In den frühesten menschlichen Bauformen ging es darum, vorhandene Formen der Natur wie Höhlen oder Erdlöcher zu optimieren. Später wurde die Natur dann zur Ideengeberin, indem man sich ihre Formen abgeschaut hat. Dieses systematisch in der Natur nach Konstruktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien forschen und in Techniken zu übersetzen, nennt man Bionik. Die Baubionik nutzt Strukturen, Materialien und Funktionen aus der Natur als Inspiration, um technische Lösungen zu entwickeln, die im Bauwesen eingesetzt werden. Es gibt Fälle, bei denen bionische Prinzipien integrative Bestandteile der Architektur sind – das können konstruktive Systeme sein oder Lüftungssysteme, Ideen für Materialien, für Oberflächen, für Fassadenelemente oder für Verschattungen.
BAUBIONIK – VON DER NATUR LERNEN
INHALT
Dank Bionik wurden bereits viele wichtige Erfindungen gemacht, die unser Leben einfacher und besser machen. Ob bei Industrieprodukten, in der Medizin oder in der Architektur – überall begegnen wir Ideen, die ihre Inspiration in der Natur gefunden haben.
GESCHICHTE
EIERSCHALE
SEEROSENBLATT
KAKTUS
OBERSCHENKELKNOCHEN
SEIFENBLASEN
GIESKANNENSCHWAMM
BIENENWABEN
GESCHICHTE
Der Begriff Bionik setzt sich aus der ersten Silbe des Wortes «Biologie» und der zweiten Silbe des Wortes «Technik» zusammen. Geprägt wurde er 1958 von J.E. Steele, einem amerikanischen Neurologen. Für ihn stand dabei das «Lernen der Technik von der Natur» im Vordergrund. In Deutschland wird der Begriff heute so genutzt, wie der Zoologe Werner Nachtigall ihn definiert hat. Bionik beschreibt den Versuch, Verfahren, Konstruktions- und Entwicklungsprinzipien der Natur in technische Anwendungen zu übersetzen. Das bedeutet, dass Bionik keine identischen Kopien von der Natur in die Technik anfertigt, sondern die Beobachtungen eigenständig und kreativ weitergestaltet. Nachtigall begründet das so: «Die Natur liefert keine Blaupausen für die Technik. Die Meinung, man bräuchte die Natur bloß zu kopieren, führt in eine Sackgasse.»
INSPIRATION
EIERSCHALE
Eierschalen sind atmungsaktiv, um den Gasaustausch zu ermöglichen, ohne den das Küken nicht atmen könnte. Gleichzeitig sind sie super stabil. Dafür sorgt ein Verbundmaterial aus senkrecht angeordneten harten Calciumcarbonatsäulen und einer horizontalen verlaufenden elastischen Faserstruktur. Dieser Mix fängt Stöße ab und verhindert, dass sich Risse ausbreiten können.
ARCHITEKTUR
IGLUS
Im Vergleich zu einem Zelt steht ein Iglu sicher im Wind. Drinnen ist es erstaunlich warm, hell und geräumig. Damit hat es die gleichen positiven Eigenschaften wie eine Eierschale, die das Küken so perfekt schützt.
INSPIRATION
SEEROSENBLATT
Die Riesenseerose «Victoria amazonia» ist im Amazonasgebiet beheimatet. Ihre Blätter erreichen einen Durchmesser von bis zu zwei Metern und können einen Menschen tragen. An der Unterseite des Blattes befinden sich viele Rippen mit Stacheln und Querverstrebungen die unter anderem einzelne Luftkammern in sich einschließen. Dieses Stützgewebe mit ihrer aderartigen Struktur verleiht der Seerose eine hohe Stabilität.
ARCHITEKT
JOSEPH PAXTON
1849 wurde der englische Architekt Joseph Paxton (1803-1865) vor die schwierige Aufgabe gestellt, ein anspruchsvolles Gebäude für die erste Weltausstellung zu entwickeln. Paxton orientierte sich bei seinem Entwurf am Vorbild der Riesenseerose. Als Gartenarchitekt hatte er bereits Erfahrungen mit Gewächshäusern gesammelt.
VORBEREITUNGEN
EXPERIMENT
Annie, die Tochter von Joseph Paxton, lieferte den Beweisfür die Haltbarkeit: In einem speziell für die «Victoria amazonica» angelegten Gewächshaus in den Royal Botanic Gardens, stellte sich sich auf ein schwimmendes Blatt. Das Bild erschien in der Illustrated London News vom 17. November 1849.
BAUARBEITEN
AUFBAU
Paxtons Entwurf wurde ganz aus Glas und Gusseisen gebaut und in nur 17 Wochen aus vorgefertigten Bauteilen errichtet. Mithilfe von Holz und Eisen wurden die Rippen der Pflanze nachgestellt, die später die Grundlage für das Dachgerüst der Halle bilden würden.
