EP2029822B1 - Supporting structure for freeform surfaces in buildings - Google Patents
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Definitions
- Curved envelope geometries of this type are used in the construction industry for the realization of free-form surfaces, in which the curvature is different in two different spatial directions, for example in dome structures, or more complex surface shapes.
- Free-form surfaces of this type are also referred to as non-developable surfaces, and in the course of architectural planning initially designed in the computer model as continuous surfaces.
- the continuous freeform surfaces are to be approximated by a plurality of individual surface elements, which are held in a supporting structure. So it is about possible, even complex freeform surfaces with eg multilayer planar glass elements to be realized, which are mounted above, between or below a support structure made of steel, for example.
- the support structure is formed from individual support elements, which are each to N-corners, so as triangles, squares, hexagons, etc., are composed. The N-corner span the support structure, with the support members colliding in node areas where they are secured together.
- One way of approximating freeform surfaces by individual surface elements is to approximate the freeform surface by curved surface elements, which are, however, each held by planar support elements for cost reasons.
- An example of this is, for example, the bubble-shaped construction of the "Kunsthaus Graz", where plastically deformable material, namely "Plexiglas", was used, which was given the required curvature for the individual surface elements by thermal deformation.
- the support structure was realized in terms of construction technology by support members made of molded tubes, wherein the respectively required space curves of the support elements were generated via a rotation in the nodal region of adjoining molding tubes.
- local coordinate systems can be defined for the individual surface elements, in which, for example, the boundary points of the surface element are already defined by two Coordinates, such as an x- and y-coordinate, are clearly definable, and can be determined by the surface normal to the surface element casual z-coordinate.
- These local coordinate systems are uniquely defined to the global coordinate system of the forest. This allows a simple data exchange, for example, by means of an output file that displays the position of the normals of the support structure in the node area and the associated local coordinates of the planar area elements.
- planar surface elements Another advantage of using planar surface elements is the unrestricted choice of material for the surface and rod-shaped elements, since no special elastic properties or plastic deformability are required.
- cutting of planar surface elements is easier to accomplish than in the case of curved surface elements. This significantly reduces the overall construction costs for designs with free-form surfaces.
- triangles as elementary basic structure of the support structure also has disadvantages.
- Only support elements with a circular cross-section can be strung together "torsion-free", in a geometric sense.
- a torsion in the geometrical sense
- a torsion in the geometrical sense
- the support elements in this section in each case form a 4- or 6-corner, and the support elements each have a longitudinal axis which extends in a straight line between two node areas and extends parallel to the imaginary section line of the surface element planes assigned to it, the cross section the carrier elements each have the relative twist angle of 0 ° along its longitudinal axis along the entire longitudinal axis of the carrier element.
- the "associated surface element planes" of a carrier element are the planes of those surface elements which are carried by the respective carrier element.
- building costs can be reduced by using a four or hex network structure compared to triangular mesh structures, since the trimming of triangular area elements causes more expense than that for e.g. square surface elements.
- a supporting structure of quadrangular or hexagonal basic shapes requires less material, since Applicants have shown that, for example, with equivalent approximations of free-form surfaces using triangular and quadrilateral mesh structures, the realization using quadrilateral mesh structures requires a smaller number of support elements than those with triangular basic shapes ,
- the support elements namely support elements which extend in a straight line between the nodal regions and without torsion (in the geometric sense).
- the support members each have a longitudinal axis extending straight between each two nodal regions and parallel to the imaginary cutting line of its associated surface planes, and the cross section of the support members normal to its longitudinal axis along the entire longitudinal axis of the Carrier element each having a relative drill angle of 0 °.
- the carrier elements can be made higher transversely to the plane of the surface elements, so that a multi-layer structure on one and the same carrying structure is made possible.
- the support elements can be made sufficiently high to allow room for building infrastructure between the delimiting outer layers create. Due to the higher executable support elements and the use of four- or hexagonal surface elements also the installation of building services and a building physical multilayer structure is facilitated. Furthermore, the use of linear support elements without torsion (in the geometric sense) and bending facilitates assembly, which reduces assembly costs.
- the support elements are to be set along the common boundary lines, so that the surface elements held in the support elements generally no longer physically collide to share a common boundary line, but are spaced apart from one another.
- an imaginary cutting line can be formed, which is defined by the imaginary extension of the respective surface element planes.
- This imaginary line of intersection corresponds to the abovementioned common boundary line of the geometric approximations of the polygons.
- the point of intersection of the imaginary lines of intersection of four surface-level planes adjacent to each other in a nodal area corresponds to the above-mentioned node of four polygons. In the nodes, there are four angles between the four adjacent polygons.
- the support structure is to be designed so that the sum of two opposite angles is equal. This is a sufficient condition for the parallel displaceability of the surface elements held in the support structure, and the support elements can be arranged without torsion (in the geometric sense), as will be explained in more detail.
- the underlying basis of such a support structure polygon mesh is also referred to as a "conical mesh”, as will also be explained in more detail.
