teilweise druckbeanspruchten Rovings, der Aushärtegrad des Harzes usw. lassen sich kaum zuverlässig erfassen. Es müssen alternative Strategien zum Nachweis der Tragfähigkeit entwickelt werden, die Berechnungen und Bauteilversuche in einem konsistenten und sicherheitstheoretisch fundierten Prozess integrieren. ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2013/14

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In ähnlicher Form gilt dies für die Holzsegmentschalen, die infolge des ICD/ITKE Forschungspavillons 2011 realisiert wurden. Die Segmente sind nur mit geringer Biegesteifigkeit verbunden. Lediglich durch die geometrische Variation der Elemente und ihre trivalente Anordnung auf der Schalenfläche, bei der sich jeweils drei Fugen in einem Punkt treffen, ergibt sich trotz der eigentlich schwachen Verbindungen eine stabile Schale. Eine grundsätzliche Herausforderung an heute praktizierte Planungsprozesse stellen die additiven Fertigungsverfahren dar.[39] Sie erlauben eine sehr hohe Ausdifferenzierung der physikalischen und chemischen Eigenschaften. Diese ermöglichen einerseits hocheffiziente Strukturen, die sich andererseits aufgrund ihrer Komplexität einer zuverlässigen statischen Berechnung entziehen. Zwar gibt es Simulationsmethoden, die komplexe physikalische Phänomene von der Mikro- bis zur Makroebene beschreiben. Wenn sich die Eingangsparameter zu Material und Geometrie aber nicht zuverlässig erfassen lassen, können die Berechnungen von Spannungen und Verformungen, und damit die Vorhersage der Tragfähigkeit, nicht zuverlässig erfolgen. Beispielhaft kann das robotische Wickelverfahren für Faserverbundstrukturen aufgeführt werden, ein additiver Fertigungsprozess im großen Maßstab. Die gewickelten Strukturen sind extrem leicht, da die Fasern nur entlang der Hauptlastpfade verlegt werden. Eine sichere Vorhersage der Tragfähigkeit durch Simulationsmethoden ist kaum möglich, da diese von einer Vielzahl von Parametern abhängt. Aspekte wie der Kontakt zwischen den verschiedenen Lagen der Faserrovings, die Vorspannung und Querschnittsgeometrie der frei span-

Dies beeinflusst auch den Entwurf der Tragwerke. Da Belastungsversuche an der Gesamtstruktur nur in Ausnahmefällen möglich sind, führt dies zu modularen Konstruktionen, wie sie im Zusammenhang mit dem ICD/ITKE Forschungspavillon 2013/14 entstanden sind, bei denen sich die experimentell ermittelte Traglast der einzelnen Komponenten mit einer Bewertung der Tragfähigkeit der Gesamtstruktur verbinden lässt.

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Als weitere Konsequenz der begrenzten Berechenbarkeit des Tragverhaltens wird die permanente Überwachung von Tragkonstruktionen an Bedeutung gewinnen. Dies erfordert nicht nur zuverlässige Methoden der Bauwerksüberwachung beispielsweise mit integrierten faseroptischen Sensoren, sondern auch Bausysteme, deren Trageigenschaften bei unerwartetem Verhalten schnell und zuverlässig angepasst werden können. Auch hierfür bieten vor Ort aufgestellte Wickeleinheiten in Verbindung mit modularen Konstruktionen neuartige Möglichkeiten der lokal begrenzten Verstärkung und der Rekonfiguration, die erst noch zu erkunden sind.

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So zeigen die mit dem vom ICD und ITKE entwickelten robotischen Wickelverfahren ausgeführten Faserverbundstrukturen, wie additive Fertigungsverfahren eine bisher nicht erreichte Struktureffizienz ermöglichen, gleichzeitig aber in Teilen zurück in die Vormoderne verweisen, in der die Tragfähigkeit von Baukonstruktionen vor allem experimentell entwickelt und überprüft wurde.

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Die meisten heute zur Verfügung stehenden Bauwerkstoffe werden speziell für die spezifischen Anforderungen des Bauwesens entwickelt und industriell erzeugt. Holz unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von diesen Materialien. Es wächst als funktionales Pflanzengewebe von Bäumen, das im Wesentlichen aus Zellulosefasern, Hemizellulose und Lignin besteht. Die Eigenschaften des Holzes sind auf dessen biologischen Ursprung zurückzuführen. Die Wahrnehmung und Nutzung des natürlichen Baumaterials Holz hat im Verlauf der Zeit einen erheblichen Wandel erfahren. Die lokale Verfügbarkeit und die relativ leichte, handwerkliche Bearbeitbarkeit führten dazu, dass Holz im vorindustriellen Zeitalter das vorwiegend genutzte Material darstellte, nicht nur für das Bauen, sondern auch für die Mehrzahl sonstiger Artefakte. Mit dem Aufkommen der Industrialisierung änderte sich dies im Lauf weniger Jahrzehnte. Holz wurde durch fortschrittlichere Materialien wie Gusseisen, Stahl, Glas und letztendlich Beton ersetzt, die den Möglichkeiten der industriellen Produktion und dem damit einhergehenden Wandel der Herstellungsprozesse besser entsprachen. Diese technologischen und soziokulturellen Veränderungen setzten ein zunehmendes Maß an Standardisierung und Normierung voraus. Die biologische Variabilität und damit einhergehende Heterogenität des Holzes führte zu dessen Wahrnehmung als minderwertiges, geringer leistungsfähiges und weniger zuverlässig plan- und einsetzbares Material. Derzeit verändert sich die Einordnung von Holz als Baumaterial erneut, vor allem angesichts des extrem hohen Ressourcenverbrauchs im Bauwesen und der damit einhergehenden erheblichen Herausforderungen. Holz wird wiederentdeckt als einer der wenigen natürlich erneuerbaren Baustoffe, der zudem einen extrem niedrigen grauen Energieanteil aufweist und sogar CO2 speichern kann. Eines der ältesten Baumaterialien gilt derzeit also als eines der zukunftsfähigsten.

Digitale Technologien erlauben, den Umgang mit Holz anders zu denken.[40] Ein interessanter Aspekt ist dabei die Infragestellung der etablierten Vorstellung vom materialgerechten Konstruieren, das sich derzeit zu einem erheblichen Teil auf die Nutzung von Halbzeugen und deren industriell vorgegebenen Formaten bezieht und diese in etablierte Tragwerkstypologien und Konstruktionsansätze überführt. Im Gegensatz hierzu besteht ein wesentlicher Schwerpunkt der Forschung an ICD und ITKE darin, aus den spezifischen Eigenheiten des Materials selbst neue architektonische Möglichkeiten zu entfalten. Dies wurde beispielhaft an holztypischen Eigenschaften untersucht, darunter die Elastizität, die Anisotropie (richtungsabhängige Unterschiedlichkeit von Materialeigenschaften), die Hygroskopizität (Fähigkeit, Luftfeuchtigkeit aufzunehmen und Wasser zu binden) und die hervorragende Bearbeitbarkeit des Holzes. Holz zeichnet sich gegenüber anderen Bauwerkstoffen durch seine Elastizität aus, also durch eine relativ geringe Steifigkeit bei gleichzeitig relativ hoher Festigkeit. So eignet sich Holz sehr gut für Konstruktionsansätze, in denen ebene und damit einfach zu fertigende Bauteile durch Biegen in einen gekrümmten und somit häufig leistungsfähigeren und ausdrucksstärkeren Zustand überführt werden. Allerdings wird dies in der Architektur bis auf wenige Ausnahmen wie z. B. Frei Ottos formgefundene Holzgitterschalen oder prozedurale, indigene Bauweisen nur sehr selten genutzt. Im Wesentlichen beruht dies auf zwei Gründen: Zum einen kann das elastische Verhalten nicht mit den vorherrschenden, rein geometrischen Entwurfs- und Planungstechniken erfasst werden. Zum anderen setzen herkömmliche Ansätze zum Erreichen von Stabilität von Tragwerken auf maximale Steifigkeit. Der ICD/ITKE Forschungspavillon 2010 zeigt dahingegen, wie durch den integrativen Einsatz von computerbasierten Entwurfs- und Simulationsansätzen eine neuartige Bauweise aus biegeaktiven Holzlamellen entstehen kann, die über bestehende Konstruktions- und Tragwerkstypologien hinausgeht.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010

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Ein ähnlicher Ansatz wurde im ICD/ITKE Forschungspavillon 2015/16 aufgegriffen und durch den strategischen Einsatz der Anisotropie des Holzes erweitert. Als anisotrop bezeichnet man Materialien, die in verschiedene Richtungen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Aufgrund des zellulären Aufbaus des Holzes, bei dem die Zellen hauptsächlich parallel zur Stammachse angeordnet und die Zellulosefasern in den maßgeblichen Zellwänden wiederum ähnlich ausgerichtet sind, ergeben sich stark unterschiedliche mechanische Eigenschaften parallel und quer zur Hauptfaserrichtung.

Gegensatz hierzu wurde im Kontext des Urbach Turms untersucht, wie die Hygroskopizität des Holzes in Kombination mit dessen Anisotropie und Elastizität dazu genutzt werden kann, ein geplantes Selbstformungsverhalten zu aktivieren. Über die Parameter des Ausgangsfeuchtegehalts, der Faseranordnung und der Schichtung kann das Holz so programmiert werden, dass es sich während des üblichen Trocknungsvorgangs in eine vorgegebene Form krümmt. Im Fall des Urbach Turms handelt es sich dabei um 14 m lange, tragende Brettsperrholzelemente. Hierfür sind nicht nur eine ausreichend genaue Simulation des Materialverhaltens, dessen Integration in einen computerbasierten Planungsprozess und die direkte Verknüpfung mit der digitalen Fertigung notwendig, sondern auch ein alternatives Entwurfsdenken für den Holzbau.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2015/16

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Kamen bei dem Forschungspavillon 2010 noch Sperrholzlamellen mit homogener Steifigkeitsverteilung und damit gleichförmigem Biegeverhalten zum Einsatz, so wurden für den Forschungspavillon 2015/16 bauteilspezifische Holzlaminatstreifen angefertigt. Durch Variation der Faserrichtung der einzelnen Lamellen ist es möglich, die Steifigkeit so einzustellen, dass sich im Biegevorgang von alleine eine vorausberechnete Form mit unterschiedlichen Biegeradien einstellt. Hierfür werden die Streifenenden durch einen Roboter zusammengeführt und anschließend vernäht. Diese neuartige Verbindungstechnik verstärkt das Presslaminat und erlaubt eine sehr leistungsfähige Fügung, da die Holzfasern nicht geschädigt, sondern lediglich von der Nadel verschoben werden. Die Integration der Elastizität und Anisotropie in Entwurf und Konstruktion resultiert in diesem Fall in einer neuartigen Segmentschale aus elastisch gebogenen, extrem dünnwandigen Holzstreifensegmenten.

In einem parallelen und in vielen Projekten überlappenden Entwicklungsstrang wurden die hervorragende Bearbeitbarkeit und Zerspanbarkeit des Holzes betrachtet. Diese erlauben es, in Kombination mit der hochpräzisen digitalen Fertigung, komplexe, form- und kraftschlüssige Verbindungen direkt in das Material einzubringen und so neuartige Verbindungstechniken und Bausysteme zu konzipieren. Im Verlauf verschiedener Forschungs- und Bauvorhaben – beginnend mit dem ICD/ITKE Forschungspavillon 2011 über den Forstpavillon für die Landesgartenschau 2014 zum Holzpavillon für die Bundesgartenschau 2019 – wurde eine neuartige Holzsegmentschalen-Bauweise erforscht, deren architektonischer Ausdruck und konstruktive Leistungsfähigkeit kontinuierlich weiterentwickelt wurden.

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Eine weitere Charakteristik des Holzes ist dessen Hygroskopizität, also die Eigenschaft, Feuchtigkeit aus der Umgebung zu binden. Im klassischen Holzbau wird diese Eigenschaft meist als besondere Herausforderung oder gar als Defizit gegenüber anderen Werkstoffen verstanden, da Veränderungen des Feuchtegehalts im Holz zu Formveränderungen führen. Ein Stück Holz kann mit Zu- oder Abnahme des Feuchtegehalts quer zur Hauptfaserrichtung bis zu 10 % aufquellen oder schwinden. Um dies zu vermeiden, werden Hölzer vor der Bearbeitung und Bauanwendung üblicherweise getrocknet. Im

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Im Verlauf beider Entwicklungsstränge entstanden so neuartige, genuin digitale Holzbausysteme, die direkt aus den Eigenschaften des Holzes abgeleitet sind und erst durch einen integrativen, computerbasierten Ansatz möglich wurden.

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Das berühmte „House of the Future“ wurde im Jahr 1957 von der Monsato Chemical Company in Disney World in Kalifornien errichtet. Die Konstruktion bestand aus vorgefertigten Sandwichhalbschalen. Mit Polyurethan (PUR) ausgeschäumte Papierwaben bildeten den Kern des Sandwiches, seine Decklagen bestanden aus mit Glasfasern verstärktem Polyesterharz. In der Folgezeit entstand eine ganze Reihe von Kunststoffhäusern, die dem „House of the Future“ ähnlich waren und eine Vision des Bauens von morgen darstellten. Hinsichtlich des öffentlichen Interesses waren diese Bauten ein großer Erfolg. Sie lockten viele Besucher an und sind bis heute in zahlreichen Publikationen abgebildet. Trotzdem haben sie kaum Spuren in der allgemeinen Entwicklung der Architektur und Bautechnik hinterlassen. Dafür gibt es vielfältige Gründe: Die fehlende Erfahrung bei der Planung, eine mangelhafte Ausführung sowie ein ungenügender Entwicklungsstand der Materialien verursachten bauphysikalische oder baukonstruktive Schäden. Der resultierende Ruf von Kunststoffen als minderwertige Materialien besteht zum Teil bis heute. Mit der ersten Ölkrise 1973/74 stiegen die Preise für das Ausgangsmaterial Erdöl, wodurch die ohnehin schon teuren Kunststoffhäuser endgültig wirtschaftlich nicht mehr konkurrenzfähig waren. Zur gleichen Zeit erwachte ein Bewusstsein für die Endlichkeit der natürlichen Ressourcen, sodass Kunststoffhäuser als ökologisch fragwürdig galten. Weiterhin boten die industriell gefertigten Wohnzellen, so wie sie in den Kunststoffhäusern der 1960er-Jahre realisiert wurden, kaum Möglichkeiten der individuellen Anpassung an Nutzeranforderungen. Der Fertigungsprozess, das Laminieren von Sandwichpaneelen auf Formen, ließ geometrische Variationen nicht mit vertretbarem Aufwand zu. In der heutigen Architektur spielen faserverstärkte Kunststoffe nur für Nischenanwendungen eine Rolle. In vielen anderen Bereichen der Technik – wo Gewicht und Form relevant sind – werden sie in großen Mengen für mechanisch hochbeanspruchte und sicherheitsre-

levante Bauteile verbaut, z. B. im Flugzeugbau oder bei Windenergieanlagen. Faserverbundwerkstoffe bieten auch im Bauwesen viele Möglichkeiten, die weit über konventionelle Materialsysteme hinausgehen, wie das bekannte Leichtbaupotenzial aufgrund eines günstigen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht. Über Orientierung, Schichtung und Packungsdichte der Fasern kann zusätzlich eine sehr genaue Einstellung der mechanischen Eigenschaften erreicht werden. Die Fasertypen, Harzsysteme, Additive, Füllstoffe und Beschichtungen lassen sich in nahezu unendlicher Vielfalt kombinieren, sodass nicht nur die physikalischen und chemischen Eigenschaften, sondern auch die visuellen und haptischen Qualitäten variiert werden können. Die Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen geschieht bei vergleichsweise niedriger Temperatur und geringem Druck. Dies ermöglicht die Integration zahlreicher funktionaler Komponenten in den Werkstoffverbund wie wärmespeichernde Phase Change Materials zur Optimierung der bauphysikalischen Eigenschaften, Sensoren zur Überwachung von Temperatur, Dehnungen und Schädigungen sowie Aktoren zur aktiven Steuerung der Bauteilgeometrie mittels pneumatischer Kissen oder piezoelektrischer Materialien.[41] Für Faserverbundwerkstoffe liegen langjährige Erfahrungen aus vielen Bereichen der Technik vor. Der Schlüssel zur Verbreitung in der Architektur liegt daher nicht in der Optimierung des Materialsystems, sondern in der Entwicklung von geeigneten Fertigungsprozessen. Nicht höchste Präzision oder maximale Leistungsfähigkeit wie im Flugzeugbau stehen in der Architektur im Vordergrund, sondern die Möglichkeit, großformatige und robuste Bauteile mit individualisierter Geometrie einfach und ressourceneffizient herzustellen. Aufgrund dieses speziellen Anforderungsprofils ist es wenig erfolgversprechend, Fertigungsprozesse aus anderen Bereichen der Technik in das Bauen zu übertragen. Stattdessen sind eigene, an die speziellen Anforderungen der Architektur angepasste Prozesse erforderlich.[42]

Vor diesem Hintergrund entstand das robotische, kernlose Wickelverfahren, das im ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 erstmals zur Anwendung kam und seither in unterschiedlicher Ausformung weiterentwickelt wurde. Harzimprägnierte, nasse Faserstränge, sogenannte Endlos-Rovings, werden bei dem Verfahren frei im Raum zwischen Rahmen gespannt. Anschließend wird das Bauteil in einem Ofen getempert. Nach Aushärten des Harzes wird der Wickelrahmen entfernt, sodass eine reine Faserverbundstruktur verbleibt. Die Anzahl und Orientierung der Fasern lässt sich ohne Mehraufwand an die jeweilige statische Beanspruchung des Bauteils anpassen. Es werden genau so viele Fasern verlegt, wie sie für die Tragfähigkeit erforderlich sind. ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012

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Der für das Laminieren sonst übliche Formenbau, der häufig aus erdölbasierten Schäumen besteht und oft mit einer großen Menge an ökologisch bedenklichem Abfall verbunden ist, entfällt durch das kernlose Wickeln. Das Verfahren verursacht keinen Verschnitt und kaum Abfall. Die Beschaffenheit der Faser spielt für das kernlose Wickelverfahren nur eine untergeordnete Rolle. Es können nicht nur Glas- und Kohlenstofffasern, sondern auch Naturfasern und biobasierte Harzsysteme verarbeitet werden. Eine Herausforderung stellt die Verwertung am Ende der Lebensdauer dar, abhängig von der Werkstoffkombination. Glasfaserverstärkter Kunststoff kann vollständig verwertet werden. Zementhersteller nutzen den Heizwert sowie die mineralischen Komponenten zur Einsparung natürlicher Ressourcen. Größere Probleme bereitet der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff. Die Fasern verstopfen Filter, durch ihre elektrische Leitfähigkeit können sie Kurzschlüsse in den üblichen Verwertungsprozessen auslösen. Die Entwicklung geeigneter Entsorgungsmethoden ist daher ein wichtiger nächster Schritt für eine weitere Verbreitung der Faserverbundbauweise. Aus architektonischer Sicht ist die Frage interessant, inwieweit Faserverbundwerkstoffe gestaltprägend sein können.[43] In vielen Anwendungsfeldern werden die Materialien zumindest anteilig als amorph angesehen, da in den meisten Fertigungsprozessen Negativoder Positivformen technisch benötigt werden, die für die resultierende Form des Bauteils maßgeblich sind. Im Gegensatz dazu erlaubt das kernlose Wickeln, das

Material nicht nur in neuartige, räumliche Fasergitterwerk-Konstruktionen zu überführen, sondern auch dem Faserhaften einen tektonischen Ausdruck zu verleihen und so eine architektonische Artikulation aus dem Material selbst zu entfalten.[44, 45] Das Wickelverfahren wurde anhand mehrerer Forschungspavillons erprobt, die statische Leistungsfähigkeit der Bauteile wurde überzeugend nachgewiesen – so z. B. im Rahmen des BUGA Faserpavillons. BUGA FASERPAVILLON

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Bei der künftigen Integration in die Baukonstruktion geht es nicht nur um die Schnittstellen zu Gebäudehülle, Wand, Boden oder technischen Installationen, sondern auch um die Entwicklung von Hybridbauweisen, bei denen gewickelte Bauteile aus den kostenintensiven Faserverbundwerkstoffen mit konventionellen Materialien wie Holz, Stahl oder Beton so kombiniert werden, dass jedes Material seine spezifischen Vorteile ausspielen kann.

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Jeder ICD/ITKE Forschungspavillon begann mit einer Frage, beispielsweise: Wie lassen sich lastangepasste Schalen aus vorgefertigten Segmenten zusammensetzen? Können Faserverbundstrukturen ohne den üblichen Formenbau hergestellt werden? Sind pneumatische Schalungen für Faserverbundkonstruktionen möglich? Wie können Drohnen die begrenzte Reichweite von Robotern ausgleichen? Zu Beginn der Auseinandersetzung mit jeder Fragestellung existierten weder konkrete Vorgaben für die architektonische Form noch die technische Umsetzung. Beide wurden in einem ergebnisoffenen Prozess entwickelt, der bei allen Pavillons mit Umwegen, Rückschlägen und vor allem sehr viel Einsatz aller Beteiligten verbunden war. Jeder Pavillon verfolgte eine Idee, die zu Beginn vielversprechend erschien für eine Anwendung im größeren Maßstab und das Anforderungsprofil von realen Bauaufgaben. Diese Erwartung hat sich aber nicht in allen Fällen gleichermaßen erfüllt. Bei der Entscheidung, welche der in den Pavillons entwickelten Ideen später für einen Bauherrn aufgegriffen wurden, spielten neben der überzeugenden architektonischen Umsetzung auch Kriterien eine Rolle, die im Rahmen der Forschung eher nachrangig sind, darunter beispielsweise die zuverlässige Planbarkeit von Kosten, Bauzeit und Genehmigungsfähigkeit. Überraschend war dabei beispielsweise weniger, dass sich die erstmals im ICD/ITKE Forschungspavillon 2011 entwickelten Holzsegmentschalen als vielversprechend herausstellten, sondern eher, dass sich auch der modulare ICD/ITKE Forschungspavillon 2013/14 aus gewickelten Faserverbundkomponenten sowohl hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Fertigung als auch der Leistungsfähigkeit der Struktur als sehr überzeugend erwies. Beim Transfer von der Forschung in die Baupraxis sind neben funktionalen Herausforderungen immer auch prozessbedingte Hürden zu nehmen. Die ICD/ITKE Forschungspavillons beruhen auf der parallelen und sich

gegenseitig beeinflussenden Entwicklung von Planungsmethoden und Fertigungsprozessen. Dieses Vorgehen steht im strikten Widerspruch zur Trennung von Planung und Ausführung, wie sie Grundlage der heutigen Baupraxis ist. Vergabeprozesse, Aufgabenverteilung und Gewährleistung sind streng entlang dieser Trennlinie organisiert. Strategische Partnerschaften zwischen Planern und ausführenden Firmen zur Entwicklung einer neuen Technologie sind kaum möglich. Alternativen hierzu sind Generalübernehmermodelle, die jedoch vor allem das Ziel der Profitmaximierung aufseiten des Generalübernehmers und der Risikominimierung seitens des Bauherrn verfolgen. Übliche Vertragskonstellationen sind für die Umsetzung von Innovationen nicht nur wenig geeignet, sondern behindern diese sogar. Daher ist es unter den heutigen Bedingungen häufig schwierig, ausführende Firmen für innovative und damit risikobehaftete Projekte zu interessieren. Für die von ICD und ITKE realisierten Pavillonbauten außerhalb des universitären Kontexts waren deswegen neuartige und kooperative Vertragskonstellationen erforderlich. Diese binden eine ausführende Firma als Kooperationspartner ein und bewirken dadurch, dass sich eine echte Konkurrenzsituation zwischen verschiedenen Anbietern von Bauleistungen, wie sie üblicherweise von Vergaberichtlinien zur Kostenoptimierung zwingend vorgeschrieben ist, umgehen lässt. In einigen Fällen, wie dem Elytra Filament Pavilion im Victoria and Albert Museum in London, erfolgte die Herstellung an der Universität selbst. Der Erfolg dieses Projekts führte im Anschluss zur Gründung eines Spin-offs, welches das robotische Wickeln von Faserverbundkonstruktionen nun als Bauleistung anbietet und bereits an der Herstellung des nachfolgenden BUGA Faserpavillons als Kooperationspartner beteiligt war. ELYTRA FILAMENT PAVILION

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Die größte Hürde auf dem langen Weg von der Forschung zur Praxis ist aber, dass sich die Forschungspavillons per Definition außerhalb des allgemein anerkannten Stands der Technik befinden. Aus Sicht eines Bauherrn oder Nutzers ist dies zunächst einmal mit technischen und finanziellen Risiken verbunden und erfordert daher von den Planern in erheblichem Umfang kommunikative Fähigkeiten und Transparenz. In fast jedem Fall müssen Bauherren bereit sein zu akzeptieren, dass die üblichen Ansprüche an die Gewährleistung reduziert werden müssen, da Aussagen zur Langlebigkeit nur begrenzt möglich sind. Weiterhin sind neue Bauverfahren nicht in Normen oder Zulassungen erfasst, müssen aber natürlich trotzdem die üblichen Sicherheitsanforderungen erfüllen und die Bauaufsichtsbehörden überzeugen. Diesem Aspekt wird im üblichen Diskurs über Architekturforschung nur wenig Beachtung geschenkt. In der Konsequenz bedeutet dies, dass die Bauaufsicht von Beginn an als Partner in den Planungsprozess eingebunden werden muss. Und es bedeutet auch, dass die Konstruktion so zu entwickeln ist, dass die Tragfähigkeit mit vertretbarem Aufwand experimentell nachgewiesen werden kann. Besonders die entwickelten Faserverbundkonstruktionen sind auf absehbare Zeit sehr weit von jeder bauaufsichtlichen Regelung entfernt. Aufgrund ihres komplexen Materialgefüges entziehen sie sich einer zuverlässigen statischen Berechnung der Versagenszustände, sodass der Nachweis ausreichender Tragfähigkeit nur über Versuche gelingen kann. Die ICD/ITKE Forschungspavillons 2012 und 2014/15 sind beispielsweise architektonisch und konstruktiv überzeugend, die ausreichende Sicherheit kann aber nur mit einem Traglastversuch an der Gesamtstruktur nachgewiesen werden. In der Konsequenz würde dies bedeuten, dass die Konstruktion mindestens zwei Mal gebaut werden müsste: ein erstes Mal für den bauaufsichtlich relevanten Traglastversuch und ein zweites Mal für die endgültige Nutzung. Daher wurde stattdessen der modulare Ansatz des ICD/ITKE Forschungspavillons 2013/14 weiterverfolgt, dessen einzelne Komponenten mit vertretbarem Aufwand geprüft werden können. Die experimentell ermittelte Tragfähigkeit der einzelnen Komponenten kann dann für eine zuverlässige Aussage zur Tragfähigkeit der Gesamtstruktur genutzt werden. BUGA FASERPAVILLON

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Bei der Konzeption der Versuchsserien sind statistische Auswertungen und sicherheitstheoretische Überlegungen zu berücksichtigen: Je höher die Anzahl der Versuche und je geringer die Streuung der Ergebnisse, desto höher sind die ansetzbaren Tragfähigkeiten. Dabei muss die Konstruktion nicht nur die zu erwartenden Lasten aufnehmen, sondern einen zusätzlichen Sicherheitsaufschlag. Dieser erfasst sämtliche Unsicherheiten für Belastung, Material und Konstruktion, die naturgemäß bei jeder neuen Bauweise höher sind als bei einer langjährig erprobten. Je unsicherer die Annahmen für die Struktureigenschaften unter Berücksichtigung sämtlicher Einflussparameter sind, wie z. B. Alterung und Fertigungstoleranzen, desto höher muss dieser Sicherheitszuschlag sein. Oder umgekehrt: Je etablierter eine Bauweise ist, desto niedriger ist der Sicherheitsfaktor. Für eine konventionelle Stahlkonstruktion ist ein Gesamtsicherheitsfaktor von etwa 1,5 bis 2 ausreichend, während für eine wenig erprobte Bauweise deutlich höhere Sicherheiten anzusetzen sind. Im Fall der gewickelten Faserverbundstrukturen liegen diese etwa bei Faktor 4 bis 5. Das bedeutet, dass jedes Bauteil im Versuch erst bei der fünffachen Beanspruchung versagen darf, die es später unter maximalen Lasten voraussichtlich tragen muss. Die zeitnahe Weiterentwicklung von bauaufsichtlich akzeptierten Nachweisverfahren für neuartige Konstruktionsmethoden und Materialien hat deswegen eine erhebliche Bedeutung für den Transfer innovativer Forschungsleistungen in die Baupraxis. Dabei müssen nicht nur statistisch abgesicherte Daten zum Langzeitverhalten ermittelt, sondern Nachweisverfahren entwickelt werden, die Versuche und statische Berechnungen in einem sicherheitstheoretisch abgesicherten Konzept integrieren und berücksichtigen. FORSTPAVILLON

S. 90

BUGA HOLZPAVILLON

S. 150

All diese Zusammenhänge zeigen, dass auf vielen Ebenen komplexe Barrieren überwunden werden müssen, um eine im akademischen Kontext erfolgreich erprobte Idee in die architektonische Anwendung zu überführen. Dafür sind die Einbindung zahlreicher Kompetenzen und vor allem ein langer Atem erforderlich.