ERFINDUNG
KRISTALLPALAST
Die Konstruktion aus Eisenträgern erlaubte den vollständigen Verzicht auf tragendes Mauerwerk. Die Querverstrebungen erhöhten die Stabilität. Anstelle der Blattschichten des Vorbilds aus der Natur, gaben beim Kristallpalast die Glasflächen dem Gebäude eine stabile und gleichzeitig leichte Struktur.
INSPIRATION
KAKTUS
Kakteen aus der Familie der Opuntien wachsen strauchig bis baumähnlich. Sie stehen aufrecht und können dabei 10 Meter hoch oder mehr wachsen. Aber sie verbreiten sich auch kriechend am Boden und bilden dabei gelegentlich Haufen oder Matten. Besonders interessant an Opuntien ist, dass ihre Blättern über ein vernetztes Gewebe verfügen, das ihnen große Stabilität verleiht.
ARCHITEKT
JOSEPH MONIER
Der Gärtner Joseph Monier (1823-1906) ärgerte sich um 1849 über die zu seiner Zeit teuren und äußerst brüchigen, steinernen oder tönernen Pflanztöpfe. Um dieses Problem zu lösen, fertigte der 26-jährige Monier einen Drahtkorb mit einer den Opuntienblättern nachempfundenen Netz-Struktur an. Der Drahtkorb erzeugte die notwendige Zugfestigkeit. Die Masse aus Zement (so wurde damals die Betonmischung genannt), mit der er die Netz-Struktur ausfüllt, stabilisierte das Drahtgeflecht. Auf diese Weise wurde Monier zum Erfinder des Stahlbetons.
BAUPLAN
DAS PATENT
Nachdem Monier durch sein Experiment zum ersten Mal Stahlbeton hergestellt hatte, forschte er weiter. Er verwandte das Prinzip der Verbindung von Zement und Drahtgeweben bald auch bei der Anlage von künstlichen Felsengärten und erweiterte es auf die Herstellung von Wassertanks, Rohren, kleineren Brücken, Treppen und Betonträgern.
BAUGESCHICHTE
DER EINFLUSS
Die Erfindung des Stahlbetons hat viele Bauten überhaupt erst ermöglicht. Dazu gehören zum Beispiel Autobahnen, Brücken und Tunnel, Türme und Masten, Häuser und Hochhäuser und zahlreiche Fertigbauteile, wie Platten und Behälter. Stahlbeton zählte neben Glas und Stahl zu den beliebtesten Materialien der Bauhaus-Architektur. Als Lehrer am Bauhaus und freischaffender Architekt in Berlin entwickelte Walter Gropius die Idee einer «Häuserfabrik». Die Weißenhofsiedlung in Stuttgart sowie die Dessauer Siedlung Törten wurden zu seinen Experimentierfeldern.
INSPIRATION
OBERSCHENKELKNOCHEN
Skelettknochen weisen zahlreiche Verstrebungen durch durch sogenannte isostatische Rippen auf. Sie verteilen die Belastung auf den Knochen möglichst gleichmäßig, um so einem möglichen Bruch gut entgegenwirken zu können. Zwischen den einzelnen Streben entstehen genau dort Hohlräume wo weniger Kraft auf den Knochen ausgeübt wird und kein Gewebematerial benötigt wird. Das führt dazu, dass der gesamte Knochen im Verhältnis zu der auf ihn ausgeübten Kraft so leicht wie möglich wird.
ARCHITEKT
GUSTAVE EIFFEL
Der französische Ingenieur Gustave Eiffel (1832-1923) entwickelte nach dem Vorbild eines menschlichen Oberschenkelknochens ein neues Bauprinzip. Am 18. September 1884 meldete Eiffel ein Patent an «für ein neues Verfahren, das es erlaubt, Metallpfeiler und -pylonen von einer Höhe zu bauen, die dreihundert Meter übersteigen kann».
ERFINDUNG
EIFFELTURM
Zwischen 1887 und 1889 wird der Eiffelturm gebaut. Der Entwurf stammt vom Architekten Charles Léon Stephen Sauvestre nach einer Konstruktionsidee von Maurice Koechlin. Er sollte das offizielle Aushängeschild für die Pariser Weltausstellung 1889 sein und wurde unter Eiffels Leitung erbaut. 51 Jahre lang war der Eiffelturm der höchste Turm der Welt.
INSPIRATION
SPINNENNETZE
Spinnweben bestehen aus vielen Einzelspinnfäden mit dem Durchmesser von etwa 0,5 bis 5 Mikrometer. Zum Vergleich: Menschliche Haare sind etwa 100 Mikrometer dick. Spinnfäden sind rund drei Mal so elastisch wie Nylon, was sie besonders reißfest macht. Aus diesem Grund besteht weltweit ein großes Interesse daran, Spinnenseide künstlich herzustellen. Bisher gibt es in diesem Forschungsbereich trotzdem nur wenig Ergebnisse.
ARCHITEKT
FREI OTTO
Frei Otto (1925 - 2015) zählt zu den wichtigsten Pionieren in den Anfängen der Baubionik. Er beschäftigt sich viel mit Beobachtungen aus der Natur, denn er sieht sich nicht als der Architekt, der neue Formen er-findet, sondern vor allem als Wissenschaftler, der Formen findet. Für seine Bauten sucht er nach den idealen, von der Natur vorgegebenen Formen. Ganz besonders interessiert er sich für Spinnennetze.
