Architektur 14.05.2010, 19:46 Uhr

Ästhetische Strukturen

Tragende Bauteile können heute dank Rechnertechnik weitgehend frei gestaltet werden. Doch das erfordert engste Koordination zwischen allen Beteiligten eines Bauprozesses und neuartige Softwareschnittstellen – Themen, auf die sich das Ingenieurbüro Knippers Helbig Advanced Engineering in Stuttgart spezialisiert hat.

Seitdem am 1. Mai dieses Jahres die Expo 2010 in Schanghai ihre Tore öffnete, flanieren die Besucher der Ausstellung unter einer futuristisch anmutenden Dachkonstruktion den Zentralboulevard entlang. Von oben sieht das Dach, bestehend aus PTFE beschichteter Glasfaserfolie, aus wie eine wild bewegte Dünen- oder Meeresfläche. Sie wird unterbrochen von sechs trichterförmigen Stahl-Glas-Netzschalen.

„Durch die “Sun Valleys“ leiten wir Licht nach unten in die tiefergelegenen Geschosse des Expo-Boulevards“, erklärt Jan Knippers, Mitgründer des Stuttgarter Ingenieurbüros Knippers Helbig Advanced Engineering. Sein Partner, Bauingenieur Thorsten Helbig, und etwa 30 Mitarbeiter arbeiten weltweit an Projekten im Bereich Tragwerksplanung. Die Überdachung des Expo-Boulevards ist eines von ihnen.

Knippers lernte Helbig beim Stuttgarter Ingenieurbüro Schlaich Bergmann + Partner kennen, wo beide einige Jahre arbeiteten. Jörg Schlaich war einer der Hauptverantwortlichen für die Realisierung der von Frei Otto konzipierten Überdachung des Olympiageländes in München, damals eine bautechnische Sensation. Im Anschluss an diese Station gründeten Helbig und Knippers 2001 ihr Unternehmen.

Für Knippers begann gleichzeitig seine Universitätskarriere als Professor und Leiter des Instituts für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen der Universität Stuttgart, Fakultät für Architektur und Stadtplanung. Helbig, als ausgebildeter Maurer und studierter Bauingenieur, widmet sich ausschließlich dem Ingenieurbüro. „Uns verbindet die Begeisterung für die Ästhetik tragender Strukturen“, sagt Knippers über die erfolgreiche Partnerschaft.

Abschied von Kubus und Kugel

Solche Strukturen lassen sich heute dank Planungssoftware ganz anders gestalten als noch vor wenigen Jahren. Und genau hier liegt das Spezialwissen von Knippers Helbig. Früher kam es darauf an, Tragewerke so zu konstruieren, dass sie möglichst viele konstruktiv genau gleiche Einzelteile aufwiesen. Das erleichterte die Produktion der Elemente, die sonst viel zu teuer geworden wären. Im Zweifel ging man gestalterische Kompromisse ein, entwickelte zum Beispiel gleichmäßige Strukturen statt unregelmäßige.

Seit einigen Jahren lässt sich nun dank der Rechenkraft der Prozessoren nahezu jede denkbare Struktur so berechnen, dass die vorhandenen Kräfte aufgefangen und weitergeleitet werden, damit das Tragwerk seinen wichtigsten Zweck erfüllt, nämlich zu tragen. Es gibt also plötzlich Alternativen zu bisher gewohnten Formen wie Kubus oder Kuppel. Die Basis solcher Tragwerke sind frei geformte Gitterschalen bestehend aus Gitternetzen, deren Maschenstrukturen die Kraftlinien des Bauwerkes darstellen. Diese Netze müssen heute dank leistungsfähiger Algorithmen zum Beispiel nicht mehr wie früher möglichst dieselbe Maschengröße haben, was die gestalterischen Möglichkeiten erheblich erweitert.

Allerdings erfordert das nicht nur ästhetische, sondern auch mathematische Fantasie. Beispielsweise entwickelte Knippers Helbig während der Konzeption des Tragwerks für das Zeilforum Frankfurt Hoch Vier (Bauherr: Bouwfonds MAB Frankfurt Hoch Vier GmbH) ein Verfahren, um sehr große und sehr unregelmäßige Gitternetze zu generieren.

Dabei wird die gesamte Struktur in Großdreiecke unterteilt, die wiederum in kleinere aufgeteilt werden. Am Ende überführt der Algorithmus die Großdreiecke ineinander, so dass sich kontinuierlich verändernde Maschenstrukturen ohne Sprünge entstehen. Daraus lassen sich dann nach statischen Gesichtspunkten alle Stäbe und Knoten mit Blechdicken, Längen und anderen Geometriedaten berechnen. In solchen Strukturen ist jedes Teil ein Unikat.

