Von Seeigeln und Strelitzien

Bionik in der Architektur

Die Architektur ließ sich schon immer von der Natur inspirieren – lange bevor der Begriff der Bionik in den 60er Jahren eingeführt wurde. Das Kunstwort verweist auf ein Forschungsgebiet, das inzwischen längst populär ist: aus der Biologie abgeleitete Prinzipien, die in der Technik Anwendung finden. An der Universität Stuttgart wird untersucht, wie sich solche Funktionsprinzipien und natürliche Tragkonstruktionen von Pflanzen oder Kleinstlebewesen in unsere Bauweise übertragen lassen.

Text: Jan Knippers
Fotos: Ruslou Koorts, David Oliver Krieg, Julian Lienhard, Simon Schleicher u. a.

In der Baugeschichte wechseln sich Epochen, die direkt auf Formen der Natur zurückgreifen, mit anderen ab, die sich durch eine geometrische Ordnung gegen diese abgrenzen. Nach einer Zeit des technischen Funktionalismus und der darauf folgenden Postmoderne steht heute der fließende Raum im Mittelpunkt vieler Vorstellungen. Häufig werden dabei Formen der Natur mehr oder weniger direkt zitiert. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, was der Architektur die junge Wissenschaft der Bionik an weiterführenden Erkenntnissen und Anregungen bringen kann. Diese sind nur von einer vertieften Analyse der Funktionsprinzipien natürlicher Vorbilder zu erwarten, die in abstrahierte Modellvorstellungen übertragen und so als Grundlage für neue architektonische bzw. konstruktive Konzepte dienen können.
Unnatürlicher oder natürlicher Aufbau
Beschränkt man sich auf die Bau- und Tragkonstruktionen, fällt auf, dass die Konstruktionen der Architektur und jene der Natur jeweils nach diametral entgegengesetzten Prinzipien aufgebaut sind [1]. In der Architektur und Bautechnik werden verschiedene Funktionen wie z. B. der thermischen Hülle, der Medienversorgung oder der Lastabtragung unterschiedlichen Bauteilen von ganz unterschiedlicher Beschaffenheit zugewiesen. Tragwerke werden in den weitgehend unabhängigen Kategorien »Material« und »System« beschrieben und in einem hierarchischen Prozess entworfen: zunächst das »System«, für das ein beschränkter Kanon an v. a. hinsichtlich geometrischer oder mechanischer Prinzipien klassifizierbarer Optionen zur Verfügung steht (z. B. Balken, Scheibe, Platte, Schale …). Dieses »System« lässt sich dann häufig in sehr ähnlicher Form aus verschiedenem »Material« (z. B. Stahl, Holz, Beton …) realisieren, das in einem zweiten Schritt gewählt wird.
Natürliche Konstruktionen ergeben sich dagegen aus einer nahezu unendlichen Vielfalt durch Selektion, Mutation und Rekombination. Sie zeigen einen hierarchischen Aufbau über mehrere Größenordnungen. Vom makroskopischen Organismus bis hinab zu den Molekülen besteht jedes Strukturelement aus kleineren Elementen, aus ähnlichen Grundbausteinen, die immer wieder den gleichen chemischen Aufbau haben. Eine Trennung in die Kategorien »Material« und »System« ist daher nicht möglich. In natürlichen Konstruktionen stützen diese Grundbausteine dabei nicht nur die Struktur, sondern transportieren gleichzeitig Stoffe, katalysieren chemische Reaktionen, erkennen Signalstoffe und übernehmen so vielfältig miteinander vernetzte Funktionen.
Bei der Bionik geht es daher nicht um die Übertragung von Formen, sondern um die Frage, ob und wie sich die im Verlauf von 3,8 Mrd. Jahren Evolution entstandenen Funktionsprinzipien der Natur für strukturell, funktional und ökologisch effiziente Lösungen nutzen lassen. Dabei sind heute die technischen Voraussetzungen für einen Transfer aus der Natur in die Bautechnik viel eher gegeben als noch vor wenigen Jahren. Digitale Planungs-, Simulations- und Fertigungsverfahren eröffnen neue Möglichkeiten, sich dem Hauptmerkmal natürlicher Ideengeber, nämlich ihrem vielschichtigen, fein abgestimmten und differenzierten Aufbau, zu nähern.
Das Skelett des Seeigels als Pavillonstruktur
Genau dies sollte der im Sommersemester 2011 vom Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) und dem Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart realisierte Versuchsbau demonstrieren [2]. Das Projekt wurde an der Schnittstelle von Lehre und Forschung zusammen mit Studierenden entworfen, geplant und ausgeführt.