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A RCHI TEK TUR FORSCHUNG

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PER SPEKT IV E

  E XPERIMENTELLES

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>> ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010

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Universität Stuttgart

Lichtpunkte tanzen über den Boden, der Außenraum schimmert durch das offene Geflecht der filigranen Holzstruktur. Die Passanten sind erstaunt über das ungewöhnliche Objekt, bald werden sie sich an die futuristischen Strukturen gewöhnen, die jährlich von Teams aus Studierenden und Forschenden des ICD und des ITKE auf dem Vorplatz der Universität Stuttgart, und später auch an anderen Orten, errichtet werden. NEUARTIG ANMUTENDE, BIEGEAKTIVE STRUKTUR Im Sommer 2010 machte ein eleganter Pavillon aus gebogenen Sperrholzlamellen den Auftakt für eine Reihe experimenteller Architekturen, die in den kommenden zehn Jahren folgen sollten. Charakteristisch für das Bauwerk war eine filigrane Lamellenstruktur, die mittels computerbasierter Entwurfs-, Simulations- und Produktionsprozesse die Konstruktionsmöglichkeiten des Baustoffs Holz ausreizte und damit im Jahr 2010 neue Wege für den Leichtbau aufgezeigte. Gemeinsam mit Studierenden wurde anhand des Projekts erforscht, wie die numerische Simulation des Tragwerks und des Materialverhaltens zu neuen architektonischen und

konstruktiven Möglichkeiten führt, die auf dem elastischen Biegeverhalten von Holz beruhen. Es entstand eine leichte und ästhetisch anmutende Pavillonstruktur, die im Inneren eine räumliche Atmosphäre erzeugte, wie sie unter großen Laubbäumen mit deren charakteristischer Lichtstimmung zu finden ist. Die Farbe des Holzes und ein scheinbar unregelmäßiges Flechtwerk von Lamellen unterstützten diesen natürlichen Charakter. Nachts wurde der Pavillon von innen beleuchtet, sodass die gesamte Struktur im warmen Licht erstrahlte. RAUMSCHAFFENDES TRAGWERK AUS EXTREM DÜNNEN UND LEICHTEN HOLZSTREIFEN Konstruktionsprinzip und ästhetische Formfindung bedingen sich bei dem Pavillon unweigerlich gegenseitig und beruhen auf dem Verhalten des biegeaktiven Tragwerks. Die Holzlamellen wurden so gekoppelt, dass sich eine Aufteilung in zug- und biegebeanspruchte Segmente ergibt, wobei jedes Zugsegment das benachbarte Biegesegment elastisch in Form hält. Durch das Biegen der 10 m langen, aber mit einer Materialstärke von 6,5 mm sehr dünnen Birkensperrholzstreifen wird die

1, 2] Der Forschungspavillon 2010 war der erste experimentelle Bau von ICD und ITKE auf dem Campus der Universität Stuttgart.

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3] Simulationsmodell: Ein Streifen

Druckspannungen

alleine wäre viel zu dünn für die Spannweite von 3,5 m. Tragfähig wird das System erst durch die gegenseitige Verspannung.

PER SPEKT IV E

0.00

FORSCHUNG

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Zugspannungen

4] Fertigungsmodell: Das geometrische Modell enthält

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sämtliche Daten für die Fertigung. Die Lamellen wurden in den geraden zugbeanspruchten Abschnitten mit

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geleimten Zapfen gestoßen.

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6

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1 gebogenes Streifensegment, Birkensperrholz 6,5 mm, lasiert 2 zugbeanspruchtes Streifensegment, Birkensperrholz 6,5 mm, lasiert 3 Kopplungsdetail, Verhakungskanten in den Streifen entstehen mit dem Zuschnitt und werden durch zwei Holzkeile biegesteif verbunden. 4 Fügedetail, halbversenkte Zapfenverbindung, Fügung immer an zugbeanspruchten Streifensegmenten 5 Holzkeil, Fichte, lasiert 6 Spante, Birkensperrholz 21 mm, lasiert, in 10 mm Nut versenkt, 6,5 mm Zapfen zur Befestigung der Streifen 7 Bodenelement, 21 mm Birkensperrholz, lasiert 8 Verbindungsdetail, Streifen wird mit 70 × 21 mm Aussparung passgenau auf die Spante gesetzt und verschraubt 9 Randverkleidung, Birkensperrholz 4  m, lasiert 10 Kiesfüllung 11 unterschiedliche Parameter für die Taillierung der Segmente

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010 Universität Stuttgart, Campus Stadtmitte Realisierung: Entwurfsstudio mit Studierenden, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern PROJEKTDATEN Fertigstellung: Juni 2010 Grundfläche: 70 m2 Rauminhalt: 20 m3 5] Streifenpaare Teil 1 (oben) und Teil 2 (unten)

MATERIAL Furniersperrholz Birke

KONSTRUKTION Radial angeordnete 7-GelenkBogenkonstruktion aus biegeaktiven Lamellen 50 ENTWURF Globale Formfindung durch lokale Interaktion biegeaktiver Bauteile

Druckspannungen

FERTIGUNG Robotisches 3-Achs-Fräsen

PROJEKTBETEILIGTE 0.00

206 LITERATURHINWEISE [59], [60], [61], [62], [63]: 225

Zugspannungen

6] Formfindung: Das Entwurfsmodell wird in das statische Modell überführt. Die exakte Geometrie des Pavillons ergibt sich erst aus der Simulation des Biegeprozesses.

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PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN FORSCHUNG A RCHI TEK TUR

sich selbst stabilisierende Konstruktion unter Eigenspannung gesetzt. Es entsteht ein stabiles Gleichgewichtssystem, das aus den weichen Streifensegmenten ein leistungsfähiges Tragwerk werden lässt. Insgesamt bestand der Pavillon aus 80 miteinander gekoppelten Holzstreifen und bildete einen Torus mit 10 m Außendurchmesser und einer Spannweite von 3,5 m. Um die nötige Länge der Holzstreifen zu generieren, wurden diese an den zugbeanspruchten Streifensegmenten mit halbversenkten Zapfenverbindungen gefügt. Zug- und biegebeanspruchte Birkensperrholzstreifen wurden über eingeschnittene Haken an deren Kanten miteinander verbunden und durch jeweils zwei Holzkeile an jeder Schnittstelle befestigt. Dafür waren 40 unterschiedliche Formen von Keilen aus Fichtenholz notwendig. Mit weiteren Elementen wie Spanten, Verbindungsdetails, Randverkleidung und Zapfen, die die Lamellen im Bodenelement verankern, mussten insgesamt mehr als 500 geometrisch unterschiedliche Teile produziert werden. ROBOTISCHE FERTIGUNG ANHAND DES DIGITALEN MODELLS Durch die parametrische Simulation unter allen vorgegebenen geometrischen und physikalischen Randbedingungen konnte das exakte Biege- und Tragverhalten der gekoppelten Streifen berechnet werden. Dieses statische Modell führte dabei einerseits zur geometrischen Form unter Berücksichtigung der Biegespannungen und wurde andererseits zur Bemessung der Konstruktion unter Windlasten herangezogen. Die aus dem Informationsmodell und aus der Simulation stammenden Daten und Ergebnisse wurden direkt in den Maschinencode der computergestützten Fabrikation übersetzt, sodass die Vielzahl an individuellen Einzelteilen passgenau in der robotischen Fertigungsanlage der Universität Stuttgart hergestellt werden konnte. Im Anschluss wurde der Pavillon von den Studierenden auf dem Universitätsgelände zusammengefügt.

7, 8] Aufbau und Detail der biegeaktiven Holzkonstruktion: Die ebenen Streifen nehmen im Fügeprozess die vorausberechnete Form von selbst an.

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9] Außenansicht: Die unregelmäßige Verteilung der Verbindungspunkte wurde so generiert, dass trotz deren lokaler Schwächung ein stabiles Gesamtsystem entsteht.

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11] Detail: Die gesamte biegeaktive Struktur, die zugleich Tragwerk und Haut ist, besteht nur aus 6,5 mm starken Holzstreifen.

12] Ansicht: Nachts wird die Leichtigkeit des Systems besonders deutlich.

10] Blick von oben: Der Pavillon leuchtet von innen.

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>> ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2011

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

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POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

Universität Stuttgart

Der Holzpavillon, der im Sommer 2011 realisiert wurde, untersuchte primär die Frage, wie eine lastangepasste und frei geformte Schalenstruktur, die Ränder und Öffnungen aufweist, aus vorgefertigten Segmenten hergestellt werden kann. Erstmals wurde hierbei nach einem Vorbild in der Natur gesucht und erfolgreich beim Seeigel gefunden. Sowohl die Anordnung der Platten als auch das Prinzip ihrer Fügung wurde auf den Holzsegmentbau übertragen. Der temporäre Forschungspavillon diente von August bis Dezember 2011 auf der Freifläche zwischen den Universitätsgebäuden KI und KII auf dem Campus Stadtmitte der Universität Stuttgart als architektonisches Anschauungsobjekt, als Untersuchungs- und Erfahrungsraum. Mehr als 850 Einzelteile fügten sich zu einer ungewöhnlichen architektonischen Form mit zwei unterschiedlichen räumlichen Situationen: Der Hauptraum der Materialstruktur bestand aus zweischaligen Segmenten, die über Öffnungen in der Innenschale den Aufbau der Einzelmodule sichtbar machten. In einem angegliederten, kleineren Nebenraum wurde die innere Schale des Bauwerks zu Anschauungszwecken komplett ab-

gelöst, sodass die konstruktive Logik des zweischaligen Aufbaus erfahrbar wurde. Nach seiner Ausstellungsphase am Universitätsgelände wurde der Pavillon abgebaut und an einem neuen Platz auf dem Gelände der Firma Ochs, die unter anderen das Forschungsprojekt maßgeblich unterstützt hat, wieder errichtet. VON DER BIOLOGISCHEN MORPHOLOGIE ZUR ARCHITEKTONISCHEN KONSTRUKTION Zielsetzung des Versuchsbaus war es, die Leistungsfähigkeit biologischer Strukturen in einen architektonischen Entwurf einzubeziehen und ein entsprechendes statisches und räumliches Materialsystem zu entwickeln. Im Rahmen der Analyse geeigneter biologischer Strukturen wurde die Morphologie des Seeigels (Echinoidea) gewählt, um die Grundprinzipien für die bionische Baustruktur zu liefern. Die Schale des Seeigels besitzt einen modularen Aufbau aus polygonalen Platten, die an den Plattenrändern durch fingerähnliche Kalzitverzahnungen miteinander verbunden sind. Die Fugen mit den fingerzinkenartigen Verbindungen ermöglichen ein individuelles Wachstum der einzelnen Segmente, ohne

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1, 2] Mit dem ICD/ITKE Forschungspavillon 2011 wurde die Übertragung von biologischen Strukturbildungsprinzipien in die Architektur erforscht.

dass dabei die Stabilität der Gesamtschale beeinträchtigt ist. Durch die spezielle geometrische Anordnung, bei der sich jeweils drei Fugen in einem Punkt treffen, entsteht eine sehr stabile Schale. Diese Morphologie des Plattenskeletts wurde auf vorgefertigte Holzsegmentschalen mit traditionellen Fingerzinken, die eine formschlüssige Verbindung ermöglichen, übertragen und in den Entwurf des Pavillons überführt. Das Prinzip basiert darauf, dass stets drei Plattensegmente an einem Punkt zusammenlaufen. So werden biegetragfähige Schalenstrukturen möglich, obwohl an den Fugen nur Normal- und Schubkräfte, jedoch keine Biegemomente übertragen werden können. In Anlehnung an weitere grundlegende Eigenschaften biologischer Strukturen wird neben dem Füge- und Ordnungssystem auch das Prinzip der Heterogenität angewandt. Dies bedeutet, dass die Segmentgrößen nicht einheitlich sind, sondern sich den lokalen Krümmungen und Diskontinuitäten anpassen. Die zentralen Segmente in Bereichen einer kleinen Krümmung haben Abmessungen von über 2 m, während sie bei den Randabschlüssen teilweise nur 0,5 m groß sind. Die

3] Biologisches Vorbild: Schale der Seeigel

PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN FORSCHUNG A RCHI TEK TUR

4] Siebenachsige robotische Fertigungseinheit: Die digitale Fertigung ermöglicht die Übertragung der traditionellen Fügetechnik auf komplexe Geometrien.

5, 6] Plattensegment (links) und Aufbau (rechts): Die einzelnen Segmente werden lediglich aufeinandergestapelt und mit wenigen Schrauben in ihrer Lage gesichert. So ist später der zerstörungsfreie Rückbau möglich. Aufgrund der speziellen Anordnung der Elemente entsteht dennoch ein steifes Schalentragwerk.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2011 Universität Stuttgart, Campus Stadtmitte Realisierung: Entwurfsstudio mit Studierenden, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern PROJEKTDATEN Fertigstellung: Juni 2011 Grundfläche: 72 m² Rauminhalt: 200 m³

MATERIAL

Segmente des Seeigels haben weiterhin die Fähigkeit, verschiedene Wachstumsrichtungen anzunehmen. Auch dieses Prinzip wurde auf den Pavillon übertragen. Seine Segmente strecken und orientieren sich entsprechend den mechanischen Beanspruchungen. Und auch der biologische Grundsatz der Hierarchie findet seine Entsprechung. Die Struktur des Pavillons besitzt einen zweistufigen hierarchischen Aufbau. Auf der ersten Ebene wurden die Platten mit einem geklebten, aber biegeweichen Keilzinkenstoß zu Segmenten gefügt. Auf der zweiten Hierarchieebene war eine einfache biegeweiche Schraubverbindung zwischen den Segmenten ausreichend, die den mehrfachen Auf- und Abbau des Pavillons ermöglicht. Innerhalb beider Hierarchieebenen treffen jeweils drei Platten bzw. Segmente an einem Punkt zusammen, was für beide Ebenen biegeweiche Verbindungen zulässt. Im Gegensatz zu klassischen Leichtbauweisen, welche nur auf belastungsoptimierte Formen angewendet werden können, ist das neue Konstruktionsprinzip auf beliebige Tragwerksgeometrien anwendbar. Das hohe Leichtbaupotenzial dieses Ansatzes zeigt sich darin, dass der Pavillon trotz seiner beachtlichen Abmessungen lediglich aus 6,5 mm dünnen Sperrholzplatten realisiert werden konnte und daher vor allem gegen Abheben durch Windsog gesichert werden musste.

Furniersperrholz Birke

KONSTRUKTION Segmentschale aus vieleckigen Hohlkassettensegmenten 60 ENTWURF Dynamische Gleichgewichtsmodellierung mit Multi-Criteria-Form-Steering

FERTIGUNG Robotisches 7-Achs-Fräsen und -Bohren

BIOLOGISCHES VORBILD Plattenskelett des Sanddollars

PROJEKTBETEILIGTE 207 LITERATURHINWEISE [64], [65], [66], [67], [68], [69]:

INTEGRATIVE DIGITALE PLANUNG UND FERTIGUNG Voraussetzung für den Entwurf, die Planung und Realisierung der komplexen Morphologie des Pavillons war eine geschlossene digitale Kette vom Entwurfsmodell über Finite-Elemente-Simulationen bis hin zur Maschinenansteuerung. Die Fertigung der Platten und Zinkenverbindungen erfolgte mit einer siebenachsigen robotischen Fertigungsanlage. Auf Grundlage des computergenerierten

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m 1:100 m 1:100

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7] Südansicht M 1:100: Okulus des Hauptraums und Eingang des Nebenraums

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m 1:100

8] Schnitt M 1:100: Die Konstruktion wird durch die zweilagige Ausbildung im Hauptraum und deren Auflösung im Nebenraum architektonisch erlebbar.

m 1:300 m 1:300 m 1:300

9] Dachaufsicht M 1:300

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10] Der größere Innenraum wird durch zweilagige hinterleuchtete Kassetten überspannt, die sich im kleineren Nebenraum in sichtbare einzelne Lagen auflösen.

Geometriemodells konnte die Erzeugung des Maschinensteuerungscodes (NC-Code) automatisiert werden, was die ökonomische Fertigung der mehr als 850 geometrisch unterschiedlichen Bauteile sowie der mehr als 100.000 frei im Raum angeordneten Zinken ermöglichte. Im Anschluss an die robotische Fertigung wurden die Sperrholzplatten an den Fingerzinkenverbindungen zu Segmenten gefügt, grundiert und lasiert. Die einzelnen Bauteile wurden in einem lösbaren biegeweichen Stoß verschraubt, um den mehrfachen Auf- und Abbau des Pavillons zu ermöglichen. 11] Außenansicht bei Nacht

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12, 13, 14] Der Pavillon besteht aus 850 geometrisch unterschiedlichen Bauteilen, sowie der mehr als 100.000 frei angeordneten Zinken.

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POS ITION EN

PER SPEKT IV E

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POSITION: THOMAS SPECK ÜBER

ARCHITEKTUR UND BIONIK

Ansätze, welche die Bioinspiration für eine neuartige, umweltfreundliche, lebenswerte und attraktive Architektur nutzen, haben in den letzten Jahrzehnten sowohl bei der Architektur, dem Bauingenieurwesen als auch der Materialwissenschaften und der Bionik zunehmend Interesse geweckt. Biologische Strukturen und Materialien sind aus mehreren Gründen interessante und hervorragend geeignete Vorbilder für Architektur und Bauwesen: Sie sind typischerweise mehrschichtig, hierarchisch strukturiert, fein abgestimmt, hochdifferenziert und basieren auf der Kombination weniger molekularer Grundbausteine. [ 2 8 ] Daraus resultieren Materialien und Strukturen, die sich durch vielfältige vernetzte Funktionen auszeichnen und (oft) hervorragende mechanische Eigenschaften, eine ausgeprägte Anpassungsfähigkeit

an sich ändernde Umgebungsbedingungen und vielfältige „Self-X“Funktionen (z. B. Selbstreinigung, Selbstreparatur etc.) aufweisen. Die Bionik hat ein hohes Innovationspotenzial und bietet die Möglichkeit zur Entwicklung nachhaltiger Produkte und Produktionsketten. Die große Anzahl von Organismen mit ihren spezifischen Strukturen und Funktionen, die sie in 3,8 Milliarden Jahren biologischer Evolution in Anpassung an unterschiedliche Umweltbedingungen entwickelt haben, stellt eine Schatzkammer dar, die die Grundlage für alle bionischen Projekte ist.[46] Neuartige ausgefeilte Methoden zur quantitativen Analyse und Simulation der FormStruktur-Funktionsbeziehung auf verschiedenen Hierarchieebenen geben neue faszinierende Einblicke in die Multiskalenmechanik und andere Funktionen biologischer Materialien und Oberflächen. Darüber hinaus ermöglichen jüngste Entwicklungen in der rechnerge-

stützten Simulation und Fertigung zusammen mit neuen Produktionsmethoden erstmals zu vertretbaren Kosten die Übertragung vieler herausragender Eigenschaften der biologischen Vorbilder auf innovative bionische Produkte. Das ist insbesondere für Anwendungen in Architektur und Bauwesen von großer Bedeutung.[30, 47] Im Vergleich zu anderen Forschungsgebieten der Bionik nehmen Architektur und Bauwesen eine Sonderstellung ein. Sie nutzen nicht nur spezifische Entwicklungen der Baubionik, sondern können auch Ergebnisse aus anderen Forschungsbereichen der Bionik einbeziehen – und werden dies auch zunehmend tun –, wie beispielsweise Leichtbau und Materialien, Oberflächen und Grenzflächen, Optimierung, Sensor- und Energie-Bionik. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal der bionischen Architektur ist die Tatsache, dass (bionische) Ge-

bäude typischerweise einzigartig sind. Dies ermöglicht es, bionische Entwicklungen auf Prototypenebene unter ständiger Nutzung durch die Bewohner zu testen. All dies führte dazu, dass die Architektur in den letzten Jahrzehnten zu einem immer wichtigeren und innovativeren Bereich der Bionik wurde. Dennoch werden bioinspirierte Ansätze in der Architektur noch zu wenig genutzt, und weder Architekten und Ingenieure noch Mieter und Bauherren sind sich des vollen Potenzials dieser Ansätze bewusst. Sehr sichtbare und erfolgreiche Ausnahmen sind die bionischen Pavillons und bioinspirierten Fassadenbeschattungssysteme, die von ICD und ITKE der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten Freiburg und Tübingen sowie den DITF Denkendorf entwickelt und gebaut wurden.[30, 47-50] Sie beinhalten und kombinieren sehr erfolgreich zwei

grundlegende und wünschenswerte Aspekte der bioinspirierten Architektur: (1) die Übertragung von auf der Struktur basierenden verlässlichen Funktionen der biologischen Vorbilder und (2) deren ästhetischen Wert und „Schönheit“. Ersteres kann als „harter“, physikbasierter Ansatz für bioinspirierte Architektur und Bauwesen interpretiert werden. Die quantitative Analyse der Form-Struktur-FunktionsBeziehungen eines biologischen Vorbilds bildet dabei die Grundlage für den Transfer in neuartige bionische Materialien und Strukturen mit klar definierten spezifischen, gewünschten verlässlichen und belastbaren (Multi-)Funktionalitäten. Bei diesem Ansatz ist der Verlust (eines Teils) des im biologischen Vorbild vorhandenen ästhetischen Werts unvermeidlich oder muss zumindest akzeptiert werden. Letzteres kann als „weicher“ Ansatz für bioinspirierte Architektur und Bauwesen beschrieben werden, bei

denen Ästhetik und Schönheit des biologischen Vorbilds die (Haupt-) Inspiration für die bioinspirierte Architektur sind. [51, 52] Die bionischen Pavillons, die von ITKE und ICD in den letzten zehn Jahren entwickelt und gebaut wurden, verfügen nicht nur über die von den biologischen Vorbildern übernommene physikalische Funktionalität, sondern zeigen auch eine strukturelle Schönheit und funktionale Eleganz, die den hochästhetischen biologischen Vorbildern ähneln.

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Diese seltenen Fälle stellen den „Königsweg“ in der bioinspirierten Architektur dar und gelten als ideale Lösungen, die bioinspirierte zuverlässige Funktionalität mit der intrinsischen Schönheit der biologischen Vorbilder verbinden – eine Kombination, die die bioinspirierte Architektur besonders attraktiv macht.