BAUWERK
OLYMPIASTADION
Frei Otto übertrug das Erscheinungsbild eines Spinnennetzes auf Gebäudedächer. Durch den optimalen Einsatz verschiedener Materialien und eine geschickte Verteilung der Spannung entwickelte er Konstruktionen in Form von Zeltdächern. An der Realisierung des Konstruktion des Dachs (Bauzeit 1968 - 1972) des Olympiastadions in München waren zahlreiche Architekten und Bauingenieure beteiligt, darunter Architekten des Büros Behnisch & Partner, Fritz Leonhardt, Wolfhardt Andrä, Jörg Schlaich – und natürlich Frei Otto.
MODELLBAU
SEIFENBLASEN
Der Architekt Frei Otto hat viele Modell gebaut. Neben klassischen Hängemodellen und Modellen aus Draht, die er mit zerschnittenen Nylonstrümpfen bespannt hat, hat er auch Seifenblasen studiert. Dazu hat er Drahtmodelle in Seifenlauge getaucht, um die Geometrie der dabei entstehenden Minimalflächen zu untersuchen und auf mögliche Dachkonstruktionen zu übertragen.
INSPIRATION
GIESKANNENSCHWAMM
Der Gieskannenschwamm, auch auch «Venusblumenkörbchen» genannt, gehört zu den Glasschwämmen. Der Körper bildet eine im Inneren hohle, röhrenartige Struktur mit dünnen, aber sehr stabilen Wänden. Weil ihre Gitterstruktur den Schwamm fast unzerbrechlich macht, nutzte sie der Architekt Norman Foster als Vorbild für eines seienr innovativen Gebäude. Foster gilt als Vordenker für Nachhaltigkeit und innovative Technik. Vom Gieskannschwamm schaute er sich die Filtertechnik ab. Statt Wasser filtert Fosters Gebäude allerdings Luft, um zur Klimatisierung beizutragen.
ARCHITEKT
NORMAN FOSTER
Foster (geb. 1935) arbeitete nach dem Architektur-Studium fünf Jahre lang für den visionären Designer, Architekten und Zukunftsforscher Richard Buckminster Fuller. Von ihm stammt zum Beispiel die gläserne Reichstagskuppel in Berlin, die neue Dachkonstruktion des Bahnhofs in Dresden, die anlässlich der Jahrtausendwende in London erbaute Millennium Bridge und der Apple Park in Cupertino.
GEBÄUDE
HIGHTECH-HOCHHAUS
Das 41-stöckige Gebäude «The Gherkin» (übersetzt «Gewürzgurke») wurde in London 2004 fertiggestellt. Das Tragwerk besteht aus ineinander verschlungenen Helixsträngen, einer Art Schlauchgeflecht. Die verglaste Fassade öffnet das Gebäude nicht nur für Licht und Ausblicke, sondern ermöglicht zudem eine vom Gießkannenschwamm inspirierte energiesparende Lüftung und Klimatisierung. Mehrere Atrien zwischen den Stockwerken sorgen für eine natürliche Ventilation, was den Energieverbrauch in diesem ökologischen Hochhaus um die Hälfte reduziert.
INSPIRATION
BIENENWABEN
Dass Bienen ihre Larven in sechseckigen Waben aufziehen, hat einen guten Grund: Sie nutzen damit den Raum im Bienenstock optimal aus. In einer runden Wabe hätte die heranwachsende Biene zwar mehr Platz, doch der Raum zwischen den einzelnen Waben wäre verschenkt.
Die Natur hat damit den Leichtbau perfektioniert. Die Wabenbauten der Bienen sind stabil und leicht zugleich. Genau diese Eigenschaften nutzt man auch für Wellpappe.
Die Natur hat damit den Leichtbau perfektioniert. Die Wabenbauten der Bienen sind stabil und leicht zugleich. Genau diese Eigenschaften nutzt man auch für Wellpappe.
In der Bautechnik setzt man zunehmend strukturierte Ziegelsteine ein. Die Ziegel sind durch die Hohlräume wesentlich leichter, weisen jedoch die gleiche Stabilität wie massive Bauelemente auf. Durch die eingeschlossene Luft wird zudem die Schall- und Wärmeisolierung verbessert. Um die Klimawirkung noch zu steigern, könnte man zusätzlich – je nach Außentemperatur – kühle oder leicht erwärmte Luft durch die porosierten Hauswände leiten. Im Bereich der Lüftungstechnik kommen schon jetzt häufig wabenförmig strukturierte Aluminiumrohre zum Einsatz.
WELPAPPE
FLUGHAFEN
Die Flughafenanlagen Tegel-Süd entstanden zwischen 1965 und 1975 nach Plänen des Hamburger Architektenbüros von Gerkan, Marg und Partner (gmp), das dadurch international bekannt wurde. Zu dem Architektenteam gehörte neben Meinhard von Gerkan und Volkwin Marg auch Klaus Nickels.
