Diskussion: Fasern neu gedacht - auf dem Weg zu einer Konstruktionssprache

Dies lässt sich besonders gut an der Entwicklung des Bauens mit Eisen zeigen. Sie beginnt gegen Ende des 18. Jahrhunderts nach einer Reihe von verheerenden Bränden in den großen britischen Spinnereien. Ein neuer, holzfreier Konstruktionstyp, bei dem die Holzbalken durch gusseiserne Träger und Stützen ersetzt werden, soll mehr Sicherheit schaffen. Architektonisch sichtbar wird diese neue Bauweise noch nicht. Auch im Brückenbau, der eine besondere Rolle bei der Entwicklung des Bauens mit dem neuen Werkstoff spielt, wird Eisen zunächst nur als Ersatz für Holz und Stein in Gewölbe- und Bogenkonstruktionen eingesetzt.

Erst nach erfolgreicher Realisierung dieser ersten Projekte werden die ureigenen Möglichkeiten des Werkstoffs erkundet. Das Nichtvorhandensein festgefahrener Konventionen lässt dabei Bauwerke entstehen, die auch aus heutiger Sicht noch atemberaubend sind. Ein hervorragendes Beispiel sind die Gewächshäuser im englischen Bicton (Abb. 3). Der handwerkliche und experimentelle Zugang ermöglicht eine Überlagerung der Steifigkeit von Verglasung, Verkittung und Eisensprossen und damit eine faszinierende Leichtigkeit, Transparenz und räumliche Qualität.

Die ca. 25 Jahre später entstandenen Gewächshäuser in Kew Gardens (Abb. 4) zeigen dagegen bereits die hierarchische Anordnung von Hauptbögen und Nebenträgern, wie sie später bei allen großen Bahnhofs- und Ausstellungshallen zu sehen ist. Sie stehen damit an der Schwelle zur Etablierung des Bauens mit Eisen als Regelbauweise, womit Innovation zu Konvention wird. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts führt dies zu standardisierten Hallen- und Brückentragwerken, die – festen Entwurfs-, Berechnungs- und Konstruktionsregeln folgend – immer wieder verwendet werden.

Faserverstärkte Kunststoffe

Übertragen auf Faserverbundwerkstoffe, d. h. in eine Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern, meist aus Glas oder Kohlenstoff, ließe sich sagen, dass wir uns heute immer noch ganz in der ersten Phase befinden, obwohl sie alles andere als neu sind. Bereits 1957 erfolgt mit dem Monsanto-Haus in Kalifornien der Bau eines ersten Musterhauses aus vorgefertigten Sandwichelementen mit einem Kern aus PUR-Schaum und Deckschichten aus glasfaserverstärktem Kunststoff (Abb. 1). Flexibilität der Nutzung, einfacher Standortwechsel und kostengünstiger Wohnraum waren die wesentlichen Argumente für diese Bauweise. In der Folge entstand eine Reihe von ähnlichen Musterhäusern aus Faserverbundwerkstoffen auf der ganzen Welt, deren Formensprache und konstruktiver Aufbau eine industrielle Produktion suggerieren. Tatsächlich wurden sie aber mit einfachsten handwerklichen Verfahren hergestellt.

Trotz des großen öffentlichen Interesses war diesen »Häusern der Zukunft« kein wirklicher Erfolg beschieden. Mitte der 1970er-Jahre ist das Experimentieren mit Kunststoffbauten genauso schnell zu Ende wie es begonnen hatte. Fehlende Erfahrung bei der Planung sowie Mängel in der Ausführung verursachten häufig Schäden, die den faserverstärkten Kunststoffen den Ruf als minderwertige Materialien einbringen. Hauptgrund dürfte aber sein, dass für eine sich zunehmend individualisierende Gesellschaft die einst so zukunftsweisende Idee einer industriell vorgefertigten Wohnzelle plötzlich veraltet scheint. Zu sehr sind Kunststoffe mit diesen Vorstellungen der Serialität behaftet, als dass sie eine Chance auf eine kontinuierliche architektonische Entwicklung gehabt hätten.

Als Ergebnis sind Faserverbundwerkstoffe in der Architektur heute auf ganz wenige Nischenbereiche beschränkt, obwohl sie in anderen Feldern, insbesondere dem Flugzeugbau, schon seit vielen Jahren für hochbeanspruchte und systemrelevante Komponenten eingesetzt werden. Nicht ganz zufällig ist daher, dass Faserverbundwerkstoffe häufig dann zum Einsatz kommen, wenn die Hochglanzästhetik des Automobil- oder Flugzeugbaus in die Architektur übertragen werden soll. Ein Beispiel hierfür ist die Fassadenverschattung des Kaufhauses Walbrook in London (Abb. 2). Hierbei werden nicht nur Formen und Oberflächen, sondern auch das Fertigungsverfahren, nämlich die Vakuuminfusion eines Handlaminats, aus dem Flugzeugbau übernommen. In diesem Einzelfall ist das überzeugend, für eine breite Anwendung in der Architektur aber sicher kein geeigneter Ansatz.

