Textile Architektur: Leichte Gebäudehüllen

Gewebe- und Folienmembranen bieten Architekten einzigartige Gestaltungsmöglichkeiten.

Von Nicholas Goldsmith, FAIA LEED AP

Betrachtet man die Entwicklung der Architektur aus historischer Sicht – von den massiven Pyramiden Ägyptens über die gerahmten Strukturen griechischer und römischer Baukunst bis hin zu den leichteren gotischen Gewölben und schließlich der modernen Architektur des 20. Jahrhunderts –, so lässt sich ein kontinuierlicher, fast linearer Fortschritt erkennen feste Masse bis hin zu durchsichtigen Häuten aus Glas und Stahl.

Eine Aufzeichnung früherer Ziegel- und Holzkonstruktionen in Ägypten wich der Präsenz der frühesten Steinarchitektur vor etwa 5.000 Jahren, und aufgrund der ägyptischen Obsession mit dem Jenseits und der Beständigkeit entstand eine Steinkultur.

Als sich die Kultur von Ägypten nach Griechenland und Rom verlagerte, wurde weiterhin Stein verwendet, aber die griechischen und römischen Tempel verwendeten für ihre Säulen größere Spannweiten und insgesamt weniger Material. Die klassischen drei Ordnungen begannen mit der dorischen, über die ionische bis zur korinthischen – jede wurde im Profil heller. Mit dem Aufkommen byzantinischer und romanischer Kirchen nahm die Spannweite ab; und als im 12. Jahrhundert in Nordeuropa der gotische Stil entwickelt wurde, beschleunigte sich dieser Rückgang des Gewichts im Verhältnis zur Spannweite durch die Einführung fliegender Strebepfeiler, die Glasfassaden, die ihre metaphysische Anziehungskraft auf das Licht widerspiegelten, in Höhen von bis zu 150 scheinbar selbsttragend erscheinen ließen Füße.

Im 20. Jahrhundert beschleunigte sich der Übergang von der Masse zur Membran mit der Einführung von Stahlrahmen, Gitterträgern und neuen Entwicklungen in der Glastechnologie. Zu Beginn dieses Jahrhunderts war Glas das bevorzugte Material. Vorhangfassaden mit Fachwerkrahmen, Diagrids, Glaspfosten und Kabelsystemen wurden zu einer gängigen Architekturpraxis. Unternehmen nutzten Glastürme als Symbol für Prestige und Transparenz. Zu den immer leichteren Bautechnologien gehören heute Strukturmembranen aus Stoffen und Folien. Es ist interessant festzustellen, dass zwei der führenden High-Tech-Unternehmen der Welt, Google und Apple, derzeit Folienhäute aus Glas und Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) als Elemente ihrer neuen Unternehmenszentralen entwickeln. Kurz gesagt, ein Rückblick auf die letzten 4.000 Jahre der Architektur kann man eine lineare Entwicklung von der Masse der Pyramiden bis zu den Membranen von morgen erkennen. Von der Masse bis zur Membran ist eine menschliche architektonische Reise – können wir weniger Material verwenden, nachhaltiger sein und dazu beitragen, den CO2-Fußabdruck auf dem Planeten Erde zu reduzieren?

Gewebe, Folien und andere Membranen sind Materialien, die sich gut für die Herstellung von Gebäudehüllen eignen. Sie sind aus Festigkeitsgründen gebogen, bieten Wasserdichtigkeit und Isolierung, können mehrschichtig sein und können mit minimalem Nahtaufwand komplexe Oberflächen schaffen. Stoffhäute gibt es seit jeher, wie man sie in Jurten und Lederzelten antiker Zivilisationen sieht. Aber mit den heutigen neuen Verbundmaterialien, rechnerischer Analyse und digitaler Musterung haben sich Membranen zu einer neuen Option als dauerhafte Gebäudehülle entwickelt.

