Nie zuvor standen Architekten im Zeitraum weniger Jahre so umfassende, neue technologische Möglichkeiten zur Verfügung, die alle Teilbereiche des Entwerfens, Planens und Bauens betreffen. Nie zuvor sahen sich Architekten einer Situation gegenüber, die – nicht nur aufgrund des Klimawandels – ihren Aufgabenbereich so grundsätzlich in Frage stellt.

In der derzeitigen Architekturdiskussion und -produktion äußert sich dies durch zwei Phänomene, die sich im gegenseitigen Aufschaukeln gleichsam neutralisieren: Die Überforderung mit den Möglichkeiten neuer, digitaler Formfindungsmethoden und computergestützter Herstellungsverfahren auch in der Architektur kulminiert in einem gestalterischen Befreiungsschlag von materialspezifischen, konstruktiven und herstellungsbedingten Zwängen, der reflexartig die Auseinandersetzung mit einem neuen Formenkanon zur Priorität erhoben hat. Die grundlegenden Eigenschaften herkömmlicher Entwurfsmethoden und -ziele werden im wörtlichen Sinne nur oberflächlich in Frage stellt. Dies gilt auch für die hilflosen Versuche, der zeitgenössischen, objekt-fetischisierenden Architektur den Deckmantel des Ökologischen überzustülpen, der zwar alle technischen Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung des Objekts ausreizt, aber die entscheidende Frage der Relation zwischen architektonischem Objekt, menschlichem Subjekt und gebauter Umwelt weitgehend außer Acht lässt. Während das technologische Potenzial die Grenzen des Machbaren stets aufs Neue sprengt, stagniert die intellektuelle Auseinandersetzung mit dem Zweck und Ziel dieser Entwicklungen. Hinter der doppelt gekrümmten Fassade zeitgenössischer Architektur hat sich wenig Grundsätzliches verändert.

Nie zuvor war eine kritische Betrachtung und grundlegende Revision unserer tradierten Vorstellungen und festgefahrenen Definitionen von Architektur und Bauen so notwendig wie heute. Nie zuvor waren die Chancen einer solchen Infragestellung aufgrund eben jenes technologischen Fortschritts so günstig wie heute.

Wenn wir die Potenziale des Rechners nicht im Abstreifen aller formalen und konstruktiven Constraints sehen, sondern das computerbasierte Arbeiten als die Möglichkeit begreifen, eine enge Schnittstelle zwischen dem virtuellen und dem realen Raum zu schaffen, wenn wir die Beschaffenheit der materiellen Welt nicht als zu überwindend betrachten, sondern in ihren Logiken und Zwängen neue Wege erschließen, dann bedarf es einer Entwurfsmethodik, welche die tradierte Hierarchie von Form und Konstruktion durch einen Prozess integraler Formgenerierung und Materialisierung ersetzt. Wenn wir den Rechner nicht nur als besseres Zeichenwerkzeug benutzen, sondern die Herstellungs- und Fügungslogiken direkt an der Schnittstelle von CAD/CAM-Technologien einbetten, können wir jene Konstruktionsmethoden hinter uns lassen, die sich auf das Auswählen und Verteilen von Norm- und Gleichteilen im Raum beschränken. Wenn wir die Anpassung an Umweltbedingungen nicht als nachgeordnetes Optimierungsverfahren begreifen, sondern durch kontinuierliche Rückkopplung und analytische Verfahren in einen generativen Entwurfsprozess einbetten, wird die Modulierung von Raumklima, Licht, Schall zum integralen Bestandteil der Umweltgestaltung. Performance ist keine Frage der Anwendung von Lehrbuchprinzipien, sondern der räumlichen Differenzierung.

Nie zuvor hatten wir eine so große Chance, Architektur jenseits des Irrglaubens an eine totale räumliche und klimatische Kontrolle in der performativen Wechselwirkung von Material, Struktur und Umwelt zu entfalten. Nie zuvor hatten wir so gute Voraussetzungen, Architektur jenseits des repräsentativen Selbstzwecks tektonischer Objekte als differenzierte und reichhaltige Lebensräume zu konzipieren.

Nie zuvor hatten wir das technologische Potenzial, den Menschen und seine Umwelt in den Mittelpunkt einer alternativen Vorstellung von Nachhaltigkeit zu stellen. Woran es fehlt, ist ein intellektuelles Verständnis dieser ungeahnten Möglichkeiten und entsprechende, alternative Entwurfsansätze. Dies ist Ziel und Zweck dieser Ausgabe.

