Algorithmische Generierung komplexer Raumstabwerke

In diesem Forschungsprojekt soll die Generierung komplexer Raumstabwerke mit Hilfe algorithmischer Prozesse untersucht und deren Auswirkung auf und Bedeutung für Architektur und Bauwesen beurteilt werden. Der Antragssteller hat bereits Erfahrung mit diesem Thema innerhalb diverser Projekte sammeln können. Hierbei konnte die prinzipielle Machbarkeit unter Beweis gestellt und verschiedene Herangehensweisen festgehalten werden. Die heutigen Methoden des Tragwerkentwurfs beruhen auf einer Systematisierung der Tragwerke, die in der Mitte des 19. Jahrhunderts durch Karl Culmann eingeleitet wurde. Es können im hohen Maße effektive Tragsysteme entwickelt werden, die allerdings ein hohes Maß an Regelmäßigkeit aufweisen. Gleichzeitig wird an aktuellen Architekturprojekten - sowohl in der freien Wirtschaft, als auch im universitären Umfeld - der Wunsch nach freien Formen, und damit nach irregulären Strukturen sichtbar. Um irreguläre Tragstrukturen zu entwickeln, die gleichzeitig optimierte Trageigenschaften aufweisen, sind die Bestehenden, im Wesentlichen auf Vereinfachung beruhenden Entwurfsansätze nur sehr beschränkt anwendbar. Es besteht hier eine Lücke zwischen den Bedürfnissen und Forderungen seitens der Architektur und des Bauwesens und den Werkzeugen, die dem Tragwerksplaner zu Verfügung stehen. Tragwerke, die keine regelmäßige Struktur besitzen, aber trotzdem eine immanente Tragfähigkeit besitzen weisen einen hohen Grad an Komplexität auf. Für den Entwurf komplexer Tragwerke ist es notwendig die Beziehung der einzelnen Tragelemente zueinander zu beurteilen. Aktuelle Hard- und Software erlauben es, die Trageigenschaften beliebiger Systeme in kürzester Zeit zu ermitteln und zu beurteilen. Es ist so möglich, viele Varianten eines Systems zu untersuchen und optimierte Systeme iterativ zu entwickeln. Damit können Tragwerke algorithmisch generiert werden, deren Tragfähigkeit emergent ist und nicht auf einem von vorneherein festgelegtem Tragsystem basieren. Wir möchten in diesem Forschungsprojekt neue und innovative Ansätze für die Entwicklung irregulärer und gleichzeitig effektiver Tragwerke untersuchen. Ziel ist dabei nicht nur die Generierung optimaler Strukturen, sondern die Integration konstruktiver Prinzipien, die eine systemimmanente Umsetzbarkeit sicherstellen.

In dem Projekt "Algorithmische Generierung komplexer Raumstabwerke" wurden grundlegende Ansätze erforscht, neue Arten von Tragwerken zu entwerfen. Ein Tragwerk wird dabei nicht mehr in einem Schritt nach einer zugrundeliegenden Systematik von außen festgelegt, sondern es wird ein Prozess entworfen, in dem sich das Tragwerk aus einem sehr großen Lösungsraum herauskristallisieren kann. Stabtragwerke, also aus einzelnen Stäben zusammengesetzte Tragstrukturen von weitspannenden Dächern, Brücken oder auch Türmen, sind meist per Definition als Fachwerkstrukturen konzipiert und damit auf das Ableiten der auftretenden Kräfte durch Druck und Zug (Kräfte in Stabrichtung) beschränkt. Die Geometrie ist, der Aufteilung der Kräfte auf das sogenannte Kräftedreieck entsprechend, immer auf Dreiecken aufgebaut. Daraus ergibt sich ein beschränkter Kanon von verschiedenen Fachwerkstypologien, denen eine hohe Regelmäßigkeit gemein ist. Nun ist es so, dass die wirkliche Tragwirkung oft komplexer als diese systematische Abbildung ist und dass bei allen Fachwerksstrukturen auch Biegemomente (Kräfte quer zur Stabachse) auftreten können. Moderne Hard- und Software erlauben die detaillierte und realistische Simulation des tatsächlichen Kräfte- und Momentenverlaufs in der gesamten Tragstruktur. Es können praktisch alle Strukturen unabhängig von ihrer Tragwirkungen (Druck, Zug oder Biegung) und unabhängig davon ob sie ein sinnvolles System darstellen prinzipiell berechnet werden. Hier klafft eine Lücke zwischen den Möglichkeiten komplexe Stabtragwerke zwar berechnen zu können, aber keine Werkzeuge zu Verfügung zu haben, diese zu entwerfen. Der Schwerpunkt dieses Forschungsprojektes war es, eine eigenständige Software zu entwickeln mit der diese Lücke überbrückt werden kann. Das Ergebnis ist GENTs (Generic Exploration and Navigation Tool for structures). In GENTs müssen Tragwerke nicht mehr von vorneherein festgelegt werden, sondern es können innerhalb eines definierten Rahmens und in kurzer Zeit eine große Anzahl von zufällig erstellten Varianten gebildet und berechnet werden. Diese werden dann durch Selektion, Rekombination und Mutation, also an der Evolution angelehnte Prinzipien, in einem Prozess stetig verbessert, bis eine effektive Struktur entsteht. Das Ergebnis weißt meistens einen hohen Grad an Irregularität auf; die Tragwirkung wird komplex und ist damit nicht mehr ohne weiteres erklärbar. In Studien konnte nachgewiesen werden, dass neben der Möglichkeit den Formenkanon zu erweitern, insbesondere in Fällen, in denen die Randbedingungen die Ausbildung regelmäßiger Systeme erschwert, leichtere und damit wirtschaftlichere Tragwerke möglich sind. Die so entstehenden Tragwerke leisten durch die effiziente Nutzung von Materialressourcen nicht nur einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung, sondern die Möglichkeit Tragwerke prozedural zu definieren bietet eine neue Qualität im Entwurfsprozess und in der Zusammenarbeit zwischen Architekten und Tragwerksplanern.