Um Licht auf die neuen Gebäudehüllen von morgen und neue Ansätze für Gebäudehüllen zu werfen, treten Sie einen Schritt zurück und betrachten Sie die menschliche Haut. Es gibt drei Hautschichten: die Epidermis, die Dermis und die Hypodermis. Die äußere Epidermisschicht enthält die Schweißporen und Haarschäfte; die mittlere Dermisschicht enthält Bindegewebe, Haarfollikel, Schweißdrüsen und einige Muskeln; und die innere Unterhautschicht enthält Venen und Arterien sowie Bindegewebe, das die Schichten miteinander verbindet.

Durch diesen Ansatz mehrerer integrierter Schichten, die alle unterschiedliche Funktionen erfüllen, entsteht eine Haut, die dem Körper eine wasserdichte Hülle verleiht, Krankheiten fernhält und vor Sonnenlicht schützt. Wenn der Ansatz mehrerer integrierter Schichten auf architektonische Membranstrukturen angewendet wird, müssen zunächst die Leistungsanforderungen der Gebäudehülle verstanden werden.

Die menschliche Haut ist nicht nur empfindlich und sendet dem Gehirn Informationen über Druck und Temperatur, sie heilt auch effizient, um eine Schutzbarriere aufrechtzuerhalten. Die Kombination dieser beiden Eigenschaften in einem künstlichen Material war das Hauptaugenmerk von Zhenan Bao, Professorin für Chemieingenieurwesen an der Stanford University, und ihrem Team. Dem Team ist es gelungen, eine künstliche Haut herzustellen, die nicht nur berührungsempfindlich ist, sondern auch in der Lage ist, sich bei Raumtemperatur schnell und wiederholt selbst zu heilen, was erhebliche Auswirkungen auf die Märkte für biomedizinische Textilien hat. Dies gelang den Forschern durch die Kombination zweier Materialien – eines Kunststoffpolymers mit Selbstheilungsfähigkeit und des leitfähigen Metalls.

Heutzutage ist ein enormes Wachstum auf dem Markt für Wearables bzw. Smart Garments zu beobachten. Diese Technologien nutzen Intelligenzpfade in den Fasern der Materialien, um E-Textilien herzustellen. Socken, Sport-BHs, T-Shirts mit Herzsensoren und Gipsverbände mit Strömungen zum schnellen Zusammenfügen von Knochen sind jetzt verfügbare Produkte. Während sich dieser Markt entwickelt, werden Spin-off-Technologien wahrscheinlich einen Einfluss auf die Entwicklung von Skin-Technologien haben.

Vor einigen Jahren unterstützte das in New York City ansässige FTL Design Engineering Studio Klaudia Kruse und das Innovationsteam von BMW bei der Entwicklung einer Stretchstoffkarosserie für ein Konzeptauto namens Gina, das nach der berühmten italienischen Schauspielerin Gina Lollobrigida benannt wurde. Der Stretchstoff-Ansatz basierte auf einem leichten Aluminiumrahmen mit einer Stoffhaut, die sich als vollständige Form öffnen und schließen lässt (siehe Abbildung 1). Hierbei handelt es sich um einen Stoffhaut-Ansatz für Industriedesign, der sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, aber erneut die Frage stellt, wie man mit weniger Material mehr erreichen kann.

Es gibt drei Grundtypen von Gebäudehüllen: rahmengestützte Membranen, kabel- und strebengestützte Membranen und entweder luftgestützte oder luftaufgeblasene pneumatische Membranen. Jedes dieser Systeme erfordert eine Vorspannung der Haut, um Festigkeit zu entwickeln, und eine Formfindung, um entspannte dreidimensionale – entweder synklastische oder antiklastische – Oberflächen zu entwickeln, die im Gleichgewicht sind. Im Idealfall weisen sie die gleiche Spannung auf und gelten als Minimalflächen, aus räumlichen Gründen weisen sie jedoch häufig unterschiedliche Spannungen in beiden entgegengesetzten Primärrichtungen auf. Unabhängig davon, ob für die Formfindung und -analyse Computerprogramme verwendet werden, die einen Kraftdichteansatz oder einen dynamischen Entspannungsansatz verwenden, ist eine Finite-Elemente-Analyse erforderlich, um ausgewogene Strukturhäute zu erstellen, die Abwärts- und Auftriebsdrücken standhalten können.

