Entwurf von Membrankonstruktionen anhand physischer Modelle : experimentelle Formfindung zur Entwicklung des Vorentwurfs

Abstract

Der Entwurf von Membrankonstruktionen stellt für Architekten eine besondere Herausforderung dar. Zwar gibt es Computerprogramme für den Entwurf doppelt gekrümmter Flächen, allerdings geht dabei die Materialität verloren. Membrankonstruktionen zeichnen sich durch ihre lastaffinen Formen aus, sind also durch den Lastfall Vorspannung bestimmt. Das physische Modell stellt ein wesentliches Mittel dar, um die Zusammenhänge zwischen Form - Kraft - Masse im wahrsten Sinne des Wortes "begreiflich" zu machen. Dabei ermöglicht es auch gleichzeitig eine Überprüfung der Form und Funktionalität, die qualitativ auch von 3D-Computersimulationen nicht erreicht wird. Auf viele der experimentellen Formfindungsmöglichkeiten am physischen Modell - die großteils auf Frei Otto und dessen bahnbrechende Entwicklungen ab den 1950ern zurückgehen - gibt es zwar zahlreiche Hinweise in der Literatur (im Besonderen: Gaß, Siegfried. 1990. IL 25. Form, Kraft, Masse. 5. Experimente), allerdings sind dem Autor keine Publikationen bekannt, die die Modellmethoden in leicht nachvollziehbaren Schritten und konkreten Anleitungen dokumentieren. Das Anliegen dieser Arbeit ist es daher, eine möglichst vollständige Anleitung zur Anwendung der Modellmethoden bereitzustellen, die vor allem jenen als Einführung in den Bereich der Membrankonstruktionen dienen soll, die sich zum ersten Mal mit diesem Thema und der Formfindung am physischen Modell auseinandersetzen. Die Umsetzung dieser Idee basiert auf der Vermittlung der Modellmethoden an der TU-Wien durch Vinzenz Sedlak, der diese Methoden 1979 an Frei Ottos Institut aufgriff und in der Folge an der Lightweight Structures Research Unit, University of New South Wales, Sydney weiterentwickelte. Um die Vorzüge des physischen Modells für einen intuitiven Einstieg in den Entwurf von Membrankonstruktion zugänglich zu machen, wurden die Modellmethoden untersucht und auf die gegenwärtigen Bedürfnisse zur digitalen Bearbeitung weiterentwickelt. Eine Übersicht unterschiedlicher Modellarten mechanisch vorgespannter Zelte wurde erstellt und am Beispiel Strumpf-Modell mit praktischen Anleitungen versehen. Aufbauend auf den existierenden Techniken wurden Adaptierungen entwickelt, die helfen, durch einfache und leicht verfügbare Mittel die Effizienz und Genauigkeit zu erhöhen, wie z. B. der Einsatz eines Kreuzlinienlasers, um Krümmungslinien auf dem Modell berührungslos analysieren zu können oder die Verwendung von Photogrammetrie-Apps, um 3D-Modelle zu erstellen. Auch unterschiedliche Strategien zur Digitalisierung der Form wurden betrachtet und essenzielle Methoden, wie z. B. die Formerfassung über die Hauptkrümmungen, dokumentiert. Weiters wurden die Grundzüge der digitalen Formfindung anhand der Software Formfinder beleuchtet und der Vergleich zwischen physischem und digitalem Modell angestellt, um eine grundlegende Einordnung der beiden Ansätze im Entwurfsprozess zu ermöglichen. Physische wie digitale Formfindung haben ihre Vor- und Nachteile. Die Verbindung beider Methoden stellt vor allem für all jene, die sich dem Gebiet der Membrankonstruktionen erstmals annähern, eine Bereicherung dar und ist in dieser Arbeit nachvollziehbar dokumentiert. Der modulare Aufbau mit vorbereitenden Schritten und exemplarischen Grundformen erlaubt eine fokussierte Anwendung der jeweiligen Technik und bietet auch die Option zu vertiefenden Schritten oder alternativen Methoden.

The design of membrane structures poses a particular challenge for architects. While computer programs do support the design of double curved surfaces, materiality is lost in the process. Membrane structures are characterized by load determined shapes, defined by the load case prestress. The physical model forms an essential means to comprehend the correlation between form - force - mass (as extensively demonstrated in the IL publications by Frei Otto's institute, and in particular in Gaß, Siegfried. 1990. IL 25. Form, Kraft, Masse. 5. Experimente). At the same time it enables a validation of form and functionality which cannot be reproduced to the same degree of quality by 3D computer simulation. There are ample examples in the literature pointing towards the possibilities of experimental form-finding in physical models - a majority thereof trace back to Frei Otto and his groundbreaking developments starting in the 1950s. Yet there are no publications known to the author, documenting the modeling methods in easy to follow steps and with concrete instructions. The purpose of this paper is to offer a comprehensive guide for the utilization of modeling methods, serving as an introduction especially for those looking into the field of membrane constructions and physical models for the first time. The present paper builds upon the learnings of modeling methodologies as introduced by Vinzenz Sedlak at the TU-Wien. He became familiar with these methods in 1979 at Frei Otto's institute and further developed these at the Lightweight Structures Research Unit at the University of New South Wales in Sydney, Australia. The possibilities of modeling methods have been researched and further developed for contemporary needs of digitization, in order to make the advantages of physical models accessible as an intuitive introduction to the design of membrane structures. An overview of various models of mechanically prestressed tents was created and equipped with practical instructions exemplifying the stocking model. Adaptations were developed building upon existing technical methods, helping increase efficiency and precision through simple and easily available means, such as the use of a cross-line laser for a touch free analysis of the model's curvature or by utilizing photogrammetric apps to create 3D models. Various strategies for the digitization of the form were evaluated and essential methods were documented, e.g., the definition of form through the principal section curves. Furthermore the principles of digital form-finding were explored by building upon the Formfinder software. A comparison between physical and digital models was conducted in order to support a foundational differentiation between both approaches in the design process. Both physical and digital form-finding methods hold advantages and disadvantages. The linkage of the two methods, herewith documented in a comprehensive manner, will however prove enriching primarily for all those who are exploring the field of membrane structures for the first time. The modular build up of preparation steps and exemplary basic forms enables a focused application of the respective technique and offers options for in-depth steps or alternative methods.