Vielmehr sind Verfahren erforderlich, die an die spezifischen Anforderungen der Architektur angepasst sind. Im Gegensatz zum Flugzeug- oder Automobilbau geht es meist um großformatige Unikate, für die der Formenbau nicht nur sehr aufwändig ist, sondern auch große Mengen an Reststoffen verursacht. Außerdem spielen Kriterien wie Robustheit während Herstellung und Nutzung eine große Rolle, während andere, wie zum Beispiel höchste Anforderungen an die Fertigungstoleranzen oder mechanische Leistungsfähigkeit, eher nachrangig sind.

Forschungspavillon 2012

Mit dem ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 (Abb. 5 –7) begann die Serie von Demonstratorbauten, mit denen Ideen für baugerechte Verarbeitungsverfahren und materialangepasste Konstruktionsformen aus Faserverbundwerkstoffen vorgestellt werden sollten, die ohne aufwändigen Formenbau auskommen, und die aus architektonischer Sicht einen neuen Zugang zum »Selbstausdruck« des Materials ermöglichen. Von Beginn an wurden diese Projekte von der Analyse von Ideengebern aus der Natur begleitet. Ziel war dabei weniger der direkte Erkenntnistransfer aus der Biologie in die Architektur, sondern eher die Gegenüberstellung von Strukturbildungsprinzipien bzw. die Reflexion des eigenen Zugangs zum Entwerfen und Konstruieren. Während Baukonstruktionen auf Typologien beruhen, deren Geometrie und Funktionalität sich mathematisch beschreiben lassen, entstehen Strukturen der Natur in Selbstorganisationsprozessen, die sich typischen Ingenieurkriterien wie der Berechenbarkeit entziehen. Erstaunlicherweise bestehen fast alle tragenden Strukturen der Biologie aus gerade einmal vier Fasermaterialien: Zellulose in Pflanzen, Kollagen in Knochen, Chitin in Insektenpanzern und Spinnenseide. Gemeinsam ist diesen sehr unterschiedlichen Strukturen, dass sie die Fasern nutzen, um über Orientierung, Dichte und Schichtung fein abgestimmte Struktureigenschaften zu erzielen.

Das Außenskelett des Hummers, das als biologisches Vorbild für den ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 diente, besteht beispielsweise aus Chitinfasern, die schichtweise in eine Proteinmatrix eingelagert sind. Diese Einzelschichten sind in den harten Panzersegmenten und Scheren spiralförmig überlagert, da dort ein ungerichteter Lastabtrag gefordert ist. In den biegsamen Antennen und Gelenkmembranen sind die Fasern dagegen gerichtet angeordnet.

Dieses Grundprinzip der lokal angepassten Faserorientierung wurde abstrahiert und in einen architektonischen Demonstrator überführt. Hierfür wurde ein Verfahren entwickelt, das den Aufwand für den Formenbau auf ein Minimum reduziert, indem ein Roboter in Epoxidharz getränkte Fasern auf ein rotierendes Stahlgerüst ablegt (Abb. 6). Zunächst wurden mehrere Glasfaserschichten in unterschiedlicher Folge gewickelt, auf die dann die deutlich steiferen Kohlenstofffasern gelegt wurden. Nach dem Aushärten des Harzes wurde das Stahlgerüst entfernt, sodass eine reine Faserstruktur verblieb. Der Spannungs- und Verformungszustand ändert sich während des Wickelns und des sukzessiven Aushärtens des Harzes permanent. Dies muss vorab simuliert werden, damit die Faserschichten während des Wickelns stets mit Kontakt aufeinanderliegen und am Ende ein tragfähiges Laminat entsteht. Die Analyse erweitert sich also von der statischen Berechnung der fertigen Struktur hin zur Simulation des gesamten Prozesses. Der Aufwand verschiebt sich von der Fertigung hin zu einer umfassenden Prozessplanung.

Im Ergebnis entstand eine etwa 8 m weit spannende Struktur mit einer mittleren Stärke von 4,5 mm und einem Eigengewicht von etwa 320 kg, die ein halbes Jahr lang auf dem Innenstadtcampus der Universität Stuttgart zu besichtigen war. Insgesamt wurden rund 60 km Glasfasern und 30 km Kohlenstofffasern in 130 Stunden (reine Prozesszeit) mit dem Roboter gewickelt.

