In der zeitgenössischen Architektur tauchen immer häufiger sogenannte "Freie Formen" auf. Unterstützt durch CAD-Systeme gelingt es den Entwerfern heute immer leichter, die Zwänge von geraden Linien und rechten Winkeln zu überwinden. Aber spätestens beim Schritt von der virtuellen in die gebaute Realität endet die Freiheit der großzügigen Kurven und des nahtlosen Übergangs. Lesen Sie hier, wie diese Aufgabe bewältigt werden kann.
Die Komplexität des Planens und Bauens tritt in den Vordergrund: Gekrümmte Flächen lassen sich in zweidimensionalen Abbildungen nur unzureichend darstellen, und in vielen Fällen müssen die Produktionsmethoden und Bauabläufe erst entwickelt werden, da es keinen etablierten Standard gibt. Gerade im Hinblick auf digitale Fertigungstechnik zeigt sich dabei, dass der Werkstoff Holz seinen Konkurrenten Stahl, Glas und Beton an entscheidenden Stellen überlegen ist.
Ein gutes Beispiel für Sonderformen aus Holz sind die Arbeiten des Architekten Shigeru Ban. Während das von ihm entworfene Centre Pompidou in Metz mit seinem 8.000 Quadratmeter großen, geschwungenen Holzdach noch bis Ende 2009 im Bau sein wird, wurde unlängst ein weiteres Projekt des japanischen Architekten vollendet, das die Möglichkeiten des Holzbaus eindrücklich demonstriert: das Dach für den Nine-Bridges-Golfklub in Yeoju, Südkorea. Eine über 2.500 Quadratmeter große Holzkonstruktion auf 21 baumförmigen Stützen, die direkt in ein "Geflecht" aus Trägern übergehen. Dieses Geflecht folgt auf den ersten Blick demselben Prinzip wie das des Centre Pompidou. Bei genauer Betrachtung fällt allerdings auf, dass die Träger hier nicht in verschiedenen Ebenen verlaufen, sondern sich gegenseitig durchdringen. Da jeder Träger aus zwei parallelen Lagen besteht, sind an jedem Kreuzungspunkt zwei Blattverbindungen nötig insgesamt genau 14.824 Stück im gesamten Dach. Immerhin basiert das Yeoju-Dach auf einem regelmäßigen Raster und wird aus fünf verschiedenen Typen von 9 × 9 Meter großen Elementen zusammengesetzt. Es gibt also eine gewisse Wiederholung von Bauteilen. Die insgesamt knapp 3.500 Trägersegmente haben "nur" 467 unterschiedliche Geometrien. Gefertigt wurden sie von Blumer-Lehmann aus dem schweizerischen Gossau auf einer Fünfachs-Abbundmaschine, bevor sie nach Südkorea verschifft und dort montiert wurden. Beim Centre Pompidou Metz war Holzbau Amann aus Weilheim-Bannholz für den Holzbau verantwortlich, auch hier kam eine Fünfachs-Abbundmaschine zum Einsatz.
CAD-Systeme: Der Prozess ist so wichtig wie das Ergebnis
Viele Architektur-CAD-Systeme sind mittlerweile in der Lage, mit kontinuierlich gekrümmten Kurven (Splines) und Flächen (NURBS) umzugehen. Allerdings muss man sich als Benutzer darüber im Klaren sein, dass es gerade wenn ein Objekt weiterverarbeitet werden soll nicht nur auf die augenscheinliche Form, sondern auch auf die Parametrisierung (die innere Struktur) der Flächen ankommt. Optisch fast gleiche Ergebnisse können sich in ihrem Aufbau immens unterscheiden, was dann bei der Detaillierung oft zu gewaltigen Toleranzproblemen führt. Der Prozess ist bei komplexen Formen mindestens genauso wichtig wie das Ergebnis. Durch die große Anzahl individueller Einzelteile ist eine Automatisierung schon in der Planung nötig dies geschieht meist in Form sogenannter "parametrischer Modelle", in denen keine fertigen Geometrien definiert werden, sondern Regeln, nach denen einzelne Bauteile in Abhängigkeit von anderen Bauteilen konstruiert werden. Ändert sich also die Grundgeometrie, passen sich im Idealfall alle Detaillösungen automatisch an. Umfassende parametrische Modellierer finden sich derzeit noch eher im Automobil, und Flugzeugbau. Viele CAD-Programme bieten allerdings die Möglichkeit, mittels eingebauter Programmierschnittstellen projektspezifische Erweiterungen (Plug-ins) zu entwickeln, die für einzelne Arbeitsschritte eine ähnliche Funktion erfüllen. Diese Technik wurde sowohl beim Centre Pompidou Metz als auch beim Yeoju-Projekt angewendet.
