Inhalt

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Im pressum 4

V orw ort 5

Einführung 8

Teil A G e s c h ic h te 1 2

Die Nomaden und dersesshafte Mensch 14Ziegel 14Naturstein 14Holz 15Militärwesen und koloniale Expansion 17Eisen - die ersten Systeme 18Elementierte Betonbauweisen 21Rationalisierung, Serienproduktion,Typsierung und Massenwohnungsbau 22Das vorgefertigte Haus -der Baukasten 25Weitgespannte Raumtragwerke 31Großstrukturen und Visionen 31Die industrielle Fertigung -»Synonym für Fortschritt« 33Offene Strukturen 34

T e il B G ru n d la g e n 3 8

Industrielle Vorfertigung 40Baustellenvorfertigung und mobileProduktionsstätten 41Bauweisen 41Elemente 42Typisierung 42System - Bausystem 42Geschlossene Systeme 42Baukastensysteme 43Offene Systeme 43Bauhalbzeuge - Halbfabrikate 43

Modul 44Raster 44Maßkoordinaten 45Geometrische Position vonTragwerk- und Ausbauelementen 45Transport 45Montage 47Fugen 47Toleranzen 47

Te il C T r a g w e r k e 4 8

M ateria lien im System bauStahl 50Holz 51Beton 51

Skelettsystem e 54Stahlskelettsysteme 55Holzskelettsysteme 61Betonskelettsysteme 68

G ebaute Beispiele im DetailTemporäres Wohnhaus, Paris (F) 72Wohnhaus, Rotenburg (D) 76Wohnhaus, Phoenix (USA) 78Musterhaus, Tosu-City (J) 82Wohnhaus, Sakurajosui (J) 86Aufstockung, Preding (A) 90Wohnhaus, Andelsbuch (A) 92Wohnhaus, Gams (CH) 96Modeschule, Fukuoka (J) 100Institutsgebäude, Grenoble (F) 102Wohn- und Bürohaus, Kassel (D) 106

P aneelsystem e 110Bauen mit Stahlpaneelen 111Bauen mit Holzpaneelen 114Bauen mit Betonpaneelen 119Bauen mit Mauerwerkspaneelenwund Ziegelelementen 124

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Gebaute Beispiele im DetailWohnhaus, Sumvitg (CH) 126Wohnhaus, Dalaas (A) 128Wochenendhaus, Tokio (J) 132Wochenendhaus, Northport (USA) 134Wohnhaus, Münchenbuchsee (CH) 136Zimmerei, Feldkirch (A) 140Technologiezentrum, München (D) 144Werbeagentur, München (D) 148Weingut, Fläsch (CH) 152Hotelfachschule, Nlvilllers (F) 156

Raumzellensysteme 160Raumzellen aus Stahl 160Raumzellen aus Holz 162Raumzellen aus Beton 163

Gebaute Beispiele im DetailBürogebäude, Fellbach (D) 164Wohn- und Geschäftshaus,Rathenow (D) 168Bürogebäude, München (D) 172Tomihlro Art Museum, Azuma (J) 174Pavillon, Venedig (1) 176Loft, New York (USA) 178Café, Helsinki (FIN) 180Hotelanbau, Bezau (A) 182Fertighaus aus Dänemark (DK) 186Transportable Wohneinheit (D) 190Nakagin Capsule Tower, Tokio (J) 192

Teil D G e b ä u d e h ü lle 1 9 4

Tragende Fassaden 196Nichttragende Fassaden 196Fassadensysteme aus Glas 197Mehrschalige Glasfassaden-und Fenstersysteme 199Fassadensysteme aus Metall 201Fassadensysteme aus Holz 203Fassadensysteme aus Beton 204

Fassadensysteme aus Klinkersteinen 205Fassadensysteme aus Naturstein 205Fassadensysteme aus Kunststoff 206

V erg laste G itterschalen 208Veränderung des Planungs­prozesses 208Verglaste einlagige Stabschalenaus Glas 209

