Zum Hauptinhalt springen

3. Preis Bionisch-Kinetische Gebäudehülle – Multifunktionales Veranstaltungszentrum Tzu-Ching Wen

Staatliche Akademie der Bildenden Künste Stuttgart

3. PREIS

Erläuterungsbericht von Tzu-Ching Wen zur Einreichung beim 'Förderpreis des Deutschen Stahlbaues 2018'

Inspiriert von Frei Otto

Frei Otto, geboren vor rund 90 Jahren in Deutschland, verbrachte seine lange Karriere mit dem erforschen und entwickeln einer baulich-konstruktiven Interpretation biologischer Formen, die die Welt nach ihm nachhaltig beeinflusst hat.

© Tzu-Ching Wen

Der Schwerpunkt seiner Pionierarbeit liegt auf dem Gebiet der Leichtbaukonstruktionen, die anpassungsfähig, veränderbar und resourcenoptimiert sind. Die Natur inspieriert ihn, von Vogelschädeln über Seifenblasen bis zu Spinnweben. Er sprach von der Notwendigkeit, die "physikalischen, biologischen und technischen Prozesse, die zur Form des Gegenstands führen" zu verstehen. Inspiriert von der Natur und den dort empirisch analysierten Srukturen suchte er nach Wegen, den Raum mit möglichst wenig Material- und Energieaufwand zu umschließen.

Das Forschungsobjekt

Jedes Lebewesen entwickelt spezielle Fähigkeiten, um in der Natur zu überleben. Was jedoch die Anpassungsfähigkeit angeht, faszinieren mich Schlangen wie nur wenige andere Tiere.

Schlangen sind in der Lage, die Größe ihres eigenen Körpers der ihrer Beutetiere anzupassen. Letzteres kann in einigen Fällen sogar größer sein als die Schlange selbst. Da das gesamte Körpersystem der Schlange am besten als "adaptiv" charakterisiert werden kann, tut sich der Zusammenhang zu Frei Ottos "Retraceable Roofs" oder genauer gesagt "Adaptable Architecture" auf.

Formfindung anhand von Arbeitsmodellen

Der Formfindungsprozess basiert einerseits auf physischen Modellen und andererseits auf computergestützten Optimierungswerkzeugen. In den Modellen wurde die Bewegung von Haut und Schuppen der Schlange analysiert, um sie schließlich in konstruktive Prinzipien zu übertragen.

In der zweiten Phase wurden die erarbeiteten Prinzipien unter Zuhilfenahme von Software wie Rhino, Karamba und Sofistik verfeinert. Aus der Formfindungsphase ergaben sich vier verschiedene Ansätze für eine mögliche Umsetzung im Gebäudemaßstab und der Zielfunktion, den Lichteinfall zu steuern und das Innenvolumen zu verändern.

Entscheidung

Innovation, Ästhetik und Dauerhaftigkeit waren Anhaltspunkte, die schließlich zur Entscheidung führten, "Lamelle Hülle" weiter zu entwickeln.

Das Funktionprinzip von "Lamelle Hülle" verlangt nach einer konvex oder konkav gekurvten Anordnung der Fassadenelemente im Grundriss. Insofern brachte die Auswahl der Fassade grundlegende Auswirkungen auf die Gebäudeform mit sich, da eine lineare bzw. recheckige Grundrissgeometrie nicht zielführend sein konnte.

Anordnung der Lamellen

Geometrie Charakter

1 Gerade
In gerader Linie angeordnete Lamellen erzeugen bei ihrer Stauchung keine Öffnungen, weshalb sie für die Regulierung des Lichteinfalls ungeeignet sind.

2 Konkav (nach innen gewölbt)
Die Lamellen, die entlang einer nach außen gekrümmten Kurve angeordnet sind, öffnen sich wenn sie gestaucht werden, sodass Sonnenlicht hereinkommt. Allerdings reduziert die Wölbung die Größe des Innenraums, was zu Komplikationen mit dem Raumprogramm führen kann.

3 Konvex (nach außen gewölbt)
Die Lamellen, die entlang einer nach innen gekrümmte Kurve angeordnet sind, öffnen sich ebenfalls wenn sie gebogen sind, sodass das Sonnenlicht hereinkommt. Außerdem erweitern sie das Volumen des Innenraums.

© Tzu-Ching Wen

Materialität

Federstahl bezeichnet eine breite Palette von Stählen, die vor allem bei der Herstellung von Federn in der Automobilindustrie Anwendung findet. Es handelt sich im allgemeinen um niedriglegierten und mittel bis stark kohlenstoffhaltigen Stahl mit einer sehr hohen Streckgrenze. Deshalb können Objekte aus Federstahl nach erheblicher Verformung oder Verdrehung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Diese Eigenschaften qualifizieren das Material in bester Weise für die Verarbeitung in den Fassadenelementen.