Vorgespannte Membranen nehmen entweder Sattelflächen an – hyperbolische Paraboloide – toroidförmige oder ringförmige Formen; und Rotationsflächen – entweder Hyperboloid- oder Toroidflächen. In komplexen Gebäudehüllen werden diese Grundbausteinelemente zu mehreren Paneelen entwickelt, wobei die verschiedenen Oberflächen durch Grate und Täler begrenzt werden, um komplexe Geometrien zu schaffen. Die Schnittpunkte der Kammlinien und Tallinien werden zu linearen 3D-Elementen, die durch physikalische Modellierung und Formfindungsgeometrien beschrieben werden.

Es gibt viele verschiedene Ansätze zur Formerzeugung, einschließlich der Berücksichtigung von Akustik, Standortbeschränkungen, Sonneneinstrahlung und Wind. In der Akustik beginnt man mit einem Strahlendiagramm, um reflektierende Oberflächen zu erzeugen, die Schallwellen sowohl mischen als auch reflektieren. Je nachdem, ob die Struktur für Popmusik oder klassische Musik genutzt wird, bestimmt sich die Art der Oberfläche, die für Aufführungen benötigt wird. Konoide Formen und synklastische Formen neigen dazu, Schall einzufangen, daher verwenden die meisten Veranstaltungspavillons eine Reihe hyperbolischer Oberflächen, um ein reichhaltiges Innenerlebnis zu schaffen.

Ein 2008 vom FTL Design Engineering Studio fertiggestelltes Projekt in Sun Valley, Idaho, nutzt akustische Reflexion und die Einschränkungen des Standorts als Formgenerator für den Musikpavillon. Der Schauplatz war eine Landschaft in den Rocky Mountains in einem berühmten Skigebiet, das von Hollywood-Stars frequentiert wird. FTLs Herangehensweise an die Landschaft bestand darin, eine Reihe von Stützmauern zu entwickeln, die aus dem Land ragten, zusammenkamen, um einen musikalischen Raum zu schaffen, und dann wieder im Boden verschwanden. Die Musiksaison dauerte nur bis in die Sommermonate, aber im Winter lag die Schneelast bei mehr als 100 Pfund pro Quadratfuß (lb/ft2) mit Schneeverwehungen von bis zu 200 lb/ft2. FTL war sich darüber im Klaren, dass die Symphonie eine Struktur wünschte, die die saisonale und kurzlebige Qualität eines Sommerzeltes mit einer dauerhafteren Einrichtung kombinierte, die den theatralischen und akustischen Anforderungen gerecht werden konnte. FTL erkannte, dass die örtlichen Schneelastanforderungen eine dauerhafte Gewebestruktur nicht zulassen würden. Das endgültige Design besteht aus einem Stahlseilnetz und einem steifen Holzmaterial, das hohen vertikalen Belastungen standhalten kann. Bei der Entwicklung der Idee war FTL der Meinung, dass das Holz sehr gut zu den Materialien in der Umgebung des Standorts passt und sich in die umliegenden Gebäude einfügt. Eine Dacheindeckung aus Kupfer hielt den Neigungsunterschied aufrecht und verlieh der kurzlebigen Kabelstruktur eine weitere erdige Note. Der Zuschauerbereich bleibt mit einer dehnbaren Stoffhaut bedeckt, die jeden Herbst vor dem Winter abgenommen wird.