G ebaute Beispiele im DetailWesthafen Tower,Frankfurt am Main (D) 214Bürogebäude, London (GB) 216Uptown, München (D) 218Hotel, Tokio (J) 220Museum of Contemporary Art,Chicago (USA) 222

T e il E E n tw ic k lu n g e n 2 2 4

Von der* Industriellen Massenpro­duktion zur projektbezogenenVorfertigung 226Computergestütztes Entwerfen 226ComputerunterstützteProduktionsprozesse 227Bauroboter 228Nutzerspezifische Maßanfertigung 228Digitale Bausysteme 229

A n h a n g 2 3 0

Autorenportraits 230Verordnungen, Richtlinien, Normen 231Literatur 232Abbildungsnachweis 234Personenregister 237Sachregister 238

ein. Die Prinzipien der Grund- und Auf­risse waren auf der Grundlage von stren­gen Ordnungsregeln mathematisch genau festgelegt.

Hauptverdienst der Römer war es, die vielfältigen technischen Entwicklungen in den unterschiedlichen Regionen ihres Reiches gesammelt, dokumentiert und im ganzen Imperium verbreitet zu haben.Die »Zehn Bücher über Architektur« des Vitruv aus dem ersten Jahrhundert vor Christus etablierten sich als Grundlage für die Entwicklung des Bauens und enthielten Hinweise auf ein Baukastensy­stem aus steinernen Elementen, das zum Tempelbau in weit entfernte Kolonien ver­schifft werden konnte.

Ein Höhepunkt für das vorgefertigte und elementierte Bauen mit Stein war die gotische Kathedrale des Mittelalters. In den Dombauhütten planten hoch speziali­sierte Steinbaumeister großartige filigrane Kirchenkonstruktionen, bei denen der Stein bis an seine Grenzen belastet wurde. Als Grundlage für die Bearbeitung der Steine fertigten sie nicht vermaßte, präzise geometrische Werkzeichnungen

an, nach denen mehrere Steinmetze kom­plizierte Teile in erforderlicher Menge vor­fertigen konnten. Sie gaben ihre Fähig­keiten und Erfahrungen an ausgesuchte Lehrlinge weiter, die ihr Wissen auf der ihnen vorgeschriebenen Wanderschaft verbreiteten.

Holz

Die Entwicklung der Holzkonstruktionen begann mit sehr einfachen Systemen.Eine Möglichkeit bestand darin, Hölzer schräg gegeneinanderzulehnen, zusam­menzubinden und mit Stroh abzudecken. Eine andere Variante war, Pfosten in die Erde einzugraben, die Zwischenräume durch mit Lehm bestrichenes Flechtwerk zu füllen und mit einer einfachen Dach­konstruktion zu überdecken. So entstand der Pfostenbau, eine Urstufe des Skelett­baus. Jedes Element war entsprechend seiner Aufgabe dimensioniert und geformt, Tragen und Raumabschließen wurde von unterschiedlichen Elementen übernommen. Im nächsten Schritt stellte man die Rosten auf große Steine oder auf eine Schwelle, um ein Einsinken ins Erd­

reich und ihr Verfaulen zu verhindern. Auf diese Weise entstand mit Schwelle, Pfos­ten, Rahm bzw. Rähm und dem Gefache eine konstruktive Einheit - der Ständer­bau (Abb. A 5). Diese Gefache wurden mit liegenden oder - seltener - stehen­den Bohlen ausgefüllt. Aus der konse­quenten Weiterführung dieser Konstruk­tion entwickelte sich das Fachwerk, bei dem die Pfosten enger gestellt wurden als beim Ständerbau (Abb. A 6 und A 7,S. 16). Die Zwischenräume dieses engen kostruktiven Gerüsts wurden mit Flecht­werk, Lehm oder Ziegelsteinen gefüllt.