Es erforscht die Übertragung biologischer Strukturbildungsprinzipien der Außenskelette von Seeigeln auf frei geformte Schalentragwerke in der Architektur. Das Skelett des Seeigels hat einen modularen Aufbau aus polygonalen Platten, die an den Plattenrändern durch fingerähnliche Verbindungen miteinander verzahnt sind. Diese können hohe Scher- und Druckkräfte übertragen, jedoch nur sehr bedingt Zug und Biegung. Trotzdem ergeben sich durch die spezielle geometrische Ordnung, bei der sich jeweils drei Platten in einem Punkt treffen, leistungsfähige Schalenstrukturen. In einem ersten Schritt wurden diese Verbindungen der Seeigelschale in sogenannte robotisch gefertigte Keilzinkenverbindungen von Sperrholzplatten übertragen, die ähnliche Lastübertragungsmechanismen verwenden wie der Seeigel (Idee: David Oliver Krieg).
Die zu Elementen gefügten Platten wurden dann gemäß der Dreikanten-Regel zu einer Schale verbunden, die trotz beachtlicher Abmessungen und obwohl in den Fugen fast nur Scher- und Druckkräfte übertragen werden, mit nur 6,5 mm dicken Sperrholzplatten auskommt. Die Orientierung und die Größe der Zellen ist den mechanischen Beanspruchungen und den Krümmungen der Schale angepasst. Sie folgt damit dem Hauptmerkmal biologischer Strukturen, nämlich der lokal angepassten Differenzierung ihres geometrischen Aufbaus.
Die Strelitzie als Markise
Die Analyse natürlicher Schalen- oder Skelettstrukturen gehört zu den klassischen Themen der Baubionik. Die Bionik kann sich aber auch ganz anderen Funktionalitäten widmen und dort zu neuen Lösungen führen, wie das folgende Beispiel verdeutlicht:
Bewegliche Strukturen im Bauwesen, wie Brücken oder Stadiondächer, sind im Gegensatz zu Konstruktionen des Maschinen- oder Anlagenbaus meist Unikate, die ohne Prototypen und umfangreiche Testläufe geplant und errichtet werden. Dies führt in der Praxis dann oft zu Problemen, die nur durch mühsames Experimentieren am fertigen Objekt zu lösen sind. Wie lässt sich also die Komplexität beweglicher Baukonstruktionen reduzieren? Diese Frage führt fast von selbst zur Beschäftigung mit natürlichen Vorbildern, da die Botanik die radikalste Antwort bietet: Viele Pflanzen bewegen sich ganz ohne mechanische Elemente nur über die lokal angepasste und adaptive Nachgiebigkeit ihrer Komponenten. Ausgelöst werden solche Bewegungen entweder durch externe Aktoren oder durch einen Wechsel des sogenannten Turgordrucks in den Zellen (Druck des Zellsafts auf die Zellwand).
Ob und wie sich solche Pflanzenbewegungen technisch nutzen lassen, wird derzeit anhand eines einfachen technischen Systems, nämlich einer Fassadenverschattung, überprüft. Die Untersuchung verschiedener Pflanzen identifizierte die Bewegungen der Strelizienblüte als geeignetes kinematisches Prinzip. Die Strelitzie wird durch einen Vogel bestäubt. Um den Nektar aufzunehmen, setzt er sich auf eine Blütenstange, die durch sein Gewicht nach unten gebogen wird. Diese Biegung aktuiert ein seitliches Aufklappen des Blütenblatts und setzt die ansonsten geschützten Pollen frei. Aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht ist die aus vielen Fasern und Blättern bestehende Blütenstange zunächst sehr unübersichtlich. Eine schrittweise Abstraktion überführt den Bewegungsablauf jedoch in einen recht einfachen Mechanismus [3], der aus einer biegesteifen Stange und einem weichen Blatt besteht. In der Ausgangslage ist das Blatt vertikal angeordnet, sodass es das maximale Flächenträgheitsmoment entwickelt. Wenn die Stange durch eine äußere Kraft (z. B. das Gewicht des Vogels) gebogen wird, entzieht sich das Blatt der Beanspruchung durch seitliches Wegklappen und verringert so das Flächenträgheitsmoment. Dieses Phänomen ist Ingenieuren als »torsional buckling« gut bekannt. Allerdings wird es in der Technik als Versagensfall betrachtet, der durch konstruktive Gegenmaßnahmen und aufwendige statische Nachweise unbedingt zu verhindern ist. Die Natur dagegen nutzt dieses Prinzip aktiv, um bestimmte Funktionalitäten zu ermöglichen.
Das kinematische Prinzip wurde in den Prototypen einer Fassadenverschattung namens »flectofin« [4] überführt. Die Elemente bestehen durchgängig aus glasfaserverstärktem Kunststoff, der einerseits eine hohe Zugfestigkeit, gleichzeitig aber ein niedriges E-Modul hat und so eine große Biegung ermöglicht. Die Lamellen haben einen steifen Rücken und ein weiches »Blatt«, das bei Biegung des Rückens seitlich wegklappt und die Fassade verschattet. Da das System ganz ohne gerade Drehachsen auskommt, kann es auch an gekrümmte Fassadengeometrien angepasst werden – das wesentliche Anwendungspotenzial dieses Konzepts.
Die Beispiele des Seeigels und der Strelitzie machen deutlich, dass es bei einem wissenschaftlichen Anspruch an die Bionik nicht um den Transfer von Form oder Anmutung, sondern der zugrundeliegenden funktionalen Prinzipien geht. Dies kann dann zu neuen konstruktiven Lösungen anregen, die wiederum neue architektonische Spielräume eröffnen. •