Das Tragwerk des wellenförmig gestalteten Daches des Westfield Shopping Center in London White City (Bauherr: Westfield Group), das Knippers Helbig im Auftrag der Firma Seele, Spezialist für Glas- und Metallbau mit Sitz in Gersthofen, Bayern, entwickelte, enthält beispielsweise 3000 Knotenstücke, von denen jedes andere Winkel, Bohrungen und Blechdicken aufweist.

Durchgängige Prozesskette bis zur Montage

Solche Konzepte erfordern erheblich engere Zusammenarbeit zwischen den Akteuren. „Wir versuchen, eine durchgängige digitale Prozesskette von den ersten Entwürfen bis hin zur Fertigung und am besten auch bis in die Montage herzustellen“, sagt Knippers. Dazu brauche man viel programmiertechnisches Wissen. Gibt es die nötigen Programme und Schnittstellen nicht, entwickelt Knippers Helbig sie selbst.

Tragwerke werden im Rechner durch konsistente Datenmodelle repräsentiert, von denen ausgehend die Einzeldaten immer wieder erweitert, modifiziert und für die nächsten Schritte vorbereitet werden. Am Ende steht ein einheitlicher Datenfluss vom ersten Modell über Geometrie und Statik bis hin zur Fertigung. Noch besser wäre es, wenn auch auf der Baustelle Roboter tätig wären, die zum Beispiel für eine exakte Platzierung jedes Elements sorgen würden, findet Knippers, doch so weit ist es noch nicht.

Aber die Technik sei längst nicht alles, betont Knippers. „Wir sehen uns nicht als autokratische Schöpfer, sondern als Mittler zwischen dem Bauherren und dem Architekten, der mit einer Idee zu uns kommt, und denen, die die Struktur am Ende bauen, den Fertigungsbetrieben und der Montage am Bau. Der Dialog ist ein ganz wesentlicher Teil unserer Arbeit.“ Ob der Bauherr nun eine vage Idee mitbringt oder sehr konkrete Vorstellungen – seine wahre Gestalt gewinnt das geplante Bauwerk meist erst nach vielen Gesprächen, Workshops und Schritten der Annäherung. So war es auch in Schanghai: „Die chinesischen Partner wollten ursprünglich auf jeden Fall eine feste Glasdecke über dem Boulevard, aber dann kam die PTFE-Membran heraus“, erinnert sich Knippers, der während der Verhandlungen monatlich nach China flog. Das Reisen macht ihm nichts aus. „Gerade herauszufinden, was der Bauherr wirklich möchte, fasziniert mich“, sagt Knippers, den wie Helbig seine Arbeit selten loslässt.

In Deutschland keine Chance

Starallüren haben die jugendlich wirkenden Mittvierziger trotz ihrer Erfolge nicht. In dem hellen loftähnlichen Büro, Lagerräume eines ehemaligen Tuchhändlers, in der Stuttgarter Innenstadt sucht man vergebens nach Statussymbolen. Die Mitarbeiter, im Durchschnitt um die dreißig Jahre alt, arbeiten vornehmlich am Bildschirm, es herrscht eine konzentrierte Ruhe, Teamarbeit und eine gute Stimmung.

Die Vision des Unternehmens: Jedes große Projekt soll mindestens ein technisch innovatives Element umfassen. Beim Terminal 3 des Flughafen Shenzen (Bauherr: Shenzen Airport Group) beispielsweise regelt das Tragwerk durch ungleich große Öffnungen die Energie- und Lichteinträge. Das Schalentragwerk des Kaufhauses Peek & Cloppenburg in Köln, ein Entwurf von Renzo Piano (Bauherr: Peek & Cloppenburg KG), kombiniert Holz, Stahl und Glas zu einer teils frei spannenden transparenten Struktur. Und eine Autobahnüberführung bei Friedberg in Hessen (Bauherr: Hessisches Landesamt für Straßen- und Verkehrswesen) besteht als erste Brücke Deutschlands aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), der geringere Wartungsprobleme als Beton hat, leichter und besser formbar ist.

Gleichzeitig forscht Knippers Institut an organischen Kunststoffen für den Außeneinsatz, bei deren Herstellung man ohne fossile Rohstoffe auskommt. Weitere Projekte seines Lehrstuhls sind die verstärkte energetische Nutzung von Tragwerken und immer freiere Gestaltungsmöglichkeiten der Tragwerksplanung. Sie sollen ein neues, freieres Zusammenspiel von Ästhetik und Funktion ermöglichen. ARIANE RÜDIGER

Von Ariane Rüdiger
Von Ariane Rüdiger

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