Eine weitere Möglichkeit mit Elementen aus Holz Gebäude zu errichten war der Block- bzw. Strickbau. Konstruktiv ist dieses aus Balken geschichtete System ein Massivbau, bei dem die Wand sowohl eine tragende als auch eine raumab­schließende Funktion innehat. Die Hölzer- Rundholz, Kantholz oder Hälbling (ge­teilter Stamm) - wurden etwa 15-20 cm vor dem Ende ausgekerbt oder einge­schnitten und kreuzweise zu einem Block geschichtet. Zwischen die mit Holznägeln vertikal verbundenen Hölzer wurde zur Abdichtung Moos eingefügt. Durch das

A Jurte, Untersicht der sogenannten Krone A 1 Jurte (von türkisch Behausung), Traggerüst;

Scherengitter aus Weiden, überwölbt von einem Dachkranz aus 81 gebogenen Stangen, die in einem Holzrad, der sogenannten Krone, zusam­menlaufen

A 2 Jurte mit Textilien bespannt;Diese Form des Zeltes entwickelte sich aus den klimatischen Bedingungen und den Lebens- und Wirtschaftsformen nomadisie­render Hirten der zentralasiatischen Steppen. Sie findet noch heute zwischen Schwarzem Meer und der Mongolei Verwendung.

A 3 »das erste Bauwerk« nach Viollet-Ie-Duc A 4 Zikkurat des Urnammu in Ur, um 2100 v. Chr.A 5 Holzständerbau (vereinfacht)

15

Firs ts tän d e r durchgehend

F irstpfette

U nterfirstR afen

F irstständer abgefangen

-M ittellängsrähm

- F lugpfette

Eckständer

W andständerB undständer

LängsschwelleW andfüllung G efachfüllung liegende Bohlen

R ähm

Spannbalken

Kopfholz

Fussholz _

W ands tender

Querschwelle

A 5

A 6 Bauernhäuser im fränkischen Freilichtmuseum,Bad Windsheim, Deutschland

A 7 FachwerkbauA 8 Amerikanischer Ständerbau

a braced or eastern frameb balloon framec platform frame

A 9 Grundriss eines Landhauses, Atami, (J)A 10 Shogakuin Villa, Kioto, (J)

Gewicht der geschichteten Hölzer ent­stand so ein dichtes Wandgefüge.

Am erikan ischer Ständerbau

Während der Besiedlung der Prärie in den 60er-Jahren des 19. Jahrhunderts in Nordamerika führte die starke Nachfrage nach leicht transportierbaren Häusern und die heimische Holzhaustradition zu einem Wachstum der industriellen Verar­beitung dieses Rohstoffs, der zudem reichlich vorhanden war. Es entstand eine vereinfachte, in großen Serien herstell­bare Konstruktion, die bis heute einge­setzt wird.

Balloon- und Platform-Framing

Der Geodät George W. Snow schuf 1832 mit dem »balloon frame« eine Konstruk­tion, die im Wohnhausbau der USA noch heute zu finden ist (Abb. A 8b). Sie folgt der frühen Ständerbauweise, verwendet aber anstelle von Ständern und Balken eng gereihte Bretter, die mit nun industri­ell hergestellten Nägeln miteinander ver­bunden werden. Die Bretter mit standar­disierten Querschnitten konnten mithilfe von Kreis- und Gattersäge leicht herge­stellt werden und waren nach kurzer Trocknungszeit gut zu lagern und zu transportieren.

Die senkrechten Elemente reichten bei dieser Konstruktion durchgehend im Abstand von 30 bis 40 cm über alle Geschosse. Während die Außenwände von beidseitig aufgenagelten Werkstoff­platten gebildet wurden, waren die Geschossdecken lediglich auf der Ober­seite beplankt. Die Wände wirken bei dieser Konstruktion statisch als Scheibe, in die an relativ beliebiger Stelle Öff­nungen eingeschnitten werden konnten. Im Vergleich zur traditionellen Bauweise war es somit möglich, die gleiche Bauleis-