THOMAS SPECK Prof. Dr. / Fakultät für Biologie, Fachbereich Botanik – Funktionelle Morphologie und Bionik, Universität Freiburg / Excellenz-Clus-

[28], [30],

ter Living, Adaptive and Energy-autonomous

[46], [47],

Materials Systems (livMatS) @ FIT – Frei-

[48], [49],

burger Zentrum für Interaktive Materialien

[50], [51],

und Bioinspirierte Technologien / Freiburg,

[52]:

Deutschland

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POSI TI O NEN

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>> ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012

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Universität Stuttgart

Die Untersuchung und Abstraktion des bionischen Prinzips des Hummers und die anschließende technische Umsetzung in einem robotisch gefertigten Glas- und Kohlefaserverbundsystem ermöglichen eine gänzlich neuartige und leistungsfähige Tragkonstruktion und Tektonik für die Architektur. Im November 2012 wurde mit Studierenden und Forschenden der erste bionische Versuchsbau von ICD und ITKE aus einem faserbasierten Verbundmaterial realisiert. Schwerpunkt des Entwurfs war es, die Faserstruktur des biologischen Vorbilds – des Außenskeletts von Gliederfüßern – mit faserverstärkten Kunststoffen abzubilden, um daraus neue tektonische Möglichkeiten für die Architektur abzuleiten. Und dies scheint auch gelungen: Als der Pavillon in Stuttgart eröffnet wurde, war von einer neuen Konstruktionssprache die Rede, bei der Struktur und Gestalt nicht mehr voneinander trennbar sind. Auch von einem Paradigmenwechsel im Bauwesen wurde gesprochen – denn nicht mehr die Eigenschaften der bisher bekannten Materialien geben die Gestalt vor, sondern die gewünschten Form- und Struktureigenschaften führen zur Entwicklung eines entsprechenden Fertigungsprozesses.

Ausgangspunkt für den ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 bildete die Untersuchung einer an die Erfordernisse des Bauwesens angepassten Fertigungsmethode des robotischen Wickelns von Kohlenstoff- bzw. Glasfasern auf einem rotierenden Stahlrahmen sowie der dazugehörigen computerbasierten Entwurfs- und Simulationsverfahren. Die biologischen Strukturcharakteristika nachempfindend, konnte eine leistungsfähige Struktur mit einer Schalendicke von lediglich 4 mm Laminatstärke und einer Spannweite von 8 m erreicht werden. AUSSENSKELETT DES HUMMERS MIT LOKAL ANGEPASSTER FASERORIENTIERUNG ALS VORBILD Aus einer anfangs breitgefächerten Auswahl verschiedener Unterarten der Invertebraten, also wirbelloser Organismen, wurde die Funktionsmorphologie von Gliederfüßern gewählt. Das Außenskelett des Hummers (Homarus americanus) wurde aufgrund seiner lokalen Materialausdifferenzierung näher analysiert und diente als biologisches Vorbild zur Ableitung bionischer Prinzipien für die Anwendung hochgradig anisotroper

1, 2] Grundlage des ICD/ITKE Forschungspavillons 2012 war die Entwicklung einer für das Bauwesen hoch innovativen Fertigungsmethode des robotischen Wickelns von Kohlenstoff- bzw. Glasfasern.

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Materialien. Sein Exoskelett (Cuticula) setzt sich aus einem weicheren Teil, der Endocuticula, und dem harten Teil, der Exocuticula, zusammen. Die Cuticula ist ein Sekretionsprodukt, in dem Chitinfasern in einer Proteinmatrix eingebettet werden, wobei die Lage und Ausrichtung der Fasern maßgeblich für die Ausdifferenzierung der Materialeigenschaften gemäß den jeweiligen Anforderungen sind. Die Chitinfasern werden schichtweise in die Matrix eingelagert und bilden dabei unidirektionale Einzelschichten. In den Bereichen, in denen ein ungerichteter Lastabtrag gefordert ist, sind diese Einzelschichten jedoch spiralförmig geschichtet. Eine derartige Faseranordnung ermöglicht eine gleichmäßige Lastabtragung in alle Richtungen. In den Bereichen, in denen eine gerichtete Beanspruchung vorherrscht, gehen die Fasern wieder in einen unidirektionalen Schichtaufbau über. Die Faseranordnung ist je nach Anforderung bezüglich ihres Lastabtrags optimiert. Aufgrund dieser materiellen Ausdifferenzierung der Schale entsteht eine hochangepasste und leistungsfähige Struktur. Dieses morphologische Grundprinzip der lokal angepassten Faserorientierung wurde abstrahiert und führte zu dem Formgenerierungs-, Materialauslegungsund Herstellungsprozess des Pavillons.

±0.00

3] Schnitt durch den Pavillon, M 1:150

SCHICHTAUFBAU ENTSPRECHEND DES KRAFT VERLAUFS Die Prinzipien der Faserorientierungen, des Faserauf0 1 Schichtdicken 2 3 5M baus und der daraus resultierenden und Steifigkeitsverläufe des Außenskeletts des Hummers konnten auf den Entwurf einer Schalenkonstruktion aus einem robotisch gefertigten Faserverbundsystem übertragen werden. Ein Roboter legte in Harz getränkte Glas- und Kohlenstofffasern auf einem rotierenden Stahlgestell ab und erzeugte dadurch einen schichtweisen Aufbau. Bei existierenden Faserablegeverfahren in anderen Industriezweigen werden die Fasern in der Regel auf eine separat gefertigte Form abgelegt. Der Formenbau ist jedoch aufwendig und verbraucht zudem häufig viele ökologisch bedenkliche Ressourcen. Daher sind solche Fertigungsprozesse vor allem für größere Serien geeignet. Im Bauwesen geht es jedoch meist um Unikate, weshalb ein eigener Fertigungsprozess entwickelt wurde, der den Aufwand für den Formenbau auf ein Minimum reduziert. Die Fasern wurden über einen leichten Stahlrahmen auf definierten Punkten abgelegt, sodass sie zwischen den Ablagepunkten frei spannten.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012 Universität Stuttgart, Campus Stadtmitte Realisierung: Entwurfsstudio mit Studierenden, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern PROJEKTDATEN Fertigstellung: November 2012 Grundfläche: 29 m² Rauminhalt: 78 m³ Konstruktionsgewicht: 5,6 kg/m²

MATERIAL 4] Mikroskopie-Schnitt: Schichtaufbau des Exoskeletts des Hummers

Kohlenstofffaserrovings und

mit der Endocuticula (blau) und der harten Exocuticula (rot)

Glasfaserrovings mit Epoxidharz

KONSTRUKTION Einteilige Schale aus Faserverbundgitterwerk 72 ENTWURF Parametrische Modellierung in Rückkopplung mit lokaler und globaler Materialsimulation

Wickellogik / Syntax Pfad des Roboterwerkzeugs

FERTIGUNG

Sortierte Auflistung der Zielrahmen

Kernloses robotisches 7-Achs-Wickeln,

5] Integratives Entwurfs- und Fertigungsmodell: Die Lage

robotergeführter Faserwickelkopf,

der Umlenkpunkte bestimmt die sich aus dem Wickelprozess

rotierendes Lehrgerüst

ergebende Schalengeometrie. BIOLOGISCHES VORBILD Formfindungsprozess, Wickelsequenz: HP Fläche

Exoskelett des Hummers

Dargestellt ist die Vorspannung der Fasern, Werte in [KN]

PROJEKTBETEILIGTE

Material 1: GFK Material 2: CFK Wickeliterationen: Anzahl der Faserbündel: Max. Vorspannung:

208 5 218 × 2 0.1192 KN

LITERATURHINWEISE [70], [71], [72], [73], [74], [75], [76]: 226

6] Simulationsmodell: Während des Wickelns entsteht eine antiklastische Fläche mit unterschiedlich gespannten Fasersträngen.

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PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN FORSCHUNG A RCHI TEK TUR

Aus der Geradenschar der vorgespannten Glasfasern entstanden antiklastische Flächen, die die charakteristische, doppelt gekrümmte Form des Forschungspavillons ergaben. Auf diese zunächst aus Glasfasern gewickelten hyperbolisch paraboloiden Flächen wurden in nachfolgenden Wickelungen die statisch wirksamen Kohlenstofffasern abgelegt. Der Pavillon bildete somit im Verlauf des robotischen Herstellungsverfahrens seine eigene Positivform aus. Dabei konnten die Fasern in dem robotischen Wickelprozess schließlich so platziert werden, dass sie sich dem Kraftfluss anpassten. Durch die gleichzeitige Entwicklung von Geometrie und Faseraufbau konnten Form und Materialität direkt und simultan in den Entwurf eingehen. Durch die Schichtoptimierung war es möglich, einen hocheffizienten Materialaufbau bei minimalem Materialeinsatz zu entwickeln. ROBOTISCHER WICKELPROZESS FÜR EINE NEUARTIGE FASERVERBUNDKONSTRUKTION Die robotische Fertigung des Versuchsbaus erfolgte direkt auf der Baustelle in einer eigens errichteten wetterfesten Fertigungsumgebung. Dabei kam ein 6-AchsIndustrieroboter zum Einsatz, der durch eine siebte externe Achse erweitert wurde. Der Roboter wurde auf eine 2 m hohe Konsole montiert, um dadurch die Reich-

7] Arbeitsmodell: Physische Modelle spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und Evaluierung der Geometrie und Wickelsyntax.

weite und Arbeitshöhe auf jeweils 4 m zu erweitern. So ausgestattet, legte der sechsachsige Roboter die Fasern auf das von der siebten Achse in einer kreisförmigen Bewegung angetriebene, temporäre Stahlgerüst. Die Faserablage erfolgte dabei im nassen, mit Harz getränkten Zustand. Dieser Aufbau ermöglichte es, mit einer Faserlänge von mehr als 60 km eine Struktur von annähernd 8 m Durchmesser und 3,5 m Höhe zu wickeln. Die Erzeugung der Wickelpfade auf Grundlage des computergenerierten Geometriemodells, die robotische Bewegungsplanung einschließlich mathematischer Kopplung von externer Achse und Roboter sowie die Ansteuerung des Roboters selbst konnten in einem eigens entwickelten digitalen Planungs- und Fertigungsprozess umgesetzt werden. Nach Abschluss des robotischen Faserwickelprozesses und des anschließenden Temperns des Faser-Harz-Verbunds wurde das temporäre Stahlgerüst wieder abgebaut. Die verbleibende, gerade einmal 4 mm dünne Schale bildet eine vollautomatisch hergestellte und lokal ausdifferenzierte Struktur. Der semitransparente Pavillon, der die Strukturlogik aufgrund der räumlichen Anordnung von Kohlenstoff- und Glasfasern auf neuartige Weise erfassbar werden lässt, wiegt trotz seiner beachtlichen Größe weniger als 320 kg.

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8] Fertigungsaufbau und Wickelprozess: Durch einen Roboter werden die harzgetränkten Fasern auf einem rotierenden Wickelgerüst aufgebracht, das nach dem Aushärten entnommen wird.

9] Detailansicht:  Aus dem neuartigen Fertigungsprozess ergibt sich die charakteristische Oberflächenstruktur der Glas- und Kohlenstofffaserkonstruktion.

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11, 12] Außenansicht (oben): Die Form des Pavillons stellt sich im robotischen Wickelprozess als Gleichgewichtszustand der transparenten Glasfasern und der schwarzen Kohlenstofffasern ein. Innenansicht (rechts): Dieser Wickelprozess führt zu einem neuen architektonischen Ausdruck von Faserverbundkonstruktionen.

10] Blick von oben: Mehr als 60 km Faserstränge wurden für die gerade einmal 4 mm dünne und trotzdem stabile Schale robotisch gewickelt.

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>> ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2013 /14

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

Universität Stuttgart

Der Vorteil liegt auf der Hand: Doppelschalige Module sind in sich statisch leistungsfähig und ermöglichen eine große Vielfalt geometrischer Variationen. Dafür wurden zunächst in Kooperation mit dem Institut für Evolution und Ökologie sowie dem Forschungsbereich Paläobiologie der Universität Tübingen die Konstruktionsprinzipien natürlicher Leichtbaustrukturen untersucht und abstrahiert. STRUKTUR VON KÄFERFLÜGELN ALS VORLAGE Als geeignetes Vorbild für materialeffiziente Bauweisen stellten sich die Deckflügelschalen (Elytren) flugfähiger Käfer heraus. Die Elytren sind zum Schutz der Käferflügel und des Hinterleibs besonders tragfähig, aber gleichzeitig zur Erhaltung der Flugfähigkeit sehr material- und gewichtssparend ausgebildet. Die Leistungsfähigkeit dieser natürlichen zweischaligen Konstruktion beruht zum einen auf der komplexen geometrischen Ausformung ihrer Tragstruktur, zum anderen auf der spezifischen Anordnung und Ausrichtung des natürlichen Verbundmaterials, welches aus in eine Protein-

matrix eingebetteten Chitinfasern besteht. Die Variation der Faseranordnung ermöglicht lokal angepasste mechanische Eigenschaften. Mittels Mikro-Computertomographie wurden hochaufgelöste dreidimensionale Modelle der Käferelytren erstellt, anhand derer die feinen Innenstrukturen der Käferschalen untersucht werden konnten. Die Morphologie der Elytren beruht auf einem doppelschaligen Aufbau, dessen Ober- und Unterschale durch säulenartige Stützelemente mit doppelt gekrümmter Geometrie, den sogenannten Trabekeln, verbunden sind. Innerhalb der Trabekel gehen die Fasern der inneren und äußeren Schale kontinuierlich ineinander über. Die Anordnung und geometrische Ausformung der Trabekel variiert hierbei stark innerhalb der Elytrenschale. VON DER BIOLOGIE ZUR STRUKTURLOGIK Die vergleichende Betrachtung mehrerer flugfähiger Käferarten ermöglichte es, grundlegende Strukturprinzipien zu identifizieren und ein abstrahiertes strukturmorphologisches Entwurfsregelwerk mittels

1, 2] Die Konstruktion des ICD/ITKE Forschungspavillons 2013/14 hat den doppelschaligen Aufbau der Deckflügelschalen flugfähiger Käfer zum Vorbild.

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beanspruchungsgerecht Kohlenstofffasern abgelegt (Mitte) und Randverstärkungen (rechts) aufgebracht werden.

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

3] Schichtenaufbau: Zunächst wird ein hyperbolischer Körper aus Glasfasern gewickelt (links), auf den dann

4] Simulationsmodell: Für die Anordnung der Kohlenstofffasern werden an einem Schalenmodell die Hauptspannungsrichtungen bestimmt (links), die dann schrittweise in eine Wickelsyntax überführt werden (Mitte /rechts).

5] Flugfähiger Schildkäfer (Cassida viridis)

6] Mikro-Computertomographie: Schnitt durch die Elytren des Schildkäfers (Cassida) (oben) und des Weidenblattkäfers (Chrysomela vigintipunctata) (unten).

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2013/14 Universität Stuttgart, Campus Stadtmitte Realisierung: Entwurfsstudio mit Studierenden, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern PROJEKTDATEN Fertigstellung: März 2014 Grundfläche: 50 m² Rauminhalt: 122 m³

computerbasierter Entwurfs- und Simulationsprozesse zu generieren. Die Entwicklung musste sowohl die abstrahierten biologischen Konstruktionsprinzipien der Elytren als auch die Eigenheiten der robotischen Herstellungstechnik berücksichtigen und von Beginn an in den Planungsprozess integrieren. Die Bauteilgeometrie des modularen Versuchsaufbaus beruht auf der Differenzierung der Trabekelmorphologie und deren Faseranordnung.

MATERIAL

ROBOTISCHER WICKELPROZESS FÜR DOPPELSCHALIGE ELEMENTE

ENTWURF

Kohlenstofffaserrovings und Glasfaserrovings mit Epoxidharz

KONSTRUKTION Segmentschale aus vieleckigen Faserverbundgitterwerksegmenten 82 Dynamische Gleichgewichtsmodellierung mit Multi-Criteria-Form-Steering

Im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsverfahren mit pro Form angefertigter Schalung wurde eine neue Umsetzungsform gesucht, die auf komplexe und individuell variierende Geometrien ohne großen Aufwand für den Formenbau reagieren kann. Durch einen kernlosen robotischen Wickelprozess wurden die Fasern auf von zwei kooperierenden 6-Achs-Industrierobotern geführte Rahmen (Effektoren) gewickelt. Eine stationär zwischen den Robotern positionierte Faserspule wickelte die antiklastischen Körper, die nach Aushärten des Harzes vom Rahmen genommen werden konnten. Die eigentliche Bauteilgeometrie – vom zweidimensionalen Rahmen in die dritte Dimension zwischen den Rahmen –

FERTIGUNG Kernloses robotisches 12-Achs-Wickeln, stationärer Faserwickelkopf, robotergeführtes Lehrgerüst BIOLOGISCHES VORBILD Deckflügel flugfähiger Käfer

PROJEKTBETEILIGTE 209 LITERATURHINWEISE [77], [78], [79], [80]: 226

7] Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme: Der Schnitt durch den Deckflügel des Kartoffelkäfers (Leptinotarsa decimlineata) zeigt den doppelschaligen Aufbau dieser natürlichen Faserverbundkonstruktion.

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Wickeleffektor

Stahlrahmen ø =2 m

Mobiles Roboterfundament: Betongewichte: 1 t

KUKA KR 2010 R3100

Betonplatte: 1 t Stahlprofil: 2,5 m

Harzbad

PER SPEKT IV E

Faserspule

FORSCHUNG

BAUEN

POSI TI ONEN

Betonplatte: 1 t

8] Modell Fertigungsaufbau: Die Fertigung erfolgt mithilfe von

A RCHI TEK TUR

zwei kooperierenden Robotern mit geometrisch anpassbaren Wickelrahmen. Die Faserspule ist stationär dazwischen angeordnet.

9] Faserverbundbauteil: Die hexagonalen Bauteile haben Außenabmessungen von bis zu 2,6 m bei einem Gewicht von lediglich 24 kg.

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10] Fertigungsprozess: Die Faserverbundbauteile entstehen im Leerraum zwischen den Wickelwerkzeugen.

11] Aufbau: Das geringe Gewicht erleichtert die Montage der tragenden Faserverbundbauteile.

PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN

INTEGRATIVE FORMGENERIERUNG UND MATERIALISIERUNG DER FASERVERBUNDSTRUKTUR Die Definition der Wickelsyntax ist maßgeblich für die Verknüpfung von Formgenerierung und Materialisierung verantwortlich. Denn nur durch die richtige Reihenfolge der Wickelung funktioniert die komplexe Wechselwirkung von Material, Form, Struktur und Herstellung. Für die technische Umsetzung wurden glasund kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze gewählt, welche aufgrund ihrer Anisotropie und Formbarkeit die komplexe Geometrie und Materialorganisation der natürlichen Konstruktion abbilden können. Dabei entstehen zunächst durch die Glasfasern gerade gespannte

Linien zwischen den Rahmen, die je nach Wickelreihenfolge interagieren, indem neu abgelegte Fasern sich auf bereits gewickelte Fasern ablegen. Diese Faser-Faser-Interaktion der sogenannten Rovings bewirkt eine wechselseitige Verformung der aufeinanderliegenden Fasern, sodass sich die zunächst gerade abgelegten Fasern zu komplex gekrümmten Oberflächen verbinden. Entsprechend dem Kraftverlauf ergänzen Kohlenstofffaserrovings die Struktur. Auf diese Art und Weise wurden sukzessive sechs verschiedene Wickellagen aufgebracht, um das finale Bauteil herzustellen. Der eine Fläche von 50 m2 überspannende Versuchsbau bestand aus 36 unterschiedlich gewickelten Modulen, die je nach individuellem Faserverlauf zum materialeffizienten Lastabtrag beitrugen. Das größte Element mit einem Durchmesser von 2,6 m wog lediglich 24,1 kg. Die Gesamtform des Pavillons reagierte zum einen auf die örtlichen Gegebenheiten des öffentlichen Platzes in direkter Nähe zum Stadtpark; zum anderen demonstrierte sie die Anpassungsfähigkeit des Systems, das weit über eine einfache Schalenform hinausgeht.

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

entstand aus der Interaktion der frei in der Luft gespannten Fasern. Die dünnen Rahmen der Effektoren können frei an die erforderlichen Geometrien der Module angepasst werden. Die Rahmen sind nach jedem Wickelvorgang wiederverwendbar und rekonfigurierbar. Dieses kernlose Wickelverfahren stellt durch seine Materialeinsparung und Vermeidung von Verschnitt ein materialeffizientes und ressourcenschonendes Herstellungsverfahren dar.

12] Achim Menges und Jan Knippers nach erfolgreicher Fertigstellung des Pavillons

13] Das Bausystem führt zu einem völlig ungewohnten Raumerlebnis.

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A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POS ITION EN

PER SPEKT IV E

#

POSITION: JENNY SABIN ÜBER

M AT E R I A L K U LT U R

Die Entstehungsgeschichte des modernen Computers kann auf ein ungewöhnliches Zusammentreffen von zwei unterschiedlichen, aber parallel entstandenen Erfindungen zurückgeführt werden: die Lochkarte, die durch Speicherkapazität den Jacquard-Webstuhl mechanisierte, und die dampfangetriebene mechanische Rechenmaschine „Analytical Engine“ von Charles Babbage.[53] Ada Lovelace, die als eine der ersten Computerprogrammiererinnen gilt, erkannte, welche revolutionäre Wirkung die Jacquard-Lochkarten für den Babbage-Computer haben könnten. Damit leitete sie die Entwicklung der modernen Computerwissenschaften ein. Lovelace erklärte: „Die ‚Analytical Engine‘ webt algebraische Muster, so wie der Jacquard-Webstuhl Blumen und Blätter webt.“[54] Bedenkt man, dass wichtige Aspekte der Ursprünge der Computertechnologie mit gewebtem Material begannen, wie kann es dann sein, dass wir über 100 Jahre brauchten, um Material und Computation bei der Herstellung und Produktion von Architektur und Design wieder zusammenzubringen? Einige der besten Gestalter von computergenerierten Arbeiten, die ich kenne, sind Textildesigner. Unabhängig davon, ob sie die digitalen Technologien und Algorithmen zur Organisation von Designmustern

und Strickprozessen verwenden oder ob sie von Hand und mit mechanischen Geräten arbeiten, sind die Integration der Parameter zu Geometrie, Muster, Material und Computation untrennbar miteinander verbunden; und zwar so sehr, dass Mensch, Intuition, Maschine und Algorithmus nahtlos zusammenwachsen, um jede Masche, jedes Glied und jede Reihe so zu organisieren und zu entwerfen, dass sie Teil eines Ganzen sind. Man könnte behaupten, dass das Stricken das erste Beispiel für den 3D-Druck ist, bei dem man Zeile für Zeile das Material additiv übereinanderlegt. Die komplexen und weitreichenden Verknüpfungen von Computation, die Textilprozessen inhärent sind, bieten einen vielversprechenden Materialansatz für eine potente Lösung zur Materialisierung von zeitgenössischen, generativen Gestaltungsprozessen in der Architektur, die häufig organische und natürliche Formen von zunehmend komplexer Leistung, Ausdruck und Ornamentik aufweisen. In diesem Zusammenhang ist unser vielleicht bester Lehrer, um die Komplexität von Material und Form zu verstehen, die Natur. Wir brauchen nicht weit zu schauen, um exquisite biologische Beispiele zu finden, die die Verbindungen von Kontext, Material, Geometrie,

Konstruktion und Form aufzeigen. Architektinnen und Architekten sowie Ingenieurinnen und Ingenieure haben sich in der Vergangenheit von der Natur inspirieren lassen und Modelle zur Erzeugung und Bewältigung von Komplexität für die gebaute Umwelt gesucht. Seilnetze wurden inspiriert durch das günstige Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht des Spinnennetzes, pneumatische Strukturen durch Seifenblasen, Gewölbe durch Schalen und Eier aus harten und gekrümmten Materialien sowie räumliche Tragwerke durch Strahlentierchen (Radiolarien). Der Ingenieur Robert Le Ricolais hat die dem Radiolarium innewohnenden Kraftbeziehungen untersucht, um die dynamischen Eigenschaften und Qualitäten von geschlossenen und offenen „Skelett“-Strukturen zu verstehen. Le Ricolais erklärte, dass er „für dieses schwer einschätzbare Formenproblem kein besseres Studienfach gefunden hat, als die von der Natur geschaffenen Wunderwerke zu beobachten“.[55] Obwohl es enorme Innovationen in Design, Materialwissenschaften, Bio- und Informationstechnologien gegeben hat, sind direkte Interaktionen und Kooperationen zwischen Wissenschaft und Architektur immer noch selten. Ein Ansatz besteht darin, in einem forschungsbasierten Labo-

ratorium Vertreterinnen und Vertreter aus Architektur, Ingenieurwesen und Biologie zusammenzubringen, um neue Denk-, Seh- und Arbeitsweisen in jedem unserer Bereiche zu entwickeln.[56] Die Arbeiten von Achim Menges und Jan Knippers sowie ihren Studierenden am ICD und ITKE in Stuttgart stehen an der Spitze wegweisender Beispiele für bioinspirierte und bionische Faserverbundsysteme, die sorgfältig berechnet, simuliert und durch Roboterfertigung materialisiert werden. Wir bauen nicht mehr nur mit Stützen, Balken und Bogen, sondern unsere Definition der architektonischen Tektonik hat sich zusammen mit den Fortschritten im Bereich des computerbasierten Entwurfs an der Schnittstelle von Architektur, Biologie, Materialwissenschaft und Ingenieurwesen weiterentwickelt. Wie haben sich diese Fortschritte auf die grundlegende Praxis in Architektur und Bauwesen auf wirtschaftlicher, technologischer und kultureller Ebene ausgewirkt? Wie können wir mit diesen Fragen im Entwurfsprozess umgehen? Die Arbeiten von ICD und ITKE, beispielsweise der ICD/ITKE Forschungspavillon 2013/14, zeigen mögliche Entwurfsansätze und -techniken, die nicht länger Stützen, Balken und Bogen verwenden, sondern durch eine erweiterte Definition der architektonischen Tektonik möglich wurden, die auf Fortschritten

im computerbasierten Entwerfen beruhen. In eineinhalb Jahren von Studierenden und Forscherinnen und Forschern in einem multidisziplinären Team aus Biologen, Paläontologen, Architekten und Ingenieuren entworfen, konstruiert und gefertigt, liegt der Schwerpunkt dieses Projekts auf der biomimetischen Untersuchung von natürlichen faserbasierten Schalen und der Entwicklung modernster robotergestützter Herstellungsmethoden für faserverstärkte Polymerstrukturen. Mit dem Interesse an der Erforschung von materialeffizienten Leichtbaukonstruktionen erwies sich das Elytron – die Schutzschale für Flügel und Hinterleib von Käfern – als geeignetes bionisches Modell für die Generierung innovativer Faserverbundbauweisen durch biologische Strukturprinzipien. Insgesamt beruhen diese Leichtbaustrukturen auf der geometrischen Morphologie eines zweischichtigen Systems, das durch die Elytren der Käfer inspiriert wurde. Die mechanischen Eigenschaften des natürlichen Faserverbunds wurden dann transferiert.[57] Wichtig ist auch, dass sich das ICD und das ITKE für die Kommunikation, Dokumentation und öffentliche Verbreitung ihrer Fortschritte bei Werkzeugen und Fabrikationsmethoden einsetzen, um den Entwurf und die Produktion nichtlinearer Systeme über komplexe Geomet-

rien voranzutreiben. Während die Erforschung und Übertragung biologischer und nano- bis mikroskaliger Materialeigenschaften und -effekte auf den menschlichen Maßstab den Ausgangspunkt für viele der vorgestellten Projekte bilden, führen die disziplinären Hürden, die bei der Herstellung dieser Projekte auf verschiedenen Ebenen auftreten, zu dem vielleicht wichtigsten Ergebnis: einem neuen Modell für die transdisziplinäre Zusammenarbeit und die Bildung neuer Denkmodelle in der Forschung und Praxis der Architektur und des Ingenieurwesens. So wie Lovelace die Welt des digitalen Raums durch gewebtes Material eröffnet hat, so übersetzen die ICD/ITKE Projekte die Erkenntnisse der Biologie durch den computerbasierten Entwurf in hochperformative und häufig nachhaltige Materialsysteme für die architektonische Anwendung. Dies hat zur Entwicklung eines fundierten technischen Verständnisses der inneren Funktionsweise der Natur für die Gestaltung und die Herstellung von bioinspirierten Materialien und Formen geführt, die neue, aber tief durchdrungene Interpretationen von Materialkultur und ihrem Bezug zu Computation und dem digitalen Raum eröffnen.