- a further possibility for ensuring the parallel displaceability of planar surface elements in a support structure approximating a free-form surface consists in that the angle sum of respectively opposite angles between the surface normals of two adjoining surface element planes is equal to four surface element planes adjoining one another in a node region.
- the underlying basis of such a support structure polygon mesh is also referred to as a "dual-isothermal network", as will also be explained in more detail.
- the carrier elements have a rectangular cross-sectional shape, or in a rectangular cross-sectional shape are inscribed.
- the longitudinal axis of these support elements extends between each two node areas, and the transverse axis is along the entire longitudinal extension of the support member both normal to the longitudinal axis, as well as normal to the imaginary line of intersection of its associated surface element planes.
- the longitudinal axis does not necessarily have to be an axis of symmetry of the carrier element, but instead it is decisive that there is a straight line along the carrier element between two node regions and parallel to the imaginary cutting line of the surface element planes assigned to it.
- Rectangular cross-sections also have an aesthetic advantage, as they appear slimmer than approximately circular cross-sections, and can also be made slimmer, since only the beam height is required for the bending stress due to the load acting through the surface elements along the transverse axis normal to the imaginary cutting line of its associated surface element levels is crucial.
- other forms of the carrier elements may also be advantageous, for example carrier elements with an I-shaped cross-sectional shape.
- the interlayer region can fulfill tasks for the air conditioning properties of the design, such as a circulation of air masses for ventilation and thermal insulation.
- the approximation of the predetermined, curved design takes place with the aid of a first, continuous network of 4 or 6 corners, which are parallel to one another in a direction normal to the mesh plane of the respective 4- or 6-corner into a further, gap-free network can be converted by 4- or 6-corners, wherein in each case two adjacent N-corner have a common boundary line, which determines the course of the longitudinal axis of these N-corners associated support member, and the dimension of a Carrier element is defined perpendicular to this boundary line by the distance of the corresponding boundary line of the first network to that of the other, parallel shifted network.
- a parallel displacement of a network of, for example, four corners means that each mesh of a 4-corner of the first mesh is displaced in a direction normal to the mesh plane of the respective 4-edge in parallel.
- the network of 4 corners which has been moved in parallel in this way, must again produce a gap-free network of 4 corners, each with planar mesh planes.
- This has the advantage that the distance of a boundary line of two adjoining 4-corner of the first network can be used to determine the dimension of a support element perpendicular to this boundary line to the resulting by parallel displacement from her boundary line of further, parallel shifted network. Since the course of the longitudinal axis of this support member according to the invention is also defined by this boundary line, ie parallel to it, thus resulting by the inventive determination of the support frame straight support elements without torsion (in the geometric sense).
- Claim 7 again relates to the definition of a support structure by means of a conical net on which it is based, in that the angle sum of respectively opposing angles between the boundary lines of four contiguous 4 corners in their common node is the same.
- Claim 8 refers to the further possibility of defining a supporting frame by means of a dual-isothermal network on which it is based, in that the angle sum of respectively opposite angles between the surface normals of two adjacent mesh planes is equal to four plane planes adjacent to one another in a node.
- Claim 9 in turn aims at a multi-layer structure of the curved design by at least a second, continuous network of 4 corners, each defining a planar mesh plane, is defined in a portion of the support structure, wherein the 4-corner of the second network are formed by parallel displacement of the 4-corner of the first network in a direction normal to the mesh plane of the respective 4-corner.
- a support structure according to the invention 8 can be implemented from the beginning planning of a free-form surface to the realized design.
- the starting point is a computer-generated model of a free-form surface, whereby the architect has to pay attention to aesthetic and well-proportioned shapes.
- the architectural design of the freeform surface will also include their structure of individual surface elements 5 and the design of the support structure 8.
- the freeform surface is to be built up of individual surface elements 5, which compose the freeform surface gapless.
- the boundary lines 2 of the N-corner are polygons that limit a surface area, which is referred to as mesh 1.
- the mesh plane should be planar, and represents the plane of the future surface element 5, such as a glass plate.
- the term "mesh" 1 is used in connection with the geometric approximation of a freeform surface through a network of N-corners, and the Term "surface element" 5 in the context of the physical cover element in the structural implementation, which is inserted into the support elements 4 and extends in the corresponding mesh plane of the geometric model.
- the invention relates to approximations of free-form surfaces by four- or six-cornered nets with flat meshes 1.
- quadrilateral mesh structures will first be discussed.
- Such a quadrilateral mesh is made up of flat quadrilaterals so that along each inner edge of the mesh exactly two quadrilaterals collide.
- node X In an inner corner of the net, in general, exactly four squares collide; such a corner is referred to below as node X and is called regular, otherwise the node X is called singular.
- edges or boundary lines 2 of edge polygons is only a square mesh 1.
- At regular corners of Randpolygonen encounter only one or two stitches 1 together.
- a quadrilateral mesh N can be found as an approximation of a surface F , usually a free-form surface, which has the advantages according to the invention in the structural realization.
- a quadrilateral mesh N is always intended as an approximation of a surface F , usually a free-form surface.