Musikalisch sorgt das Holzdach für einen satten Klang, der durch eine Reihe von unter dem Kabelnetz aufgehängten akustischen Reflektorpaneelen verstärkt wird, die für verschiedene Musikrichtungen fein abgestimmt werden können. In diesem Fall löste eine Hybridlösung aus Seilnetz und Spanngewebe die vielfältigen Designherausforderungen.

Eine der wesentlichen Eigenschaften von Zugkonstruktionen ist ihre Verwendung als Verschattungselemente. Seit der Antike werden zu diesem Zweck Membranen verwendet – sei es die „Vela“, die römische Kolosseen beschattet, die schwarzen Ziegenhaarzelte der Beduinen in Arabien oder die „Toldos“, die die Straßen in Südspanien bedecken. Mit Stoffen, die eine Lichtdurchlässigkeit von null bis 40 Prozent ermöglichen, lässt sich der Grad der Beschattung je nach Klima und Region der Welt steuern. Basierend auf einer Klassifizierung verschiedener Klimazonen wie der Klimakategorisierung von Professor Koeppen aus dem 19. Jahrhundert basierend auf der Pflanzenwelt rund um den Planeten kann man leichte Strukturen sowohl beschatten als auch isolieren. Die Strategien für Membranen in kalten, feuchten Klimazonen wie Nordeuropa unterscheiden sich erheblich von heißen, trockenen Klimazonen wie dem amerikanischen Südwesten oder den heißen und feuchten Klimazonen Mittelamerikas.

Technologien wie Folienkissenstrukturen sind im kalten, feuchten Klima sinnvoll; während in heißen und trockenen Klimazonen häufig Netzgewebe verwendet werden; und in heißen und feuchten Klimazonen werden feste Stoffe verwendet, die für Luftzirkulation und passive Kühlung sorgen.

Bei der Gestaltung eines Eingangsbereichs für das Empire City Casino in Yonkers, NY, musste FTL ein nördliches Klima berücksichtigen. Das Designbüro entwickelte ein ETFE-Folienkissensystem, das von einer Stahlgitterschalenkonstruktion getragen wird, die als Eingang zum Casino dient und auch für Regen und Sonne sorgt Schutz für bis zu 30 Autos. Das Design fungiert auch als Beleuchtungselement und als Symbol für das Casino. FTL entwickelte eine Toroidform für die Gitterschale, untersuchte aber auch Standseilformen, um das Stahlgewicht zu minimieren. Die ETFE-Kissen ermöglichen eine Transparenz von bis zu 98 Prozent und sind eine weiche Alternative zu Glasdächern und -fassaden.

Membranstrukturen nutzen naturgemäß große, nicht unterstützte Spannweiten, die durch den Einsatz solarer Dünnschichttechnologien verändert werden können, um Strom für den Innenraum zu erzeugen. Darüber hinaus können gespannte Membranen als Abdeckungen für Windsammelturbinen dienen, wo die Minimierung von Turbulenzen es den Turbinen ermöglicht, bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten effizient zu arbeiten. Seit der ersten Anwendung von Solarmodulen, die FTL 1998 im National Design Museum in New York vorstellte, hat das Unternehmen mit amorphen Silikon- und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Technologien (CIGS) gearbeitet, um alternative Methoden zur Stromerzeugung mithilfe von Gebäudehüllen zu entwickeln. Da die Methode nur etwa 5 Watt pro Quadratfuß erzeugt, ist sie immer noch relativ ineffizient. Da die Dachfläche der Gebäudehülle jedoch im Allgemeinen groß ist, wird die Ineffizienz der Dünnschichttechnologie durch ihre kostengünstige Größe ausgeglichen.