Nie zuvor war die Erforschung und Entwicklung solcher Entwurfsansätze so relevant wie heute, denn nie zuvor wurde auf unserem Planeten mehr gebaut.

ARCH+, So., 2008.07.27

Jedes Material steht in Wechselwirkung mit der es umgebenden Umwelt. In der Architektur bekannt ist vor allem die Längenausdehnung, also die Veränderungen...

Jedes Material steht in Wechselwirkung mit der es umgebenden Umwelt. In der Architektur bekannt ist vor allem die Längenausdehnung, also die Veränderungen der Abmessungen eines Stoffes bei Temperaturwechseln, und das Schwinden bzw. Schwellen bei Schwankungen des Feuchteanteils. Im Architekturentwurf, in Planung und Konstruktion wird meist versucht, dieses dem Material inhärente Verhalten weitmöglichst zu eliminieren oder durch entsprechende Toleranzbereiche abzufangen. Die spezifische Reaktion eines Materials auf wechselnde Umwelteinflüsse bietet jedoch die Chance, dieses Verhalten einem alternativen, auf Materialsystemen beruhenden Entwurfsansatz zugrundezulegen.

Das Ziel des Forschungsprojekts von Steffen Reichert ist die Entwicklung einer selbsttragenden Haut, die ihre Porosität und Luftdurchlässigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit selbsttätig anpassen kann, ohne hierfür zusätzliche mechanische oder elektronische Hilfsmittel zu benötigen. Das reaktive Verhalten wird durch Schwankungen der Luftfeuchtigkeit ausgelöst, die den Feuchteanteil eines hygroskopischen Materials beeinflusst und durch Schwinden bzw. Schwellen die Geometrie eines Bauteils ändern kann. Die Formveränderung eines solchen Elements kann dann in einem größeren System strategisch für die Anpassung an spezifische funktionale und performative Anforderungen genutzt werden. Ein Beispiel für solch reaktive Systeme in der Natur sind Fichtenzapfen, die sich noch wiederholt öffnen und schließen, auch nachdem sie vom Baum gefallen sind. Das hygroskopische Zellmaterial an der Unterseite der Schuppen des Zapfens nimmt bei steigender Luftfeuchtigkeit Flüssigkeit auf und schwillt an. Durch diese Längendehnung der Unterseite krümmt sich die Schuppe, öffnet den Zapfen und gibt den Samen frei, der jetzt auf günstigen, feuchten Nährboden fällt. Die Bewegung der Schuppen ist voll reversibel; sie weisen, wie eingehende Tests gezeigt haben, auch nach zahlreichen Öffnungs- und Schließzyklen keine Materialermüdung auf.
Das Verständnis und die Instrumentalisierung einer solch komplexen Dynamik der Wechselwirkungen aus Umwelteinflüssen, Materialeigenschaften und Systemverhalten bildet die Grundlage des hier vorgestellten Projekts. Die ersten Experimente betrachteten zunächst das Verhalten einfacher Furnierverbund-Elemente. Deren Formveränderung bei zunehmender Luftfeuchtigkeit und die dafür benötigte Reaktionszeit wurden in Abhängigkeit zu den wichtigsten Kennwerten wie Faserausrichtung, Adsorptionsfähigkeit und das Verhältnis aus Länge, Breite und Schichtstärke des Elements untersucht. Die Erkenntnisse dieser Versuchsreihe mündeten in der Definition einer Komponente, von der die Entwicklung eines Gesamtsystems ausgeht. Diese Komponente besteht aus zwei funktionalen Bereichen, einer tragenden Unterkonstruktion und zwei flüssigkeitsempfindlichen Furnierelementen. Um planare Verbindungsflächen sowohl zu den angrenzenden Komponenten als auch für die Furnierelemente ausbilden zu können, besteht die Unterkonstruktion aus einer Faltstruktur mit ebenen Deckflächen und Flanken. Diese Faltstruktur kann an einem Stück aus einem Plattenmaterial ausgeschnitten und auf- bzw. zusammengefaltet werden, d.h. Zusammenbau und Herstellung basieren auf einem ebenen Schnittmuster. Die erforderlichen geometrischen Eigenschaften der Strukturkanten wurden in einem auf assoziativer Geometrie aufbauenden parametrischen Modell verankert, das eine hohe Variationsbandbreite der Komponentengestalt zulässt. Die Schnittmuster des zweiten wichtigen Bestandteils jeder Komponente, der zwei dreieckigen Furnierelemente, sind ebenfalls in Abhängigkeit zur Faserrichtung in diesem parametrischen Modell definiert, da die Längenveränderung bei Zunahme des Feuchtegehalts hauptsächlich parallel zur Faserrichtung erfolgt.