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JENNY SABIN Arthur L. und Isabel B. Wiesenberger Professorin und Prodekanin für Design, Fachbereich Architektur, Cornell University /

[53], [54],

Direktor, Sabin Design Lab / Leiterin, Jenny

[55], [56],

Sabin Studio / Ithaca (NY), USA

[57]:

222

225

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>> FORSTPAVILLON

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

Landesgartenschau Schwäbisch Gmünd, 2014

Der Forstpavillon diente während der Landesgartenschau Schwäbisch Gmünd 2014 dem Landesbetrieb Forst Baden-Württemberg (ForstBW) als Demonstrationsbau für Innovationen im Holzbau. Seitdem wird er von der Gemeinde Schwäbische Gmünd als Veranstaltungsraum genutzt. Er ist somit einer der ersten ICD/ITKE Pavillons, der den Sprung vom reinen Forschungsobjekt zur realen und permanenten Architektur in Anwendung vollzogen hat. INNOVATIONEN IM RESSOURCENSCHONENDEN HOLZBAU Holz ist eines der ältesten Baumaterialien der Menschheit. Ziel war es zu zeigen, wie neue Methoden der digitalen Planung in Verbindung mit der robotischen Fertigung dem Material Holz völlig neuartige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Die Verwendung von regional verfügbarem Buchenholz steht dabei nicht nur im Einklang mit zukünftigen Beforstungsstrategien in Mitteleuropa, sondern eignet sich aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften auch für einen ressourcenschonenden Holzleichtbau. Gefördert von

der EU und dem Land Baden-Württemberg als Teil des Forschungsprojekts „Robotik im Holzbau“, handelt es sich um das erste Gebäude, dessen Schalentragwerk aus Buchenplatten vollständig robotisch gefertigt wurde. Mit einer Schalenfläche von 245 m2 und äußeren Abmessungen von ca. 17 × 11 × 6 m bietet der Forstpavillon eine Nutzfläche von ca. 125 m2 und ein Raumvolumen von 605 m3. Die 50 mm dünne tragende Schale aus Buchenfurniersperrholzplatten konnte aus lediglich 12 m3 Holz hergestellt werden. Die eingesetzten Holzressourcen wurden fast vollständig verwendet, da der Verschnitt der Plattenfertigung als Buchenparkettfußboden weiterverarbeitet wurde. Das Innere des Forstpavillons gliedert sich in zwei räumliche Bereiche: einen Eingangsbereich und den Hauptausstellungsbereich. In beiden Zonen ist die Schale kuppelförmig ausgebildet und besteht aus konvex-polygonalen Platten. Dazwischen befindet sich eine sattelförmige Einschnürung aus konkav-polygonalen Platten. Die Besuchenden betreten das Gebäude durch den niedrigeren Teil und werden dann durch eine räumliche Verengung in den 6 m hohen Hauptraum ge-

1, 2] Der Forstpavillon ist das erste Holzschalentragwerk, das vollständig robotisch gefertigt wurde.

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leitet, der sich durch eine große Glasfassade zur Landschaft öffnet. Besonders präsent ist im Innenraum das Muster der sichtbaren und weitgehend unbehandelten tragenden Buchenholzkonstruktion mit ihren charakteristischen Zinkenverbindungen. Durch den geometrisch bedingten Übergang von konvex- zu konkav-polygonalen Platten wird der räumliche Wechsel zusätzlich akzentuiert. Die Logik der Konstruktion, die sich gemäß des biologischen Vorbilds, des Plattenskeletts des Sanddollars – einer Unterart der Seeigel – aus der Differenzierung der Plattenform und Zinkenverbindung ableitete, bleibt im Innenraum sicht- und erlebbar.

3, 4] Biologisches Vorbild: Das Außenskelett des Sanddollars besteht aus einzelnen Platten (oben). Diese sind an den Plattenrändern miteinander verzahnt, sodass ein individuelles Wachstum der Platten möglich und gleichzeitig die Stabilität der Gesamtkonstruktion gewährleistet ist (unten).

Kleinstes umschließendes Rechteck (Einschränkung durch Abmessungen des Plattenbestands)

Kleinster umschließender Kreis (Einschränkung durch Arbeitsraum des Roboters)

Schnittpunkte der Tangentialebenen

Topologie der Agenteninteraktion

Vektorfeld der Flächenkrümmung

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FORSCHUNG

BAUEN

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PER SPEKT IV E

Tangentiale Ebenen an der Position der Agenten

Kleinster umschließender Kreis (Einschränkung durch Arbeitsraum des Roboters)

Tangentiale Ebenen an der Position der Agenten

Kleinstes umschließendes Rechteck (Einschränkung durch Abmessungen des Plattenbestands)

Schnittpunkte der Tangentialebenen

Topologie der Agenteninteraktion

Vektorfeld der Flächenkrümmung

5] Definition der Plate-Agents: Die Plattensegmente bilden je nach Lage im Gesamtsystem und Kurvatur der Schalenfläche unterschiedliche Geometrien aus.

FORSTPAVILLON Landesgartenschau Schwäbisch Gmünd, 2014 Realisierung: Kooperationsprojekt Landesgartenschau Schwäbisch Gmünd mit der Universität Stuttgart, ausführende Firma müllerblaustein Holzbau PROJEKTDATEN Fertigstellung: 2014 Nutzfläche: 125 m² Schalenfläche: 245 m² Flächengewicht Tragwerk: 37,5 kg/m²

MATERIAL

Radius des kleinsten umschließenden Kreises

Furniersperrholz Buche

KONSTRUKTION

Bereich der herstellbaren Form

1000.0 1000.0

900.0

Segmentschale

900.0

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800.0 800.0

700.0

aus vieleckigen Plattensegmenten

700.0

600.0

600.0

500.0

500.0

ENTWURF

400.0

400.0

Multi-Agentenbasierte Modellierung

300.0

300.0

200.0

200.0

100.0

100.0

0.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

10.0

12.0

20.0

13.0

30.0

14.0

40.0

15.0

50.0

Breite des kleinsten umschließenden Plattenrechtecks Kleinster PolygonInnenwinkel (je Platte) Kleinster Winkel zu einer Nachbarplatte (je Platte)

16.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

110.0

120.0

130.0

17.0

FERTIGUNG Robotisches 7-Achs-Fräsen und -Bohren

6, 7] Agent-Based-Modelling: Das Verhalten der Plate-Agents und deren räumliche Anordnung (oben) wird über einen BIOLOGISCHES VORBILD

n-dimensionalen Parameterraum gesteuert (Mitte).

Plattenskelett des Sanddollars 1 2

PROJEKTBETEILIGTE 210

3 4

LITERATURHINWEISE [81], [82], [83], [84], [85], [86], [87], [88], [89]:

5

7

226 8

8] Schichtaufbau: Konstruktiver Aufbau der Holzsegmentschale

1 6 2 3 4 5 6 7 8

Dreischichtplatte Lärche EPDM (wasserführende Schicht) Holzfaserplatte, 35 mm Dampfsperre Buchenfurniersperrholz, 50 mm Kreuzverschraubung Orientierungshilfen Schraubenführung

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A RCHI TEK TUR

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BAUEN

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PER SPEKT IV E

BIONISCHER HOLZLEICHTBAU Im Sinne der funktionalen Integration, einem Grundprinzip biologischer Strukturen, sind die Holzsegmentplatten des Forstpavillons zugleich Tragwerk und Gebäudehülle. Trotzdem bestehen die Buchenplatten aus einer Materialstärke von lediglich 50 mm. Möglich wird dies durch die Ableitung bionischer Prinzipien der segmentierten Schalenkonstruktion und ihrer Verbindungsdetails aus dem Plattenskelett des Sanddollars. Im Vergleich zu technischen Konstruktionen besitzen natürliche Konstruktionen in der Tier- und Pflanzenwelt in der Regel wesentlich komplexere Formen und Strukturen. Dieses „Mehr“ an Form ist häufig der Grund für deren besondere Leistungsfähigkeit und Materialeffizienz und geht mit einem „Weniger“ an Materialeinsatz und Ressourcenverbrauch einher. Die aus Calciumcarbonat bestehenden individuellen Platten des Skeletts bilden durch ihre spezifische Anordnung eine besonders stabile und effiziente Schalenkonstruktion. Die charakteristische Ausbildung der Plattenränder zeigt dabei Extrusionen, die die Platten verzahnen und als biologisches Vorbild für die robotisch gefräste Zinkenverbindung der Holzkonstruktion dienen, wie sie bereits für den ICD/ITKE Forschungspavillon 2011 untersucht wurde.

Die größte Herausforderung und Innovation für die Herstellung stellten dabei die 7.600 geometrisch unterschiedlichen Zinkenverbindungen dar, die dem Pavillon seine Stabilität verleihen. Hier kam besonders der robotischen Fertigung mit einer siebenachsigen Roboteranlage eine Schlüsselrolle zu, da sie im Vergleich zu üblichen computergesteuerten Fertigungsmethoden einen wesentlich höheren Freiheitsgrad bot. Trotz der Tatsache, dass alle Bauteile Unikate waren, betrug die Vorfertigungszeit des Schalentragwerks nur drei Wochen.

AGENTENBASIERTE MODELLIERUNG UND ROBOTISCHE VORFERTIGUNG Insgesamt wurden 243 unterschiedliche Buchenholzplatten sowie alle Elemente für die Dämmung, die wasserführende Schicht und die Deckschicht aus Lärchenplatten mittels eines im Rahmen dieses Forschungsprojekts speziell entwickelten Entwurfswerkzeugs digital geplant und anschließend robotisch gefertigt. Alle Elemente finden in einem digitalen Simulations- und Optimierungsprozess ihre Lage, Größe und Form in Übereinstimmung mit den Möglichkeiten der robotischen Fertigung von selbst. Mithilfe von agentenbasierter Modellierung werden dabei Materialeigenschaften und Herstellungsbedingungen gleichermaßen im Entwurfsprozess berücksichtigt. Den sogenannten Agenten, d. h. jedem Einzelelement, werden vorab Eigenschaften zugeordnet sowie die Rahmenparameter – beispielsweise die Größe der Segmentplatten oder der maximal erlaubte Anordnungswinkel – definiert, sodass der letztendliche Entwurfsprozess durch die Planungssoftware als Assistenzsystem durchgeführt werden kann. Alle Agenten ordnen sich entsprechend der vorab definierten Optionen eigenständig im Gesamtmodell an.

9] Aufbau vor Ort: Bauzustand mit sichtbarer Abdichtungsfolie vor Montage der Holzvorsatzschale

96 10] Robotische Fertigung der Plattensegmente 97

Die durchgehende computerbasierte Planung und Fertigung ermöglichen eine im Vergleich zu bestehenden Verfahren sehr hohe Präzision. Die Qualitätskontrolle der individuellen Platten stellt daher eine besondere Herausforderung dar und erfordert eine hochpräzise messtechnische Erfassung durch im Sub-MillimeterBereich agierende Lasertracker. Zusätzlich kommen dreidimensionale Laserscanner zur mehrfachen Vermessung des gesamten Bauwerks zum Einsatz, die eine Analyse des Langzeitverhaltens erlauben. So konnte aufgezeigt werden, dass die mittlere Abweichung der Bauteile lediglich 0,86 mm beträgt. Im Vergleich zu den sonst im Bauwesen üblichen Toleranzen ist dies ein außerordentlich guter Wert, vor allem auch im Hinblick darauf, dass es sich bei der Buchenholzschale gleichzeitig um Rohbau und fertige Oberfläche im Innenraum handelt. Aufgrund der durchgehend digitalen Planung und Vorfertigung konnte das gesamte Gebäude in lediglich vier Wochen errichtet werden.

11] Fügung der tragenden Holzkonstruktion: Die hohe Präzision der Fertigung ermöglicht ein Tragsystem, bei dem die Kräfte zwischen den Platten im Wesentlichen über Kontakt übertragen werden.

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12, 13, 14] Innen- und Außenansicht des Pavillons: Im Innenraum prägt die sichtbare, tragende Schalenkonstruktion aus Buchensperrholzplatten den architektonischen Eindruck. Außen ist das Bauwerk mit hinterlüfteten Lärchenplatten verkleidet.

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A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POS ITION EN

PER SPEKT IV E

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POSITION: BOB SHEIL ÜBER

E X P LO R AT I V E L E H R E

Zentral für die Entwicklung von Architektur und Ingenieurwesen als Disziplinen der Forschung sind eine lebendige Experimentierkultur und eine forschende Lehre. In den letzten Jahren haben visionäre akademische Institutionen wie z. B. die Universität Stuttgart, die ETH Zürich, die KADK in Kopenhagen und das University College London erkannt, dass eine Weiterentwicklung durch eine größere Symbiose und Kooperation beider Bereiche und deren sich weitenden Grenzen gefördert wird. Heute werden diese beiden Disziplinen durch die größte Herausforderung verbunden, die der vom Menschen gebauten Umwelt bevorsteht: der globalen ökologischen und klimatischen Wiederinstandsetzung. Diese Herausforderung erfordert kooperatives Denken und kooperatives Handeln, sie erfordert neue designorientierte, transdisziplinäre Felder – zusammengeschweißt als technisch versierte und kulturell fundierte Netzwerke.

Eine ebenso große Aufgabe stellt die Notwendigkeit dar, den Zugang zur Hochschulausbildung für talentierte Bewerberinnen und Bewerber mit unterschiedlichen Hintergründen und Werdegängen zu erweitern. Ohne einen vielfältigen und umfassenden Querschnitt unter den Lernenden und den Lehrenden – von Ethnizität über Sexualität bis hin zu Gender – herzustellen, werden Ideen, Erfahrungen und Ambitionen in ihrer Tragweite, dem Vorstellungsvermögen und der Kritik begrenzt bleiben. Es kommt immer häufiger vor, dass Studierende, die ein Architektur- oder Ingenieurstudium beginnen, gar nicht das Ziel haben, Architektin oder Architekt bzw. Ingenieurin oder Ingenieur zu werden. Gründe hierfür sind die Länge und Kosten des Studiums. In England beispielsweise wird dies „the route to registration“ (der Weg zur Kammereintragung) genannt – ein Begriff, der nach einer entbehrungsreichen Pilgerreise klingt. Manche würden behaupten, dass es tatsächlich eine ist, da die Rei-

se bis zur eigenständigen Berufsausübung bis zu zehn Jahre dauern kann. Was jedoch als noch bedeutenderer Grund für das Fehlen eines konkreten Berufsziels auffällt, ist, dass immer mehr Studierende erkennen, dass sie die experimentelle und forschende Ausbildung in beiden Disziplinen auf viele unterschiedliche Karrierewege und Lebensentwürfe führen kann. Hochschulen, die ein forschendes Lehrprogramm anbieten, haben viel mehr zu bieten als den bloßen „Weg zur Kammereintragung“. In einigen Fällen belegen mehr als 50 % der Studierenden nichtakkreditierte oder Graduiertenprogramme, also Kurse, die im Lehrplan nicht vorgeschrieben sind und nicht für den Abschluss benötigt werden. Programme wie „Bio-Integrated Design“ oder „Design for Manufacture“ am UCL, „Integrative Technologies and Architectural Design Research“ an der Universität Stuttgart oder „Computation in Architecture“ am CITA – Centre for Information Tech-

nology and Architecture an der KADK greifen auf die gesamte Vielfalt der jeweiligen Institutionen zu. Die Programme arbeiten fakultätenübergreifend und stellen Verbindungen zwischen Instituten her, die sonst vielleicht nicht in Kontakt gekommen wären und nie erkannt hätten, welche Dynamik in der Kooperation für die Erforschung der gebauten Umwelt liegt. Architekturund Ingenieursinstitute an großen und kleinen Universitäten respektive Hochschulen haben durch eine hybride Ausbildung und gemeinschaftliche Forschung die kraftvolle Fähigkeit, die Zukunft der gebauten Umwelt vorauszuahnen. Ein Beispiel ist das herausragende Pavillonprogramm, das 2010 von ICD und ITKE gemeinsam entwickelt wurde. Das Programm leistet Pionierarbeit und hat neue Forschungswege gefunden in den Bereichen Entwurfsund Fertigungsprozesse, digitale Herstellung, konstruktive Performance, Materialforschung und Me-

thoden des Bauens sowie in der interdisziplinären Partizipation, der Kooperation mit der Industrie und der Einbindung der Öffentlichkeit. Die Arbeit der Institute wird weltweit als Musterbeispiel für neue Bau- und Denkweisen referenziert. Was die Pavillons so einflussreich macht, ist ihr mehrdeutiger Status – als explizite Gebäude und als Vehikel der Forschung. Sie sind teils Architektur, teils Konstruktion, teils komplett, teils Fragment. In dieser Hinsicht repräsentieren sie die Kraft der kreativen Synergie zwischen Forschung und Lehre in Architektur und Ingenieurwesen. Und sie repräsentieren die außerordentliche Innovationskraft des kooperativen Arbeitens.

renstechnik, zwischen Performance Art, Geschichtswissenschaften und extremen Umweltbedingungen, oder in der Tat bei Programmen, die die Bereiche Architektur, ökologisches Design und Konstruktion verbinden. Kurz gesagt, sind wir Zeugen eines tiefgreifenden und aufregenden Fortschritts – weg von Zwang und Konvention, hin zu Kooperation und Kreativität; und hin zu einem Ganzen, das größer ist als die Summe aller Teile.

Diese Ansätze spiegeln sich auch in anderen exploratorischen Formen von hybrider Lehre und Forschung, wie sie in den letzten Jahren vermehrt aufgekommen sind, wie beispielsweise Forschungsbereiche zwischen Design und Bioverfah-

BOB SHEIL Professor für Architecture and Design through Production / Direktor der Bartlett School of Architecture, University College London / London, UK

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>> ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2014 /15

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FORSCHUNG

BAUEN

POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

Universität Stuttgart

Die Wasserspinne verbringt nahezu ihr gesamtes Leben unter Wasser, wozu sie eine stabile Luftblase zum Atmen benötigt. Die Spinne errichtet zunächst ein Netz zwischen den Wasserpflanzen, unter dem die Luftblase platziert wird. Diese wird in einem weiteren Schritt von innen mit Fasern verstärkt. Dadurch entsteht ein stabiles Konstrukt, das mechanischen Belastungen wie Wasserströmungen standhalten kann und der Spinne ein sicheres Habitat bietet. Das Interessante an diesem natürlichen Fertigungsprozess ist die Anpassung an individuelle Umgebungsbedingungen durch faserverstärkte Strukturen bei zugleich minimal notwendiger Hilfskonstruktion.

zunächst weiche und ausschließlich durch den Luftüberdruck getragene Hülle kam eine Folie aus ETFE zum Einsatz. In den luftgestützten Innenraum wurde ein Industrieroboter platziert, der die ETFE-Hülle von innen mit Kohlenstofffasern verstärkte. Um die Haftung zwischen der Folie und den harzgetränkten Kohlenstofffasern sicherzustellen, musste zusätzlich ein Klebstoff verwendet werden. Die pneumatische Hülle wurde so lange graduell versteift, bis sich eine selbsttragende Schalenkonstruktion bildete, die nicht weiter pneumatisch gestützt werden musste. VERHALTENSBASIERTE CYBER-PHYSISCHE FERTIGUNG

ADAPTION DES KONSTRUKTIONSPRINZIPS Für den Forschungspavillon aus den Jahren 2014–15 wurde das Prinzip der Luftblase umgekehrt und die Kombination einer Minimierung des Formenbaus in einer zugleich wetterfesten Hülle untersucht. Der Forschungspavillon entwickelte sich über eine mit Luftdruck vorgespannte Membran von innen heraus. Für die

Zu Beginn des Entwurfs- und Bauprozesses wurde die Schalengeometrie einschließlich der Hauptrichtungen der Faserverstärkung mittels computergestützter Formfindungsmethoden generiert und statisch simuliert. Zur Bestimmung und Anpassung der Faserlage wurde dann ein agentenbasiertes Entwurfsverfahren entwickelt. Ähnlich der Spinne wandert hierbei ein

1, 2] Für den ICD/ITKE Forschungspavillon 2014/15 wurde das Netzbauverhalten von Wasserspinnen untersucht. Verhaltensmuster und Konstruktionsregeln wurden analysiert, abstrahiert und in ein technisches Verfahren übertragen.

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PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN

Gebäudehülle setzt sich aus bogenartigen Hauptsträngen, flächiger Folienverstärkung und Randversteifungen zusammen.

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

3] Faserverbundkonstruktion: Die Faserverstärkung der transparenten

4] Prinzip der Baufertigung: Den Ausgangspunkt bildet eine pneumatisch gestützte ETFE-Hülle (links), die durch einen Roboter von innen mit Kohlenstofffasern verstärkt wird (Mitte), bis eine ausreichende Tragfähigkeit erreicht ist. So kann dann der Luftdruck abgelassen und die Eingänge können in die Folie geschnitten werden (rechts).

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2014/15 Universität Stuttgart, Campus Stadtmitte Realisierung: Entwurfsstudio mit Studierenden, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern PROJEKTDATEN Fertigstellung: Juni 2015 Grundfläche: 40 m² Rauminhalt: 130 m³ Spannweite: 7,5 m Raumhöhe: 4,1 m Konstruktionsgewicht: 260 kg

MATERIAL Kohlenstofffaserrovings vorimprägniert mit Epoxidharz auf ETFE-Membran

KONSTRUKTION Einteilige Schale aus ETFE-Folie mit

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eingeklebtem Faserverbundlegewerk

ENTWURF Agentenbasierte Modellierung in Rückkopplung mit dem cyber-physischen Fertigungssystem FERTIGUNG Robotisches 6-Achs-Faserlegen

BIOLOGISCHES VORBILD Nestbau der Wasserspinne

PROJEKTBETEILIGTE 211 LITERATURHINWEISE [90], [91], [92]: 226 5, 6] Biologisches Vorbild und technischer Transfer: Die Wasserspinne verstärkt die ihr als Habitat dienende Luftblase in einem adaptiven Bauprozess von innen mit Spinnenseide (oben). Dieses Prinzip wurde in einen robotischen Fertigungsprozess übertragen (unten).

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PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN FORSCHUNG A RCHI TEK TUR

7] Schaubild zur Funktionsweise des cyber-physischen Faserlegens

digitaler Agent über die Oberfläche und erzeugt den Roboterpfad für die Faserverläufe. Das Agentenverhalten leitet sich aus einer Vielzahl simultan in Wechselwirkung stehender Entwurfsparameter ab, wie z. B. Abstand und Dichte der Faserlagen. Die sich verändernde Steifigkeit der pneumatischen Schalung und die dadurch auftretenden Verformungen während des Ablegens der Fasern benötigen ein selbstlernendes, anpassungsfähiges Regelsystem, das kontinuierlich Daten erfasst, auswertet und das Verhalten darauf basierend anpasst. Das entwickelte cyber-physische System erlaubt eine konstante Rückkopplung zwischen den realen Fertigungsbedingungen und der digitalen Generierung des Robotersteuerungscodes. Dazu ist ein speziell entwickelter Effektor für den Roboter notwendig, der mittels Sensorik den Anpressdruck erfasst und so laufend den Roboterpfad anpassen kann, um das fehlerfreie

Platzieren der Kohlenstofffasern auf der nachgiebigen Folie sicherzustellen. Im Sinne der Materialeffizienz werden die Kohlenstofffasern nur dort aufgebracht, wo sie zur Verstärkung der Konstruktion nötig sind, Verschnitt oder Prozessabfälle werden komplett vermieden. Gleichzeitig wird aus der pneumatischen Schalung durch den additiven Prozess eine funktional integrierte Gebäudehülle. Während der Fertigung wurden parallel neun vorimprägnierte Kohlenstofffaserrovings mit insgesamt 45 km Länge auf 5 km Roboterpfad mit einer mittleren Geschwindigkeit von 0,6 m/min abgelegt. Das so geschichtete Bauwerk umfasste eine Fläche von 40 m2, einen Rauminhalt von 130 m3, es war 7,5 m lang, 4,1 m hoch und mit 260 kg – was einem Flächengewicht von 6,5 kg/m² entspricht – sehr leicht.

108

8] Baufertigungsaufbau vor Ort 109

9] Cyber-physische Fertigung: Während des Fertigungsprozesses werden der Baufortschritt der Struktur, die aktuelle Position des Faserlegekopfes und dessen Anpresskraft über eine integrierte Sensorik erfasst, die das Verhalten des Roboters in Echtzeit steuert.

10, 11] Forschungspavillon auf dem Campus Stadtmitte der Universität Stuttgart

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12] Innenansicht: Die Kombination aus filigraner Faserstruktur und transparenter Hülle ergibt eine ausdrucksstarke räumliche Wirkung.

