blog

Halsstarrige driehoeken, deel 2

Techniek

Hoe kun je een onregelmatige, uit driehoeken bestaande, mesh offsettable maken? Deze vraag stond centraal in een anderhalf jaar durend onderzoek door architect Jasper de Haan, design- en computerwizzard Axel Kilian, constructeur Paul Lagendijk en hun wereldwijde netwerken. Op deze plek zal Jasper de Haan zijn verslag van dit onderzoek in delen publiceren (om de week een hoofdstuk). Deze week deel 2: de eerste vondst: PepaKura.

Halsstarrige driehoeken, deel 2

Bij het ontwerpen van twee paviljoens op een nieuwe dek over een bestaand kinderdagverblijf in Barendrecht, kwamen we kwamen een ‘Mauerwerkvorsprung’-achtig probleem tegen. Voor de Buitenschoolse opvang hadden we twee onregelmatige, uit driehoeken opgebouwde kristallijnen paviljoens bedacht, met een vloeroppervlak van zo’n 100 m2 en een maximale hoogte van 4,5 m. Een uitgangspunt was dat de gevels / daken van de paviljoens zelfdragend zouden zijn. Dat de constructie zou bestaan uit de driehoekige panelen zelf, die ook de scheiding vormen tussen binnen en buiten. En dat er dus geen onafhankelijke draagstructuur van staal of hout zou komen die later bekleed zou worden met een gevel.

Aangekleed skelet

Zo’n aangekleed skelet lijkt tot nu toe de min of meer standaard oplossing om een gebouwtje met een soortgelijke onregelmatige vorm te maken. Wij vinden dat oneigenlijk en ook onzinnig. Waarom niet dat gebruiken wat je toch al nodig hebt? Het leek ons goed als datgene wat je maakt en ziet ook de constructie vormt van een gebouw. Dat alles wat je ontwerpt / bouwt op meerdere lagen een functie heeft. Dus liever niet een scheiding tussen drager en inbouw, constructie en scheidingswanden of architectuur en functie.

Gehry’s Bilbao als hoogtepunt

Vitruvius’ triade het liefst samen in één geheel en niet in afzonderlijk te bepalen en te benoemen onderdelen. De constructie en de architectonische uitdrukkingsvorm zijn dan één en dezelfde. Misschien een ouderwets of zo je wilt een modernistisch uitgangspunt1, daar het gangbare bij dit soort in de computer gegenereerde vormen is dat ze van binnen stiekem overeind gehouden worden door een, al dan niet zichtbare, klassieke constructie. En daarmee verworden die gebouwen tot niet meer dan een decor, met vooralsnog Gehry’s Bilbao als hoogtepunt. Nou is er niets tegen decorbouw, maar alleen al uit ecologische overwegingen is het natuurlijk wel zo handig dat vorm en constructie dezelfde zijn. Laat staan uit economische overwegingen.

PepaKura

Lange tijd hebben we aan dit ontwerp gewerkt met een computermodel met de theoretische dikte van nul mm dik. Maar om de vorm en ook de constructie überhaupt te kunnen beoordelen waren modellen noodzakelijk. Martijn Stellingwerff van de TUD wees ons op het bestaan van het programma PepaKura dat erg handig bleek te zijn. Met PepaKura is het mogelijk om van een virtueel 3D model (.km , .3ds , .dxf , etc.) een bouwplaat te printen, inclusief vouwlijnen en plakranden.


Het model in Pepakura 

De bouwplaat in PepaKura

Dit van oorsprong Japanse programma is eigenlijk bedacht om robots en avatars uit de game-wereld zelf thuis van papier na te kunnen maken. In alle verschillende stadia hebben we zeer vaak een modelletje geprint en in elkaar geplakt om te kijken of hetgeen we aan het doen waren wel klopte, om te controleren of wat op het beeldscherm goed leek dat in werkelijkheid ook zo was. Maar ook om de constructieve eigenschappen van een variant te doorgronden, simpelweg door wat te duwen en trekken aan zo’n papieren modelletje.


Een papieren model

Dit alles in de veronderstelling dat als, uiteindelijk, het model met dikte nul helemaal goed en kloppend zou zijn, we dan door dat model simpelweg te offsetten (een dikte te geven door de vlakken parallel aan het ‘moedervlak’ te verplaatsen naar binnen en naar buiten) en de uitstekende delen af te knippen en de tekort schietende vlakken zouden verlengen totdat die het naastgelegen vlak snijden, we een virtueel model hadden waarin de vlakken de juiste vooraf bepaalde constructieve dikte zouden hebben. Op basis van dat virtuele model, zou het dan relatief simpel moeten zijn om alle driehoekige panelen correct op schaal uit te tekenen, zodat deze door een timmerfabriek gemaakt konden worden en enkel nog als een soort Ikea bouwpakket op de bouwplaats in elkaar gezet hoefden te worden. Helaas bleek één en ander niet zo te werken.