Die Komponente kann sich bei starken Feuchtigkeitsschwankungen innerhalb von weniger als 20 Sekunden öffnen, wobei die Wasseraufnahme zu einer Krümmung des Furniers führt und dadurch eine Öffnung zwischen der Unterkonstruktion und den Elementen freigegeben wird. Diese Veränderung der lokalen Porosität und Luftdurchlässigkeit des Systems erfolgt in direkter Wechselwirkung mit den jeweiligen mikroklimatischen Bedingungen, die Komponente vereint in einem einfachen Furnierelement die Funktionen von Feuchtigkeitssensor, Stellmotor und Stellklappe. Die unmittelbare lokale Reaktionsfähigkeit jeder einzelnen Komponente wird Teil eines emergenten Klimamodulationssystems.

Auch die geometrische Definition der aus einer Vielzahl von Komponenten bestehenden Gesamtform spielt für die Wechselwirkung aus System und Umwelt eine wichtige Rolle. So hat die Kurvatur der Fläche nicht nur Einfluss auf deren Tragverhalten, sondern auch auf die Ausrichtung und Lage der Elemente im Feuchtigkeit zu- bzw. abführenden Luftstrom. Um die kritische Relation einzelner Komponenten, deren Lage im Gesamtsystem und der sie umgebenden mikro- und makrothermodynamischen Gegebenheiten im Entwurfsprozess besser fassen zu können, wurde die Gesamtform mathematisch definiert. Dies ermöglicht eine rechnergestützte Evolution des parametrischen Systems in direkter Rückkopplung mit dem thermodynamischen Simulationsverhalten einzelner Elemente und der Gesamtstruktur. Das so entstandene Materialsystem besteht aus 600 Komponenten, die aufgrund ihrer Lage und Funktion in der Gesamtstruktur alle geometrisch unterschiedlich sind, aber auf derselben Logik basieren. Die direkt aus dem parametrischen Modell auszulesenden Schnittmuster, Herstellungs- und Konstruktionsdaten erlaubten es, einen vollmaßstäblichen, funktionstüchtigen Prototyp anzufertigen. Wird dieser Schwankungen der Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, beginnen die Furnierverbundelemente durch ihre Formveränderung die Luftdurchlässigkeit der Struktur zu verändern, die zugleich Tragwerk und reaktive Haut ist. Diese übergeordnete Integration von Form, Struktur und Material erlaubt eine direkte und differenzierte Anpassung an Umwelteinflüsse, ohne die Notwendigkeit zusätzlicher elektronischer oder mechanischer Kontrollelemente.

[Projekt von: Steffen Reichert
Projektbetreuung und Text: Achim Menges]

ARCH+, So., 2008.07.27

Das Projekt von Andrew Kudless beruht auf der Hypothese, dass sich durch eine algorithmische Formgenerierung, die aus den Logiken und Einschränkungen der...

Das Projekt von Andrew Kudless beruht auf der Hypothese, dass sich durch eine algorithmische Formgenerierung, die aus den Logiken und Einschränkungen der Materialisierung abgeleitet ist, die morphologische Vielfältigkeit und performative Kapazität eines industriell gefertigten Systems erheblich steigern lässt. Ein Beispiel für solche regelmäßigen, industriell hergestellten Systeme sind die variantenreich erhältlichen Honigwabenstrukturen, die vielfach Verwendung finden. Aufgrund der produktionsbedingten Einschränkungen und der einheitlichen Zellgröße sind jedoch nur planare, einfach gekrümmte oder gleichmäßig doppelt gekrümmte Oberflächen umsetzbar. Ziel dieses Projekts ist es, eine Herstellungsstrategie, ein daraus hergeleitetes Entwurfswerkzeug zusammen mit dem entsprechenden Materialsystem zu entwickeln, das im Gegensatz zu den bereits existierenden Honigwabenstrukturen verschiedene Zellformen, -größen, -tiefen und -ausrichtungen zulässt und durch verschiedene Dichte und Durchlässigkeitsgrade eine anpassungsfähige, performative Kapazität erzielt.
Als zweites will das Projekt demonstrieren, dass mit einer integralen Methodik der Form- und Materialwerdung die Differenzierung der lokalen Zellgeometrie und des Gesamtsystems mit einfachen Herstellungsverfahren und herkömmlichen Materialen möglich ist, und nicht von exotischen Fertigungsverfahren und Hightech-Materialen abhängt. Die zusätzliche Leistungsfähigkeit solch komplexerer Produktionsmittel könnte dann in weiteren Entwicklungsschritten einem ursprünglich einfachen Systems graduell eingebettet werden.