Weitere Informationen:
[1] Knippers, Jan und Thomas Speck, Design and construction principles in Nature and Architecture, Bioinspiration & Biomimetics (im Druck, IOP science, Bristol
[2] Der ICD/ITKE Forschungspavillon 2011 wurde vom Institut für Computerbasiertes Entwerfen (Prof. Achim Menges) und dem Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (Prof. Jan Knippers) entwickelt.
Konzept und Entwurfsplanung: Oliver David Krieg, Boyan Mihaylov
Ausführungsplanung und Realisierung: Peter Brachat, Benjamin Busch, Solmaz Fahimian, Christin Gegenheimer, Nicola Haberbosch, Elias Kästle, Oliver David Krieg, Yong Sung Kwon, Boyan Mihaylov, Hongmei Zhai
Wissenschaftliche Leitung: Markus Gabler (Projektl.), Riccardo La Magna (Tragwerkspl.), Steffen Reichert (Konstruktion), Tobias Schwinn (Projektl.), Frédéric Waimer (Tragwerkspl.)
[3] Lienhard, Julian u. a., Flectofin: a nature based hinge-less flapping mechanism. Bioinspiration & Biomimetics 6 (2011), IOP science, Bristol
[4] »Flectofin« ist ein Gemeinschaftsprojekt des Instituts für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) in Stuttgart (Prof. Jan Knippers, Julian Lienhard (Projektl.), Simon Schleicher), der Plant Biomechanics Group in Freiburg (Prof. Thomas Speck, Simon Poppinga, Tom Masselter) und des Instituts für Textile Verfahrenstechnik (itv) in Denkendorf (Markus Milwich, Thomas Stegmeier)

Jan Knippers
1962 in Düsseldorf geboren. 1983-92 Studium konstruktiver Ingenieurbau und Promotion an der TU Berlin. 1993-2000 Mitarbeit im Ingenieurbüro Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart. Seit 2000 Professur und Leitung des ITKE an der Universität Stuttgart. Seit 2001 Knippers Helbig Advanced Engineering, Stuttgart. 2009 Gründung von Knippers Helbig Inc., New York (USA).