- F a surface
- Parallel meshes M , N are those in which the meshes 1 of the one mesh M can be mapped onto the meshes 1 of the other mesh N while preserving all neighborhood relationships so that the planes of corresponding meshes 1 are parallel. Since meshes 1 with a common edge 2 are again imaged onto meshes 1 with a common edge 2 during this transformation or parallel displacement, corresponding edges 2 in meshes M and N are parallel because of the parallelism of corresponding mesh planes (see FIG Fig. 1 ). It can happen that all meshes 1 of the one mesh, say M , are convex, but there are N meshes 1 with self-intersections in the parallel mesh.
- the Fig. 1 illustrates a construction method which first establishes the parallel relation of two polygons (bold); the rest of N (right figure in the Fig. 1 ) necessarily results from parallel pulling to corresponding edges of M (left illustration in FIG Fig. 1 ).
- N For the construction of special nets, those nets N are important, to which there is a parallel network p ( N ), which approximates a convex surface S (eg a sphere). This regularizes the mesh N in the sense that too small corner angles in the stitches 1 and thus narrow squares are avoided.
- N has a curve network K on a surface F
- p ( N ) has a boundary position a curve network p ( K ) on the surface S.
- the meshes K and p ( K ) are related to each other in parallel, and therefore K is the mesh of the relative curvature lines of F with respect to the "relative sphere" S.
- K is the network of ordinary curves and therefore rectangular.
- the network of curvature lines describes the directions of strongest and weakest normal curvature of a surface. It is appropriate to give the viewer a good idea of the form, which enhances the importance of the architecture.
- a network N with a parallel network p ( N ), which approximates a convex surface S is also called a general curvature network .
- the concept of parallel displacement of a net N, M is used to create a so-called "offset" for defining a supporting structure and for realizing multilayer structures of shells in architecture.
- An offset N o to a quadrilateral network N is intended to be a parallel quadrilateral network, whereby depending on the application, certain requirements are placed on the spacings of corresponding meshes 1, edges 2 or nodes X.
- the Fig. 2 shows a section of a support structure according to the invention 8. There are two offsets, which on a net mesh 1, in the Fig. 2 As surface element 5 can be seen, are explained. On the one hand, there is a quadrangle of the second layer (eg glass construction) running in a parallel plane to the flat quadrangle of the base mesh 1, in which also the tension 7 runs. By means of the spacer elements 6, a third plane is defined at a slightly greater distance, which is indicated by the connecting lines between the end points of the spacer elements 6.
- the FIG. 2 also shows a typical construction of the support elements 4, in which the glass sheets are inserted.
- the normals n ( X ) are uniformly oriented (outwards or inwards).
- the node areas 3 of the structural implementation are located at the positions of the nodes X of the geometric model.
- p ( Q ) denotes the plane of that mesh 1 of the parallel network p ( N ) belonging to Q (see Fig. 3 ).
- N o N ⁇ p ( N ).
- all distances can be multiplied by a uniform factor ⁇ (or preceded by a scaling of p (N)).
- the parallel mesh p ( N ) must have quadrilateral faces at a constant distance from Z. Therefore, p ( N ) of a sphere S must be circumscribed with center Z , ie all mesh planes of p ( N ) must touch the sphere S. For example, the value of 1 can be assumed for the radius of the sphere S.
- Each parallel to such a network p (N) network N is hereinafter referred to as conical network.
- This designation derives from the following geometric identification:
- the four lattice planes colliding in a regular inner node X of N touch a sphere S x of radius 1, which is obtained from the inscribed sphere S of p ( N ) by suitable parallel displacement. Therefore, these four planes through X also touch that cone with tip X , which is described touching the sphere S x (see Fig. 5a and 5b ).
- Conical nets thus have the practical property of having offsets at constant area spacing. Since p ( N ) approximates a sphere S , conical nets are also considered as approximations of curvature nets. In addition to the construction of p ( N ), the following optimization method is particularly suitable for the calculation.
- the algorithm works with a numerical optimization, which runs iteratively. It is done by gradually shifting node X while preserving connectivity.
- the following objective function f f planar + w 1 f smooth + w 2 f close is minimized by a penalty method.
- the function f smooth should accept small values for smooth and aesthetic networks, whereby in principle any known smoothing function can be used.
- the function f near holds the network during the optimization close to the given reference surface F or the input network N.
- the simplest way is to use the sum of the distances of corresponding nodes X of the current and the improved network.
- the well-known tangential distance method proves to be better.
- the weights w 1 and w 2 must be reduced in the course of the optimization in order to increase the influence of the planarity term f planar .
- the algorithm can only be used meaningfully if the input network reflects the geometry of a conjugate curve network, ie in particular has been obtained from such a network.
- a term ( ⁇ 1 + ⁇ 3 - ⁇ 2 - ⁇ 4 ) 2 is added to the function f planar per node X.
- the constraint (K) is added per node X.
- the net in the foreground of Fig. 7 was calculated by alternating between Catmull-Clark subdivision and optimization with the addition of condition (K) per X-node.
