Free Form Structural Design Start > Free Form Structural Design



Het constructief ontwerpen van vrije vormen
Schema's, systemen en prototypes van constructies in onregelmatig gevormde gebouwen
Martijn Veltkamp

(Samenvatting van Free Form Structural Design Schemes, systems and prototypes of structures for irregular shaped buildings)

Onregelmatig gevormde gebouwen met vlakken die in twee richtingen krommen ('dubbel gekromd'), ook wel bekend als vrije vormen en Blobs, zijn in de laatste tien jaar opnieuw in de belangstelling komen te staan dankzij nieuwe en gebruiksvriendelijke modelleringssoftware. Deze software komt uit de film-, auto- en vliegtuigindustrie, en is nu dus ook bij architecten in gebruik. Terwijl architecten vooral de vormmogelijkheden ervan benutten om er gebouwontwerpen mee te maken, ging de trend voorbij aan de technische disciplines betrokken bij de realisatie van de gebouwen. Voor wat betreft de constructies in dergelijke gebouwen, leidde dit ertoe dat zij weliswaar aan alle functionele en constructieve eisen voldeden, maar toch geen voldoening gaven. Als tekortkomingen werden onder andere gezien dat de constructieve vorm en de architectonische vorm niet overeen kwamen (bijvoorbeeld een spantenconstructie die het gebouw meedogenloos in platte vlakken snijdt, zelfs al zit er in het hele gebouw geen enkel plat vlak), de onmogelijkheid om de sterkte van de constructie lokaal aan te passen (of: grotendeels onnodig zwaar te dimensioneren), en als laatste de beperkte systematiek waardoor eenmaal ontwikkelde details niet op meerdere plaatsen toegepast konden worden.

Het verhelpen van deze tekortkomingen komt terug in de onderzoeksvraag: wat zijn de meest ge?igende constructieve schema's, constructieve systemen en constructieve ontwerpen voor vrijgevormde (delen van) gebouwen? Met 'ge?igend' worden de hoogst mogelijke graden van systematisatie, vormvrijheid en materiaalbenutting bedoeld, terwijl 'schema's', 'systemen' en 'constructieve ontwerpen' drie verschillende abstractieniveaus zijn, van hoog-abstract tot specifiek-toegepast. Door deze abstractieniveaus kunnen oplossingsrichtingen zo lang mogelijk materiaal-onafhankelijk worden gehouden, en daardoor breed toepasbaar.

Alhoewel er op het gebied van constructief ontwerpen vele variabelen te benoemen zijn, zijn er in dit onderzoek specifiek drie onderzocht:
1. Het vastleggen van de geometrie;
2. Het bouwmateriaal en hoe dit bewerkt kan worden;
3. De wijze waarop krachten worden ontvangen, overgedragen en afgedragen.

Relaties tussen geometrie, materiaal en krachtswerking

Op basis van studie naar eerdere oplossingen in gebouwen, constructies of systemen, op de drie voorgenoemde gebieden, heeft geresulteerd in zoekrichtingen voor constructies die aan de gestelde eisen voldoen. De drie oplossingsrichtingen die zijn terug te vinden in de drie systemen die uiteindelijk zijn ontwikkeld, zijn:
1. Het gebruik van vlakke elementen. Productietechnieken leggen geen beperkingen op de contouren hiervan;
2. Het gebruik van afrolbare vlakken. Dergelijke vlakken kunnen (in tegenstelling tot dubbelgekromde vlakken) zonder scheuren en plooien afgerold worden, en zijn dus te maken uit standaard plaatmateriaal;
3. Het gebruik van gedeeltelijk beheerste omvormingstechnieken. Hiermee kan bijvoorbeeld een vlak worden gekromd door het instellen van slechts een beperkt aantal punten, terwijl de rest van het vlak zichzelf ertussen vormt. Dit vereenvoudigt de productie van dergelijke elementen.

Per oplossingsrichting zijn vervolgens meerdere variabelen bepaald, alsmede de waardes die elk van deze variabelen aan kan nemen. Door hiermee te vari?ren zijn er 23 abstracte constructieve schema's in kaart gebracht. Omdat alle variabelen al vanuit de oplossingsrichting intrinsiek gerelateerd waren aan geometrie en/of materiaal en/of constructieve werking, waren alle schema's die hiermee gegenereerd werden in principe technisch mogelijk.

De volgende stap omvatte de verdere ontwikkeling van drie geselecteerde constructieve schema's tot constructieve systemen. Dit betrof:

Vlakke ribben die op de uiteinden op elkaar aansluiten. De ribben worden in een netwerk toegepast, waarbij de verbindingen simpel worden gehouden doordat telkens maar twee ribben op elkaar aansluiten; Vlakke ribben

Deltaribben, een netwerk van krommende en torderende ribben. De ribben hebben een driehoekige doorsnede, en zijn samengesteld uit drie op maat gesneden gekromde staalplaten; Deltaribben

3D-componenten, die tegelijkertijd constructie en geveldichting zijn. Ze zijn gebaseerd op verstijvingen volgens het principe van de Deltaribben, waarbij ook de ruimte ertussen constructief actief is, en tegelijkertijd de verstijvingsribben stabiliseert. 3D componenten

Alle drie de systemen bestaan uit componenten die op maat gemaakt worden voor een specifieke plek in de constructie. Op deze manier is aangetoond hoe de geometrische opzet van het constructieve schema doorwerkt in een materiaal-specifiek systeem. Om te kunnen beoordelen of het echt werkt, en zo de systemen te valideren voor toepassing in een onregelmatige gebouwvorm, is elk systeem ook toegepast op een gebouwontwerp. Hiermee werd ook inzicht verkregen in het toepassingsgebied, bijvoorbeeld of het systeem ook werkt bij heel sterk gekromde gebouwdelen.

Prototypen van Deltaribben
Prototypen van Deltaribben.

Het Deltaribben-systeem is verder uitgewerkt tot drie prototypen op ware grootte, gemaakt van plaatstaal. Het bouwen van de prototypen was de proef van het onderliggende systeem. Alhoewel de belangrijkste principes werden bevestigd, bleek het omwille van de maatvastheid noodzakelijk om de materiaaldikte al in de ontwerpfase mee te nemen.

Dit onderzoek heeft aangetoond hoe constructies die bestaan uit systematisch gegenereerde componenten voldoen aan de eisen die aan constructies voor vrije vorm gebouwen worden gesteld. De systemen die in dit onderzoek zijn gesteld, bieden onge?venaarde vormvrijheid, waarbij nog altijd een rationele productiewijze mogelijk is. De systemen kunnen parametrisch worden toegepast, waarbij ze zich vormen naar de locale geometrie en de aldaar vereiste constructieve capaciteit. Het zijn dus effici?nte systemen. Technisch gezien kan de draagconstructie nu volledig in de vrijgevormde gebouwvorm worden ge?ntegreerd.
 

Martijn Veltkamp
Free Form Structural Design
Schemes, Systems & Prototypes of Structures for Irregular Shaped Buildings
Research in Architectural Engineering Series. Imprint: Delft University Press. pp. 187.
ISBN: 978-1-58603-781-9

Het boek kan worden besteld bij de uitgever, of bij iedere (internet-)boekhandel.
Een niet te printen pdf-bestand is beschikbaar bij de bibliotheek van de Technische Universiteit Delft.


Copyright 2011 Martijn Veltkamp, MoreThanStructures. Alle rechten voorbehouden. Contact.