In der Natur gibt es mehrere Grundformen der Beleuchtung: Beleuchtung, Beleuchtung, Filmmodus, Oberflächenmodus und Volumenmodus. Membranen können natürliche Oberflächen- und Volumenlichtmodi nutzen. Durch den Einsatz künstlicher Beleuchtung im Volumenlichtmodus entstehen leuchtende Form- und Raumvolumina. Das jüngste Projekt von FTL für die Arizona State University in Phoenix modellierte eine Computerbeleuchtung, um leuchtendes volumetrisches Licht zu erzeugen, indem hochintensive Entladungslampen für die Hauptflächen und programmierbare Leuchtdiodenleuchten zur Hervorhebung der Stahlkonstruktion verwendet wurden.

Das Sammeln von Wasser war schon seit der Römerzeit eine wichtige Funktion von Dächern in trockenen Klimazonen. Doch mit dem heutigen zunehmenden Interesse an nachhaltiger Entwicklung und Regenwassersammlung ist auch das Interesse daran, Regenwasser in Zisternen zur Wiederverwendung zu sammeln, gestiegen. Membranstrukturen sind ideale Regenwassersammler, und die Form des Daches kann so manipuliert werden, dass es zu einem Wasserspiel des Gebäudes wird.

Im Jahr 2009 stellte FTL das Rosa Parks Transit Center in der Innenstadt von Detroit für die Stadt fertig (siehe Abbildung 2). Ziel war es, sechs Wartebereiche für Busse zu vereinen und sie mit dem „People Mover“ zu verbinden – einem Hochbahnsystem, das die Stadt bedient. Das Designbüro entwickelte ein 6.000 Quadratmeter großes Dach, unter dem 13 Busse Fahrgäste ein- und ausladen können. Aufgrund der einzigartigen städtischen Lage und der erhöhten Gleise des Schienensystems war die Platzierung des Fundaments sehr begrenzt. Allerdings musste der Entwurf den Straßenbereich bis zu den Hochgleisen abdecken. Die Lösung von FTL für dieses Dilemma bestand darin, eine Reihe von sieben A-Rahmenmasten zu schaffen, die ein Tensegrity-Kabelsystem verwenden, um acht gebogene Träger aufzuhängen. Durch die Auskragung der Träger über die Straße wurde der Busbereich abgedeckt. Der Abschnitt der Fachwerke mit A-Rahmen erzeugt Spitzen und Tiefpunkte, die dem Gewebe eine Krümmung verleihen, aber auch die Möglichkeit schaffen, Wasser vom Dach zu sammeln, das in einer Zisterne unter dem Gefälle gespeichert wird. Am Rand des Tiefpunkts befinden sich eine große Rinne und Zulaufrohre, die es dem Wasser ermöglichen, in ein Landschaftselement mit einem Auffangbecken auf ebener Höhe zu fließen. Die Wassersammelbereiche sind von eingebauten Sitzgelegenheiten für wartende Passagiere umgeben. Das gespeicherte Wasser wird zur Bewässerung von Pflanzen und zur Landschaftsgestaltung vor Ort verwendet.

Je nach Einsatzort sind für den Bau von Häuten viele unterschiedliche Elemente erforderlich. Die bevorstehende Aufgabe konzentriert sich auf die Integration dieser verschiedenen Elemente in Multi-Skin-Lösungen, ähnlich wie die menschliche Haut, um zahlreiche Funktionen bereitzustellen. Die nächsten Schritte in der Entwicklung von Membranstrukturen werden darin bestehen, integrierte Systeme zu schichten, die, wenn sie verbunden sind, die Vorstellung von Gebäudefassaden in eine poröse multifunktionale Membran verwandeln, die die natürliche Welt widerspiegelt.

Anmerkung des Herausgebers: Nicholas Goldsmith, FAIA LEED AP, ist leitender Direktor des in New York City ansässigen FTL Design Engineering Studio; und Mitglied des American Institute of Architects, der International Association for Shell and Spatial Structures, sowie ehemaliger Vorsitzender der Lightweight Structures Association. Dieser Artikel basiert auf der Präsentation von Goldsmith auf der2015 Textile World Innovation Forum.

September/Oktober 2016