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Minimal Surface High-rise Structures

DRX 2012

Das Thema des diesjährigen Forschungsprogramms lautete „Minimal Surface Highrise Structures („Minimalflächenbasierte Hochhausstrukturen“). Minimalflächen, zahlreich in der Natur vorhanden, haben ein enormes Potential für die Anwendung im Entwurf von hohen Gebäuden, da sie Struktur, Material & Form integrieren. Diese Faktoren führen dazu, dass minimalflächenbasierte Tragwerke eine ernstzunehmende Alternative zu herkömmlichen Nachhaltigkeitskonzepten darstellen können.

Die Kernfragen des diesjährigen DRX lauteten:

• Haben Minimalflächen das Potential als druckaktive Tragwerkselemente zu fungieren? Wenn „ja“, welche Flächen bieten sich an?

• Wie können Elemente aus Minimalflächen gemeinsam in einem größeren Tragwerk wirken?

• Können fächenaktive und vektoraktive Tragwerkssysteme integriert werden?

• Kann die funktionale Integrität des Gebäudes gewahrt bleiben?

• Wie können Minimalflächen in 3-dimensionale Bauelemente übersetzt werden?

• Was sind angemessene Materialien für diese Art minimalflächen-basierter Tragwerke?

Im Rahmen des DRX 2012 wurden 3 prototypische 500 Meter hohe Tragstrukturen entwickelt, die sich durch ihre enorme Leichtigkeit und Steifigkeit auszeichnen. Zwei Projekte wurden als flächenaktive Schalentragwerke entwickelt (Prototower 01 & 02), eines als Raumfachwerk (Prototower 03). Das Team um Prototower 02 machte sich die Aneinanderreihung einfach-periodischer Minimalflächen zunutze und entwickelte darauf basierend eine simple Schalungsstrategie für die tragende Schalenkonstruktion. Prototower 01 basiert auf großformatigen sattelförmigen Modulen, die sich durch eine Überlagerung verschiedener Flächenminimalisierungsalgorithmen (Dirichlet Minimierung, Federenergie-Minimierung & Flächenminimierung) herleiten und optimieren lassen. Die maximale Wandstärke dieser Schalen beläuft sich unter Berücksichtigung von Wind- und Eigenlasten auf nur 2 Meter.

Das dritte Projekt (Prototower 03) stellt ein auf Minimalpfaden basierendes Raumfachwerk als alternatives Tragwerkskonzept vor. Die Kombination mit einem leichten, zugbasierten Sekundärtragwerk aus Seilnetzen für die Gebäudehülle führt zu einer Struktur, die auf einen Kern als aussteifendes Element verzichten kann. Gleichzeitig sorgen die im ganzen System verwendeten Winkel von 120 Grad zu einer durchaus realisierbaren architektonischen Lösung. Erste Versuche zeigen, dass hierdurch bis zu 20 Prozent des Materials (Stahl) gegenüber herkömmlichen, auf 90-Grad-Winkeln basierenden, Raumfachwerken – ohne Steifigkeitsverlust – eingespart werden könnten.

Link: Profile > DRX

Konrad Polthier is a MATHEON-Professor and head of the Mathematical Geometry Processing group at the Institute of Mathematics at FU Berlin. He is a full professor of Mathematics with research interests in the areas of mathematical geometry processing, discrete differential geometry and mathematical visualization. As chair of the Berlin Mathematical School (BMS), his current efforts in teaching and education focus on our more than 150 international master and PhD students. His efforts as director of the Institute of Mathematics and former member of the academic senate of FU Berlin target at improving the internal workflows of the institute and university in order to provide a fruitful ground for an excellent research and teaching environment.

Links: Polthier.info / FU Berlin

Patrick Teuffel is educated as a structural engineer and started his career at Arup in London. From 1999-2003 he carried out his PhD about the application of adaptive systems in architecture and engineering at the University of Stuttgart. Further on in 2003 he founded TEUFFEL ENGINEERING CONSULTANTS, an engineering consultancy with focus on special and lightweight structures. Since 2008 he has been Professor for Architectural Engineering at TU Delft and since 2012 he is Professor for Innovative Structural Design at Eindhoven University of Technology, with research focus on light and adaptive structures.
Patrick Teuffel is CEO of Teuffel Engineering Consultants, an engineering consultancy with focus on special and lightweight structures. Since 2012 he is a Professor at Eindhoven University of Technology's ISD with a research focus on light and adaptive systems.

Links: TEUFFEL ENGINEERING CONSULTANTS / Innovative Structural Design (ISD) - TU Eindhoven

Toni Kotnik is a mathematician and professor at Singapore University of Technology and Design. Before joining SUTD, Toni Kotnik was lecturer and senior researcher at the Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich and principal of d’HKL, a Zurich-based office focusing on research-oriented architectural design. He studied architecture and mathematics in Germany, Switzerland and the US and received his doctoral degree from the University of Zurich. He was research fellow at Center for the Representation of Multi-Dimensional Information, principal researcher at OCEAN design research network, postdoctoral researcher at the Chair for Computer Aided Architectural Design at the ETH Zurich, assistant professor at the Institute for Experimental Architecture at the University of Innsbruck and studio master at the Emergent Technology and Design program at the Architectural Association in London.

Link: SUTD

Konrad Polthier
Prof.

Patrick Teuffel
Prof. Dr.-Ing.

Toni Kotnik
Prof.