Entsprechend wurde als Ausgangspunkt des Projekts ein denkbar einfaches, sechs- eckiges Element aus zwei jeweils viermal gefalteten Pappstreifen gewählt. Die hexagonale Honigwabenzelle besteht dabei nicht aus einem sie beschreibenden Element, sondern ergibt sich aus zwei streifenartigen Bauteilen, die sich aus Plattenmaterial mit einem zweidimensionalen Schneideverfahren fertigen lassen. Um die maßgeblichen Charakteristika dieser Form der Herstellung und das Differenzierungspotenzial des daraus entstehenden Systems für einen rechnergestützten Generierungsprozess erfassen zu können, wurde zunächst eine Vielzahl von Experimenten durchgeführt. Diese sich reziprok beeinflussenden, analogen und digitalen Tests wurden in mehreren Schritten fortentwickelt: durch den laufenden Transfer der digital erzeugten, dreidimensionalen Systemgeometrie in zweidimensionale Schnittmuster, den Zuschnitt der Materialstreifen und der Konstruktion dreidimensionaler Modelle sowie dem Einbetten der dabei gewonnenen Erkenntnisse in das Rechnermodell.

Das Hauptaugenmerk der Untersuchungen lag auf der wechselseitigen Beziehung zwischen der Gesamtform und der Zellstruktur, auf den spezifischen Materialeigenschaften, wie z.B. dem maximalen Faltwinkel der Pappe, und darauf, die Einschränkungen eines zweidimensionalen Schneideverfahrens parametrisch zu erfassen. Daraufhin wurden diese wechselseitigen Beziehungen in einem algorithmischen Verfahren zusammengefasst, das eine Honigwabenstruktur in mehreren Schritten erzeugt. Hierbei kann die Formgenerierung durch material- oder herstellungsbedingte Kennwerte variiert und durch geometrische Parameter differenziert werden.

Dieser generative Prozess zur Definition und Herstellung einer Zellstruktur wurde an einem vollmaßstäblichen Prototyp getestet, der durch die Raumgegebenheiten, das erforderlichen Tragverhalten, das zu verwendende Material und das in der Fertigung eingesetzte Laserschneidgerät definiert ist. Die eigentliche Zellstruktur der acht Meter langen Konstruktion definiert dabei der Algorithmus als geknickte, sich überlappende Streifenelemente, deren Schnittmuster automatisch abgewickelt, gekennzeichnet und auf dem virtuellen Schneidefeld des Lasers angeordnet werden. Die Größe des zu verwendenden Laserschneidgerätes und die damit einhergehende Längeneinschränkung der Streifenelemente wird bereits in der Formgenerierung des Systems berücksichtigt. Dies führt dazu, dass die Gesamtstruktur aus mehreren Segmenten besteht, die vorgefertigt und vor Ort zusammengesetzt werden.

Der fertige Prototyp besteht aus recycelter Pappe, ist jedoch aufgrund der genauen geometrischen Definition und zweier Zellschichten mit gegenläufiger Zellausrichtung, welche die typische Scherung unterbinden, ausgesprochen tragfähig und kostengünstig. Darüber hinaus belegt der Prototyp, dass durch das aus einem integrierenden Formgenerierungs- und Materialisierungsansatz hervorgehende algorithmische Entwurfswerkzeug es tatsächlich ermöglicht, ein neuartiges Wabensystem zu generieren und zu produzieren. Mit diesem Wabensystem können sowohl die lokale Morphologie wie Größe, Tiefe und Ausrichtung der Zellen als auch die Gesamtform differenziert werden. Es entstehen je unterschiedliche Stabilitäts-, Dichte- und Durchlässigkeitsgrade des Systems, die mit unterschiedlichen räumlichen und performativen Anforderungen korrespondieren.

Der Prototyp demonstriert auch, dass die Fortentwicklung und Differenzierung bestehender Systeme nicht notwendigerweise einen hochtechnologischen Ansatz mit neuartigen Produktionsmethoden und Materialien erfordert. Sowohl das hier zur Verwendung gekommene Material, nämlich einfache Pappe, als auch das Herstellungsverfahren, das ja lediglich aus Schneiden und Falten besteht, sind relativ herkömmlich. Die Neuartigkeit ergibt sich nicht aus diesen singulären Aspekten, sondern aus der Entwurfsmethodik, die die Formwerdung und Materialisierung zusammenführt.

[Projekt von: Andrew Kudless
Projektbetreuung und Text: Michael Hensel, Achim Menges mit Michael Weinstock]

ARCH+, So., 2008.07.27