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LEHRSTUHL FÜR GEBÄUDETECHNOLOGIE

M1 - B.Sc. Patrick Pack M2 - B.Sc. Henri Buffart

ADAPTIVE PAVILION


ADAPTIVE PAVILION RWTH Aachen University Fakultät für Architektur [F02] Lehrstuhl für Gebäudetechnologie Univ.-Prof. Dr.-Ing. Architekt Dirk Henning Braun Lehrgebiet für Bauplanung und Baurealisierung Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Sabine Brück Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften [F01] Lehrstuhl Informatik 10 - media computing group Prof. Dr. Jan Borchers B.Sc. (RWTH) Arch. Henri C. Buffart B.Sc. (RWTH) Arch. Patrick Pack

LAYOUT Patrick Pack TEXT Patrick Pack, Henri Buffart FOTOS Patrick Pack, Henri Buffart

LEHRSTUHL FÜR GEBÄUDETECHNOLOGIE


M1 - B.Sc. Patrick Pack M2 - B.Sc. Henri Buffart

ADAPTIVE PAVILION


INHALT

EINLEITUNG6 IDEE7 SPANNUNG UND ENTSPANNUNG STÜTZENDE FIN-RAYS

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HEXAGONE21 NITINOL ALS AKTOR

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DREIDECKER31 GEWEBTE TRAGSTRUKTUR

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ENDKOLLOQUIUM51


EINLEITUNG Im Folgenden wird das Projekt ‚ADAPTIVE PAVILION‘ von Henri Buffart und Patrick Pack vorgestellt. Im Rahmen eines freien Themas wurde eine Gebäudehülle entwickelt, die alle gebäudetechnologischen Parameter in sich vereint und durch seine vollständige Wandelbarkeit eine maximale Adapitvität erreicht. Die vorliegende Broschüre liefert einen Überblick über den Projektverlauf und zeigt die verschiedenen Entwicklungsstadien der Forschungsarbeit von März 2012 bis März 2013 auf.


IDEE Das Bestreben hinter unserem adapiven Pavillion ist die Erschaffung einer voll agilen Hülle, die in sich alle gebäudetechnologischen Aspekte optimal vereint. Durch integrales Energiemanagement soll eine Autonomität ausgebildet werden, die das Zuführen von Wärme und Elektrizität obsolet macht. Die übergeordnete Struktur besteht aus einem Geflecht aus flexiblen Rippen, die unter der Gewährleistung seiner statischen Tragfähigkeit dazu in der Lage ist sich in allen Richtungen zu krümmen und sich seiner Umgebung anzupassen. Nicht nur kann man auf den Status quo des Raumbedarfs reagieren, auch nimmt die Struktur Rücksicht auf die Einwirkungen des Wetters. Durch die von uns erprobte Anordnung der tragenden Strukturelemente ist es möglich zweifach gekrümmte Oberflächen abzubilden und eine in Echtzeit voll transformierbare Architektur zu erzeugen. Dabei gibt es keinerlei Verkürzungen von Bauteilen, die Beweglichkeit wird lediglich über Dispositionen bewerkstelligt. Die systematisch aufblasbaren, pneumatisch aktiven Kammern, die der strukturellen Tesselierung untergeordnet wurden, bilden die Aktuatoren und zugleich die thermische Hülle, dessen WärmedurchlassKoeffizient aktiv gesteuert werden kann.

Das Projekt beherbergt ein reiches Spektrum an intergraler Systeme. Über eine umfassende Sensorik werden Informationen über statischer Belastung, Sonnenstand, lokale Außentemperaturen oder Rauminhalt in Form der Echtzeitanalyse bereitgestellt. Das Gebilde kann sich daraufhin sofort mittels generativen Algorithmen neu berechnen und einstellen. Bedarf es zum Beispiel an Strom, wird eine optimale Ausrichtung der Aussenhaut zur Sonne hin ermittelt. In dieser Ladeposition werden in der Haut verwebte, photovoltaische Fasern optimal bestrahlt und laden die ebenfalls verwebten Batteriefasern. Bewegt sich das Konstrukt, findet eine Energierückgewinnung über weitere, piezoelektrische Fasern statt. Für die Frischund Fortluft wird die Hülle so positioniert, dass sie sich den Venturi-Effekt zunutze machen kann. Durch die dauerhafte Transformierbarkeit eröffnen sich in gebäudetechnologischer Hinsicht eine Reihe von zukunftsweisende Möglichkeiten, die insbesondere auf dem Gebiet der Bionik eine bedeutende Rolle spielen können. Unser Projekt soll zeigen, dass mittels der Leistungsfähigkeit neuer Technologien, insbesondere die der Parametrisierung von Informationen als intelligentes Werkzeug und die Wandelbarkeit als reaktives Werkzeug, ein Fortschritt gemacht ist. Wir sind der Überzeugung, dass die Integration und das Zusammenspiel aller Aktionen und Reaktionen in und um Gebäuden der wichtigste Schritt in Richtung der energetischen Unabhängigkeit ist.


