Die vorliegende Dissertation stellt neue Vorgehensweisen für den Entwurf von geometrisch komplexen und zugleich statisch effizienten Tragwerken vor. Computergestützte Entwurfssysteme gestatten es Architekten heute, Gebäude mit spektakulären, oft doppelt gekrümmten Formen zu entwerfen. Durch leistungsstarke numerische Methoden sind Bauingenieure fähig, entsprechend geformte Tragwerke statisch zu dimensionieren. Die häufig in der Planungspraxis disziplinär weitgehend unabhängig voneinander ablaufenden Entwurfs- und Bemessungsprozesse führen oft zu Bauwerken mit ungünstigem Lastabtrag und hohem Bedarf an natürlichen Ressourcen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methodik des Tragwerksentwurfs zu entwickeln, welche die Prinzipien des Kräftegleichgewichts mit Konzepten des computergestützten Entwerfens kombiniert. Dazu wird ein interaktiver Modellierungsprozess beschrieben, der dem Entwerfer eine schrittweise Annäherung zwischen Entwurfsidee und effizientem Tragwerk ermöglicht. Die Bedeutung der Arbeit liegt einerseits darin, den Graben zwischen freiem architektonischem Entwurf und wissenschaftlichem Tragwerksentwurf zu verringern. Andererseits besteht die Relevanz der Arbeit auch darin, den Entwurfsprozess für geometrisch komplexe Tragstrukturen mit effizientem Lastabtrag in frühen Entwurfsphasen zu systematisieren und zu erleichtern. Die entwickelten Modellierungsverfahren basieren auf dem statischen Konzept der Fachwerkmodelle, kombiniert mit computergestützten Formfindungsmethoden. In einem ersten Schritt werden massgeschneiderte Methoden für die Modellierung ausgewählter Tragwerkstypologien entwickelt, zum Beispiel für gekrümmte Brücken oder baumartige Stützen. Jede dieser Methoden basiert auf einem klar definierten Konzept des Lastabtrags. Durch die fallweise Anpassung von Standard-Formfindungsmethoden werden die spezifischen Randbedingungen dieser Konzepte in die jeweiligen Modellierungsprozesse eingeschrieben. In einem zweiten Schritt wird eine allgemeine Methode entwickelt, welche es ermöglicht, Modelle mit generischen Randbedingungen zu erstellen, um damit unterschiedlichen Tragkonzepten gerecht zu werden. Diese allgemeine Methode zum computergestützten Entwerfen von Tragwerken basiert auf einer neuen Technik zum Lösen von allgemeinen Formfindungsproblemen mit Randbedingungen. Zu diesem Zweck wird die Kraftdichtemethode auf neue Weise erweitert. Bisher bekannte Erweiterungen der Kraftdichtemethode haben grösstenteils das Ziel, Restriktionen aus Konstruktion und Fabrikation in den Formfindungsprozess zu integrieren. Hier werden allgemeine Randbedingungen dazu verwendet, kreative Prozesse für frühe Phasen des Tragwerksentwurfs mit einem hohen Mass an geometrischer Kontrolle auszustatten. Durch neun prototypische Fallbeispiele wird die Flexibilität der Methode nachgewiesen. In einer ersten Gruppe von Beispielen wird gezeigt, wie es die Methode ermöglicht, die Formenvielfalt von allgemein bekannten Tragwerkstypologien zu erschliessen. In einer zweiten Gruppe wird demonstriert, dass sich die Methode darüber hinaus für das Modellieren von neuartigen Tragwerkstypen eignet, die durch die Kombination und das Verschmelzen von bekannten Modellen entstehen. Folgende Beiträge zum Stand der Forschung sind geleistet worden: massgeschneiderte Methoden zum Modellieren von ausgewählten Tragwerkstypen wurden entwickelt, eine allgemeine Modellierungsmethode basierend auf einer neuen Erweiterung der Kraftdichtemethode wurde formuliert und Fallbeispiele, die den Modellierungsprozess für ausgewählte Tragwerke darstellen, wurden präsentiert. Darüber hinaus stellt das neue Lösungsverfahren für Formfindungsprobleme mit Randbedingungen die Grundlage für die Entwicklung eines computergestützten „Entwurfstools“ für Tragwerke dar.

Schlüsselwörter: Tragwerksentwurf, computergestützter Entwurf, geometrisches Modellieren, Architekturgeometrie, Gleichgewichtslösungen, Stabwerksmodelle, Formfindung unter Randbedingungen, Kraftdichtemethode


Parametrisches Modell eines Daches mit effizienter Trägergeometrie