- Each square mesh of p ( N ) lies in one Level E , whose circle intersects with S all sides of the stitch 1. So every stitch 1 of p ( N ) has an inscribed circle lying on the sphere S. Adjacent meshes 1 create touching incursions. Overall, therefore, the amount of incircle forms a circle pack on the sphere (see Fig. 6a ). It is a so-called Schramm circle packing, since four common touch tangents go through a common point (node X of p ( N )).
- the network p ( N ) is known as an isothermal network.
- Nets N parallel-related to such a quadrilateral network p ( N ) are called dual-isothermal nets because they represent the Laguerre-geometric (and thus in a sense dual) counterparts to the isothermal nets.
- the class of surfaces includes in particular the minimal surfaces. Constant edge meshes approximating minimal surfaces are known in the art, but without the present offsets property and its importance to the architecture being recognized.
- Important for the practical implementation is the well-known construction of the nets p (N), which are also called Koebe polyhedra.
- Identification of dual-isothermal networks can also be done by angle conditions.
- the outgoing edges 2 are on a turntable.
- Fig. 14 shows a node region 3 of a dual-isothermal network, formed by carrier elements 4 with a rectangular cross-section.
- the longitudinal axes of the carrier elements 4 form the same angle with the node axis A (axis of the above-mentioned turntable).
- node X in the geometric model all edges 2 on the same half-cone
- node X in the geometric model can then apply the glass directly on the edges of the support elements 4, since these edges themselves define planar square mesh 1.
- each square mesh 1 of p ( N ) lies in a plane E , the corners of the mesh 1 lie on the intersection circle of E and S.
- Each square mesh 1 of p ( N ) is thus a circular quadrangle, ie it has a perimeter. By shifting the sides of a circular quadrangle in parallel, the sides of a circular quadrangle are created again. Since the sides of each mesh 1 of N are parallel to the corresponding sides of the corresponding mesh 1 of p ( N ), each square in N must also be a quadrilateral, ie, have a perimeter.
- the optimization method is as described above.
- a node X is always conical (because three planes always touch a turning cone) and therefore you always have offsets in constant area spacing. If one wants to achieve constant edge distance, then there must be a parallel-related hexagonal network p ( N ) whose edges 2 touch a sphere.
- p N
- Such a network can be constructed using known algorithms for Koebe polyhedra.
- the associated support structure of N again has the property that the trapezoids that occur have a constant height.
- carrier elements 4 with a constant transverse profile can be used. The longitudinal axes of the carrier elements 4 open at equal angles in the node axes A and the surface elements 5 can be mounted directly on the inner edges of the support structure 8.
- the starting point for the construction of the carrier elements 4 is a quadrilateral mesh N with flat meshes 1 (FIG. Fig. 9 ).
- node axis A In each node X of the network, there is a common line (node axis A) on which the corresponding nodes X of the offset networks lie ( Fig. 10 ).
- the node axis A is the axis of the turntable which is contacted by the adjacent mesh planes.
- the node axis A is the axis of the turntable that contains the adjacent edges.
- the quadrilateral network N and an associated offset network N o determine a geometric support structure which is built up by flat quadrangles ( Fig. 11 ). Each of these squares is a trapezoid bounded by an edge XY of N , the corresponding parallel edge X o Y o of N o and the links XX o and YY o corresponding node X of N and N o .
- the support elements 4 are to be arranged along the geometric support structure.
- the Fig. 13 shows a schematic, two-dimensional representation of the rectangular cross-sectional shape of the installation space.
- the Fig. 14 shows a corresponding three-dimensional representation of the installation space in the region of the node region 3, and the Fig. 15a-d possible architectural applications of a supporting structure 8 in steel, wood and concrete (scale-free).
- the space must not have a rectangular cross-sectional shape, but must not exceed the maximum possible space.
- a dual-isothermal network In a dual-isothermal network, the heights of the support trapeze are constant and thus the distances of the line bearings to the support element 4.
- Another advantage of dual-isothermal networks is the following: One can the panels of the cover, so the surface elements 5, or other layers also Mount on the inner sides of the support elements 4, since these also form flat meshes 1 (see also Fig. 18 ). However, this only applies to convex nodes X.
- Fig. 17 shows a convex node region 3 of a dual-isothermal network, formed by carrier elements 4 with a rectangular cross-section. The longitudinal axes L of the support elements 4 form the same angle with the node axis A (axis of the above-mentioned turntable) (see also FIG Fig. 14 ).