Binder_J>parrenFlug-Sparren- Binder-SparrenHahnenbalken. -Hahnenbalken

.Kehlbalken -Spannriegel . M̂ittelpfette

^ Sparrenliegende Strebe \ AufschieblingFlugpfette

Kehlbalken Spannriegel Mittelpfette / / Sparren Nf£ liegende Strebe¡ck V Stichbalken Aufschiebling. W /

spfette/ indrähm Bug. Bundbalken Sturzriegel Brustriegel Gefach -

BundbalkenStichbalken

-Langriegel-S tielSaumschwelleUnterzugStockrähm-Sturzriegel-Wandstiel

EckständerStrebe.RiegelRiegel¡-Brustriegel

QuerschwelleWandstiel

'Längsschwellev e rz a p f te J ^ ^Schwelle 'Gefach

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Architektur überführten, war das maßgeb­liche Kriterium für die Generierung des Netzes die einheitliche Länge aller Stäbe von 1 m. Auch der Laschenknoten wurde so entwickelt, dass er trotz variabler Kno­tenwinkel aus lauter gleichen Teilen be­stand. Ähnliches galt für das kurz darauf geplante Dach über das Museum für Hamburgische Geschichte [1]. Lediglich am Rand ergaben sich unterschiedliche Elemente.

Mitte der 1990er-Jahre änderte sich diese Konstruktionsweise jedoch vollständig:Bei der Planung der Überdachung des Fernbahnhofes Spandau, einer 410 m langen, tonnenförmigen Gitterschale über drei Bahnsteigen, von denen jeder un­gleichmäßig und unterschiedlich ge­krümmt ist, wurden umfangreiche Ver­gleichsstudien erstellt [2]. Es zeigte sich, dass ein im Grundriss polygonal ge­knicktes Raster mit möglichst vielen geo­metrisch gleichen Maschen gegenüber einem homogen dem Gleisverlauf fol­genden Netz mit ca. 12500 geometrisch unterschiedlichen Knoten nur geringe wirtschafliche Vorteile aufwies. Vorausset­zung für die Realisierung war allerdings eine entsprechende computergesteuerte Fertigungstechnologie.Seitdem sind viele frei geformte Stahl- Glas-Gitterschalen entstanden. Neben einigen sehr gelungenen Konstruktionen, finden sich auch viele Beispiele, bei de­nen der architektonische Anspruch nicht in die gebaute Wirklichkeit umgesetzt werden konnte. Unregelmäßige Netze, die weder auf den Kraftfluss noch auf die Form eingehen, sowie ohne Gestaltungs­anspruch entworfene Details beeinträchti­gen die architektonische und konstruktive Qualität der Gitterschale.Die Planung frei geformter Gitterschalen erfordert neue Planungsleistungen, für die

derzeit noch keine etablierten und stan­dardisierten Verfahren und Werkzeuge vorliegen und die auch nicht Bestandteil der üblichen Planungsabläufe sind. Architekten verwenden für die Formgene­rierung in der Regel eine 3-D-Modellie- rungssoftware (Rhino, Maya), die stati­sche Berechnung erfolgt mit FE-Program- men, die meist nur mit Schnittstellen zur CAD-Software für die Konstruktions- und Werkstattplanung ausgerüstet sind. Um eine hohe architektonische und konstruk­tive Qualität für frei geformte Gitterscha­len zu erreichen, ist jedoch ein durchgän­giger Planungsprozess von der ersten Formgenerierung bis zur abschließenden Montage auf der Baustelle unerlässlich. Voraussetzung für eine konsistente Pla­nung ist ein durchgängiges Datenmodell, das in unveränderter Form Grundlage aller Schritte der Planung und Ausführung ist. Die Erstellung und Riege dieses Datensatzes ist eine neue und ei­genständige Planungsleistung. Gleiches gilt für die Generierung der Stabnetze auf der 3-D-Fläche, für die keine allgemein verfügbaren Verfahren vorliegen. Insge­samt erfordern die konsequent auf digi­talen Verfahren aufgebaute Planung von 3-D-Strukturen neue Herangehensweisen.

V erg laste ein lag ige S tabschalen aus StahlIm Folgenden wird an zwei Beispielen die Veränderung in den Planungsabläufen und die Auswirkung auf die architekto­nische Gestalt beschrieben.