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POS ITION EN

PER SPEKT IV E

#

POSITION: AN TO I NE PI CO N ÜB E R

KO M P LEX ITÄT U N D W ID E R S PRU C H VO N M ATE R IAL C O M P U TAT I O N Im Entwurf ist ein Ansatz oft umso inspirierender, als er sich aus Mehrdeutigkeiten, Spannungen und sogar Widersprüchen speist. Dies ist der Fall bei den brillanten Arbeiten von ICD/ITKE zu Themen wie Material Computation oder Typologien wie der des Pavillons, für die sie ein neues Interesse entfacht haben. Zunächst einmal ist festzustellen, dass Material Computation – charakterisiert durch die analytische Dekomposition von Naturphänomenen – im Zeitalter des Computers eine radikalere Wendung genommen hat als zu all den Zeiten, in denen die Anwendung mathematischer Formeln noch unabhängig von digitalen Werkzeugen war. Tatsächlich ist die Diskretisierung, also die Umwandlung kontinuierlicher Variationen in eine Reihe diskontinuierlicher Zahlenwerte, das

eigentliche Prinzip des Digitalen. Gleichzeitig ist Material Computation von einer ganzheitlichen Sicht der Natur durchdrungen, die mit einer solchen Zerlegung unvereinbar erscheinen könnte. Diese Spannung ist tatsächlich in einer langen Geschichte verwurzelt, die bis zum Romantizismus zurückreicht. Wie sollte man nicht an die berühmten „Figuren, die zu jener großen Chiffernschrift zu gehören scheinen, die man überall, auf Flügeln, Eierschalen, in Wolken, im Schnee, in Kristallen und in Steinbildungen, auf gefrierenden Wassern, im Innern und Äußern der Gebirge, der Pflanzen, der Tiere, der Menschen“[58] des deutschen Dichters Novalis zu Beginn des Buches „Die Lehrlinge zu Sais“ erinnert werden? Schon für Novalis war die Natur geschrieben, sogar codiert und zutiefst vereint. In Material Compu-

tation findet sich ein Hauch dieses Romantizismus, die Nostalgie über den Verlust unserer Intuition für die „Chiffernschrift der Natur“. Man könnte es als das Verlangen verstehen, dieses tiefe Verständnis wiederzuerlangen und die Harmonie zwischen der spontanen Kreativität der Natur und dem menschlichen Tun wiederherzustellen. Die Herangehensweise des ICD und des ITKE ist durch das Streben nach „Performance“ geprägt, was seinen Ausdruck im Einsatz von leistungsfähigen Materialien wie Glas- und Kohlenstofffasern, innovativen Bauweisen und fortschrittlicher Robotik findet. Gleichzeitig haben die verschiedenen ICD/ITKE Pavillons eine poetische Dimension, die umso wirkungsvoller ist, da sie unausgesprochen bleibt, ganz so, als ob

der ihnen innewohnende Zauber sich als unbeabsichtigte Konsequenz anderer Entwurfsanliegen einstelle, wie z. B. der biomimetischen Relevanz. Dieses Unausgesprochene findet sein Gegenüber in der Produktion faszinierender Narrative darüber, wie eine der natürlichen Welt entlehnte Inspirationsquelle zu einer strukturellen Realität wird.

sondere, wenn sich die Form durch die Fügung von Elementen zusammensetzt, wie beispielsweise von modularen, doppelschaligen Faserverbundstrukturen im ICD/ITKE Forschungspavillon 2013/14. Folgt die Form dem von Richard Buckminster Fuller zu Beginn seiner Karriere propagierten „from the inside out“Prinzip oder folgt sie einer gänzlich anderen Logik?

Dies wird wohl nirgends anschaulicher dargestellt als in der Geschichte des ICD/ITKE Forschungspavillons 2014/15, welche mit der Wasserspinne beginnt, die ihr Nest in einer Luftblase webt. Gleichermaßen faszinierend ist der Übergang von biomimetischen Prinzipien zur architektonischen Form. Wie wird die Gesamtform der Pavillons bestimmt? Die Mobilisierung von Optimierungstechniken gibt nur eine unvollständige Antwort, insbe-

Die Arbeit am ICD und ITKE wirft an dieser Stelle auch viele Fragen auf. Ihr gedankenanregender Charakter resultiert gleichermaßen aus Mehrdeutigkeiten und Widersprüchen wie der schieren Faszination, ausgeübt durch die meisterhafte Inszenierung innovativer Materialien, Bauweisen und Roboter.

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ANTOINE PICON Prof. Dr. / Professor für Architekturund Technologiegeschichte / Direktor Forschung Graduate School of Design GSD, Harvard University, Cambridge (MA), USA 221

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PER SPEKT IV E

Universität Stuttgart

Wenn es um die Entwicklung leistungsfähiger und materialsparender Konstruktionen geht, ist Holz neben seiner Eigenschaft als nachwachsender Rohstoff ein vielseitiges Material für innovative Bauweisen. Dies liegt zum einen an der Nutzungsüberlagerung – Tragwerk, Hülle und Verkleidung in einem –, aber auch an der morphologischen Anpassungsfähigkeit zur Schaffung räumlich komplexer Strukturen. NATÜRLICHE SEGMENTSCHALEN MIT FASERVERBINDUNGEN Der Entwurf des ICD/ITKE Forschungspavillons 2015/16 beruht – wie bereits die beiden Vorgängerholzpavillons aus den Jahren 2011 und 2014 – auf der Analyse der Konstruktionsmorphologie des Sanddollars. Die vorangegangenen Untersuchungen hatten bereits zur Übertragung der bionischen Prinzipien in architektonische Segmentschalen aus Holzplatten mit Fingerzinkenverbindungen geführt. In enger Zusammenarbeit mit Biologen der Universität Tübingen wurden zwei Spezies des Sanddollars ausgewählt, die für die technische Über-

tragung von weiteren Konstruktions- und Bildungsprinzipien besonders geeignet erschienen. Mittels Rasterelektronenmikroskop erstellte Detailaufnahmen sowie weitergehende Literaturrecherchen zeigten, dass die Verbindungen zwischen den Plattensegmenten der Seeigelschale nicht nur aus den bereits bekannten Fingerzinken, sondern auch aus zusätzlichen Faserverbindungen bestehen. Es wird vermutet, dass diese elastischen Verbindungen relativ steifer Platten die Integrität der Schale des Sanddollars während des Wachstumsprozesses sicherstellen, aber auch durch die Nachgiebigkeit die Empfindlichkeit gegen stoßartige Beanspruchungen reduzieren. GEBOGENE HOLZLAMINATE MIT FORMDEFINIERENDEM STEIFIGKEITSGRADIENT Auf Grundlage dieser bionischen Erkenntnisse sowie der charakteristischen Materialeigenschaften von Holz wurde ein Konstruktionssystem entwickelt, das als zweilagige Struktur die Formen nachbildet, die beim Sanddollar durch Sekundärwachstum entstehen. Als

1, 2] Für den ICD/ITKE Forschungspavillon 2015/16 wurden erstmals industrielle Nähtechniken für Holzkonstruktionen im Maßstab der Architektur eingesetzt.

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Wachstumsmodell

Differenzierung der Materialsteifigkeit

PER SPEKT IV E

Fingerzinkenverbindung

Faserverbindungen

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Doppelschichtige Schale

Schalenöffnungen

Verschiedene Segmenttypen

3] Integration der biologischen Prinzipien in den computerbasierten Entwurf

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Schalenstützen

4] Natürliche Verbindung mit Fasern: Die Platten der Seeigelart Diadema antillarum sind mit Kollagenfasern verbunden.

[98]

1

3 2

1 Aufbau- und Montagestation des Werkstücks 2 KUKA KR 120 R3900 Industrieroboter 3 HIGHTEX CB4500 Industrienähmaschine

5] Fertigungsaufbau: Die zunächst planaren Bauteile werden vom Roboter in ihrer komplexen dreidimensionalen Form positioniert und für deren Fixierung vollautomatisiert vernäht.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2015/16 Universität Stuttgart, Campus Stadtmitte Realisierung: Entwurfsstudio mit Studierenden, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern PROJEKTDATEN Fertigstellung: April 2016 Grundfläche: 85 m² Schalenoberfläche: 105 m² Abmessungen: 11,5 × 9,5 m

MATERIAL Individualisiertes Furniersperrholz Buche

Steifigkeitsverteilung des abgewickelten Streifens

Elastizitätsmodul E [N/mm²]

6000 5000 4000

KONSTRUKTION

Schrittweise Annäherung

Segmentschale aus dreieckigen,

3000

verschnürten Hohlsegmenten

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ENTWURF

0 0

200

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600

800

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Abgewickelte Länge × [mm]

Inverse Gleichgewichtsmodellierung biegeaktiver Bauteile

FERTIGUNG Robotisches Nähen

BIOLOGISCHES VORBILD Plattenskelett des Sanddollars

PROJEKTBETEILIGTE 212 LITERATURHINWEISE [93], [94], [95], [96], [97], [98]: 226

6, 7, 8] Laminat mit Steifigkeitsgradienten: Die Faserorientierungen der Laminatschichten werden so gewählt, dass sich im gebogenen Zustand die vorausberechnete Geometrie der Komponente genau einstellt.

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9] Robotisches Nähen: Das Vernähen erlaubt die

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PER SPEKT IV E

dauerhafte Fixierung der elastisch geformten Segmente als Presslaminat sowie das Aufbringen der Randstreifen zur Verschnürung.

Ausgangswerkstoff dienen dabei dünne Furnierstreifen aus Buchenholz, die zu ebenen, individuell gefertigten und 3–5 mm dicken Sperrholzplatten laminiert werden. Diese Bauelemente nutzen die Anisotropie des Holzes, um die jeweilige Faserausrichtung der Furnierbestandteile und die Materialstärke zu differenzieren. Dadurch kann der Steifigkeitsverlauf der zunächst ebenen Bauteile angepasst werden, sodass sich bei elastischer Verformung, allein durch den Laminataufbau gesteuert, eine spezifische Segmentgeometrie mit unterschiedlichen Krümmungsradien einstellt. ROBOTERGESTEUERTE NÄHTECHNIK FÜR HOLZ Die Verwendung der dünnwandigen und gebogenen Holzsegmente erforderte auch die Entwicklung einer neuen Fügetechnik. Einerseits musste auf die bei herkömmlichen punktuellen Verbindungen eingesetzten metallischen Verbindungsmittel verzichtet werden, um ein Ausreißen der Bohrlöcher in den dünnwandigen Laminaten zu verhindern. Andererseits sollten Verformungen umgesetzt werden, für die der beim Laminieren und in Form haltende Anpressdruck nur unter Einsatz aufwendiger Formwerkzeuge erreicht werden könnte. So entstand die Idee, das Potenzial von textilen Fertigungstechniken und deren Übertragbarkeit auf dünne Furnierplatten zu testen. Für den Versuchsbau wurde ein robotergesteuerter Fertigungsprozess entwickelt, der die Verbindung, den Formschluss und das Presslaminat der individuell gebogenen Sperrholzplatten durch das Vernähen der Holzschichten mit einer Industrienähmaschine ermöglicht. Die gebogenen Sperrholzstreifen werden in der gewünschten geometrischen Konfiguration temporär

durch einen Industrieroboter fixiert. Während des darauffolgenden Nähprozesses führt der Roboter die gebogenen Streifen durch die Nähmaschine und verbindet diese in der gewünschten Segmentform miteinander. Jedes Segment besteht aus drei einzelnen, individuell laminierten Furnierstreifen aus Buchenholz. Diese individuellen Segmente mit Biegeradien zwischen 0,3 m und 0,75 m sind in Form und Faserorientierung jeweils an die lokalen statischen und geometrischen Erfordernisse angepasst. Zusätzlich werden Membranstreifen als Verbindungselemente zwischen den Segmenten aufgenäht und später beim Aufbau mittels Kevlarschnüren verbunden, um die Zugkräfte zwischen den einzelnen Segmenten zu übertragen. Die Roboter- und Nähmaschinensteuerungen sind über eine spezifische programmierte Software integriert. Diese Schnittstelle ermöglicht dem Roboter, immer sowohl die aktuelle Position des Werkstücks als auch den Status der Nähmaschine zu kennen und die Bewegung zu synchronisieren. Für den insgesamt 85 m2 überspannenden Pavillon mit einer Spannweite von 9,3 m wurden insgesamt 151 unterschiedliche, robotisch vorgefertigte Segmente miteinander verbunden. Die zweilagigen Segmente trugen äußere Lasten überwiegend durch Normalkräfte und Scherkräfte in der Plattenebene ab. Während Letztere hauptsächlich in den Verbindungen der Segmente durch die Fingerzinken übertragen wurden, konnten Zugkräfte durch Reepschnüre aufgenommen werden. Im Ergebnis entstand so ein leistungsfähiges und komplex geformtes Schalentragwerk aus einfachen, ebenen Furnierstreifen, dessen Konstruktionsgewicht von 7,85 kg/m2 bezogen auf die Schalenoberfläche extrem leicht ist.

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10] Die 151 geometrisch unterschiedlichen Segmente weisen

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individuelle Nahtmuster auf.

11] Nähen von Sperrholzlaminat: Die Industrienähmaschine ist steuerungstechnisch in die Roboteranlage eingebunden und erlaubt das vollautomatisierte Nähen von Sperrholz.

12] Verschnürung von Segmenten: Die dünnwandigen Segmente können nicht mit Schrauben verbunden werden. Daher wurde eine neuartige Verbindung mithilfe von vernähten Textilstreifen und einer Verschnürung entwickelt.

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13, 14] Innenansicht (links) und Rückansicht (oben): Der Pavillon ist wie das biologische Vorbild des Sanddollars weder eine reine druckbeanspruchte Schale noch eine reine biegebeanspruchte Platte, sondern vereint beide Tragwerkstypologien.

15] Vorderansicht: Die Form und Textur der neuartigen Holzkonstruktion aus vernähten und verschnürten Elementen verleihen dem Pavillon seine besondere Form. Dabei spannt er mehr als 9 m frei mit einer Materialstärke von gerade einmal 3–5 mm.

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POSITION: JANE BURRY ÜBER

COMPUTERBASIERTES ENTWERFEN Die Digitalisierung hat die Grundsätze des architektonischen Denkens nicht verändert, aber sie hat Architektinnen und Architekten sowie Ingenieurinnen und Ingenieuren eine gedankliche Erweiterung beschert. Die digitalen Technologien erlauben einen vieldimensionalen Ansatz des Entwerfens und ermöglichen das einfachere Untersuchen vielfältiger Varianten im Entwurfsprozess. Zeitgenössisches computerbasiertes Entwerfen hat vielen die Möglichkeit eröffnet, so zu arbeiten, wie es vor der Einführung digitaler Arbeitsweisen nur einigen wenigen möglich war. Es hat die Architektur mit einem Schlag aus der griechischen Tradition der dreidimensionalen Geometrie – zweidimensional konstruiert – in eine postkartesianische Ära katapultiert, welche höchst unterschiedliche und variable Modelle der Geometrie und des Raums ermöglicht, einschließlich der Betrachtung von Topologie, Komplexität, Optimierung und Berechnung raumfüllender Einheiten, neuester mathematischer Modelle, häufig in Anlehnung an die Biologie, Chemie oder Mineralogie.

Einige herausragende Persönlichkeiten beschränkten sich auch schon vor der Einführung digitaler Technologie nicht nur auf die euklidische, projektive und darstellende Geometrie. Sie waren diejenigen, die natürliche Prozesse genau beobachteten und analoge, mathematische (grafisch-statische) Wege fanden, um natürliche Verhaltensweisen in empirische architektonische Modelle zu abstrahieren – ihre eigene Art von „Computational Design“. Antoni Gaudís Hängemodelle für die Kirche in der Colònia Güell oder seine Beobachtungen der Vielfalt hyperbolischer Geometrien, die sich an natürliche Formen annähern, sind bekannte Beispiele lebenslanger Beobachtung zugrunde liegender Prozesse des Pflanzen- und Zellwachstums sowie der Mineralogie, die durch physische Modelle in Architektur übersetzt wurden. Künstler des Ingenieurbaus wie Robert Maillart, Félix Candela, Eduardo Torreja, Heinz Isler oder Eladio Dieste öffneten uns, ähnlich bahnbrechend wie Frei Otto, die Augen für die Übertragung physikalischer Prozesse und Systeme aus der realen Welt in Rechenmodelle, um optimale und vielfältige Anwen-

dungen in der Architektur zu ermöglichen. Mit zunehmender Größe an Rechenleistung und Datenvolumen kann die digital berechnete Welt näher an unsere physische und sensorische Erfahrung heranrücken. Computercode und abstrakte Sprache, die potenziell im Gegensatz zur konstruktivistischen Realität der Architektur stehen, treffen auf die konkrete Körperlichkeit der digitalen Produktion und der Materialien. In ähnlicher Weise wird das Echtzeitfeedback, die Grundlage allen körperlichen menschlichen Lernens, heute durch errechnete Simulationen transportiert, die dem Entwerfer manchmal auch in Verbindung mit der sensorischen Erfahrung der Augmented Reality nahegebracht werden. Die Integration von Simulation und Optimierung in die automatisierte Formfindung, um ausdifferenzierte, aber in sich schlüssige Lösungen zu erzeugen, spiegelt die natürlichen Prozesse von Wachstum und Form wider. Die Pavillonprojekte von ICD und ITKE des letzten Jahrzehnts gelten als Leuchttürme in der globalen Architekturgemeinschaft. Sie führen auf überraschende und zum

Teil atemberaubende Weise die Tradition derer fort, die natürliche Prozesse erforscht haben. Aufbauend auf früheren Vorarbeiten zu den Themenbereichen des morphogenetischen Entwerfens und der Emergenz in der Architektur und mit Experten aus der Biologie kooperierend, hat ihr hochgradig integrativer Ansatz aus Architektur und Ingenieurwesen die Abstraktion biologischer Prinzipien und den Einsatz von Biomimetik perfektioniert. Jeder einzelne Fall zeichnet sich dabei durch einen originellen Einsatz von Computational Design und eine neuartige Bauweise aus. Ob in Anlehnung an die differenzierte Materialausbildung der Elytren, der Deckflügelschale eines Käfers, der tauchenden Wasserspinne, die ihre Unterwasser-Luftblase mit Spinnweben verstärkt, oder aus der Tragfähigkeit der zusammenwirkenden, dünnwandigen Platten des Sanddollar-Seeigels, dienen diese Innovationen und erfindungsreichen neuen Konstruktionsprozesse dazu, sowohl die optimale Materialökonomie als auch die Eleganz der hochentwickelten natürlichen

Struktur in reale Anwendungen im Bauwesen zu übertragen. Die durchgängige Botschaft ist die eines leichteren, leistungsfähigeren und materialbewussteren Bauens der Zukunft, das weniger im Konflikt mit der Gesundheit des Planeten steht. Diese Botschaft ist besonders ausdrucksstark, da sie sich an die Formen der natürlichen Evolution anlehnt, die Erstaunliches hervorgebracht hat. Die Pavillons sind ausgezeichnet ausgeführte Machbarkeitsstudien, die von einem umfassenden Team in einem stringenten, iterativen und sich über verflochtene Bereiche der Architektur, des Bauingenieurwesens und des Maschinenbaus erstreckenden Entwurfsprozess hervorgebracht wurden. Zudem sind sie vollmaßstäbliche Prototypen.

Analogem und Digitalem, welcher dem Digitalen seinen essenziellen, aber kontextualisierten Status als geistige Erweiterung zurückgibt. Dieses umfassende Verständnis von Computational Design, einst nur die Domäne einiger weniger, wird durch diese faszinierende Sammlung an Projekten nun breiter zugänglich. Dies ist ein wichtiger Beitrag dieser Arbeiten.

Diese Projekte haben uns gezeigt, wie das Material bzw. das Materialsystem selbst als Bestandteil von Computation verstanden werden kann. Und wie computerbasiertes Entwerfen nicht ausschließlich als digitale Domäne zu sehen ist, sondern als ein kontinuierlicher Dialog zwischen Material, JANE BURRY Prof. PhD / Dekanin School of Design, Swinburne University of Technology / Melbourne, Australien 221

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>> ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2016 /17

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Der Forschungspavillon von 2016 zeigt ein alternatives, neuartiges Konzept zur Herstellung weit spannender Faserverbundkonstruktionen. Faserbasierte Kompositmaterialien besitzen ein enormes Potenzial für architektonische Anwendungen. Dank ihrer hohen Leistungsfähigkeit finden sie bereits heute in vielen Bereichen des Ingenieurwesens Anwendung. Anders als in der Luftfahrt oder der Automobilindustrie gibt es für den Maßstab der Architektur jedoch keine geeigneten Fabrikationsmethoden im Hinblick auf die wirtschaftliche Produktion individuell veränderbarer Unikate und kleiner Stückzahlen. Aus diesem Grund wurde bereits in vorangegangenen Pavillons aus den Jahren 2012, 2013/14 und 2014/15 die Herstellung von großformatigen Faserverbundkonstruktionen ohne den Einsatz eines aufwendigen Formenbaus erforscht. Diese Experimente waren zwar nicht mehr durch konventionelle Verarbeitungsprozesse eingeschränkt, ihre Größe war aber weiterhin durch den Arbeitsraum der verwendeten Industrieroboter limitiert. Mit dem ICD/ITKE Forschungspavillon 2016/17 gelang es, diese technischen und wirtschaftlichen Einschränkungen zur Herstellung weit spannender Prototypen zu überwinden.

BIOMIMETIK ALS ENTWURFSSTRATEGIE Die in der Natur vorkommenden Strukturbildungsprozesse der Kokons der Miniermotten (Lyonetia Clerkella und Leucoptera Erythrinella) wurden in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit der Eberhard Karls Universität Tübingen als geeignete Vorlage identifiziert. Die Larven dieser Spezies spinnen seidene „Hängematten“ zwischen Ankerpunkten auf gebogenen Blättern. Die Morphologie des Kokons und der Prozess seiner Bildung dienten als Grundlagen für den technologischen Transfer. Die Nachahmung der biologischen Struktur lässt sich auf drei Ebenen nutzen. Die Kombination aus der kernlosen Faserverstärkung und einer biegeaktiven Unterkonstruktion sorgt für die notwendige Flexibilität, während die hierarchische Faseranordnung über eine große Spannweite die Tragfähigkeit gewährleistet. Der mehrstufige Prozess des volumetrischen Faserablegens ermöglicht die Erstellung komplexer dreidimensionaler Formen.

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1, 2] Der ICD/ITKE Forschungspavillon 2016/17 erschließt durch einen innovativen Fertigungsprozess, der die Vorteile unbemannter Fluggeräte und präziser Industrieroboter verbindet, neue Möglichkeiten für weitgespannte Faserverbundkonstruktionen in der Architektur.

3] Mikroskopische Aufnahme der Kokonkonstruktion der Miniermotte (Leucoptera erythrinella)

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4] Fertigungskonzept für Faserverbundgroßbauteile: Kombination von stationären, präzisen Robotern mit begrenzter Reichweite, aber hohen Spannkräften sowie mobilen Flugrobotern mit hoher Reichweite, aber geringer Genauigkeit und Tragfähigkeit.

VERNETZTE MASCHINEN Zwei technologische Prinzipien werden miteinander kombiniert, um ein großmaßstäbliches cyber-physisches Produktionssystems aus vernetzten Maschinen zu erstellen und die Struktur aufzubauen. Der Herstellungsprozess basiert auf der Zusammenarbeit von präzise arbeitenden stationären Robotern mit begrenzter Reichweite, aber hohen Spannkräften, und solchen, die durch Mobilität über eine hohe Reichweite, jedoch nur begrenzte Präzision und Spannkraft verfügen. Weil Glas- und Kohlenstofffasern im Vergleich zu anderen Baumaterialien extrem leicht sind, können auch Maschinen mit niedriger Nutzlast, aber großer Reichweite, wie etwa Drohnen, eingesetzt werden. Zur Herstellung des ICD/ITKE Forschungspavillons 2016/17 wurden zwei Industrieroboter, welche die nötige Kraft und Genauigkeit zum Faserwickeln besitzen, an den

beiden Enden des Tragwerks positioniert. Dazwischen konnten die Fasern mit einem autonom arbeitenden Transportsystem hin- und hergereicht werden – einer Drohne, die speziell für diese Aufgabe entwickelt wurde. Durch die Kombination von Bewegungsfreiheit und Präzision ergibt sich eine Vielzahl an Möglichkeiten, die Fasern auf, über und durch ein Tragwerk hindurch abzulegen. Es entsteht eine Konstruktion mit einem einhergehenden Tragverhalten, die mit einer der beiden Fertigungsmaschinen alleine nicht möglich gewesen wäre. Um sicherzustellen, dass die verschiedenen Maschinentypen während des Faserlegeprozesses miteinander kommunizieren und interagieren können, wurde ein adaptives Steuerungs- und Kommunikationssystem entwickelt. Durch eine integrierte Sensorschnittstelle können sich Industrieroboter und Drohne in Echtzeit an sich ändernde Fabrikationsbedingungen anpassen. Die Drohne kann autonom, ohne Unterstützung eines

5] Simulationsmodell: Der 12 m lange Kragarm erforderte eine sehr sorgfältige statische Analyse zur Festlegung von Orientierung und Dichte der tragenden Kohlenstofffasern.

6] Vernetzung der Maschinen: Für die in einer Fertigungseinheit autonom zusammenarbeitenden

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unterschiedlichen Maschinen wurden Datenintegrationsund Kommunikationsprotokolle entwickelt. 131

PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN FORSCHUNG A RCHI TEK TUR

7] Fertigungsaufbau: Faserwickelroboterarme und autonome Drohne

Piloten, fliegen und landen. Die Spannung der Fasern wird gemeinsam von den Industrierobotern und der Drohne computerbasiert kontrolliert und angepasst. Für den digitalen und physischen „Handschlag“ wurde ein Ortungssystem entwickelt, mit dessen Hilfe der Austausch der Fasern zwischen den Fertigungsmaschinen gesteuert wird. Diese exakte Arbeitsweise ist nötig, um den Materialeinsatz zu minimieren und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der besonders beanspruchten Bereiche zu gewährleisten.

Der prototypische Bau konnte trotz dieser Einschränkung erfolgreich die Skalierbarkeit der Fabrikationsprozesse für weit spannende Faserverbundkonstruktionen in der Architektur demonstrieren.