- the support structure 8 it is thus possible to find a structural implementation of free-form surfaces using a support structure 8, which reduces the technical and economic requirements. In particular, assembly costs and costs can be kept as low as possible. Furthermore, it is possible for the support structure 8 to approximate free-form surfaces to also offer the possibility of a multilayer structure, that is to say the parallel offset mounting of a plurality of surface elements 5 on the carrier elements 4 of a single support structure 8.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Tragstruktur für gekrümmte Hüllgeometrien von Bauwerken bestehend aus Trägerelementen, die jeweils zu die Hüllgeometrie aufspannende N-Ecken (N=3, 4, ...), die jeweils ein planares Flächenelement umgrenzen, zusammengesetzt sind, und die Trägerelemente aneinandergrenzender N-Ecke jeweils einen gemeinsamen Knotenbereich bilden, in dem die Trägerelemente zusammenstoßen, und in zumindest einem Abschnitt der Hüllgeometrie die Ebene eines Flächenelements und die jeweiligen Ebenen der Flächenelemente zweier in nicht-parallelen Raumrichtungen angrenzenden N-Ecken in unterschiedlichen Ebenen liegen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a support structure for curved envelope geometries of structures consisting of support elements, each of which is composed of the envelope geometry spanning N-corners (N = 3, 4, ...), each defining a planar surface element, and the support elements of adjacent N Corner each forming a common node region in which collide the support members, and lie in at least a portion of the envelope geometry, the plane of a surface element and the respective planes of the surface elements of two adjacent in non-parallel spatial directions N-corners in different planes, according to the preamble of
Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Verfahren zur Festlegung einer Tragstruktur für gekrümmte Hüllgeometrien in Bauwerken bestehend aus Trägerelementen, bei dem eine vorgegebene, gekrümmte Hüllgeometrie durch ein lückenloses Netz von N-Ecken (N=3,4, ...), die jeweils ein planares Flächenelement definieren, approximiert wird, wobei jeweils aneinandergrenzende N-Ecke einen gemeinsamen Knotenpunkt aufweisen, und in zumindest einem Abschnitt der Hüllgeometrie die Ebene eines Flächenelements und die jeweiligen Ebenen der Flächenelemente zweier in nicht-parallelen Raumrichtungen angrenzenden N-Ecken in unterschiedlichen Ebenen liegen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.The invention further relates to a method for establishing a support structure for curved envelope geometries in structures consisting of support elements, in which a predetermined, curved envelope geometry by a seamless network of N-corners (N = 3,4, ...), the each defining a planar surface element is approximated, wherein each adjacent N-corner have a common node, and in at least a portion of the envelope geometry, the plane of a surface element and the respective planes of the surface elements of two non-parallel spatial directions adjacent N-corners in different planes lie, according to the preamble of
Gekrümmte Hüllgeometrien dieser Art werden im Bauwesen zur Verwirklichung von Freiformflächen verwendet, bei denen die Krümmung in zwei unterschiedlichen Raumrichtungen unterschiedlich ist, etwa bei Kuppelbauten, oder auch komplexeren Flächenformen. Freiformflächen dieser Art werden auch als nicht-abwickelbare Flächen bezeichnet, und im Zuge der architektonischen Planung zunächst im Computermodell als stetige Flächen entworfen. In der baulichen Umsetzung sind die stetigen Freiformflächen durch eine Vielzahl einzelner Flächenelemente zu approximieren, die in einer Tragstruktur gehalten sind. So ist es etwa möglich, auch komplexe Freiformflächen mit z.B. mehrschichtigen ebenen Glaselementen zu verwirklichen, die oberhalb, zwischen oder unterhalb einer Tragstruktur aus z.B. Stahl befestigt sind. Die Tragstruktur wird dabei aus einzelnen Trägerelementen gebildet, die jeweils zu N-Ecken, also etwa Dreiecke, Vierecke, Sechsecke usw., zusammengesetzt sind. Die N-Ecke spannen die Stützstruktur auf, wobei die Trägerelemente in Knotenbereichen zusammenstoßen, wo sie miteinander befestigt sind.Curved envelope geometries of this type are used in the construction industry for the realization of free-form surfaces, in which the curvature is different in two different spatial directions, for example in dome structures, or more complex surface shapes. Free-form surfaces of this type are also referred to as non-developable surfaces, and in the course of architectural planning initially designed in the computer model as continuous surfaces. In the structural implementation, the continuous freeform surfaces are to be approximated by a plurality of individual surface elements, which are held in a supporting structure. So it is about possible, even complex freeform surfaces with eg multilayer planar glass elements to be realized, which are mounted above, between or below a support structure made of steel, for example. The support structure is formed from individual support elements, which are each to N-corners, so as triangles, squares, hexagons, etc., are composed. The N-corner span the support structure, with the support members colliding in node areas where they are secured together.
Eine Möglichkeit der Approximation von Freiformflächen durch einzelne Flächenelemente besteht dabei darin, die Freiformfläche durch gekrümmte Flächenelemente anzunähern, die aber aus Kostengründen jeweils von ebenen Trägerelementen gehalten sind. Ein Beispiel hierfür ist etwa die blasenförmige Konstruktion des "Kunsthauses Graz", wo für die Flächenelemente plastisch verformbares Material, und zwar "Plexiglas", verwendet wurde, dem durch thermische Verformung die für die einzelnen Flächenelemente benötigte Krümmung verliehen wurde. Die Tragstruktur wurde in bautechnischer Hinsicht durch Trägerelemente aus Formrohre verwirklicht, wobei die jeweils benötigten Raumkurven der Trägerelemente über eine Verdrehung im Knotenbereich aneinander anschließender Formrohre erzeugt wurden.One way of approximating freeform surfaces by individual surface elements is to approximate the freeform surface by curved surface elements, which are, however, each held by planar support elements for cost reasons. An example of this is, for example, the bubble-shaped construction of the "Kunsthaus Graz", where plastically deformable material, namely "Plexiglas", was used, which was given the required curvature for the individual surface elements by thermal deformation. The support structure was realized in terms of construction technology by support members made of molded tubes, wherein the respectively required space curves of the support elements were generated via a rotation in the nodal region of adjoining molding tubes.
