In einem interdisziplinären Team entwickeln Architekten und Ingenieure selbsttragende Fassadenelemente als nachhaltiges Leichtbausystem für freigeformte Gebäudehüllen mit einer innovativen Planungs- und Fertigungskette.

Freigeformte Fassaden prägen das Bild moderner Architektur. Durch die fortschreitende Entwicklung von Entwurfssoftware für die dreidimensionale Planung steigert sich zunehmend die Komplexität der Gebäudeentwürfe.

Solche komplexen Entwürfe, wie beispielsweise der des Dongdaemun Design Plaza (Abbildung 1), erfordern in der Umsetzung jedoch kosten- und materialintensive Individuallösungen. Der Grund für die aufwändige Umsetzung von Freiform-Fassaden setzt sich aus verschiedenen Faktoren zusammen. Zum einen richtet sich die geometrische Auslegung solcher Fassaden in erster Linie nach optischen Aspekten. Dadurch ergeben sich zum Teil ungünstige Lasteinleitungen und ein effizienter Lastabtrag wird erschwert. Dies resultiert in aufwendigen und materialintensiven Unterkonstruktionen. Zum anderen existieren keine Verfahren, um die zahlreichen individuellen Einzelteile von Freiform-Fassaden effizient zu fertigen. Ein signifikanter Anteil von Handarbeit ist hier noch immer Stand der Technik. Ein häufig gewählter Ansatz ist daher die Tesselierung von gekrümmten Fassaden. Gemeint ist damit die Einteilung der Fassadenfläche in kleine ebene Teilflächen, die so angeordnet werden, dass sie die Krümmungen der Fassade annähern. Dieser Lösungsansatz wird den optischen Anforderungen an den Entwurf des Architekten jedoch nicht vollständig gerecht.

In Zusammenarbeit des Instituts für Bildsame Formgebung (IBF) und des Lehrstuhls für Tragkonstruktionen (TRAKO) der RWTH Aachen haben Architekten, Bau- und Produktionsingenieure ein Konzept für selbstragende Freiformpaneele sowie ein zugehöriges flexibles Fertigungskonzept entwickelt. Die Stärke der entwickelten Paneele zeigt sich sowohl in ihrer hohen Tragfähigkeit bei geringem Eigengewicht, als auch durch die Möglichkeit freigeformte Entwürfe ohne Approximation der Oberflächen umzusetzen.

Das Konzept nimmt sich so den Anforderungen an freigeformte Bauwerke an und ermöglicht deren effiziente Umsetzung durch die Prozesskombination aus Streckziehen und Inkrementeller Blechumformung (IBU). Beide Fertigungsverfahren zeichnen sich durch einen geringen Aufwand für geometriespezifische Formwerkzeuge aus, was den Einsatz dieser Prozesskombination besonders attraktiv für die Fertigung einer großen Anzahl individueller Bauteilgeometrien macht. Der Prozess des Streckziehens übernimmt dabei die Aufgabe die globale Krümmung in das Blech einzubringen. Die IBU dient dazu konische Vertiefungen in eine Lage der Paneele einzubringen. Durch den Verbund der Lagen entsteht ein steifes Paneel mit hoher Tragfähigkeit, das große Spannweiten überbrücken kann und somit den Verzicht auf materialintensive Unterkonstruktionen erlaubt.

Das Unterwerkzeug besteht aus einem Block gestapelter und verleimter mitteldichter Holzfaserplatten (MDF), der für eine Vielzahl individueller Bauteilgeometrien immer wieder durch Fräsen angepasst werden kann. Durch einen günstigen Materialpreis und hohe Fräsgeschwindigkeiten ermöglicht das MDF ein kosteneffizientes Formwerkzeug. Zusätzlich wird die digitale Planungskette genutzt, um durch eine optimierte Fertigungsreihenfolge das erforderliche Materialvolumen für Formwerkzeuge zu minimieren.

In einem aktuellen, von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) geförderten Forschungsprojekt geht es in Zusammenarbeit von IBF und TRAKO darum, das Paneel-System weiter zu entwickeln, um es zukünftig in die Anwendung zu bringen. Ziel ist die Entwicklung einer ganzheitliche Planungs- und Fertigungskette, die es erlaubt in einem lückenlosen Workflow vom Entwurf zum fertigen Bauwerk zu planen und zu fertigen. Dies ermöglicht es, die Anforderungen aus der Anwendung und die Restriktionen aus der Fertigung von Beginn an gleichermaßen zu berücksichtigen und eine Gesamtoptimierung über alle Kriterien zu erreichen. So kann beispielweise die Tragfähigkeit optimiert und dabei die maximale Umformbarkeit der Bleche sowie maximale Prozesskräfte und Bauteilgrößen berücksichtigt werden. Betrachtet man, dass zwischen den einzelnen Faktoren ein Netz aus Wirkbeziehungen besteht, ergibt sich eine komplexe Problemstellung. Mit Hilfe von Analysetools und Simulationen sowie Realversuchen verschiedener exemplarischer Paneelgeometrie werden Wirkbeziehungen und Restriktionen quantitativ beschrieben und in der Planung berücksichtigt. das entwickelte Paneelkonzept sowie die Planungs- und Fertigungskette werden im Rahmen des Forschungsprojektes anhand eines selbsttragenden und komplex gekrümmten Musterbaus erprobt.

Der Einsatz individueller Freiform-Paneele als nachhaltiges Leichtbausystem für eine funktionale Gebäudehülle ist das Ziel aktueller und zukünftiger Forschungsvorhaben. Diese Vision und die zukünftigen Arbeiten umfassen dabei die Integration weiterer Funktionalitäten in freigeformten Fassadenelementen. Das Paneel-System soll die Funktionen Wetterhaut, Klimahülle, Tragstruktur und Innenbekleidung in einer integralen Einheit verbinden. So kann eine Alternative zu mehrschichtigen Fassadenkonstruktionen entstehen und ein Beitrag zum ressourceneffizienten Bauen geleistet werden.

IBF - Institut für Bildsame Formgebung, RWTH Aachen University

Tätigkeitsschwerpunkte

• Forschung und Entwicklung im Bereich Umformtechnik
• Dienstleistungen im Bereich Prüftechnik, Simulation und Fertigungsversuche

Branchen- und Technologiefelder

• Branchenübergreifend
• Umformverfahren für Halbzeuge und Endprodukte
• Material- und Prozessmodellierung für umformtechnische Prozessketten

Wichtigste Regionen für die eigene Wertschöpfung (Entwicklung/Produktion/Märkte)

Deutschland

www.ibf.rwth-aachen.de

Abbildung 1: Dongdaemun Design Plaza in Seoul nach dem Entwurf von Zaha Hadid Architects (Foto: Mathew Schwartz) mit einer Fassadenfläche von 30.000 m² aus 45.000 Aluminiumplatten in unterschiedlichen Größen und Krümmungsgraden (DETAIL - Zeitschrift für Architektur + Baudetail, 2014)

Abbildung 2: Diese Abbildung zeigt das Konzept der freigeformten Fassadenelemente bestehend aus zwei Lagen. Das Paneel besteht aus einer glatten Decklage und einer strukturellen Lage mit konischen Vertiefungen. Der Verbund der Lagen sorgt für die Steifigkeit und damit Tragfähigkeit der Fassadenelemente (Bild: TRAKO)

Abbildung 3: Die Abbildungen zeigen die Prozesskette von der Einspannung des Blechs (a), über den Prozess des Streckziehens (b), bis zum Einformen von konischen Vertiefungen mittels der Inkrementellen Blechumformung (c). (Bilder: IBF)