INTEGRATIVER DEMONSTRATOR Der Pavillon wurde aus harzgetränkten Kohlenstoffund Glasfasern mit einer Gesamtlänge von 184 km hergestellt. Das Leichtbaumaterialsystem formte einen 12 m langen Kragarm, der das statische Potenzial dieser Materialkombination verdeutlichte. Das Tragwerk überspannte dabei eine Fläche von ungefähr 40 m2 und hatte ein Gewicht von ca. 1.000 kg. Der einteilige Kragarm wurde vorgefertigt und durfte deshalb die möglichen Transportvolumina nicht übersteigen. Eine Herstellung vor Ort würde noch größere Spannweiten ermöglichen.

8] Transport der Faserverbundstruktur zur Baustelle

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9] Eine Drohne transportiert Glas- und

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Kohlenstofffasern zwischen den Robotern, um

Flugsteuerungseinheit (Pixhawk) Industrielle Kamera

den 12 m langen Kragarm aufzubauen.

Onboard Computer (Odroid XU4) Empfänger für manuelle Fernsteuerung Motor und Propeller

Elektronische Geschwindigkeitskontrolle LiPo-Batterie

Richtungssensor Elektro-Permanentmagnet (EPM) EPM Steuerung (Arduino Nano) EPM Effektor (male) EPM Effektor (female)

10] Aufbau der spezifisch für dieses Projekt entwickelten, autonom fliegenden Drohne

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2016/17 Universität Stuttgart, Campus Stadtmitte Realisierung: Entwurfsstudio mit Studierenden, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern PROJEKTDATEN Fertigstellung: März 2017 Fläche: 26,5 m² Rauminhalt: 58 m³ Faserlänge: 184 km Gewicht: 1.000 kg Abmessungen: 12 m x 2,6 m x 3,1 m

MATERIAL Kohlenstofffaserrovings und Glasfaserrovings mit Epoxidharz

KONSTRUKTION Einteiliger Kragarm

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aus Faserverbundgitterwerk

ENTWURF Agentenbasierte Modellierung in Rückkopplung mit dem cyber-physischen Fertigungssystem FERTIGUNG Kernloses robotisches 12-Achs-Wickeln mit integriertem UAV

BIOLOGISCHES VORBILD Kokonbau der Larve der Miniermotte

PROJEKTBETEILIGTE 213 LITERATURHINWEISE [99], [100], [101], [102] : 226

11, 12, 13] Seiten- und Rückansicht: Die gesamte 12 m lange Konstruktion besteht ausschließlich aus Glas- und Kohlenstofffasern. Die große Auskragung führt unter Eigengewicht und Wind zu erheblichen statischen Beanspruchungen, die von den Kohlenstofffasern aufgenommen und in die Gründung eingeleitet werden.

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>> ELYTRA FILAMENT PAVILION

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

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PER SPEKT IV E

Victoria and Albert Museum, London

Die tiefgehenden Auswirkungen neuer Technologien auf die Konzeptionierung von Entwurf, Konstruktion und Herstellung von Architektur wurden für die Besucherinnen und Besucher im Jahr 2016 im Innenhof des Victoria and Albert Museum erlebbar. Anstelle einer statischen Installation entwickelten ICD und ITKE in Kooperation mit Thomas Auer (TU München/ Transsolar Climate Engineering) eine dynamische Struktur, die die Fähigkeit besaß, sich eigenständig weiterzuentwickeln. In das zelluläre Leichtbaudach waren Sensoren integriert, die permanent die mikroklimatischen Bedingungen und die Bewegungen der Gäste aufnahmen. In Verbindung mit einer vor Ort installierten robotischen Wickeleinheit wurde so ein Konzept einer wachsenden und sich verändernden Struktur aus individuell lastangepassten Modulen möglich. Die Interessenten erwartete im John Madejski Garden, umgeben von viktorianischen Fassaden, eine hochgradig ausdifferenzierte geneigte Dachkonstruktion aus Faserverbundmodulen. Die von Stützen getragene Dachfläche wies an der höchsten Stelle eine lichte Höhe von 4,75 m auf und neigte sich bis auf 2,45 m hinunter.

ADAPTIVE UND WACHSENDE DACHSTRUKTUR FÜR DEN ÖFFENTLICHEN RAUM Die Sonderausstellung „V&A Engineering Season 2016“ thematisierte die Kraft und Schönheit der Ingenieurwissenschaften und deren Auswirkungen auf das tägliche Leben. Zur Realisierung einer Installation im Gartenhof des Museums wurde ein interdisziplinäres Team gesucht, das auf zukunftweisende Art das Innovationspotenzial integrierter Entwurfs-, Fertigungs- und Konstruktionsstrategien darstellte. Das ICD/ITKE/Transsolar-Projektteam konnte sich mit dem Pavillon, der nicht nur eine architektonische Installation, sondern Teil laufender Forschungstätigkeiten war, aufgrund des hohen Neuheits- und Innovationsgrads durchsetzen. Als dynamisches und anpassungsfähiges Ausstellungsobjekt demonstrierte die Dachstruktur aus 40 gewickelten Kohlenstoff- und Glasfasermodulen, welche einzigartigen räumlichen und ästhetischen Qualitäten aus der Synthese von Bau- und Klimaingenieurwesen sowie innovativen Fertigungsmethoden entstehen können.

1, 2] Wachsende, lernende und sich anpassende Strukturen – der Elytra Filament Pavilion hebelt bisherige Charakteristika von statischer Architektur aus.

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PER SPEKT IV E

(oben) von flugfähigen Käfern (rechts)

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3, 4] Mikro-Computertomographie eines Elytrons

5] Rasterelektronenmikroskop-Fotografie eines Schnitts durch die Elytronschale: Die beiden Seiten der zweischaligen, natürlichen Faserverbundkonstruktion sind durch kontinuierliche Fasern entlang von Trabekeln verbunden. Dieses Prinzip wurde in technische Faserverbundbauteile übertragen.

ELYTRA FILAMENT PAVILION Victoria and Albert Museum, London Realisierung: Beauftragung der Universität Stuttgart durch das Victoria and Albert Museum PROJEKTDATEN Aufbau: März 2016 Größe: 200 m²* Gewicht der Faserverbundstruktur: 9 kg/m² Gewicht der gesamten Dachstruktur: 2,5 t* Anzahl der Faserverbundbauteile: 40* Abmessungen der Bauteile: 2,77 × 2,4 × 0,4 m Durchschnittliches Bauteilgewicht: 45 kg Angepasster Materialverbrauch: 35–70 kg pro Bauteil * zu Beginn der Ausstellungsdauer, im Verlauf ist das Dach weiter gewachsen

MATERIAL Kohlenstofffaserrovings und

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Glasfaserrovings mit Epoxidharz

KONSTRUKTION Segmentierte Dachplatte aus sechseckigen Faserverbundgitterwerksegmenten

ENTWURF Parametrische Modellierung in Rückkopplung mit lokaler und globaler Materialsimulation FERTIGUNG Kernloses robotisches 8-Achs-Wickeln, robotergeführter Faserwickelkopf, rotierendes Lehrgerüst BIOLOGISCHES VORBILD Deckflügel flugfähiger Käfer

PROJEKTBETEILIGTE 214 6] Differenzierter Faseraufbau der Dachelemente: Alle Bauelemente haben

LITERATURHINWEISE

die gleiche äußere Geometrie, aber eine

[103], [104], [105], [106]:

an die jeweilige statische Beanspruchung angepasste innere Faserführung und -dichte.

227

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Erweiterung

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Lokale Fertigung

Rekonfiguration

7, 8] Fertigungskonzept: Die Kombination aus kompakter Fertigungseinheit (links), den extrem leichten Baumaterialien und deren geringer Menge ermöglicht eine anteilige Vor-Ort-Fertigung, die ein kontinuierliches Weiter- und Umbauen des Pavillons zulässt.

In Anlehnung an historische Bezüge zu viktorianischen Gewächshäusern – die ebenfalls als experimentelle Bauten in einer frühen Phase des Bauens mit Eisen während der ersten industriellen Revolution entstanden sind – gab die Installation einen Ausblick darauf, wie die sogenannte vierte industrielle Revolution der Robotik und cyber-physischen Produktionssysteme die Entstehung neuer Struktur- und Materialsysteme ermöglicht. Im viktorianischen Gewächshaus ergab sich durch die Konvergenz von Bau- und Umweltaspekten ein einzigartiges Erlebnis überdachter öffentlicher Grünflächen. Die transparent anmutende Installation knüpft daran an und erweitert das Konzept hin zu anpassungsfähigen und wachsenden Strukturen. REKONFIGURATION MIT TELS ECHTZEITSENSORIK Die in die Faserstruktur integrierten Sensorsysteme erlauben es, Zusammenhänge zwischen Besucherverhalten, klimatischen Kennwerten und den Spannungszuständen im Tragwerk herzustellen. Basierend auf diesen Informationen entscheidet ein Wachstumsalgorithmus über die Rekonfiguration der Struktur und informiert den lokalen Roboter über die daraus resultierenden Anforderungen an die für den weiteren Ausbau zu produzierenden Bauteile. Dies ermöglichte es den Besuchern, die Entstehung des faszinierenden Leichtbausystems vor Ort als dynamischen Prozess mitzuerleben. Um

diese Idee zu demonstrieren, wurden mehrere Komponenten vor Ort gefertigt und an das Dach angebaut, sodass dieses über den Lauf der Ausstellung wuchs und sich in seiner Form an die Nutzung vor Ort anpasste. ENTWICKLUNG BIOMIMETISCHER FASERVERBUNDSTRUKTUREN Der Elytra Filament Pavilion steht in der Entwicklungslinie der Vorgängerpavillons aus Faserverbundmaterialien und ist somit das Ergebnis von vier Jahren Forschung zur Integration von Architektur, Ingenieurwesen und biomimetischen Prinzipien. Die über 200 m2 große Struktur basiert auf den Leichtbauprinzipien der natürlichen Faserverbundstruktur in den Vorderflügelschalen flugfähiger Käfer, den sogenannten Elytren – daher auch der Name. Der ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 untersuchte als erster Prototyp das auch dem Elytra Filament Pavilion zugrunde liegende robotische Wickelverfahren. Er bestand aus einer mit kontinuierlichen Fasern gewickelten Monocoque-Schale mit 8 m Durchmesser. Der ICD/ITKE Forschungspavillon 2013/14 beruhte bereits auf der Konstruktionslogik der Käferschalen, die in Form einer segmentierten doppelschaligen Faserverbundstruktur umgesetzt wurde. Durch deren Robustheit und Skalierbarkeit wurde das Potenzial zur Anwendung als Bausystem erkannt und im Projekt in London weiterverfolgt. Die Faserverbundstruktur des

142

9] Fertigungsaufbau: Achtachsiges Robotersystem mit einem

143

wiederverwendbaren Stahlgerüst, auf dem alle unterschiedlichen Bauteile gefertigt werden. Im Verlauf der Wickelung entsteht die Form als hyberbolischer Glasfaserkörper, auf den die tragende Kohlenstofffaser lastangepasst aufgebracht wird.

10, 11] Leichtbauelemente: Die Bauteile sind mit 9 kg/m² Flächengewicht extrem leicht.

PER SPEKT IV E POSI TI ONEN BAUEN FORSCHUNG A RCHI TEK TUR

12, 13, 14] Ansicht des Pavillons im zentralen Innenhof des Victoria and Albert Museum in London: Die mehr als 200 m² große Dachscheibe ist mit transparenten Polycarbonatplatten eingedeckt.

15] Abendansicht: Bei einbrechender Dunkelheit dienen die Glasfasern zur Illumination des Innenhofs.

144

Elytra Filament Pavilion bestand aus zwei unterschiedlichen Basismodulen: den Dachzellen und den Stützenköpfen. Letztere stellten die Schnittstelle und Verbindung der Dachstruktur mit den tragenden Stützen dar. Beide Modultypen basieren auf einer gewickelten Faserstruktur aus transparenten Glasfasern und schwarzen Kohlenstofffasern. Die Herstellung beruht auf dem seit dem ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 kontinuierlich weiter verbesserten robotischen Wickelprozess ohne Formenbau, bei dem ein Roboter harzgesättigte Glas- und Kohlenstofffasern auf ein hexagonales Wickelwerkzeug aufbringt. Die transparenten Glasfasern bilden das räumliche Grundgerüst, auf dem die tragende Struktur aus Kohlestofffasern aufgebracht wird, die eine deutlich höhere Steifigkeit und Festigkeit als die Glasfasern aufweisen. Sobald das Verbundmaterial ausgehärtet ist, kann der Wickelrahmen wieder entfernt werden. Im Ergebnis entstand eine reine Faserverbundstruktur. Nur die Schrauben zwischen den Komponenten und die Stützenfüße bestanden aus Stahl. Jede Zelle wurde durch eine Differenzierung von Ordnung, Dichte und Orientierung der Faser an ihren spezifischen Belastungszustand angepasst, wodurch eine materialeffiziente und leichte Struktur mit nur 9 kg/m2 Flächengewicht entstand. Die Mehrheit der Faserverbundbauteile wurde im Fertigungslabor des ICD in Stuttgart vorgefertigt.

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17] Wandelbare Struktur: Der Wickelroboter vor Ort erlaubt die Fertigung zusätzlicher Elemente, wodurch ein Wachsen und Anpassen des Pavillons in Rückkopplung mit der Nutzung möglich wird.

16, 18] Fasertektonik: Die gesamte tragende Konstruktion des Pavillons besteht aus Faserverbundwerkstoff. Aus dem hohen Maß an Integration von Form, Material, Struktur und Fertigung ergibt sich eine neuartige Fasertektonik.

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POS ITION EN

PER SPEKT IV E

#

POSITION: METTE RAMSGAARD-THOMSEN ÜBER

I N T E R D I S Z I P L I N A R I TÄT A LS N OT W E N D I G K E I T F Ü R I N N OVAT I O N Die Architektur erweitert derzeit ihre Methoden. Während die Art und Weise, wie wir unsere Lebensräume bauen und denken, durch den globalen Kontext der Nachhaltigkeitskrise infrage gestellt wird, wird klar, dass die Realisierung von Architektur und gebauter Umwelt ein lokales Unterfangen mit globalen Effekten ist. Um die Art des Bauens zu steuern und zu verändern – und dadurch auch den Weg, wie wir die Zukunft unserer Gesellschaft nachhaltig gestalten wollen –, ist es vonnöten, unser Denken zu erweitern. Wir müssen breitere Diskussionen führen, die beeinflussen, wie wir unsere Ressourcen nutzen, uns an den Klimawandel anpassen, in unseren Städten leben, Gesundheit verstehen und wie wir zur Gleichberechtigung befähigen wollen. Der interdisziplinäre Dialog ist eine Notwendigkeit für Innovation. Wir müssen Synergien zwischen Kompetenzen herstellen, unsere

konzeptionellen und praktischen Werkzeuge teilen und unsere Methodik vernetzen. Dieser Aufruf nach interdisziplinärer Kollaboration schwingt seit 50 Jahren mit. Nun fordert uns die neue Dringlichkeit heraus, von der Tendenz abzukommen, zu den traditionell abgeschotteten Institutionen zurückzukehren, sowohl im Bereich der Forschung als auch der Praxis. Es gibt zwei verschiedene Betrachtungsweisen: Eine erste, eher introvertierte Perspektive fordert, unsere Praxis zu hinterfragen und ganzheitliche Methoden zu entwickeln, die die ganze Bandbreite der Designkette einbeziehen. Die Bildung einer gemeinsamen digitalen Plattform und die allgemeine Verfügbarkeit von Modellierungswerkzeugen für Entwurf, Analyse, Konstruktion und Fertigung ermöglichen es uns, Designinformationen zu verknüpfen und neue Rückkopp-

lungsschleifen zwischen  den Prozessen zu schaffen sowie grundlegend zu überdenken, wie wir Materialien verwenden und wie Bausysteme beschaffen sein können. Die neuen Wissenschaften des Computational Design mit ihren interdisziplinären Schnittstellen zu den aufkeimenden Feldern der Data Science und Künstlichen Intelligenz erlauben es, das Paradigma der Darstellung in der Architektur zu überdenken und resilientere Einsatzmodelle zu schaffen. Durch die Erweiterung unserer Grenzen des Modellierens – Grenzen, die durch die proprietären Konventionen der disziplinären Belange, der Methodik sowie der Wahrnehmung gebildet werden – erkennen wir die Interdependenz der Disziplinen und ihr Potenzial für die Schaffung neuer interdisziplinärer, interskalarer und intertemporaler Praktiken.

Die zweite eher extrovertierte Perspektive hinterfragt, für wen diese Innovationen gedacht sind. Die Einbettung von Forschungsanliegen in globale und gesellschaftlich verankerte Fragestellungen stellt unsere eigene Position und die Ziele, die wir verfolgen, infrage. Interdisziplinäres Denken bedeutet auch, die Gesellschaft zu berücksichtigen, an die die Innovationen gerichtet sind: In welche Produktions- und Konsumsysteme werden sie eingebunden? Welche sozialen und kulturellen Rahmenbedingungen von Handwerk, Bürgerschaft oder Globalisierung werden sie beeinflussen? Um wirklich innovativ zu bauen, müssen wir Partnerschaften mit den Gemeinschaften entwickeln, damit die Auswirkungen der Innovation artikuliert und verstanden werden können. Interdisziplinäre Zusammenarbeit ist eine Bedingung für die zeitge-

nössische Gestaltungspraxis. Die Arbeiten von ICD und ITKE sowie ihre Kooperationen im Bereich der bionischen Architektur zeigen, wie durch interdisziplinäre Zusammenarbeit nicht nur bestehende Bausysteme und die sie ermöglichenden Gestaltungsmethoden, sondern auch das Verständnis über die zugrunde liegenden Materialsysteme der Architektur neu gedacht werden. Dies ist von fundamentaler Bedeutung. Falls die in diesem Buch vorgestellten Demonstratoren wie ästhetische Studien zu Form und Gestalt der Architektur erscheinen, täuscht dies über deren grundlegende Bedeutung hinweg. Was durch die Pavillons gezeigt wird, ist nicht nur das Neudenken der strukturellen Morphologien oder der Produktionstechnologien – obwohl auch dies ernsthafte Beiträge sind –, sondern das eigentliche Netzwerk der digitalen Kette, das uns erlaubt, die Beziehungen zwischen Entwurf, Analyse, Genehmigung, Konstruktion, Herstellung, Montage und Be-

trieb von Gebäuden neu zu definieren. Sie helfen uns zu erkennen, wie interdisziplinäres Denken uns dabei unterstützt, eine neue Zukunft des Bauens zu formulieren.

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METTE RAMSGAARD-THOMSEN Prof. PhD / Architektur und digitale Technologien, Royal Danish Academy of Fine Arts (KADK) / Direktorin des Centre for Information Technology in Architecture CITA, KADK / Kopenhagen, Dänemark 222

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>> BUGA HOLZPAVILLON

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

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PER SPEKT IV E

Bundesgartenschau Heilbronn, 2019

Mit minimalem Materialeinsatz spannte das atemberaubende Holzdach 30 Meter über einem der zentralen Konzert- und Veranstaltungsorte der BUGA und schuf so einen besonderen Raum. Der transportable BUGA Holzpavillon zeigte völlig neue Ansätze im digitalen Holzbau auf. Im Rahmen des Projekts wurde eine Roboterfertigungsplattform für den automatisierten Zusammenbau und die Fräsbearbeitung der 376 maßgeschneiderten Segmentbauteile entwickelt. Dieses Herstellungsverfahren stellte sicher, dass alle Holzsegmente wie ein großes, dreidimensionales Puzzle mit einer Genauigkeit von drei Zehntelmillimetern zusammengesetzt werden konnten. BIOMIMETISCHER LEICHTBAU: SEGMENTIERTE HOLZSCHALEN Der Pavillon war eine der architektonischen Attraktionen auf der zentralen Sommerinsel der Bundesgartenschau 2019 in Heilbronn. Ausgehend von den Forschungstätigkeiten für den ICD/ITKE Forschungspavillon 2011 und den Forstpavillon der Landesgartenschau 2014 in Schwäbisch Gmünd, war es das Ziel des

Forschungsteams, die strukturelle Leistungsfähigkeit von biomimetisch segmentierten Holzschalen auf eine neue Ebene zu heben und so dem Holzbau neue Anwendungsfelder zu eröffnen. Die Struktur musste vollständig wiederverwendbar konstruiert werden, um sie nach der BUGA ohne Leistungsverlust rückbauen und an einem anderen Standort wiedererrichten zu können. Die segmentierte Schalenkonstruktion basiert auf den biologischen Prinzipien des Plattenskeletts von Seeigeln, die von ICD und ITKE seit fast einem Jahrzehnt erforscht werden. Um Materialverbrauch und Gewicht zu minimieren, bestand jedes Schalensegment des BUGA Holzpavillons aus einer hohlen, großformatigen Holzkassette mit polygonaler Form. Jede einzelne dieser Kassetten setzte sich aus zwei dünnen Platten zusammen, die oben und unten einen Ring aus Randbalken beplankten und zu einem tragenden Bauteil verklebt wurden. Die untere Platte beinhaltete eine große Öffnung, die während der Montage den Zugang zu den verdeckten Bolzenverbindungen ermöglichte und zugleich eine besondere architektonische Erscheinung erzeugte. Ebenso verbesserte sie die raumakustischen Eigen-

1, 2] Das 30 m spannende Dach aus Holzsegmenten des BUGA Holzpavillons schafft einen einzigartigen architektonischen Raum.

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Deckplatte : Lärche-3-Schichtplatte, unbehandelt

----------------,?':::~~~

Konterlattung : Purenit

Wasserführende Schicht überlappend verklebt:

EPDM

w

>

f-

Obere Kassettenplatte : Furnierschichtholz , Fichte , 33 mm

::,c w Q_

(J)

0::

w

Q_

Bolzenverbindung zur Zug- und Momentenverbindung, gefräste Fingerzinken zur Querschubverbindung : Stahlbolzen , 16mm

z w z

0

f---

Untere Kassettenplatte mit Klebefläche und Montageöffnung: Furnierschichtholz , Fichte , 21 mm

(J)

0

Q_

z

w ::::> > M E T T E R A M S G A A R D -T H O M S E N

>> J E N N Y S A B I N

... ist Architektin und arbeitet im Bereich der interaktiven

... ist Arthur L. und Isabel B. Wiesenberger Professorin für

Technologien. Sie ist Professorin für Architektur und digitale

Architektur und Associate Dean für Design am Cornell Col-

Technologien an der Royal Danish Academy of Fine Arts

lege of Architecture, Art and Planning, Ithaca (IA), wo sie

(KADK) und forscht an der School of Architecture and Design

den Forschungsstudiengang „Matter Design Computation“

der University of Brighton. Weiterhin leitet Mette Ramsgaar-

aufgebaut hat. Sie ist Leiterin des experimentellen Jenny

Thomsen, PhD, das CITA – Centre for Information Techno-

Sabin Studios für Architekturdesign in Ithaca und Direk-

logy and Architecture an der KADK. Sie forschte und lehrte

torin des Sabin Lab am Cornell AAP. Sie konzentriert sich

zuvor an der Bartlett School of Architecture UCL und an der

auf die Schnittstellen von Architektur und Wissenschaft

School of Architecture and Design der University of Brighton.

und wendet dabei Erkenntnisse und Theorien aus Biologie

Mette Ramsgaard-Thomsen hat in Kalkutta, Ahmedabad,

und Mathematik auf das Design von reaktionsfähigen Ma-

Amsterdam, Sydney, Perth, Halifax, Barcelona, Seoul, Kopen-

terialstrukturen und adaptiver Architektur an. Jenny Sabin

hagen, Aarhus, Bonn und Braunschweig unterrichtet. Ihre

besitzt einen Abschluss in Keramik und interdisziplinärer

Forschung konzentriert sich auf die Schnittstelle zwischen

visueller Kunst der University of Washington sowie einen

Architektur und Informatik sowie die Gestaltung von Räu-

Master of Architecture der University of Pennsylvania. Sie

men, die sowohl durch physische als auch durch digitale

erhielt die Auszeichnungen „Pew Fellowship in the Arts

Dimensionen definiert sind.

2010“ und „USA Knight Fellow in Architecture“. 2014 wurde sie mit dem renommierten „Architectural League Prize“ ausgezeichnet.

>> B O B S H E I L ... ist Professor für „Architecture and Design through Production“ an der Bartlett School of Architecture UCL in London und seit 2014 Direktor der Schule. Er ist fasziniert von den Schnittstellen von Entwurf, Herstellung, Handwerk und Konstruktion in der architektonischen Designpraxis. Bob Sheil ist Mitbegründer der renommierten internationalen Konferenz FABRICATE, für die er 2011 (London) und 2017 (Zürich) Co-Chair und Co-Editor war. Für die Veranstaltung 2020 in London ist er erneut Co-Editor der Publikation, zusammen mit den Konferenzleiterinnen Jenny Sabin und Jane Burry. Als Direktor der Bartlett School of Architecture hat er eine beispiellose Periode des Wachstums der 178 Jahre alten Institution mitbegleitet; einschließlich der Einführung von neun neuen Lehrprogrammen, darunter MEng „Engineering and Architectural Design“, MArch „Design for Manufacture“ und MArch „Design for Performance and Interaction“.

