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
209
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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