Eine solche Vorgangsweise weist aber einige Nachteile auf. So unterliegt etwa die Materialwahl für die Flächenelemente aufgrund der notwendigen Verformbarkeit Einschränkungen. Konkret entstand z.B. beim genannten Beispiel des "Kunsthauses Graz" die Notwendigkeit, aufgrund der thermischen Verformung des gereckten Plexiglases eine zusätzliche, brandbeständige Schicht zu schaffen, um die schlechten Brandeigenschaften des Plexiglases zu neutralisieren. Weiters hat sich nach der Realisierung gezeigt, dass das thermische Verhalten durch den sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizient (ca. das 6-fache von jenem von Stahl) des gereckten Plexiglases unter Sonneneinstrahlung zum "Durchhängen" der Plexiglasplatten führt, und daher eigene Stützungen vorgesehen werden mussten, um den Formerhalt zu gewährleisten. Auch über unregelmäßige Spiegelungen in der Plexiglashaut kann man permanente Formänderungen in Form von Beulen und Dellen wahrnehmen.However, such a procedure has some disadvantages. For example, the choice of material for the surface elements is subject to restrictions due to the necessary deformability. Specifically, for example, in the case of the "Kunsthaus Graz" mentioned above, it became necessary to create an additional, fire-resistant layer due to the thermal deformation of the stretched plexiglass in order to neutralize the poor fire properties of the plexiglass. Furthermore, it has been shown after the realization that the thermal behavior due to the very high coefficient of thermal expansion (about 6 times that of steel) of the stretched Plexiglas under sunlight leads to "sagging" of the Plexiglas plates, and therefore own supports had to be provided to ensure the shape retention. Also about irregular reflections in the Plexiglas skin you can perceive permanent changes in shape in the form of bumps and dents.
Ein weiterer, prinzipieller Nachteil einer Verwirklichung von Freiformflächen mittels einzelner, gekrümmter Flächenelemente ergibt sich auch in allen Fällen, wo ein mehrschichtiger Aufbau der Gebäudehülle gefordert ist, um etwa notwendige Gebäudeinfrastruktur wie Rohrleitungen und dergleichen unterzubringen. Der Nutzer nimmt nur die optisch sichtbaren Schichten wahr, also die innere und äußere Gebäudehülle, für die Funktionalität des Gebäudes sind aber eine Vielzahl von bauphysikalischen Schichten zwischen den optisch sichtbaren Schichten unter Beibehaltung der Form der äußeren Gebäudehülle vorzusehen. Für diese Infrastruktur sind ebene Zwischenschichten notwendig, die mühsam zwischen den optisch sichtbaren, gekrümmten Freiformflächen eingebracht werden müssen. Dieses Konzept wird etwa auch in den Gebäuden von Frank O'Gehry verfolgt, wodurch seine komplexen Bauformen erst wirtschaftlich baubar wurden.Another, fundamental disadvantage of a realization of free-form surfaces by means of individual, curved surface elements also results in all cases where a multi-layered construction of the building envelope is required to accommodate about necessary building infrastructure such as pipelines and the like. The user perceives only the optically visible layers, ie the inner and outer building envelope, but for the functionality of the building, a plurality of structural physical layers between the optically visible layers while maintaining the shape of the outer shell of the building are provided. For this infrastructure, planar intermediate layers are necessary, which must be tediously inserted between the optically visible, curved free-form surfaces. This concept is also being pursued, for example, in the buildings of Frank O'Gehry, as a result of which his complex designs were first economically constructed.