Forschungspavillon 2013 –14

In einem nächsten Schritt wurde der Ansatz des kernlosen Wickelns zu einer modularen zweilagigen Struktur erweitert, um die Tragfähigkeit und Robustheit der Konstruktion zu erhöhen und die Vorfertigung weit spannender und frei geformter Strukturen zu ermöglichen. Als natürlicher Ideengeber dienten die Deckflügel von Käfern (Elytren), die die eigentlichen Flügel gegen mechanische Beschädigung schützen (Abb. 8). Sie bestehen aus zwei Schichten, die mit einer speziellen Faserarchitektur zu einer leichten und gleichzeitig robusten Schalenstruktur verbunden sind.

Auf den ICD/ITKE Forschungspavillon 2013 –14 (Abb. 9 –10) wurde dies übertragen, indem auf zwei steuerungstechnisch gekoppelte Roboter Rahmen montiert wurden, die sich jeweils individuell an unterschiedliche Modulabmessungen anpassen ließen. Die Faserquelle war hierbei stationär zwischen den beiden Robotern positioniert. Zunächst wurden die nassen Glasfasern zu hyperbolischen Körpern gewickelt, auf die dann die ebenfalls nassen Kohlenstofffasern, den Hauptlastpfaden folgend, abgelegt wurden. Nach dem Aushärten des Harzes wurden die Elemente von den Rahmen abgenommen – die 36 geometrisch unterschiedlichen Module waren so leicht, dass eine Person sie ohne Probleme montieren und mit Schrauben verbinden konnte. Nachdem der Pavillon sechs Monate auf dem Innenstadtcampus der Universität Stuttgart stand, wurde er ein zweites Mal auf der Shanghai-Biennale in China aufgebaut.

Forschungspavillon 2014 –15

Mit dem die Serie abschließenden ICD/ITKE Forschungspavillon 2014 –15 (Abb. 12) sollte das Thema der Integration einer wasserdichten Hülle untersucht werden. Hierfür diente die Wasserspinne als Vorbild. Sie lebt in einer Luftblase unter Wasser, die sie von innen mit Fasern verstärkt. Dieser Ansatz wurde auf einen Fertigungsprozess übertragen, indem Fasern von innen auf eine pneumatisch vorgespannte ETFE-Folie abgelegt werden (Abb. 11). Die Anordnung der Fasern folgt innerhalb der vom Arbeitsraum des Roboters vorgegeben Grenzen einer Strukturoptimierung. Für die Fertigung musste eine Reihe von anspruchsvollen Prozessschritten gelöst werden, da der Roboter die Fasern nur mit begrenzter Kraft auf der nachgiebigen Folienhülle ablegen kann und sich deren Geometrie und Steifigkeit während des Prozesses ständig ändern. Ein integriertes Sensorsystem überwacht laufend die Anpresskraft des Roboters und passt seinen Pfad entsprechend an. Nach dem Aushärten der Fasern wurde der pneumatische Innendruck aus der Gesamtkonstruktion abgelassen. Die äußeren Lasten werden von da an allein über das druckbeanspruchte Fasergerüst getragen. Insgesamt wurden etwa 45 km vorimprägnierte Karbonfasern verwendet. Die Konstruktion wiegt bei einer Spannweite von etwa 7,5 m nur 260 kg.

Die im Rahmen dieser Projekte entwickelten robotischen Fertigungsverfahren resultieren in einem neuartigen Ausdruck der Tektonik und Materialität. Statt wie sonst Gewebematten werden hier Faserstränge verarbeitet – eine Technologie, die seit Neuestem auch der Automobilbau verfolgt. Dies vermeidet nicht nur den normalerweise anfallenden Mattenverschnitt, sondern ermöglicht auch einen lastangepassten Faserverlauf. Im Ergebnis führt dies bei allen drei Pavillons dazu, dass trotz Automatisierung die Herstellung an der Textur der Oberflächen deutlich ablesbar ist. Die drei Pavillons stehen damit den mit Matten verstärkten Elementen von Walbrook gewissermaßen diametral gegenüber. Dort sind die Oberflächen zwar von höchster Perfektion, die Herstellung erfolgte jedoch in unendlich vielen manuellen Arbeitsstunden.

Nicht alle, aber doch einige der hier gezeigten Ideen werden bereits in Folgeprojekten aufgegriffen. Ähnlich wie bei den frühen Konstruktionen aus Eisen ist die experimentelle Auseinandersetzung mit Fertigungsprozessen Ausgangspunkt der Entwicklung einer eigenen Konstruktionssprache. Im Ergebnis entstehen nicht nur hochleistungsfähige Strukturen, sondern auch Räume und Hüllen, die der Architektur neue Möglichkeiten jenseits gängiger Typologien und tradierter Tektonik eröffnen.