Verortung und Entwicklung

Standort des Veranstaltungszentrums ist die südliche Seite des Stuttgarter Uni Campus in Vaihingen.

Das Gebäude orientiert sich nach Norden, in dieser Himmelsrichtung befindet sich der Zugang über eine größere Verkehrsader. Auf westlicher- und südlicher Seite gliedern sich attraktive Grünflächen und Natur an. Nach der Auswahl Lamelle Hülle als Fassade sollte die Grundform des Grundrisses eine nach innen gekrümmte Kurve sein. Umliegendem Kontext und Raumbrogramm folgend, werden die Nebenfunktionsräume zur Nordseite und der Multifunktionsraum zur Südseite hin platziert. Auf der Nordseite befindet sich der Vorplatz und auf der süd-westliche Seite wird ein sich der Grünfläche angliedernder Weiher angelegt.

Sichtbeziehungen

Das Veranstaltungszentrum ist eine Begegnungsstätte, in denen sich dank der multifunktionalen Räumlichkeiten die unterschiedlichsten Menschen zu Konzerten, Tagungen, Versammlungen und anderen Veranstaltungen treffen können. Durch die elegante und ungewöhnliche kinetische Hülle ergeben sich interessante Sichtbeziehungen zwischen Innen und Außen. Es gibt keine übliche Begrenzung zwischen Innen und Außen, ebensowenig wie die Inhalte nicht eingeskapselt und an Grenzen gebunden sein sollen.

Die Hülle dient der Reguliereung des Lichtes, die tagsüber gedämpftes Licht in die Gebäude fallen lassen kann. Dieser Effekt kehrt sich in der Nacht um: Das Gebäude beginnt von innen heraus zu leuchten.

Mechanisches Diagramm

Die kinetische Hülle wird als Sekundärkonstruktion auf der Primärkonstruktion, dem Rohbau aus Stahl, platziert. Für die Hüle werden die Elemente X und Y abwechselnd angebracht und beidseitig gelenkig gelagert. Am Kopfpunkt werden sie mit dem Hebel verbunden; am Fußpunkt mit einem einachsigen Gelenk. Jede Lamelle wird unter Druck gekrümmt aufgelagert ( L1 > L0 ). Die dadurch erzeugte Stauchung der Lamelle erhöht die Stabilität der Hülle. Der Hebel wird durch Schubspindelantrieb, der von der Primärkonstruktion getragen wird, nach oben bewegt. Der dadurch erzeugte Druck ist nötig, um die Hülle zu öffnen.

Anwendungsmöglichkeiten

Die kinetische Hülle ermöglicht alle möglichen Öffnungsgrade, so dass eine Vielzahl verschiedener Abstufungen von direktem Sonnenlicht und diffusem Tageslicht einfallen können. Mit der kinetische Hülle kann man unterschiedliche Lichtszenen und verschiedene Atmosphären im Innenraum erschaffen. Je nach Event, Programm und Tageszeit kann man durch die Steuerung der Hülle zusammen mit der Sonne, zwischen direktem und indirektem Tageslicht wechseln.

FALL I - Direktes Sonnenlicht

Die Lamellen in Richtung der Sonne sind geöffnet und lassen direktes Sonnenlicht in den Multifunktionsraum. Das gezackte Profil der Lamellen zeichnet sich als lebhaftes und dynamisches Schattenspiel in den Räumlichkeiten ab.

Fall II - Indirektes Sonnenlicht

Die zur Sonne gerichteten Lamellen schließen sich und die natürliche Beleuchtung erfolgt indirekt über die Öffnung der sonnenabgewandten Lamellen. Es resultiert eine gleichmäßig helle Beleuchtung frei von Schattenwürfen oder Blenderscheinungen.

Tageslichtfaktor und Umweltfreundlichkeit

Die kinetische Hülle des Multifunktionsraums wird mit drei sich progressiv öffnenden Graden (0%, 50% und100%) unter bewölktem Himmel gemessen. Anhand des Tageslichtfaktors wird erörtert, wie viel Tageslicht in den raum gelangt.

Wenn die Lamellen der Veranstaltungshalle zu 100 % geöffnet sind, beträgt der mittlere Tageslichtfaktor 6,85% . Der vergleichsweise hohe Wert legt nahe, dass die Öffnung der Lamellen mehr geschlossen werden könnten.

Durch die wandelbare Hülle kann man das ganze Jahr tagsüber, egal ob bei bewölkten oder klarem Himmel, immer natürliches Licht verwenden.

© Tzu-Ching Wen

Bachelor-Arbeit
Tzu-Ching Wen

Staatliche Akademie der Bildenden Künste Stuttgart

betreut durch
Prof. Dr.-Ing. Stephan Engelsmann MA Arch Des.