Ein weiterer, prinzipieller Nachteil ergibt sich in der Praxis auch aus den beachtlichen Datenmengen, die im Zuge der Planung zu bearbeiten und etwa zwischen Architekt und Fachplanern auszutauschen sind. Zur Beschreibung einer Freiformfläche muss die räumliche Position und die Formgebung von Träger- und Flächenelementen in einem räumlichen Koordinatensystem wiedergegeben werden, wobei aufgrund der mitunter unterschiedlichen Form eines jeden einzelnen Träger- und Flächenelements kaum Möglichkeiten der Datenreduktion bestehen. In der Praxis sind somit "Punktwolken", also einzelne Datenpunkte in großer Anzahl, zur verarbeiten, was insbesondere bei der Verwendung unterschiedlicher CAD- oder FEM-Softwarepakete, etwa bei der Datenübergabe zwischen einzelnen Fachplanern wie z.B. vom Architekt zum Tragwerksplaner, Probleme verursacht. Wird eine Freiformfläche stattdessen mithilfe planarer Flächenelemente verwirklicht, können für die einzelnen Flächenelemente lokale Koordinatensysteme definiert werden, in denen etwa die Randpunkte des Flächenelements bereits durch zwei Koordinaten, etwa einer x- und y-Koordinate, eindeutig definierbar sind, und sich durch die Flächennormale auf das Flächenelement zwanglos eine z-Koordinate festlegen lässt. Diese lokalen Koordinatensysteme sind zum globalen Koordinatensystem der Gesamtstruktur eindeutig definiert. Dies ermöglicht einen einfachen Datenaustausch etwa mithilfe einer Ausgabedatei, die die Position der Normalen der Stützstruktur im Knotenbereich und die zugeordneten lokalen Koordinaten der ebenen Flächenelemente wiedergibt.Another fundamental disadvantage also arises in practice from the considerable amounts of data that have to be processed in the course of planning and, for example, exchanged between architect and specialist planners. To describe a free-form surface, the spatial position and the shape of support and surface elements must be reproduced in a spatial coordinate system, with hardly any possibilities of data reduction due to the sometimes different shape of each individual support and surface element. In practice, "point clouds", ie individual data points in large numbers, are processed, which causes problems in particular when using different CAD or FEM software packages, for example when transferring data between individual specialist planners, eg from architect to structural engineer. If a free-form surface is instead realized using planar surface elements, local coordinate systems can be defined for the individual surface elements, in which, for example, the boundary points of the surface element are already defined by two Coordinates, such as an x- and y-coordinate, are clearly definable, and can be determined by the surface normal to the surface element casual z-coordinate. These local coordinate systems are uniquely defined to the global coordinate system of the forest. This allows a simple data exchange, for example, by means of an output file that displays the position of the normals of the support structure in the node area and the associated local coordinates of the planar area elements.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung planarer Flächenelemente besteht in der uneingeschränkten Materialwahl für die Flächen- und stabförmigen Elemente, da keine speziellen elastischen Eigenschaften oder plastische Verformbarkeit gefordert sind. Zudem ist der Zuschnitt planarer Flächenelemente einfacher zu bewerkstelligen als im Falle gekrümmter Flächenelemente. Das senkt erheblich die gesamten Baukosten für Bauformen mit Freiformflächen.Another advantage of using planar surface elements is the unrestricted choice of material for the surface and rod-shaped elements, since no special elastic properties or plastic deformability are required. In addition, the cutting of planar surface elements is easier to accomplish than in the case of curved surface elements. This significantly reduces the overall construction costs for designs with free-form surfaces.
Die Umsetzung einer vom Architekten geforderten Freiformfläche in eine baulich ausführbare Bauform mithilfe von planaren Flächenelementen, die die Freiformfläche möglichst gut approximieren, ist allerdings mit Schwierigkeiten verbunden. Die Aufgabe besteht dabei darin, eine technisch und wirtschaftlich realistische Verteilung von Trägerelementen zu finden, die nach dem Einsetzen der ebenen Flächenelemente die vorgegebene Freiformfläche lückenlos und mit dem Anschein eines ästhetisch stetigen Verlaufs wiedergibt.The implementation of a freeform surface demanded by the architect into a structurally executable design with the aid of planar surface elements which approximate the freeform surface as well as possible is, however, associated with difficulties. The object is to find a technically and economically realistic distribution of support elements that reproduces the given free-form surface gapless and with the appearance of an aesthetically continuous course after the onset of flat surface elements.
Gemäß dem Stand der Technik wählt man hierzu zumeist eine Tragstruktur, bei der die Trägerelemente in Form von Dreiecken angeordnet sind, da die Modellierung von Freiformflächen mithilfe eines lückenlosen Netzes von Dreiecken, in denen jeweils planare Flächenelemente gehalten sind, mathematisch gut lösbar und bautechnisch vergleichsweise einfach zu verwirklichen ist.According to the prior art, this is usually done by selecting a support structure in which the support elements are arranged in the form of triangles, since the modeling of free-form surfaces using a gap-free network of triangles, in each of which planar surface elements are held, is relatively easy to solve mathematically and structurally comparatively simple is to be realized.
