Exploring Form Optimisation in Earthen Structures: A Seminar on Shell Design

Schalentragwerke, wenn sie überwiegend durch Druckkräfte belastet werden, bieten die Möglichkeit, den Einsatz wie Lehm zu erproben, ein Material mit einer günstigen Energie- und Emissionsbilanz wie kein anderer mineralischer Baustoff. Wie weit man in Bezug auf Spannweiten und Gebäudehöhen sowie Geometrie und Vorfertigung gehen kann, waren Fragen, mit denen sich ein forschungsnahes Seminar "Tragwerke für Gebäudehüllen" an der TU Graz im Sommersemester 2023 beschäftigte. In einem Zeitraum von mehreren Monaten begaben sich die Studierenden auf eine intensive Reise und verwandelten konzeptionelle Ideen in greifbare Strukturen.
Die erste Phase des Seminars war dem konzeptionellen Entwurf von Lehmbauten gewidmet. Die Studenten hatten die Aufgabe, die Eigenschaften von Lehm als Baumaterial unter Berücksichtigung der Tatsache, überwiegend Druckkräfte zu übertragen, einzusetzen und sein Potenzial für die zeitgenössische Architektur neu zu entdecken. In dieser Phase skizzierten und formulierten die Teilnehmer einen Vorentwurf für Schalenstrukturen auf einem Grundriss von 20 x 20 m.
In der zweiten Phase digitalisierten die Studierende ihre Entwürfe, indem sie die Mittellinienform ihrer Schalentragwerke mit dem parametrischen Designwerkzeug Grasshopper und dem Formfindungstool Kangaroo 2 modellierten. Diese digitale Umgebung ermöglichte die Verfeinerung und Optimierung der Form, wodurch die Studierenden die Entwürfe in eine strukturell effiziente Gestaltung von Schalentragwerken umsetzen konnten, welche überwiegend durch Druckkräften beansprucht sind.
In der dritten Phase wurde eine strukturelle Analyse als entscheidender Bestandteil des Designprozesses durchgeführt. Um die strukturelle Leistungsfähigkeit der formoptimierten Lehmstrukturen zu validieren, wurde eine Spannungs-Dehnungs-Analyse mit der Software RFEM mit einem Add-on für die Bemessung von Mauerwerkstrukturen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode durchgeführt. Dieser Schritt war entscheidend, um sicherzustellen, dass die Entwürfe, die auch vor dem Hintergrund notwendiger Sicherheits- und Stabilitätsstandards, plausibel sind, und betonte den interdisziplinären Charakter des Seminars.
Den Höhepunkt des Seminars bildete die Bauphase, in der die Studierenden gemeinsam einen ihrer formoptimierten und statisch überprüften Entwürfe im Maßstab 1:10 mit Lehmmauerwerk realisierten. Diese praktische Erfahrung vermittelte den Studierenden ein tiefes Verständnis für das Verhalten des Materials und die komplexen Herausforderungen beim Bauen mit Lehm. Die Bauphase wurde zu einem Beweis für die Konvergenz von Theorie, digitalem Design und handwerklichem Können.
Zusammenfassend förderte dieses Seminar nicht nur die Kreativität beim Entwurf von Lehmtragwerken, sondern betonte auch die Bedeutung von fortschrittlichen digitalen Werkzeugen in modernen Designprozessen, die Wichtigkeit der Strukturanalyse als Überprüfung des Designs und eine mögliche Anwendung in der Praxis. Dieses Seminar schloss die Lücke zwischen Theorie und Praxis und vermittelte den Studierenden grundlegende Kenntnisse und ein tiefes Verständnis für die Verbindung von Tradition und Innovation in der architektonischen Gestaltung. Es dient als Ausgangspunkt für zukünftige Innovationen im Design von Lehmbauten und bereichert die Architektur durch eine harmonische Verschmelzung vom architektonischen Entwurf und ingenieurwissenschaftlicher Herausforderung.