>> T H O M A S S P E C K

>> G E O R G V R AC H L I OT I S

... ist seit 2001 Professor für „Botanik: Funktionelle

... ist Professor für Architekturtheorie und Leiter der

Morphologie und Bionik“ und Direktor des Botanischen

Architektursammlung (saai | Südwestdeutsches Archiv

Gartens der Universität Freiburg. Er ist Sprecher des

für Architektur und Ingenieurbau) am Karlsruher Institut

Kompetenznetzes Biomimetik, Vizepräsident von BIOKON,

für Technologie KIT. Im Jahr 2016 wurde er zum Dekan der

international und stellvertretender Vorsitzender der Ge-

Fakultät für Architektur des KIT berufen. Zuvor lehrte und

sellschaft für Technische Biologie und Bionik. Dr. Thomas

forschte Dr. Georg Vrachliotis am Institut für Geschich-

Speck ist außerdem stellvertretender Direktor des Frei-

te und Theorie der Architektur (gta) der ETH Zürich. Er

burger Zentrums für Interaktive Materialien und Bio-Inspi-

studierte Architektur an der Universität der Künste Berlin

rierte Technologien (FIT), wissenschaftliches Mitglied des

und wurde 2009 an der ETH Zürich promoviert. Er war

Materialforschungszentrums Freiburg (FMF) und Mitglied

Gastforscher am Zentrum für Kognitionswissenschaften

des Sprecherteams des DFG-Exzellenzclusters livMatS

der Universität Freiburg, am Spatial Cognition Center

„Lebende, adaptive und energieautarke Werkstoffsysteme“.

der Universität Bremen und am UC Berkeley Department

Er erhielt mehrere wissenschaftliche Auszeichnungen, ist

of Architecture in Kalifornien. Von 2006 bis 2010 war er

(Mit-)Herausgeber wissenschaftlicher Bücher und Zeit-

Gastdozent für Architekturtheorie an der TU Wien. Georg

schriften und hat mehr als 280 wissenschaftliche Artikel in

Vrachliotis ist Mitglied des Beirats der Zeitschrift ARCH+

„peer-reviewed“ Fachmagazinen und Büchern auf den Ge-

und externer Prüfer an der Bartlett School of Architecture,

bieten der Funktionsmorphologie, Biomechanik, Biomime-

UCL in London.

tik, Evolutionsbiologie und Paläobotanik veröffentlicht.

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>> LITERATURVERWEISE >> A R C H I T E K T U R N E U D E N K E N S. 16–21: EXPERIMENTELLE ARCHITEKTUR FÜR DAS 21. JAHRHUNDERT [1] von Weizsäcker, C. F.: 1971, Einheit der Natur, Hanser Verlag, München, S. 23. [2] Vgl. Vrachliotis, G.: 2011, Geregelte Verhältnisse. Architektur und technisches Denken in der Epoche der Kybernetik, Springer Verlag, Wien/New York. [3] Für eine konzeptionelle Auseinandersetzung in der Architektur sei hier beispielhaft genannt: Buckminster Fuller, R.: 1968, Operating Manual for Spaceship Earth, Southern Illinois University Press, Carbondale. Zur erstmaligen Verwendung der Metapher des Raumschiffs vgl. Boulding, K. E.: The Economics of the Coming Spaceship Earth, in: Jarrett, H. (Hg.): 1966, Environmental Quality in a Growing Economy, Essays from the Sixth RFF Forum on Environmental Quality, The Johns Hopkins Press, Baltimore, S. 3–14. [4] Meadows, D. u. a.: 1972, Die Grenzen des Wachstums – Bericht des Club of Rome zur Lage der Menschheit (Originaltitel: The Limits to Growth, übers. von H.-D. Heck), DVA, Stuttgart. [5] Vgl. Biologie und Bauen, 1, IL Heft 3: 1971, Das Individuum und sein Milieu. Über die kritische Situation in der wachsenden Sozietät. Tierbauten, Städtebau und biologische Erkenntnis. Und ebenso: Biologie und Bauen, 2, IL Heft 4: 1972, Praktische Anwendung der Analogieforschung. Vom Hydroskelett zum Skelettmuskelsystem, Sandwichstrukturen bei Vogelschädeln. Zum Leichtbauprinzip der Organismen, Extremitätenstatik, Institut für Leichte Flächentragwerke, Universität Stuttgart. [6] Einer der ersten und engsten Mitarbeiter von Frei Otto war Berthold Burkhardt. Am Institut für Leichte Flächentragwerke (IL) der Universität Stuttgart war er an etlichen Bauund Forschungsprojekten beteiligt und verantwortlicher Redakteur für zahlreiche IL Publikationen. [7] Vgl. Bauwelt, 20: 2015, Frei nach Otto. Sieben Betrachtungen zu seinem Erbe. Hier insbesondere: Sobek, W.: „IL wird zu ILEK“, S. 14–18, und Menges, A.: „Form und Findung“, S. 30–33. Mit dem Erbe von Frei Otto beschäftigte sich auch das vom Autor im Januar 2017 am ZKM Zentrum für Kunst und Medien Karlsruhe organisierte Symposium „Architektur als vermutete Zukunft“.

[8] Konzept zur Gründung eines neuen SFB mit dem Arbeitstitel „Natürliche Konstruktionen. Leichtbau in Architektur und Natur“ an der Universität Stuttgart in Verbindung mit der Universität Tübingen, Stuttgart (unveröffentlichtes Manuskript, 15. 7.1982), saai | Archiv für Architektur und Ingenieurbau, Karlsruher Institut für Technologie, Frei Otto Werkarchiv. [9] „I am not against digital processes at all, but emphasize the importance of understanding of what we are doing. Solving problems with software programs that are not specially written for the particular problem one is dealing with may lead to a lack of understanding of what is shown on the screen. Something may look perfect on the monitor, but that does not mean that you understand it or that it is functioning in real size.“ Hensel, M., Menges, A., Weinstock, M.: 2004, Frei Otto in Conversation with the Emergence + Design Group, 74 (3), S. 18–25 (veröffentlicht auf Englisch, Übers. des Autors). [10] Vgl. Schlaich, J.: Das Olympiadach in München. Wie war das damals? Was hat es gebracht?, in: Schmidt, J.-K. (Hg.): 1992, Behnisch & Partner. Bauten 1952–1992, Ausstellungskatalog, Galerie der Stadt Stuttgart, Stuttgart, S. 47–53.

S. 24–25: COMPUTATION STATT COMPUTERISIERUNG [11] Eine detaillierte Darlegung der Wechselbeziehung von Digitalisierung und Normierung findet sich bei: Menges, A.: 2018, Digitalisierung und Normierung, in ARCH+ 233: NormArchitektur, Berlin, S. 110–111. [12] Die dargelegte Bedeutung der zwei Begrifflichkeiten basiert auf einem der treffendsten Texte zu deren Abgrenzung im Kontext digitaler Entwurfs- und Planungsmethoden: Terzidis, K.: 2006, Algoritmic Architecture, Elsevier Architectural Press, Oxford, S. XI.

[14] Das konzeptionelle Rahmenwerk, das vielen der in diesem Buch enthaltenen Projekte zugrunde liegt, wurde u. a. hier eingeführt: Menges, A.: 2010, Form Generation and Materialization at the Transition from Computer-aided to Computational Design, in: Detail (English Edition), 2010(04), S. 330–335. [15] Wie ein datenbasierter Ansatz einen ganz neuen Zugang zum Entwerfen ermöglicht, wird beschrieben in: Carpo, M.: 2017, The Second Digital Turn Design Beyond Intelligence, MIT Press, Cambridge, MA.

S. 26–27: FORSCHENDES BAUEN UND BAUENDES FORSCHEN [16] Barry Bergdoll hat die Innovationskraft von Pavillons ausführlich beschrieben und passend zusammengefasst: „Die Kurzlebigkeit hat sich oft als Sprungbrett für Erneuerungen erwiesen. Es ist daher sogar möglich, die Geschichte der Architektur hin zu neuen Aufgaben, neuen Erfahrungen und neuen formalen, räumlichen und strukturellen Experimenten zu beschreiben, indem man dem verschlungenen Pfad des Pavillons folgt.“ Vgl. Bergdoll, B.: 2009, The Pavilion and the Expanded Possibilities of Architecture, in: Cachola Schmal, P., The Pavilion, Hatje Cantz, Ostfildern, S. 12–33. [17] Der Bezug unserer Pavillonbauten und die damit einhergehende Erforschung einer „materiellen Kultur“ – eine Begrifflichkeit, die eher in den Sozial-, Geschichts-, Technikund Kunstwissenschaften verwendet wird –, ist näher dargelegt in: Menges, A.: 2016, Computational Material Culture, in: Architectural Design, 86 (2), Wiley Academy, London, S. 76–83.

[13] Eine historische Herleitung und differenzierte Darlegung von Computation in Wechselwirkung mit architektonischem Entwurfsdenken findet sich in der Schriftensammlung: Menges, A., Ahlquist, S. (Hg): 2011, Computational Design Thinking, John Wiley and Sons, London.

>> I N T E G R AT I V E F O R S C H U N G S. 32–33: INTEGRATION VON FORM, MATERIAL, STRUKTUR UND RAUM [18] Alberti, L. B.: 1988, Zehn Bücher über die Baukunst, ins Dt. übertragen durch Theuer, M., unveränderter repograf. Nachdr. d. 1. Aufl., Wien und Leipzig, Heller 1912, Wissenschaftliche Buchgesellschaft Darmstadt. [19] Nelson Goodman differenziert zwischen Künsten, die auf ein Notationssystem angewiesen sind, und anderen, bei denen das nicht der Fall ist: Goodman, N.: 1968, Languages of Art: An Approach to a Theory of Symbols, Hackett Publishing, Indianapolis, S. 121. [20] Sanford Kwinter vergleicht „Computation“ mit anderen signifikanten technologischen Entwicklungen wie dem Teleskop oder dem Mikroskop, die unsere Sicht auf die Welt maßgeblich verändert und damit epochale Veränderungen hervorgerufen haben: Kwinter, S.: 2011, The Computational Fallacy, in: Menges, A., Ahlquist, S. (Hg.): Computational Design Thinking, Wiley, London, S. 211–215. [21] Unser Konzept des Material Computation haben wir in der gleichnamigen AD-Ausgabe vorgestellt: Menges, A. (Hg.): 2012, Material Computation – Higher Integration in Morphogenetic Design, in: Architectural Design, 82(2), Wiley Academy, London.

[22] Otto, F., Rasch B.: 1995, Gestalt finden – Auf dem Weg zu einer Baukunst des Minimalen, Edition Axel Menges, Stuttgart.

[26] Einen Überblick gibt z. B.: Vincent, J.: 2012, Structural Biomaterials, Princeton University Press, Princeton.

[23] Unser Ansatz einer tiefen Integration der digitalen Entwurfsgenerierung und physischen Materialisierung wurde umfassend dargelegt in: Menges, A. (Hg.): 2015, Material Synthesis – Fusing the Physical and the Computational, in: Architectural Design, 85(5), Wiley Academy, London.

[27] Möglichkeiten und Grenzen der Bionik für den konstruktiven Ingenieurbau werden beschrieben in: Knippers, J.: 2020, The Use of Biological Models for Building Engineering Design, in: Addis, B. (Hg.): Physical Models. Their Historical and Current Use in Civil and Building Engineering Design, Wiley/Ernst und Sohn, Berlin.

[24] Eine umfangreichere Darstellung der durch cyber-physische Produktionssysteme ermöglichten Veränderungen in: Menges, A.: 2015, The New Cyber-Physical Making in Architecture – Computational Construction, in: Architectural Design, 85 (5), Wiley Academy, London, S. 28–33.

[28] Eine ausführlichere Diskussion von Konstruktionsprinzipien in Natur und Technik findet sich in: Knippers, J., Speck, T.: 2012, Design and Construction Principles in Nature and Architecture, in: Bioinspiration and Biomimetics, 7(1), 015002.

S. 34–35: BIONIK ALS WISSENSCHAFTLICHES QUERDENKEN [25] Eine Übersicht interessanter und relevanter Eigenschaften findet sich in: Jeronimidis, G.: 2004, Biodynamics, in: Hensel, M., Menges, A. , Weinstock, M. (Hg.): Emergence: Morphogenetic Design Strategies, in: AD Architectural Design, 74 (3), Wiley Academy, London, S. 90–96.

[29] Die Möglichkeit der Übertragung von morphogenetischen Bildungs- und Prozessprinzipien in den architektonischen Entwurf wird näher erläutert in: Menges, A.: 2012, Biomimetic Design Processes in Architecture: Morphogenetic and Evolutionary Computational Design, in: Bioinspiration and Biomimetics, 7(1), 015003.

[30] Ein Überblick über die in den Jahren 2014 bis 2019 an den Universitäten Stuttgart, Freiburg und Tübingen innerhalb des SFB TRR 141 durchgeführte Grundlagenforschung im Bereich Bionik findet sich in: Knippers, J., Schmid, U., Speck, T. (Hg.): 2019, Bionisch Bauen – Von der Natur lernen, Birkhäuser, Basel, S. 208.

[35] Die Möglichkeit, mit digitalen Planungsmethoden etablierte Tragwerkstypologien zu überwinden, wird näher diskutiert in: Knippers, J.: 2013, From Model Thinking to Process Design, in: AD Architectural Design, 2, S. 74–81.

S. 36–37: NEUE TYPOLOGIEN FÜR

[37] Das traditionelle Verständnis von Leichtbau wird diskutiert und kritisch reflektiert in: Knippers, J., Helbig, T.: 2014, Das Prinzip Leichtbau und seine Bedeutung für das konstruktive Entwerfen, in: Stahlbau, 83(11), S. 777–783.

TRAGWERKE [31] Knippers, J., Menges, A.: 2017, Computerbasierte Prozesse für bionische Tragkonstruktionen, in: Lang, W., Hellstern, C. (Hg.): Visionäre und Alltagshelden: Ingenieure Bauen Zukunft, München: Detail Business Information GmbH, S. 51–57. [32] Die Konstituierung des Berufsbildes des Bauingenieurs im 19. Jahrhundert wird am Beispiel Schwedlers beschrieben in: Knippers, J.: 2000, Johann Wilhelm Schwedler: Vom Experiment zur Berechnung, in: Deutsche Bauzeitung (db) 04/00, S. 105–112. [33] Polonyi beschreibt den Einfluss grundsätzlicher Denkmodelle auf das Ingenieurwesen sehr anschaulich in: Polonyi, S.: 1987, Einfluss der Wissenschaft auf das Bauwesen, in: … mit zaghafter Konsequenz. Aufsätze und Vorträge zum Tragwerksentwurf 1961–1987, Vieweg, Braunschweig (= Bauwelt Fundamente 81). [34] Die heute übliche Typologisierung der Tragsysteme findet in der Mitte des 20. Jahrhunderts statt. Ein häufig zitiertes Beispiel ist: Engels, H.: 1967, Tragsysteme / Structure Systems, Deutsche Verlagsanstalt DVA, Stuttgart.

[36] Knippers, J.: 2012, Von der Konstruktion des Bauwerks zur Gestaltung der Prozesse, in: Detail, 10, S. 1142–1148.

[38] Für die Ingenieure des ausgehenden 20. Jahrhunderts war Leichtbau das zentrale Leitthema, wie zum Beispiel hier beschrieben: Schlaich, J.: 2013, Leichtbau – wieso und wie?, in: Bögle, A., Cachola Schmal, P., Flagge, I. (Hg): Leicht weit / Light Structures, Jörg Schlaich – Rudolf Bergermann, Prestel, München u. a. [39] Die Herausforderungen der additiven Fertigung an die Tragwerksanalyse werden erörtert in: Knippers, J.: 2017, The Limits of Simulation: Towards a New Culture of Architectural Engineering, in: Technology, Architecture + Design, 1(2), S. 155–162.

S. 38–39: INNOVATION HOLZ [40] Einen ausführlichen Überblick über durch digitale Technologien entstehende Möglichkeiten für den Holzbau bietet: Menges, A.: 2016, Integrative Design Computation for Advancing Wood Architecture, in: Menges, A., Schwinn, T., Krieg, O. (Hg.): Advancing Wood Architecture – A Computational Approach, Routledge, Oxford, S. 97–110.

S. 40–41: INNOVATION FASERVERBUNDWERKSTOFFE [41] Die historische Entwicklung und der Stand der Faserverbundtechnik in der Architektur sind beschrieben in: Knippers, J., Gabler, M., Lienhard, J., Cremers, J.: 2010, Atlas Kunststoffe + Membranen: Werkstoffe und Halbzeuge, Formfindung und Konstruktion, in: Edition Detail, München. [42] Eine detaillierte Herleitung der architektonischen Möglichkeiten und Erfordernisse findet sich in: Menges, A., Knippers, J.: 2015, Fibrous Tectonics, in: Architectural Design, 85(5), Wiley Academy, London, S. 40–47. [43] Das architektonische Potenzial von Faserverbundstrukturen ist hier ausführlicher erläutert: Menges, A., Knippers, J.: 2017, Architektonisches Potential tragender Faserverbundstrukturen, in: DBZ Deutsche BauZeitschrift, 12, Gütersloh, S. 61–66. [44] Die Entstehung einer neuen Konstruktionssprache haben wir in folgendem Beitrag ausführlicher beschrieben: Knippers, J., Menges, A.: 2015, Fasern neu gedacht – auf dem Weg zu einer Konstruktionssprache, in: Detail, 12, S. 1238–1242. [45] Eine weiterführende umfassende Untersuchung architektonischer Morphologien zu diesem Ansatz findet sich in: Menges, A. (Hg.): 2016, Material Performance – Fibrous Tectonics & Architectural Morphology, Harvard University GSD, Cambridge (MA).

>> E X T E R N E P O S I T I O N E N S. 66–67: ARCHITEKTUR UND BIONIK [46] Speck, T., Speck, O.: 2008, Process Sequences in Biomimetic Research, in: Brebbia, C. A. (Hg.): Design and Nature, IV, WIT Press, Southampton, S. 3–11. [47] Knippers, J., Nickel, K. G., Speck, T. (Hg.): 2016, Biomimetic Research for Architecture and Building Construction: Biological Design and Integrative Structures, in: Biologically-Inspired Systems, 8, Springer International Publishing, Cham (DOI: 10.1007/978-3-319-46374-2). [48] Lienhard, J., Schleicher, S., Poppinga, S., Masselter, T., Milwich, M., Speck, T., Knippers, J.; 2011, Flectofin: A Nature Based Hinge-less Flapping Mechanism, in: Bioinspiration and Biomimetics, 6(4), 045001. [49] Körner, A., Born, L., Mader, A., Sachse, R., Saffarian, S., Westermeier, A. S., Poppinga, S., Bischoff, M., Gresser, G. T., Milwich, M., Speck, T., Knippers, J.: 2018, Flectofold – A Biomimetic Compliant Shading Device for Complex Free Form Facades, in: Smart Materials and Structures, 27(1), 017001.

[50] Correa, D., Poppinga, S., Mylo, M., Westermeier, A. S., Bruchmann, B., Menges, A., Speck, T.: 2019, Biomimetic 4D Printed Autonomous Scale and Flap Structures Capable of Multi-Phase Movement, in: Philosophical Transactions of the Royal Society London A.

[54] Lovelace, A.: 1843, „Notes“ to a „Sketch of the Analytical Engine Invented by Charles Babbage, by L.F. Menabrea“, in: Scientific Memoirs, 3, Richard and John E. Taylor, London.

[51] Speck, T.: 2015, Approaches to Bio-inspiration in Novel Architecture, in: Imhof, B., Gruber, P. (Hg.): Built to Grow – Blending Architecture and Biology, Birkhäuser, Basel, S. 145–149.

[56] Sabin, J., Jones, P. L.: 2017, LabStudio: Design Research Between Architecture and Biology, Routledge Taylor and Francis, London/New York.

[52] Speck, T., Speck, O.: 2019, Emergence in Biomimetic Materials Systems, in: Wegner, L. H., Lüttge, U. (Hg.): Emergence and Modularity in Life Sciences, Springer Nature, Basel, S. 97–115.

[55] Frei zitiert nach Le Ricolais, 1973.

[57] Sabin, J.: 2015, Transformative Research Practice: Architectural Affordances and Crisis, in: Journal of Architectural Education, 69(1), S. 63–71.

S. 112–113: KOMPLEXITÄT UND WIDER-

S. 88–89: MATERIALKULTUR

SPRUCH VON MATERIAL COMPUTATION

[53] Sabin, J. u. a.: 2020, Embedded Architecture: Ada, Driven by Humans, Powered by AI, in Vorbereitung für Fabricate 2020, UCL, Bartlett, London.

[58] Zitiert nach: Novalis: 1997, Gedichte / Die Lehrlinge zu Sais, Philipp Reclam jun., Stuttgart, Kap. 1: Der Lehrling.

>> E X P E R I M E N T E LL E S B AU E N S. 46–55: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010 [59] Fleischmann, M., Knippers, J., Lienhard, J., Menges, A., Schleicher, S.: 2012, Material Behaviour: Embedding Physical Properties in Computational Design Processes, in: Architectural Design, 82(2), Wiley Academy, London, S. 44–51. [60] Menges, A.: 2011, Integrative Design Computation: Integrating Material Behaviour and Robotic Manufacturing Processes in Computational Design for Performative Wood Constructions [Proceedings of the 31st Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture (ACADIA)], Banff (Kanada), 13.–16.10.2011, S. 72–81.

[61] Fleischmann, M., Menges, A.: 2011, ICD/ITKE Research Pavilion: A Case Study of Multi-Disciplinary Computational Design, in: Gengnagel, C., Kilian, A., Palz, N., Scheurer, F. (Hg.): Computational Design Modeling [Proceedings of the Design Modeling Symposium Berlin], Springer, Berlin/Heidelberg, S. 239–248 (DOI: 10.1007/978-3-642-23435-4_27). 62] Menges, A., Schleicher, S., Fleischmann, M.: 2011, Research Pavilion ICD/ITKE, in: Glynn, R., Sheil, B. (Hg.): Proceedings of the Fabricate: Making Digital Architecture Conference, University College London, UK, 15.–16.4.2011, Riverside Architectural Press, Waterloo, S. 22–27. [63] Knippers, J., Menges, A.: 2011, ICD/ITKE Research Pavilion 2010, in: A+U: Timber Innovation, 7(490), S. 10–15.

S. 56–65: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2011 [64] La Magna, R., Gabler, M., Reichert, S., Schwinn, T., Waimer, F., Menges, A., Knippers, J.: 2013, From Nature to Fabrication: Biomimetic Design Principles for the Production of Complex Spatial Structures, in: International Journal of Spatial Structures, 28(1), S. 27–40 (DOI: 10.1260/02663511.28.1.27). [65] Menges, A.: 2012, Morphospaces of Robotic Fabrication – From Theoretical Morphology to Design Computation and Digital Fabrication in Architecture, in: Brell Cokcan, S., Braumann, J. (Hg.): Proceedings of the Robots in Architecture Conference 2012, TU Wien, Springer, Wien, S. 28–47 (DOI: 10.1007/978-3-7091-1465-0_3).

224

225

[66] Schwinn, T., Krieg, O., Menges, A.: 2012, Robotically Fabricated Wood Plate Morphologies – Robotic Prefabrication of a Biomimetic, Geometrically Differentiated Lightweight Finger Joint Timber Plate Structure, in: Brell Cokcan, S., Braumann, J. (Hg.): Proceedings of the Robots in Architecture Conference 2012, TU Wien, Springer, Wien, S. 48–61. [67] Knippers, J., Menges, A., Gabler, M., La Magna, R., Waimer, F., Reichert S., Schwinn, T.: 2012, From Nature to Fabrication: Biomimetic Design Principles for the Production of Complex Spatial Structures, in: Hesselgren, L., Sharma, S., Wallner, J., Baldassini, N., Bompas, P., Raynaud, J. (Hg.): 2012, Advances in Architectural Geometry, Springer, Wien/ New York, S. 107–122.

[78] Parascho, S., Dörstelmann, M., Prado, M., Menges, A., Knippers, J.: 2015, Modular Fibrous Morphologies: Computational Design, Simulation and Fabrication of Differentiated Fibre Composite Building Components, in: Block, P., Knippers J., Mitra, N., Wang, W. (Hg.): Advances in Architectural Geometry 2014, Springer International Publishing, Cham, S. 109–125 (DOI: 10.1007/978-3-319-11418-7_1). [79] Dörstelmann, M., Parascho, S., Prado, M., Menges, A., Knippers, J.: 2014, Integrative Computational Design Methodologies for Modular Architectural Fiber Composite Morphologies, in: Design Agency [Proceedings of the 34th Annual Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture (ACADIA)], Los Angeles, S. 219–228.

[68] Schwinn, T., Krieg, O., Menges, A., Mihaylov, B., Reichert, S.: 2012, Machinic Morphospaces: Biomimetic Design Strategies for the Computational Exploration of Robot Constraint Spaces for Wood Fabrication, in: Cabrinha, M., Johnson, J., Steinfeld, K. (Hg.): Proceedings of the 32nd Annual Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture (ACADIA), San Francisco, S. 157–168.

[80] Prado, M., Dörstelmann, M., Schwinn, T., Menges, A., Knippers, J.: 2014, Coreless Filament Winding: Robotically Fabricated Fiber Composite Building Components, in: McGee, W., Ponce de Leon, M. (Hg.), Proceedings of the Robots in Architecture Conference 2014, University of Michigan, S. 275–289.

[69] Menges, A., Schwinn, T.: 2012, Manufacturing Reciprocities, in: Architectural Design, 82(2), Wiley Academy, London, S. 118–125.

S. 90–99: FORSTPAVILLON

S. 68–77: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012 [70] Knippers, J., La Magna, R., Menges, A., Reichert, S., Schwinn, T., Waimer, F.: 2015, ICD/ITKE Research Pavilion 2012 – Coreless Filament Winding on the Morphological Principles of an Arthropod Exoskeleton, in: Architectural Design, 85(5), Wiley Academy, London, S. 48–53 (DOI: 10.1002/ad.1953). [71] Reichert S., Schwinn, T., La Magna, R., Waimer, F., Knippers, J., Menges, A.: 2014, Fibrous Structures: An Integrative Approach to Design Computation, Simulation and Fabrication for Lightweight, Glass and Carbon Fibre Composite Structures in Architecture based on Biomimetic Design Principles, in: CAD Journal, 52(Juli), S. 27–39 (DOI: 10.1016/j.cad.2014.02.005). [72] Waimer, F., La Magna, R., Reichert S., Schwinn, T., Menges, A., Knippers, J.: 2013, Bionisch-inspirierte Faserverbundstrukturen: Prinzipien für Fertigung und Auslegung, in: Bautechnik, 90(12), S. 766–771 (DOI: 10.1002 / bate.201300079). [73] La Magna, R.; Waimer, F.; Knippers, J.: 2016, Coreless Winding and Assembled Core – Novel Fabrication Approaches for FRP Based Components in Building Construction, in: Building and Costruction Materials (127). pp. 1009-1016 (DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.01.015). [74] Waimer, F., La Magna, R., Reichert, S., Schwinn, T., Knippers, J., Menges, A.: 2013, Integrated Design Methods for the Simulation of Fibre-Based Structures, in: Gengnagel, C., Kilian, A., Nembrini, J., Scheurer, F. (Hg.): Rethinking Prototyping [Proceedings of the Design Modeling Symposium Berlin 2013], Verlag der Universität der Künste Berlin, Berlin, S. 277–290. [75] Menges, A., Knippers, J.: 2015, Robotic Fabrication. ICD/ ITKE Research Pavilion 2012, in: Andia, A., Spiegelhalter, L. (Hg.): Postparametric Automation in Design and Construction, Artech House, Boston, MA, S. 181–187. [76] Waimer, F., La Magna, R., Knippers, J.: 2013, Integrative Numerical Techniques for Fibre Reinforced Polymers – Forming Process and Analysis of Differentiated Anisotropy, in: Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures, 54, S. 301–309.

