CNC Zimmerhandwerk: Das 'selfsupportingframework'

Die Anwendung raffinierter, mitunter hochkomplexer Holzverbindungen für Tragwerkskonstruktionen, wie man sie noch heute als Zimmermanns-Lehrling studieren muss, haben in den letzten Jahrzehnten stetig abgenommen. Zu teuer war die handwerkliche Arbeit, und so wurden Holzelemente in großem Umfang mit Nagelplatten aus Stahl verbunden. In letzter Zeit jedoch erleben die gezimmerten Verbindungen nach der traditionellen Kunst der Zimmerleute durch den zunehmenden Einsatz CNC gesteuerter Fertigungsmethoden eine Renaissance – selbst Anschlüsse in verschiedenen geometrischen Variationen können heute wieder wirtschaftlich hergestellt werden.

'Seiwa Exhibition Hall' von Kazuhiro Ishii
Zwei Studenten des Fachgebiets Tragkonstruktion am Fachbereich Architektur der Universität Kassel, Mischa Proll und Andreas Günther, haben sich die Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten zu Nutzen gemacht und einem Jahrhunderte alten Tragprinzip zu neuen Dimension verholfen.
Das traditionelle Hebelstabwerk besteht aus kurzen Holzbalken, die über eine gezimmerte Verbindung an deren Enden zu einem Flächentragwerk zusammengesetzt werden. Bei gleich bleibender Profilstärke, Stablänge und Lage der Knoten auf den Stabachsen bildet sich die Form einer Kuppel. Die erste schriftliche Dokumentation eines solchen Tragwerks, auch "Mandaladach" oder „reciprocal frame“ genannt, stammte übrigens, so die Recherche der Studenten, aus dem 12. Jahrhundert von einem buddhistischen Mönch namens Chogen, dessen Tempelbauten bis zur heutigen Zeit bedeutenden Einfluss auf die Kuppelbauten in China und Japan haben.
Die Variation einzelner Parameter, etwa die Änderung einer Verbindung zweier Stäbe, führt zu einer Änderung aller anschliessenden Verbindungen. Nach Anpassung der Stablänge und Knotenpunkte wird das statische System variabel und lässt sich auf freie Geometrien anwenden. Anhand dieser Erkenntnis, entwickelten Mischa Proll und Andreas Günther ein Berechnungsprinzip, das den Bau von nahezu beliebig geformten, hoch stabilen Flächen – in proportionaler Abhängigkeit von der angewandten Netzdichte des Systems – ermöglicht.

'Reciprocal frame' Bogenbrücke aus dem Codex Madrid von Leonardo da Vinci
In Zusammenarbeit mit 11 Auszubildenden des Bundes-Bildungszentrum des Zimmererhandwerks in Kassel wurde kürzlich auf dem Campus der Universität das erste Demonstrationsbauwerk, bestehend aus 180 Balken, gefertigt. Dabei ließen sich die angehenden Architekten nicht lumpen und gaben eine Struktur vor, die wohl beweisen sollte, welch gestalterische Freiheit das System erlaubt.

"Die design surface beginnt an der kurzen Seite mit einem Bogen, um sich im mittleren Teil der Fläche auf einer ihrer Außenkanten abzustützen. Dort stellt sie sich als geschwungene Wand dar, um am Ende der Fläche wieder in einer Bogenform den Pavillon abzuschließen. Im mittleren Teil verdreht die design surface, analog zu einem Möbiusband, ihre Innenseite nach aussen. So ist die Oberseite des ersten Bogens die Unterseite des Zweiten Bogens", erklärt Mischa Proll, der den Pavillon im Rahmen seiner Diplomarbeit entwarf.

Basismuster
Systemdarstellung des 'selfsupportingframework'
Jeder Balken hat einen identischen Querschnitt, ist jedoch durch die Anordnung seiner Abschnitte und Ausschnitte, ein Einzelstück
Aufbau des 'selfsupportingframework' auf dem Campus der Universiät Kassel
'selfsuppertingframework' von Mischa Proll
'selfsupportingframework' von Mischa Proll
Die Konstruktion besteht aus 180 Holzbalken und ist 13,5 m lang und 5m breit.
Das Kasseler 'selfsupportingframework' zeigt nicht nur welche Gestaltungsmöglichkeiten computergestützte Architektur beinhaltet, es demonstriert auch, die Anwendbarkeit des nachwachsenden Baustoffes Holz im Rahmen hochkomplexer Geometrien.

Projekt Team:
Universität Kassel Fachbereich Architektur
Fachgebiet Tragkonstruktion
Fachgebiet Digitale Entwurfstechniken
Sachgebite Vermessung
Bundesbildungszentrum des Zimmerergewerbes

Sponsoren:
SFS intec , Stahlbau Lamparter, Säge- und Hobelwerk Oberweser.
Zum Fachbereich Architektur Stadtplanung Landschaftsplanung der Universität Kassel