Die Arbeit befasst sich mit einem Programm, das dreidimensional gekrümmte Glasscheiben untersucht und als Hilfsmittel für Planer und Architekten dienen soll. Dabei werden diese Scheiben auf ihre Machbarkeit beziehungsweise Zulässigkeit untersucht und in einem nächsten Schritt gegebenenfalls optimiert. Oftmals entwerfen Planer Fassaden mit doppelt gekrümmten Gläsern, die nicht der Machbarkeit entsprechen.
Hierbei werden zulässige Grenzwerte der einzelnen Komponenten wie Glasscheibe, Unterkonstruktion und Haupttragwerk nicht beachtet. Dieses fehlende Wissen kann in der weiteren Planung zu großen Problemen führen und damit die Fortführung des Projektes gefährden. Daher sollten diese Gläser zukünftig bereits in der Formfindungsphase auf ihre Machbarkeit und Geometrieabmessungen untersucht werden.
Damit bei zukünftigen Projekten das Verfahren auch praktische Anwendung findet, wird anschließend ein Tool programmiert, das bei verschiedenen geometrischen Größen die ausgewählten Glasflächen oder Fassaden untersucht, auswertet und optimiert. Dieses Tool soll als Grundlage für weitere Programme dienen.
Ziel dieser Arbeit ist zuerst das Aufzeigen der Gesamtproblematik von doppelt gekrümmten Gläsern an Fassaden. Hierbei wird die zentrale Frage geklärt, welche architektonischen Möglichkeiten mit welchen Glasprodukten geschaffen werden können. Um an diese Kenntnisse zu gelangen, werden zulässige Durchbiegungen, Toleranzen und Herstellungslimits recherchiert und deren Bedeutung für die Glasscheiben analysiert.
Später wird ein Verfahren aufgezeigt, das die Glas- bzw. Flächenparameter der einzelnen Glasscheiben an dreidimensional gekrümmten Fassaden vorerst auf ihre Machbarkeit überprüft und hinterher bei bestimmten Randbedingungen optimiert. Hierbei sollte dieses Programm als kleines Hilfsmittel für Planer und Architekten in den ersten Planungsphasen dienen und Grundlage für weitere Verfahren sein, an dem zukünftig angeknüpft werden kann. Damit das Verfahren auch künftig praktische Anwendung findet, wird zusätzlich eine Software entwickelt, mit der man Glasscheiben in einem 3D Programm überprüfen und optimieren kann.
Inhaltsverzeichnis
1. Verfahren zur Überprüfung und Optimierung
1.1. Anlass
1.2. Vorgehensweise
1.3. Ziel
2. Doppelt gekrümmte Glasscheiben
2.1. Anwendungsgebiet
2.2. Glasverformung
2.2.1. Kaltgebogene Gläser
2.2.2. Warmgebogene Gläser
2.3. Baurechtliche Regelwerke und Vorschriften
2.4. Glasprodukte
2.4.1. Scheibenaufbau
2.4.2. Mechanische Eigenschaften
2.4.3. Scheibenabmessungen
2.4.4. Zulässige Durchbiegungen für einfach gebogene Scheiben
2.4.5. Zulässige Durchbiegungen für doppelt gebogene Scheiben
2.4.6. Flächengeometrie
2.5. Glasbearbeitung
2.5.1. Glaskanten
2.5.2. Glasoberfläche
2.5.3. Glaseinstand und Falzhöhe
2.6. Verformung Unterkonstruktion und Haupttragwerk
3. Überprüfungsalgorithmus
3.1. Allgemeines Vorgehen
3.2. Eingabe der Eingangsparameter
3.2.1. Eingabefenster
3.2.2. Auswahl der Gläser
3.3. Unterscheidung einfach oder doppelt gekrümmt
3.3.1. Gauß
3.3.2. Visuelle Wahrnehmung der Krümmung
3.4. Überprüfung Zulässigkeit
3.4.1. Einfach gekrümmt
3.4.2. Doppelt gekrümmt