Die doppelt gekrümmten Trägersegmente sind gefertigt. 15.000 Kreuzblattungen verbinden die Trägersegmente, die dann das Dach in Yeoyu bilden. Jede Ausblattung für sich ist ebenfalls doppelt gekrümmt.
CAE/CAM: Verbesserungspotenzial bei Schnittstellen
Die Schnittstellen zu CAE (Computer Aided Engineering) und CAM (Computer Aided Manufacturing) bieten wohl das größte Verbesserungspotenzial des Prozesses. Für die statische Berechnung solch komplexer Tragwerke ist ein detailliertes Modell des gesamten Systems in einer entsprechenden Analysesoftware nötig. Da bei einem anisotropen Werkstoff wie Holz außer der reinen Geometrie auch Informationen wie Faserschnittwinkel relevant sind, fallen reine Geometrie-Austauschformate wie DXF aus. Im Fall der Beispielprojekte in Metz und Yeoju wurden aus dem Geometriemodell Koordinaten- und Winkellisten erzeugt, die auf Seiten der Ingenieure mit wiederum speziell programmierten Tools weiterverarbeitet wurden.
Bei der Datenübertragung zur NC-Fertigung decken die Branchenlösungen zwar alle Standardfälle weitgehend ab. Sonderfälle wie tordierte Blattverbindungen dagegen sind praktisch nicht umzusetzen. In Metz und Yeoju mussten die gekrümmten Bauteile im CAM-System als Einzelstücke programmiert werden, wobei die detaillierten 3D-Modelle als Grundlage dienten. Dass diese Sonderfälle in absehbarer Zeit in die Standardlösungen aufgenommen werden, ist nicht anzunehmen; zu groß wäre der Aufwand im Vergleich zum Markt. Vielversprechender ist der Ansatz, sich wie bei Entwurf und Detaillierung die Möglichkeit der Parametrisierung zunutze zu machen. Entsprechend müsste auch auf CAM-Seite mit projektspezifischen Erweiterungen der Standardsoftware gearbeitet werden was leider oft an nicht vorhandenen Programmierschnittstellen scheitert.
Fazit: Holz ist ein tauglicher Werkstoff für komplexe Geometrien
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Werkstoff Holz sich sehr gut für die Umsetzung komplexer Geometrien eignet insbesondere, weil er sich durch die spanende Bearbeitung äußerst präzise und inklusive aller Anschlussdetails fertigen lässt und so tatsächlich gekrümmte Bauteile ermöglicht, statt sich mit geraden Segmenten an die gewünschte Geometrie annähern zu müssen.
Herausforderungen liegen in der Durchgängigkeit der digitalen Produktionskette (die vor allem im Bereich CAD-CAE und CAD-CAM noch Lücken aufweist) und im generellen Umgang mit Veränderungen und neuen Abhängigkeiten im Bauprozess von der immensen Wichtigkeit eines sauberen 3D-Modells und dem Austausch von 3D-Daten anstelle von 2D-Zeichnungen bis zur Verschiebung zeitlicher Abläufe und der Neudefinition der Qualitätssicherung. Da diese Probleme aber bei allen Baustoffen gleichermaßen auftreten, ist der Holzbau für die Umsetzung komplexer Geometrien vergleichsweise gut aufgestellt.
Fabian Scheurer