De hoekpunten ‘ontploften’ in een wolk van punten

Tot onze verbazing bleek deze vorm zich heel anders te gedragen dan de regelmatige veelvlakken (waarvan wij het dodecaëder als startvorm hadden genomen voor het ontwerp) waar Buckminster Fuller zo veel mee werkte. We begrepen opeens zijn voorkeur voor die regelmatige structuren. Want waar zelfs een dodecaëder, de meest ‘onregelmatige’ van alle Platonische veelvlakken nog prima offsetbaar is, zonder dat de vorm wijzigt in iets geheel anders, ‘ontploften’ de hoekpunten van onze onregelmatige paviljoens. Waar in het ‘nulmodel’ de driehoeken keurig in één punt samenkwamen en zo piramides vormden met drie tot soms wel zeven zijden, bleek de geoffsette vorm zich uiterst vreemd te gedragen. De enkele snijpunten uit het nulmodel bleken uiteen te vallen in een wolk van punten.

Nog afgezien van bouwkundige problemen als waterdichtheid en een gesloten vorm, baarde dit ons ook constructief enorme zorgen, daar in het nulmodel gebleken was dat het verplaatsen van een hoekpunt – of beter: een piramidetop – met bijvoorbeeld 100 mm soms het verschil maakte tussen instorten of een stabiel en stevig gebouw. Lange tijd dachten wij dat we zelf iets fout deden tijdens het offsetten. Maar uiteindelijk bleek dat hier in feite te maken hadden met een soortgelijk probleem als Wittgenstein met zijn raam. Op de afbeelding is te zien wat er gebeurd als je het nulmodel naar binnen offset.

Te zien is dat de buitenkant (het originele nulmodel) nog keurig intact is. Echter de binnenzijde van de zevenvlakkige pyramide lijkt wel geëxplodeerd in een veelvoud van vlakken met nog meer hoekpunten. Een oplossing zou dus zijn om te kiezen. Of het klopt binnen of het klopt buiten. En in het laatste geval bijvoorbeeld, dan binnen de boel maar zo goed en kwaad als mogelijk aftimmeren. Maar daarmee waren misschien de bouwkundige en in ieder geval voor één zijde de esthetische eisen opgelost, maar nog steeds niet de constructieve zorgen.

Helemaal daar we er in eerste instantie vanuit waren gegaan dat het nulmodel het midden van de uiteindelijke constructie zou zijn. Die aanname had best anders gekund, maar zo waren we nu eenmaal begonnen. En dan ziet zelfs een zo goed mogelijk ‘opgeruimde’ knoop er nog steeds als volgt uit:

Om dit constructieve aspect op te lossen zouden we opnieuw moeten beginnen en bijvoorbeeld ervan uit moeten gaan dat de binnenkant van het gebouw het nulmodel zou gaan worden en we aan de buitenkant, waar toch op een relatief onnauwkeurige manier waterdichte lagen gemaakt dienden te worden, de timmermannen het verder maar laten uittimmeren. Maar dat zou betekenen dat we in feite het hele ontwerpproces weer opnieuw zouden moeten doen, daar anders het gebouw te groot of te klein zou worden. Nog afgezien van de enorme hoeveelheid tijd die het zou kosten om weer opnieuw met een boel trial en error de zo gewenste zelfdragende constructie te ontwerpen. Hetgeen zou inhouden dat we weer dagen lang onderstaande plaatjes moesten laten doorrekenen op soms 5e tot 6e orde effecten in de constructie.


Uitkomst constructieve berekening. Blauw/paars betekent instorten

Gelukkig was inmiddels onze subsidie aanvraag bij het Stimuleringsfonds voor de Architectuur toegewezen waarmee we deze problematiek uit konden zoeken en er een oplossing voor proberen te vinden.

1 Interessant in deze is de observatie van o.a. Edward Ford in zijn boek ‘The details of Modern architecture’. Hij stelt dat waar de architectuur zich in het begin van de 20e eeuw ontwikkelt naar een monolietsysteem, de bouwtechniek zich ontwikkelt naar een gelaagd systeem,waarin iedere functie een aparte laag en zelfs een apart materiaal krijgt. Zeker onder druk van de huidige eisen aan isolatiewaarden en het verbod op koudebruggen is er heel wat kunst en vliegwerk nodig om de ogenschijnlijk simpele modernistische composities van monoliete, massieve schijven er ook zo uit te laten zien. Waarmee het modernistische dogma, dat de constructie ‘eerlijk’ zou moeten zijn onmiddelijk met voeten wordt getreden. In zekere zin is ons pleidooi voor de zelfdragende constructie ook een terugkeer naar een monolithische manier van denken. Qua materialisering klassiek en conceptueel modern.

Deze blog maakt deel uit van een serie.
De links naar de andere delen zijn te vinden in de rechterkolom.
Het onderzoek waarop de blogs zijn gebaseerd, is mede mogelijk gemaakt door het SfA.

 

Reageer op dit artikel
Lees voordat u gaat reageren de spelregels