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SPANNUNG UND ENTSPANNUNG Von Anfang an war es das Ziel eine Struktur zu erzeugen, die sich selbst über seine Biegespannung trägt und über dessen Manipulation auch veränderbar ist. Der Erste Ansatz war ein Modellversuch, das aus Lüsterklemmen, Bremszugmäntel und Bowdenzüge zusammengesetzt wurde. Die Bremszugmäntel, oder besser gesagt die aus ihrem schwarzen Plastikmantel befreiten Stahlspiralen, wurden als verbindende Streben eingesetzt. Ihre Federkraft nutzten wir aus für Stabilität und Wandelbarkeit. Die Lüsterklemmen boten sich hier als Knotenpunkte an. Die Bowdenzüge krümmen Segmentweise die hintereinanderliegenden Tesselierungen in der unteren Ebene in eine Richtung. Das gleiche sollte in der oberen Lage in die andere Richtung angewendet werden. Durch die unterschiedliche Anordnung der Stoppklemmen konnten verschiedene Bewegungen erreicht werden.


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STÜTZENDE FIN-RAYS Da die Bremszugvariante in seiner Bewegungsfreiheit viel zu sehr eingeschränkt ist, wurde nach weiteren Strukturformprinzipien für flexible Hüllen gesucht. Für den nächsten Versuch, eine Beweglichkeit herzurichten, wurde der Fin-Ray Effekt im strukturellen Kontext untersucht. Ein biegsames Element, das nach dem FinRay Prinzip ausgebildet ist, setzt seine Verformung über seinen Belastungspunkt hinaus fort. Durch die sinnvoll angeordneten, gelenkig gelagerten Verbindungen von Ober- und Untergurt kann man unter verschiedenen Belastungsszenarien verschiedene Formen erreichen, ohne dabei aktiv zu reagieren. Nimmt man diese Elemente als Rippen für einen Pavillion, der in seiner Strukturform der Seequalle nachempfunden ist, bekommt man eine verzerrbare Hülle. Die Rippen spannen eine Haut auf, das anmutet wie eine zeltartige Konstruktion. Diese Hülle diente dem Erhalt des Innenraums zu Nutzung, auch aber der Anpassung an Sonne und Wind. Des Weiteren kam die Idee auf, mittel dem Venturi-Effekt zu lüften. Es wurde zwar eine befriedigende Bewegung erreicht, nicht aber eine multidimensionale Anwendungsmöglichkeit. Durch die Tragwerkhierarchie der Rippen kommt als Ergebnis nur eine individuell angepasste Form in Frage. Auch in der Ausbildung konkreter Anwendungen gestaltete sich das Ausarbeiten der entsprechenden Formen recht schwierig.

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HEXAGONE Mit dem Bestreben eine einheitlichere Struktur zu finden, wurde das Augenmerk der Bemühungen nun auf das Detail gelegt, das in sich alle Bewegungsmöglichkeiten vereint. Dieser Ansatz zeigt wie eine sechseckige Struktur seine Oberfläche verändern kann. Durch das Verbinden der Mitte eines Hexagons mit dreien seiner Ecken entstehen drei Rauten. Ändert man die Abstände zwischen den gegenüberliegenden Ecken dieser Rauten, so hat man jeweils eine eindimensionale Änderung, die sich in die zweite Dimension fortführt. Gewissermaßen brachte uns diese Idee die Mechanismen hinter der Oberflächenvergrößerung und -verkleinerung nahe. Da die dritte Dimension, in diesem Falle die statische Höhe beschreibt, fehlte, musste hierfür eine Lösung gefunden werden. Vor Allem vor den Hintergrund, dass sich bei vergrößerbaren Oberflächen auch die Spannweiten änderten, war die variable Höhe ein Thema. Die Struktur wie sie jetzt war hat jedoch nur mit Hilfe von komplizierten Mechanismen zugelassen die Höhe von der Oberfläche zu entkoppeln und kontrollierbar zu machen.