3.5. Ergebnisse
4. Flächeneinteilung
4.1. Fügemodel nach Fildhuth
4.2. Anwendung
5. Ausgabeprotokoll
6. Lokaler Optimierungalgorithmus
6.1. Allgemeines Vorgehen
6.2. Methode der kleinsten Quadrate nach Gauß
6.3. Downhill Simplex Method in Multidimensions
6.4. Regelflächendefinition und Designvariablen
6.4.1. Ebene
6.4.2. Zylinder
6.4.3. Torus
6.4.4. Kugelfläche
6.5. Surfacefitting
6.6. Ergebnisse
7. Fertigung
8. Diskussion
8.1. Angaben nach der Norm und der Hersteller
8.2. Unterscheidung einfach und doppelt gekrümmt
8.3. Abdeckung aller bekannten Parameter
8.4. Designfrage
8.5. Statik
8.6. Toleranzbetrachtung
9. Schlussfolgerung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit zielt darauf ab, die komplexen Herausforderungen bei der Planung von doppelt gekrümmten Glasfassaden durch ein spezialisiertes Tool zu adressieren, um die Machbarkeit dieser komplexen Geometrien bereits in frühen Entwurfsphasen zu validieren und zu optimieren.
- Entwicklung eines Algorithmus zur Überprüfung der Zulässigkeit von einfach und doppelt gekrümmten Gläsern.
- Analyse baurechtlicher Rahmenbedingungen und mechanischer Eigenschaften verschiedener Glasprodukte.
- Methodik zur Geometrie-Optimierung mittels Regelflächen-Approximation.
- Integration von Fertigungsparametern zur effizienten Datenübergabe.
Auszug aus dem Buch
1.1. Anlass
Nachdem die Architektur des 20. Jahrhunderts sehr stark durch die Industrialisierung geprägt wurde und sehr rationale, additive Bauweisen hervorbrachte, ist aktuell einerseits die Tendenz hin zu freien, teils doppelt gekrümmten Gebäudeformen zu beobachten und andererseits das Bestreben, bei der Fassadengestaltung aus der Ebene auszubrechen und dieser dadurch eine Dreidimensionalität zu verleihen. Die Gründe hierfür sind meist gestalterischer Natur, können aber ebenso von energetischen oder nutzungsbedingten Überlegungen abgeleitet sein.
Die Entwicklung des Baustoffs Glas hat daher in den letzten Dekaden gezeigt, dass bei der Anwendung kaum noch Grenzen gesetzt werden. Dem Planer und Bauherrn steht ein großes Spektrum an Gestaltungsmöglichkeiten zur Verfügung. Somit entstehen multifunktionale, geometrisch komplexe Fassaden, deren Umsetzung nicht nur plane, sondern auch gebogene Verglasungen erfordert.
Die Realisierung der ersten Glasfassaden erfolgte nahezu ausschließlich mit planen Verglasungen. Auch die Forschung hat sich in den letzten Jahrzehnten überwiegend auf diese Verglasungsarten fokussiert. Die Anwendung von gebogenem Glas war eher selten. Durch die Weiterentwicklung der Produktionsprozesse wurden die Anwendungsbereiche von planem und gebogenem Glas größer.
Die Planung mit gebogenen Gläsern ist ein komplexer Prozess, bei dem es an vielen Stellen zu Problemen kommen kann. Plane Glasscheiben werden in Normen aufgeführt und näher erläutert, was bei gebogenen Scheiben nicht zutrifft. Viele Planer wissen in der Phase der Formfindung also nicht, ob ihr Vorhaben mit den entworfenen Glasprodukten realisierbar ist. Um Gewissheit zu bekommen, werden meistens Versuche oder Tests für jedes Gewerk durchgeführt, was zu enormen Zeitaufwand führt.
