Holz­bau: Po­ten­zial He­bel­sta­b­wer­ke

Holzkonstruktionen sind weitgehend an die Masse der verfügbaren Holzteile gebunden. Bereits in alter Zeit wurden deshalb Techniken für die Konstruktion weiter Spannweiten mit kurzen Holzelementen entwickelt. Im Fokus der aktuellen Forschung an der Professur Annette Spiro steht das Prinzip der Hebelstabwerke: Es lässt eine Rückführung der konstruktiven Form auf nur wenige Parameter zu und birgt in Verbindung mit neuen Technologien ein hohes Entwicklungspotenzial. Udo Thönissen und Nik Werenfels vom Lehrstuhl Spiro betonen, dass diese Entwicklung den Einsatz einfacher Holzelemente vorab für kostengünstige strukturelle Freiformen interessant macht, aber auch für Bauten, die für einen schnellen Auf- und Abbau geplant sind. Die geringen Längen der einzelnen Hölzer ermöglichen zudem die Nutzung von Laubholz, was künftig an Bedeutung gewinnen wird. Bei den Hebelstabwerken handelt es sich weniger um ein Bausystem als um ein allgemeines Konstruktionsprinzip. Sich gegenseitig tragende Stäbe können dabei Tragwerke grosser Spannweiten bilden. Mindestens drei Stäbe lagern so aufeinander, dass ein Stab auf zwei anderen liegt und wechselseitig einem anderen Stab als Auflager dient. Der Knoten erweist sich aufgrund der komplexen geometrischen und statischen Zusammenhänge als der anspruchsvollste Teil des Hebelstabsystems. 

Experimentelle Prototypen 

In einem Workshop mit Studierenden wurden vier verschiedene, kleine Bauaufgaben bearbeitet. Bei der Entwicklung der Bauten spielte ein am Lehrstuhl entwickeltes digitales Entwurfsinstrument eine zentrale Rolle. Es erlaubt die kontrollierte Generierung unregelmässiger Hebelstabwerke, die als Struktur erschiedenartiger Zellen aufgefasst sind. Das individuelle Anordnen dieser Zellen erlaubt es, auf äussere Bedingungen wie Topografie oder Belichtung zu reagieren und auch auf funktionale wie gestalterische Anforderungen einzugehen. Das Entwurfsinstrument lässt viel Gestaltungsfreiraum und liefert auch die Daten für die Fertigung der Elemente mit digital gesteuerten Produktionsmaschinen (CNC). Auf diese Weise sind an der ETH unterschiedliche Kleinbauten entstanden. Ein experimentelles Tragwerk steht im Eingangshof der Architekturfakultät. Daran liess sich insbesondere die Vielseitigkeit des digitalen Instruments im Entwurf testen. Für das Tragwerk kam nur ein einziger Kantholztyp zum Einsatz, mit einfachsten verschraubten Verbindungen. Die Anordnung von Hölzern unterschiedlicher Länge erzeugte eine differenzierte Struktur. Der digitale Entwurf wurde auch anhand von Modellen geprüft, die Fertigung erfolgte manuell. Eine weitere Arbeit war eine Pergola für ein Gästehaus der ETH. Dabei kam testweise Laubholz zum Einsatz. Die Verwendung kurzer Vollholzelemente stellt dabei eine interessante Möglichkeit zum kostengünstigen Einsatz dieses Baumaterials dar. Voraussetzung dafür sind einfache Verbindungen und eine rationelle Fertigung. Beim vorliegenden Projekt wurde ein Hebelstabgewebe mit versteifendem Rahmen entworfen. Diese kleinen Bauwerke sollen Testläufe für grossmassstäbliche Projekte sein. Erst so lässt sich die Konkurrenzfähigkeit mit anderen Techniken im Holzbau abschätzen.

Forschungsprojekt

Im Projekt mit dem Titel «Objects in Mirror are closer than they appear» wird zusätzlich an einem weiteren Holzbausystem geforscht: dem Zollinger-Lamellensystem. Diese besonders leichte Holzkonstruktion kommt mit kurzen Holzprofilen aus, die rautenförmig mit einem Schraubenbolzen versetzt untereinander verbunden sind. www.spiro.arch.ethz.ch