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NITINOL ALS AKTOR Auf der Suche nach Aktoren wurden hydraulische und pneumatische Schubkolben ausgeschlossen. Mit dem Ziel eine textilartige Struktur zu schaffen, wurde Nitinol erprobt. Diese Form-Gedächtnis-Legierung geht unter Stromzufuhr in seine ursprüngliche Form zurück. Nimmt man die strukturellen Vierecke mit den gleichlangen Kanten, so kann man mit Nitinol die jeweiligen gegenüberliegenden Punkte zueinander ziehen. Das Aneinanderziehen von zwei Ecken zieht dann wiederum den Draht, der in die andere Richtung wirkt, auseinander. Die sich daraus ergebende Formmöglichkeiten sind Rauten in beide Richtungen. Wir haben dies angewendet auf die hexagonale Strukturform.

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DREIDECKER Die hier aufgeführte Struktur weist eine positionsindividuelle Höhenverstellbarkeit auf. Scherenartige Hubmechanik ist an drei Ebenen angebunden. Die dritte Ebene war unfehlbar für die Stabilität. Die mittlerweile in Dreiecke eingeteilten Sechsecke können ihre direkte Kantenlänge durch seitlich wegklappbaren Spreizen verkürzen. Zwei dieser gegenüberliegenden Spreizen werden von Nithinol oder einem anderen Aktuator gehalten. Der Vorteil dieser Struktur ist, dass sie ausschliesslich über Zug aktuiert wird. Kaum eine bestehender, in diesem Kontext anwendbarer Aktor, bis auf Hubkolben, ist dazu in der Lage Druck auszüben. Diese Struktur funktioniert, ist aber ein noch unschöner Apparat aus horrenden Mengen mechanischer Teile.


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STRETCH IIIIIIIIII

STRETCH IIIIIIIIII

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GEWEBTE TRAGSTRUKTUR Bei der Konkretisierung der Anwendungsziele wurde eine volle Flexibilität festgelegt. Hierbei wurde erkannt, dass nur ein vollkommen homogenes Gebilde genügen kann. Der nächste Schritt bestand darin ein Gewebe, das Tragstrukturen aufweist, zu entwickeln. Die erste und einfachste unserer Varianten war im Grunde ein Fachwerk, dessen Aussteifungen wie Gurte durchgehend an einem Stück liefen. Die beste Anordnung für eine Strebe blieb bis zuletzt drei oszillierende Streben, deren Mittlerer abwechselnd mit dem Oberen und dem Unteren zusammentrifft. Die Zwischenräume sind geometrisch als Rauten zu erkennen und können demnach mit den vorherigen Erkenntnissen in Bewegung gesetzt werden. Diese Träger wurden zunächst auf einer quadratischen Grundstruktur kombiniert. In der Ebene war dies kein Problem. Sobald jedoch das zweifache Krümmen der Fläche getestet wurde, zeigte sich logischerweise eine Verzerrung in den Quadraten auf. Daraufhin wurde an dar dreieckigen Anordnung weiter geforscht. Hierbei zeigte sich die gewünscht Verformbarkeit und Fortsetzung der Verzerrungen, da die Verformungen in geschlossene Ringe geführt werden können.

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ENDKOLLOQUIUM Das Ergebnis unserer Arbeit wird hier gezeigt. Die Hülle weist Tragfähigkeit, Wandelbarkeit und Gebäudetechnologie auf. Kurzum, das Konzept der volladaptiven Hülle funktioniert. Die integralen Prozesse und Möglichkeiten der Aktion und Reaktion werden anhand der schematischen Darstellungen erläutert.

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Adaptive Pavilion