Zusammenfassung der Kapitel
Verfahren zur Überprüfung und Optimierung: Einleitung in die Problematik komplexer Fassadengeometrien und Vorstellung der Zielsetzung der Arbeit.
Doppelt gekrümmte Glasscheiben: Theoretische Grundlagen zu Glasarten, Herstellungsverfahren sowie baurechtlichen Rahmenbedingungen für gebogene Gläser.
Überprüfungsalgorithmus: Erläuterung der entwickelten Softwarelösung zur Analyse der Machbarkeit und Zulässigkeit bei gekrümmten Verglasungen.
Flächeneinteilung: Untersuchung von Fügemodellen zur Optimierung der Glasgeometrien nach Fildhuth.
Ausgabeprotokoll: Dokumentation der Systematik zur Erstellung von Protokollen für die weitere Fertigungsplanung.
Lokaler Optimierungalgorithmus: Detaillierte Darstellung der mathematischen Methoden zur lokalen Geometrie-Optimierung mittels Regelflächen.
Fertigung: Beschreibung des Datentransfers für die automatisierte Erstellung von Fertigungsunterlagen.
Diskussion: Kritische Auseinandersetzung mit den Ergebnissen, Normen und Annahmen der Untersuchung.
Schlussfolgerung und Ausblick: Zusammenfassendes Fazit und Einschätzung zukünftiger Entwicklungen im Bereich der Fassadenplanung.
Schlüsselwörter
Doppelt gekrümmte Fassaden, Glasbiegen, Zulässigkeitsprüfung, Algorithmus, Optimierung, Regelflächen, Fertigung, Glasstatik, Architekturgeometrie, Fassadenplanung, DIN 18008, Geometrische Analyse.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Software-Tools zur Überprüfung und Optimierung von dreidimensional gekrümmten Glasscheiben für moderne, komplexe Fassadengestaltungen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zentrale Themen sind die physikalischen Grenzen des Glasbiegens, die Einhaltung baurechtlicher Normen, die geometrische Auswertung von Freiformflächen und die Optimierung dieser Oberflächen für eine realisierbare Fertigung.
Was ist das primäre Ziel der Forschung?
Ziel ist es, Planern und Architekten ein Werkzeug zur Hand zu geben, mit dem die Machbarkeit komplexer Glasgeometrien bereits in der frühen Entwurfsphase geprüft und bei Bedarf automatisiert optimiert werden kann.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Es werden Ansätze der geometrischen Flächenanalyse, mathematische Optimierungsverfahren wie die "Methode der kleinsten Quadrate" und die "Downhill Simplex Method" sowie baurechtliche Nachweise für Glasstrukturen kombiniert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine fundierte Theorie zur Glasverformung, die Erläuterung des Überprüfungs- und Optimierungsalgorithmus sowie die Anwendung auf Beispiel-Fassaden zur Quantifizierung der Ergebnisse.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit am besten?
Schlüsselbegriffe sind Glasfassaden, doppelt gekrümmtes Glas, Algorithmus, Optimierung, Regelflächen und Fertigungsprotokolle.
Wie unterscheidet das Programm zwischen einfach und doppelt gekrümmten Scheiben?
Die Unterscheidung erfolgt über die Gaußsche Krümmung; bei Flächen, deren Krümmung einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird von einer doppelten Krümmung ausgegangen, während darunter eine zylindrische oder einfache Krümmung vorliegt.
Warum ist die Wahl einer "Regelfläche" entscheidend?
Die Regelfläche dient dazu, eine komplexe, technisch nicht oder nur schwer produzierbare Glasform mathematisch so anzunähern, dass sie die Anforderungen an die Zulässigkeit erfüllt, ohne den architektonischen Entwurf grundlegend zu verzerren.
- Citar trabajo
- Simon Schuster (Autor), 2016, Programmierung eines Rhinotools zur Überprüfung und Optimierung von doppelt gekrümmten Fassaden, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1037802