Westfield Shopping Centre, London White City

Die neue Shopping Mall in London White- City überdacht eien teils transparente, teils opak eingedeckte Gitterschale mit einer Regelspannweite von 24 m (Abb.D 2.1). Das Dach besteht aus einem Ost-

und Westteil mit einer Gesamtfläche von ca. 17000 m2. Der längste Schenkel misst 124 m. Die insgesamt 8500 Stäbe haben einen geschweißten Hohlquerschnitt mit Abmessungen von 160 x 65 mm bei einer mittleren Länge von ca. 2,30 m. Beide Dachteile sind jeweils fugenlos und la­gern verschiebbar auf Randkonsolen im Abstand von 12 m auf. Für die Einde­ckung wurden sowohl Isolierglasscheiben als auch gedämmte Blechpaneele ver­wendet.Zuerst wurde ein Netz zweidimensional generiert, um es anschließend aus der Ebene auf eine 3-D-Fläche zu projizieren. Das in Abbildung D 2.3 dargestellte Netz ist Grundlage der statischen Berechnung und der Fertigung. Die Stab- und Knote­nidentifizierung wurde durchgehend für die statische Berechnung bis zur Mon­tage verwendet und auf die Anforde­rungen der einzelnen Prozessschritte abgestimmt.

Auch die Fertigungstechnologie ist kon­sequent auf die digitale Planungs- und Fertigungskette ausgerichtet. Eine im Hohlprofil liegende, geschraubte Kons­truktion verbindet über eine senkrechte Kontaktfläche Knoten- und Stababschnitt (Abb. D 2.4). Dazu wurden insgesamt etwa 3000 Knoten aus dem Gesamtsys­tem herausgelöst. Entsprechend der freien Dachgeometrie hat jeder Knoten eine unterschiedliche Geometrie (Abb.D 2.5, S. 210). Die Knoten sind aus je 26 verschiedenen Blechen zusammenge­schweißt, die die einlaufenden Stabenden ihrer Form entsprechend aufnehmen. Alle Knotenblechdicken sowie die Anzahl und der Durchmesser der Schrauben sind für die am jeweiligen Knoten auftretenden Beanspruchungen optimiert. Die endgül­tige Ausbildung der Knoten ergab sich, indem die Stirnplatten nach dem Schwei­

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D 2.5

ßen mechanisch passgenau gefräst und die Geometrie elektronisch kontrolliert wurde (Abb. D 2.6). Die Knoten wurden vor Ort mit den Stäben verschraubt. Durch die Genauigkeit der Schraubver­bindung darf es keinerlei Toleranzaus­gleich der Bauteile auf der Baustelle geben. Bei einer Montagelänge von 164 m wurde aufgrund der sehr präzisen Vor­fertigung eine Abweichung von der Soll­geometrie von nur 15 mm gemessen (Abb. D 2.7). Der hohe Vorfertigungsgrad bedeutet eine hohe Präzision der Monta­

D 2.5 Explosionszeichnung Knoten D 2.6 Fertigung Knoten

a Fräsen der Stirnplatten b Kontrolle der Genauigkeit c Stabquerschnitte mit angepasste Blech­

dicken und Schraubverbindungen D 2.7 zusammenschrauben der Knoten auf der

Baustelle

geverbindungen, sowie eine sehr schnelle und witterungsunabhängige Montage. Ausserdem konnte der Korrosi­onsschutz bereits im Werk aufgebracht werden.Eine der wesentlichen Leistungen bei der Planung dieser Konstruktion war die Ent­wicklung eines vollautomatisierten Pla­nungsablaufes in Abstimmung zwischen statischer Berechnung, Werkstattplanung und Fertigung. Das statische Linienmo­dell der Netzstruktur diente zunächst als Datenbasis für die Werkstattplanung. Aus

dieser wurden dann die geometrischen Daten für die Detailnachweise der Knoten und der Verbindungen entnommen. Die Ergebnisse der Detailnachweise, d.h. Angaben über Blechdicken sowie Anzahl und Durchmesser der Schrauben, wurden anschließend wieder in die Werk­stattplanung eingearbeitet und von dort direkt an die Produktion übergeben. Trotz der automatisierten Prozesse diente eine eigens für jeden Knoten erstellte Zusam­menbauzeichnung zur Überwachung der Fertigung (Abb. D 2.8).

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