S. 78–87: ICD/ITKE

[81] Horn, R., Groenewolt, A., Krieg, O., Gantner, J.: 2018, Ökobilanzierung von Lebensende-Optionen, Szenarien im bauphysikalischen Kontext am Beispiel segmentierter Holzschalenkonstruktionen, in: Bauphysik, 5, S.298–306 (DOI 10.1002/bapi.201800007). [82] Grun, T. B., Koohi Fayegh Dehkordi, L., Schwinn, T., Sonntag, D., von Scheven, M., Bischoff, M., Knippers, J., Menges, A., Nebelsick, J. H.: 2016, The Skeleton of the Sand Dollar as a Biological Role Model for Segmented Shells in Building Construction: A Research Review, in: Knippers, J., Nickel, K. G., Speck, T. (Hg.): Biomimetic Research for Architecture and Building Construction: Biological Design and Integrative Structures, 8, Springer International Publishing, Cham, S. 217–242 (DOI: 10.1007/978-3-319-46374-2_11). [83] Schwinn, T., Menges, A.: 2015, Fabrication Agency – Landesgartenschau Exhibition Hall, in: Architectural Design, 85(5), Wiley Academy, London, S. 92–99 (DOI: 10.1002/ ad.1960). [84] Krieg, O., Schwinn, T., Menges, A.: 2015, Neue Holztechnologien: Robotisch gefertigter Leichtbau, in: holztechnologie, 2, S. 20–26. [85] Krieg, O., Schwinn, T., Menges, A., Li, J., Knippers, J., Schmitt, A., Schwieger, V.: 2015, Biomimetic Lightweight Timber Plate Shells: Computational Integration of Robotic Fabrication, Architectural Geometry and Structural Design, in: Block, P., Knippers, J., Mitra, N., Wang, W. (Hg.): Advances in Architectural Geometry 2014, Springer International Publishing, Cham, S.109–125 (DOI: 10.1007/978-3-31911418-7_8). [86] Schwinn, T., Krieg, O., Menges, A.: 2014, Behavioral Strategies: Synthesizing Design Computation and Robotic Fabrication of Lightweight Timber Plate Structures, in: Design Agency [Proceedings of the 34th Annual Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture (ACADIA)], Los Angeles, S. 177–188. [87] Schwinn, T.: 2016, Landesgartenschau Exhibition Hall, in: Menges, A., Schwinn, T., Krieg, O. (Hg): Advancing Wood Architecture – A Computational Approach, Routledge, Oxford, S. 111–124. [88] Li, J.-M., Knippers, J.: 2015: Segmental Timber Plate Shell for the Landesgartenschau Exhibition Hall in Schwäbisch Gmünd – the Application of Finger Joints in Plate Structure, in: International Journal of Space Structures, 30(2), S. 123–139. [89] Li, J.-M., Knippers, J.: 2015: Pattern and Form – Their Influence on Segmental Plate Shells [Proceedings of the IASS Symposium 2015], Amsterdam.

S. 102–111: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2014/15 [90] Vasey, L., Baharlou, E., Dörstelmann, M., Koslowski, V., Prado, M., Schieber, G., Menges, A., Knippers, J.: 2015, Behavioral Design and Adaptive Robotic Fabrication of a Fiber Composite Compression Shell with Pneumatic Formwork, in: Combs, L., Perry, C. (Hg.): Computational Ecologies: Design in the Anthropocene [Proceedings of the 35th Annual Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture (ACADIA)], University of Cincinnati, Cincinnati (OH), S. 297–309. [91] Schieber, G., Koslowski, V., Dörstelmann, M., Prado, M., Vasey, L., Knippers, J., Menges A.: 2015, Integrated Design and Fabrication Strategies for Fibrous Structures, in: Ramsgaard Thomsen, M., Tamke, M., Gengnagel, C., Faircloth, B., Scheurer, F. (Hg.): 2015, Modelling Behaviour [Proceedings of the Design Modelling Symposium Copenhagen 2015], Springer, Heidelberg u. a., S. 237–246 (DOI: 10.1007/978-3319-24208-8_20). [92] Dörstelmann, M., Knippers, J., Koslowski, V., Menges, A., Prado, M.,Schieber, G., Vasey, L.: 2015, ICD/ITKE Research Pavilion 2014–15 – Fibre Placement on a Pneumatic Body Based on a Water Spider Web, in: Architectural Design, 85(5), Wiley, London, S. 60–65 (DOI: 10.1002/ad.1955).

S. 114–123: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2015/16 [93] Alvarez, M. E., Martinez-Parachini, E. E., Baharlou, E., Krieg, O. D., Schwinn, T., Vasey, L., Hua, C., Menges, A., Yuan, P. F.: 2018, Tailored Structures, Robotic Sewing of Wooden Shells, in: Willmann, J., Block, P., Hutter, M., Byrne, K., Schork, T. (Hg.): Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design 2018 [Proceedings of the RobArch Conference 2018], Springer, Cham, S. 405–420 (DOI: 10.1007/978-3-31992294-2_31). [94] Schwinn, T., Krieg, O., Menges, A.: 2016, Robotic Sewing: A Textile Approach Towards the Computational Design and Fabrication of Lightweight Timber Shells, in: Posthuman Frontiers: Data, Designers, and Cognitive Machines, [Proceedings of the 36th Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture (ACADIA)], Ann Arbor (MI), S. 224–233. [95] Bechert, S., Knippers, J., Krieg, O., Menges, A., Schwinn, T., Sonntag, D.: 2016, Textile Fabrication Techniques for Timber Shells: Elastic Bending of Custom-Laminated Veneer for Segmented Shell Construction Systems, in: Adriaenssens, S., Gramazio, F., Kohler, M., Menges, A., Pauly, M. (Hg.): Advances in Architectural Geometry 2016, vdf Hochschulverlag AG ETH Zürich, Zürich, S. 154–169. [96] Grun, T. B., Koohi Fayegh Dehkordi, L., Schwinn, T., Sonntag, D., von Scheven, M., Bischoff, M., Knippers, J., Menges, A., Nebelsick, J. H.: 2016, The Skeleton of the Sand Dollar as a Biological Role Model for Segmented Shells in Building Construction: A Research Review, in: Knippers, J., Nickel, K. G., Speck, T. (Hg.): Biomimetic Research for Architecture and Building Construction: Biological Design and Integrative Structures, 8, Springer International Publishing, Cham, S. 217–242 (DOI: 10.1007/978-3-319-46374-2_11). [97] Sonntag, D., Bechert, S., Knippers, J.: 2017. Biomimetic Timber Shells Made of Bending-active Segment, in: International Journal of Space Structures, 32(3-4), S. 149–159 (DOI: 10.1177/0266351117746266). [98] Telford, M.: 1985, Domes, Arches and Urchins: The Skeletal Architecture of Echinoids (Echinodermata), in: Zoomorphology, 105, S. 114–124.

S. 126–135: ICD/ITKE

FORSCHUNGSPAVILLON 2013/14

FORSCHUNGSPAVILLON 2016/17

[77] Dörstelmann, M., Knippers, J., Menges, A., Parascho, S., Prado, M., Schwinn, T.: 2015, ICD/ITKE Research Pavilion 2013–14 – Modular Coreless Filament Winding Based on Beetle Elytra, in: Architectural Design, 85(5), Wiley Academy, London, S. 54–59 (DOI: 10.1002/ad.1954).

[99] Solly, J., Früh, N., Saffarian, S., Prado, M., Vasey, L., Felbrich, B., Reist, D., Knippers, J., Menges, A.: 2018, ICD/ITKE Research Pavilion 2016/2017: Integrative Design of a Composite Lattice Cantilever, in: IASS – Creativity in Structural Design [Proceedings of the IASS Symposium 2018], Boston, S. 28–40.

[100] Felbrich, B., Früh, N., Prado, M., Saffarian, S., Solly, J., Vasey, L., Knippers, J., Menges, A.: 2017, Multi-Machine Fabrication: An Integrative Design Process Utilising an Autonomous UAV and Industrial Robots for the Fabrication of Long-Span Composite Structures, in: ACADIA – Disciplines & Disruption [Proceedings of the ACADIA Conference 2017], Cambridge (MA), S. 248–259. [101] Solly, J., Früh, N., Saffarian, S., Aldinger, L., Margariti, G., Knippers, J.: 2019, Structural Design of a Lattice Composite Cantilever, in: Structures, 18, S. 28–40 (DOI:10.1016/j. istruc.2018.11.019). [102] Vasey, L., Felbrich, B., Prado, M., Tahanzadeh, B., Menges, A.: 2020, Physically Distributed Multi-Robot Coordination and Collaboration in Construction, in: Construction Robotics (4), 3–18 (DOI: 10.1007/s41693-020-00031-y).

S. 136–147: ELYTRA FILAMENT PAVILION [103] Prado, M., Dörstelmann, M., Solly, J., Menges, A., Knippers, J.: 2017, Elytra Filament Pavilion: Robotic Filament Winding for Structural Composite Building Systems, in: Fabricate – Rethinking Design and Construction [Proceedings of the Fabricate Conference 2017], Stuttgart, S. 224–233. [104] Menges, A., Knippers, J.: 2019, Elytra Filament Pavilion, in: Retsin, G., Jimenez, M., Claypool, M., Soler, V. (Hg.): Robotic Building: Architecture in the Age of Automation, Detail Special, München, S. 34–37. [105] Menges, A., Knippers, J.: 2018, Fibrous Tectonics, in: Daas, M., Wit, A. (Hg.): Towards a Robotic Architecture, ORO Editions, Novato, S. 64–75. [106] Menges, A., Knippers, J.: 2017, Architektonisches Potential tragender Faserverbundstrukturen, in: DBZ Deutsche BauZeitschrift, 12, S. 61–66.

S. 150–161: BUGA HOLZPAVILLON [107] Alvarez, M., Wagner, H. J., Groenewolt, A., Krieg, O. D., Kyjanek, O., Aldinger, L., Bechert, S., Sonntag, D., Menges, A., Knippers, J.: 2019, The Buga Wood Pavilion – Integrative Interdisciplinary Advancements of Digital Timber Architecture, in: ACADIA – Ubiquity and Autonomy [Proceedings of the ACADIA Conference 2019], The University of Texas, Austin, S. 490–499. [108] Krieg, O. D., Bechert, S., Groenewolt, A., Horn, R., Knippers, J., Menges, A.: 2018, Affordances of Complexity: Evaluation of a Robotic Production Process for Segmented Timber Shell Structures, in: WCTE [Proceedings of the 2018 World Conference on Timber Engineering], Seoul, S. 1–8. [109] Bechert, S., Groenewolt, A., Krieg, O., Menges, A., Knippers, J.: 2018, Structural Performance of Construction Systems for Segmented Timber Shell Structures, in: IASS – Creativity in Structural Design [Proceedings of the IASS Symposium 2018], Boston (MA). [110] Menges, A., Knippers, J., Wagner, H. J., Sonntag, D.: 2019, BUGA Holzpavillon – Freiformfläche aus robotisch gefertigten Nulltoleranz-Segmenten, in: 25. Internationales Holzbau-Forum IHF 2019, S. 129–138. [111] Schwinn, T., Sonntag, D., Grun, T., Nebelsick, J., Knippers, J., Menges, A.: 2019, Anwendungsmöglichkeiten von Segmentschalen in der gebauten Architektur, in: Knippers, J., Schmid, U., Speck, T. (Hg.): Bionisch bauen: Von der Natur lernen, Birkhäuser, Basel, S. 116–125. [112] Menges, A., Schwinn, T., Wagner, H. J.: 2018, Bionische segmentierte Holzplattenschalen: integrative agentenbasierte Modellierung und robotische Fertigung, in: 24. Internationales Holzbau-Forum IHF 2018, S. 239–249.

S. 162–173: BUGA FASERPAVILLON [113] Bodea, S., Dambrosio, N., Zechmeister C., Gil-Pérez M., Koslowski V., Rongen, B., Dörstelmann, M., Kyjanek O., Menges, A., Knippers, J.: 2020, BUGA Fibre Pavilion: Towards Robotically Fabricated Composite Building Structures, in: Burry, J., Sabin, J., Sheil, B., Skavara, M., (eds.), Fabricate 2020: Making Resilient Architecture, UCL Press, London, pp. 234-243.

[114] Dambrosio, N., Zechmeister, C., Bodea, S., Koslwoski, V., Gil Perez, M., Rongen, B., Knippers, J., Menges, A.: 2019, Towards an Architectural Application of Novel Fiber Composite Building Systems – The BUGA Fibre Pavilion, in: ACADIA – Ubiquity and Autonomy [Proceedings of the ACADIA Conference 2019], The University of Texas, Austin. [115] Zechmeister, C., Bodea, S., Dambrosio, N., Menges, A.: 2020, Design for Long-Span Core-Less Wound, Structural Composite Building Elements, in: Gengnagel, C., Baverel, O., Burry, J., Ramsgaard Thomsen, M., Weinzierl, S. (Hg.): Impact: Design With All Senses, Springer International Publishing, Cham, S. 401–415 (DOI: 10.1007/978-3-030-29829-6 32). [116] Rongen, B., Koslowski, V., Gil Perez, M., Knippers, J.: 2019, Structural Optimisation and Rationalisation of the BUGA Fibre Composite Dome, in: Lázaro, C., Bletzinger, K. U., Lázaro O.C. (Hg.): Proceedings of the IASS 2019 Symposium, Barcelona. [117] Gil Perez, M., Dambrosio, N., B. Rongen, B., Menges A., Knippers, J.: 2019, Structural Optimization of Coreless Filament Wound Components Connection System Through Orientation of Anchor Points in the Winding Frames, in: Lázaro, C., Bletzinger, K. U., Lázaro O. C. (Hg): Proceedings of the IASS 2019 Symposium in Barcelona.

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S. 176–187: URBACH TURM [118] Wood, D., Grönquist, P., Bechert, S., Aldinger, L., Riggenbach, D., Lehmann, K., Rüggeberg, M., Burgert, I., Knippers, J., Menges, A.: 2020, From Machine Control to Material Programming: Self-Shaping Wood Manufacturing of a High Performance Curved CLT Structure – Urbach Tower, in Burry, J., Sabin, J., Sheil, B., Skavara, M. (eds.), Fabricate 2020: Making Resilient Architecture, UCL Press, London, pp. 50-57. [119] Aldinger, L., Bechert, S., Wood, D., Knippers, J., Menges, A.: 2020, Design and Structural Modelling of Surface-Active Timber Structures Made from Curved CLT – Urbach Tower, Remstal Gartenschau 2019, in: Gengnagel, C., Baverel, O., Burry, J., Ramsgaard Thomsen, M., Weinzierl, S. (Hg.): Impact: Design With All Senses, Springer International Publishing, Cham, S. 419–432 (DOI: 10.1007/978-3-03029829-6 33). [120] Grönquist, P., Wood, D., Hassani, M., Wittel, F., Menges, A., Rüggeberg, M.: 2019, Analysis of Hygroscopic Self-Shaping Wood at Large Scale for Curved Mass Timber Structures, in: Science Advances, 5(9), S. eaax1311 (DOI: 10.1126/sciadv.aax1311). [121] Wood, D., Brütting, J., Menges, A.: 2018, Self-Forming Curved Timber Plates: Initial Design Modeling for Shape-Changing Material Buildups, in: IASS – Creativity in Structural Design [Proceedings of the IASS Symposium 2018], Boston (MA). [122] Wood, D., Vailati, C., Menges, A., Rüggeberg, M.: 2018, Hygroscopically Actuated Wood Elements for Weather Responsive and Self-Forming Building Parts – Facilitating Upscaling and Complex Shape Changes, in: Construction and Building Materials, 165, Elsevier (DOI: 10.1016/ S0950061817325394).

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>> BILDNACHWEISE

S. 4–5: DANKSAGUNG 1] ukartpics / Alamy Stock Photo (G1PJXA_alamy) S. 10–13: ICD UND ITKE, UNIVERSITÄT STUTTGART 1] Menges / Reichert, ICD University of Stuttgart 2] Ruslou Koorts 3, 4] ICD Universität Stuttgart 5] Lienhard, ITKE Universität Stuttgart 6] ITKE Universität Stuttgart S. 16–21: EXPERIMENTELLE ARCHITEKTUR FÜR DAS 21. JAHRHUNDERT 1, 2, 3, 5, 6] Frei Otto Archive, saai | Archive for Architecture and Civil Engineering, Karlsruhe Institute for Technology 4] Conné van Grachten 7] ICD/ITKE Universität Stuttgart S. 22–23: ARCHITEKTUR DIGITAL ANDERS DENKEN 1, 2] ICD/ITKE Universität Stuttgart S. 24–25: COMPUTATION STATT COMPUTERISIERUNG 1] Vitra Design Museum, Foto: Julien Lanoo 2] ICD/ITKE Universität Stuttgart S. 26–27: FORSCHENDES BAUEN UND BAUENDES FORSCHEN 1–2] ICD/ITKE Universität Stuttgart S. 46–55: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010 1] Roland Halbe 2] Menges, ICD Universität Stuttgart 3] Lienhard, ITKE Universität Stuttgart 4] Eisenhardt, Vollrath, Wächter, ICD/ITKE Universität Stuttgart 5] Eisenhardt, Vollrath, Wächter, ICD/ITKE Universität Stuttgart 6] Lienhard, ITKE Universität Stuttgart 7] Schleicher, ITKE Universität Stuttgart 8] Andrea Lautenschlager 9–12] Roland Halbe S. 56–65: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2011 1, 2] Roland Halbe 3–9] ICD/ITKE Universität Stuttgart 10] Menges/Schwinn, ICD Universität Stuttgart 11] Roland Halbe 12–14] ICD/ITKE Universität Stuttgart S. 68–77: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012 1] Roland Halbe 2, 3] ICD/ITKE Universität Stuttgart 4] Menges, ICD Universität Stuttgart 5–7] ICD/ITKE Universität Stuttgart 8] Menges, ICD Universität Stuttgart 9–10] ICD/ITKE Universität Stuttgart 11–12] Roland Halbe

S. 78–87: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2013/14 1] Roland Halbe 2–6] ICD/ITKE Universität Stuttgart 7] Prof. Oliver Betz, Anne Buhl, University of Tübingen 8–11] ICD/ITKE University of Stuttgart 12] Christoph Püschner / Fotojournalist 13] ICD/ITKE Universität Stuttgart S.90–99: FORSTPAVILLON 1, 2] ICD/ITKE/IIGS Universität Stuttgart 3, 4] James Nebelsick, Universität Tübingen 5–7] Menges/Schwinn, ICD Universität Stuttgart 8–9] ICD/ITKE/IIGS Universität Stuttgart 10] Menges/Schwinn, ICD Universität Stuttgart 11–14] ICD/ITKE/IIGS Universität Stuttgart S. 102–111: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2014/15 1, 2] Roland Halbe 3-9] ICD/ITKE Universität Stuttgartt 10] Roland Halbe 11] Regenscheit, Universität Stuttgart 12] Roland Halbe S. 114–123: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2015/16 1] ICD/ITKE Universität Stuttgart 2] Roland Halbe 3] ICD/ITKE Universität Stuttgart 4] Telford, 1985 5-13] ICD/ITKE Universität Stuttgart 14] Roland Halbe 15] ICD/ITKE Universität Stuttgart S. 126–135: ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2016/17 1, 2] Roland Halbe 3–10] ICD/ITKE Universität Stuttgart 11–13] Roland Halbe S. 136–147: ELYTRA FILAMENT PAVILION 1] NAARO 2] Roland Halbe 3] Dr. Thomas van de Kamp 4] ICD/ITKE Universität Stuttgart 5] Dr. Thomas van de Kamp, Prof. Dr. Hartmut Greven / Prof. Oliver Betz, Anne Buhl, Universität Tübingen 6–8] ICD/ITKE Universität Stuttgart 9] Menges, ICD Universität Stuttgart 10, 11] Victoria and Albert Museum, London 12–16] Roland Halbe 17] NAARO 18] Victoria and Albert Museum, London S. 150–161: BUGA HOLZPAVILLON 1, 2] Roland Halbe 3–12] ICD/ITKE Universität Stuttgart 13] Tina Schulze 14–16] Nikolai Brenner

S.162–173: BUGA FASERPAVILLON 1] ICD/ITKE Universität Stuttgart 2] Roland Halbe 3–8] ICD/ITKE Universität Stuttgart 9–10] Roland Halbe 11–12] Nikolai Brenner 13] Roland Halbe 14] ICD/ITKE Universität Stuttgart 15] Roland Halbe S. 176–187: URBACH TURM 1] Roland Halbe 2–14] ICD/ITKE Universität Stuttgart 15–17] Roland Halbe S.192–203: PERSPEKTIVE 1] IBA Thüringen, Foto Thomas Mueller 2, 3] ICD Universität Stuttgart 4–13] ICD/ITKE Universität Stuttgart 14] Allmann Sattler Wappner Architekten 15] Menges Scheffler Architekten 16–17] Lederer Ragnarsdóttir Oei / Menges Scheffler Architekten 18] Menges Scheffler Architekten 19] Allmann Sattler Wappner Architekten, Menges Scheffler Architekten, Jan Knippers Ingenieure S. 206–219: PROJEKTBETEILIGTE 206 und Icon: Roland Halbe 207 und Icon: Roland Halbe 208 und Icon: Roland Halbe 209 und Icon: Roland Halbe 210 und Icon: Achim Menges, Tobis Schwinn (ICD) 211 und Icon: Roland Halbe 212 und Icon: ICD/ITKE Universität Stuttgart 213 und Icon: Roland Halbe 214 und Icon: NAARO 215 und Icon: Roland Halbe 216 und Icon: ICD/ITKE Universität Stuttgart 217 und Icon: ICD/ITKE Universität Stuttgart 218: ICD/ITKE Universität Stuttgart S. 220–223: ZU DEN PERSONEN Menges/ Knippers: IntCDC Universität Stuttgart, Foto: G. Koelmel Block: Foto: Juney Lee Burry: Foto: Swinburne Portraits Cachola Schmal: Foto: Bernd Gabriel Picon: Foto zur Verfügung gestellt von Antoine Picon Ramsgaard-Thomsen: Foto zur Verfügung gestellt von Mette Ramsgaard-Thomsen, KADK Sabin: Foto: Jesse Winter, 2017 Sheil: Foto: Ronan Sheil Speck: Foto zur Verfügung gestellt von Thomas Speck, Botanischer Garten Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Vrachliotis: Foto: Ulrich Coenen S. 230–231: 1] ICD/ITKE Universität Stuttgart

>> IMPRESSUM

KONZEPT:

GENDERGERECHTE SPRACHE:

ICD – Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung

Die gendergerechte Schreibweise ist ein wichtiges Thema, dem in

Universität Stuttgart

dieser Publikation entsprochen werden soll. Eine ideale sprach-

Prof. Achim Menges

liche Lösung, die allen Geschlechteridentitäten gerecht wird, gibt

Keplerstraße 11

es derzeit noch nicht. Bei Personenbezeichnungen wird deshalb

70174 Stuttgart

in den vorliegenden Texten eine geschlechterdifferenzierende

www.icd.uni-stuttgart.de

Sprache gewählt, die sowohl die männliche als auch die weibliche Ansprache berücksichtigt. Bei Berufsbezeichnungen, besonders

ITKE – Institut für Tragkonstruktion und konstruktives Entwerfen

in Auflistungen, wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit an

Universität Stuttgart

einigen Stellen auf die weibliche Form verzichtet. Die verkürzte

Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers

Sprachform hat lediglich redaktionelle Gründe und beinhaltet

Keplerstraße 11

keine Wertung.

70174 Stuttgart

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www.itke.uni-stuttgart.de LIBRARY OF CONGRESS CONTROL NUMBER: 2020944153 in Kooperation mit Bettina Sigmund, aboutarchitecture Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: TEXTE:

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in

Achim Menges, Jan Knippers

der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

EXTERNE AUTOREN: Philippe Block, Jane Burry, Peter Cachola Schmal, Antoine Picon,

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch

Mette Ramsgaard-Thomsen, Jenny Sabin, Bob Sheil, Thomas

begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des

Speck, Georg Vrachliotis

Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der

PROJEKTKOORDINATION FÜR DIE AUTOREN:

Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in

Bettina Sigmund

Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder

PROJEKTKOORDINATION FÜR DEN VERLAG:

von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen

Alexander Felix, Freya Mohr

der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich

LEKTORAT: Ilka Backmeister

vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts.

LAYOUT, COVER, SATZ: Barbara Littig-Haas, Bettina Sigmund

ISBN 978-3-0356-2036-8

HERSTELLUNG: Heike Strempel

E-ISBN (PDF) 978-3-0356-2054-2 ENGLISCH PRINT-ISBN 978-3-0356-2039-9

PAPIER: Condat matt Périgord 1.1, 135 g/m² DRUCK: Eberl & Kœsel FinePrints, Altusried-Krugzell

© 2021 Birkhäuser Verlag GmbH, Basel Postfach 44, 4009 Basel, Schweiz

DANK: Achim Menges und Jan Knippers bedanken sich für die

Ein Unternehmen der Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder

9 8 7 6 5 4 3 2 1

EXC 2120/1 - 390831618.

www.birkhauser.com

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230

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Arbeitsmodelle: Die Ansammlung verwor-

linearen Entwicklungsprozesses sind,

fener Ansätze des ICD/ITKE Forschungs-

sondern das Resultat einer ergebnis-

pavillon 2012 zeigt, dass die im Buch

offenen Forschung mit vielen Irrwegen und

präsentierten Bauten nicht Ergebnis eines

Sackgassen.