Die Verwendung von Dreiecken als elementare Grundstruktur der Tragstruktur hat aber auch Nachteile. Insbesondere gelingt es nicht, mithilfe von Dreiecken eine Verteilung der Trägerelemente zu finden, bei der die Trägerelemente im Zuge der Montage zwischen zwei Knotenbereichen keiner Torsion im geometrischen Sinne, also einer Verdrehung der Längsachse etwa im Knotenbereich, unterworfen werden müssen. Nur Trägerelemente mit kreisförmigem Querschnitt können "torsionsfrei", im geometrischen Sinn, aneinandergereiht werden. Bei der Verwendung von nicht kreisförmigen Querschnitten entsteht bisher in der Tragstruktur eine Torsion (im geometrischen Sinne) im Kontenbereich. Dies führt zu ästhetisch und statisch unbefriedigenden Knotenbereichen. Vielmehr ergibt sich daraus auch das Problem, dass Mehrschichtstrukturen nicht oder nur mit erheblichem, zusätzlichem Aufwand zu verwirklichen sind. Es muss daher für jede Schicht ein eigenes Tragsystem vorgesehen werden, was die Materialkosten und den Montageaufwand wiederum um ein Vielfaches erhöht. Die Druckschrift
Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine bauliche Umsetzung von Freiformflächen zu finden, die die technischen und ökonomischen Anforderungen verringert und ästhetische Ansprüche befriedigt. Insbesondere sollen Montageaufwand und -kosten möglichst gering gehalten werden. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, dass die Tragstruktur zur Approximation von Freiformflächen auch die Möglichkeit eines problemlosen Mehrschichtaufbaus bietet, also die parallel versetzte Montage mehrerer, ebener Flächenelemente. Diese Ziele werden durch die Maßnahmen von Anspruch 1 erreicht.It is therefore the object of the invention to find a structural implementation of free-form surfaces, which reduces the technical and economic requirements and satisfies aesthetic demands. In particular, assembly costs and costs should be kept as low as possible. Another object of the invention is that the support structure for the approximation of free-form surfaces also offers the possibility of a problem-free multi-layer structure, ie the parallel offset assembly of several flat surface elements. These objects are achieved by the measures of
Anspruch 1 bezieht sich dabei zunächst auf eine Tragstruktur für gekrümmte Hüllgeometrien eines Bauwerks bestehend aus Trägerelementen, die jeweils zu die Hüllgeometrie aufspannende N-Ecken (N=3,4, ...), die jeweils ein planares Flächenelement umgrenzen, zusammengesetzt sind, und die Trägerelemente aneinandergrenzender N-Ecke jeweils einen gemeinsamen Knotenbereich bilden, in dem die Trägerelemente zusammenstoßen, und in zumindest einem Abschnitt der Hüllgeometrie die Ebene eines Flächenelements und die jeweiligen Ebenen der Flächenelemente zweier in nicht-parallelen Raumrichtungen angrenzenden N-Ecken in unterschiedlichen Ebenen liegen. Die Eigenschaft, dass die Ebene eines Flächenelements und die jeweiligen Ebenen der Flächenelemente zweier in nicht-parallelen Raumrichtungen angrenzenden N-Ecken in unterschiedlichen Ebenen liegen, gibt dabei die Tatsache wieder, dass die Tragstruktur zur Verwirklichung von Freiformflächen vorgesehen ist, bei denen die Krümmung der zu approximierenden Freiformfläche in zwei unterschiedlichen Raumrichtungen unterschiedlich ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Trägerelemente in diesem Abschnitt jeweils 4- oder 6-Ecke bilden, und die Trägerelemente jeweils eine Längsachse aufweisen, die sich geradlinig zwischen jeweils zwei Knotenbereichen erstreckt und parallel zur gedachten Schnittlinie der ihm zugeordneten Flächenelementebenen verläuft, wobei der Querschnitt der Trägerelemente normal zu deren Längsachse entlang der gesamten Längsachse des Trägerelements jeweils den relativen Drillwinkel von 0° aufweist. Die "zugeordneten Flächenelementebenen" eines Trägerelements sind dabei die Ebenen jener Flächenelemente, die vom jeweiligen Trägerelement getragen werden.
Die Wahl von Vier- oder Sechsecken als elementare Grundform der Tragstruktur im Gegensatz zu der im Stand der Technik bekannten Dreiecksnetzstruktur ist von entscheidender Bedeutung, da die Anmelder erkannt haben, dass eine Vier- oder Sechseck-Netzstruktur zur Approximation von Freiformflächen über bemerkenswerte mathematische Eigenschaften verfügt, die für eine bauliche Umsetzung von Freiformflächen von großem Vorteil sind. Insbesondere kann für Vier- oder Sechseck-Netzstrukturen eine Form der geometrischen Approximation von Freiformflächen gefunden werden, die eine Parallelverschiebbarkeit der Flächenelemente gewährleistet, wobei die jeweils parallel verschobenen Flächenelemente Begrenzungslinien aufweisen, die zu den entsprechenden ursprünglichen Begrenzungslinien parallel sind, und wiederum eine lückenlose Gesamtfläche ergeben, wie im Folgenden noch gezeigt werden wird. Die praktischen Konsequenzen einer Parallelverschiebbarkeit ("Offset") und deren Bedeutung für die Bautechnik wurden im Stand der Technik noch nicht erkannt.The choice of four or six corners as an elemental basic shape of the support structure in contrast to the triangular network structure known in the prior art is of crucial importance, since the Applicants have recognized that a four- or six-cornered network structure for approximation of free-form surfaces has remarkable mathematical properties , which are for a structural implementation of freeform surfaces of great advantage. In particular, a form of geometric approximation of free-form surfaces can be found for four- or six-corner network structures, which ensures a parallel displacement of the surface elements, wherein the respective parallel displaced surface elements have boundary lines which are parallel to the corresponding original boundary lines, and in turn result in a complete total area , as will be shown below. The practical consequences of a parallel shift ("offset") and their meaning for the construction technology were not recognized in the prior art.
Außerdem können die Baukosten mithilfe einer Vier- oder Sechseck-Netzstruktur im Vergleich zu Dreiecksnetzstrukturen verringert werden, da der Zuschnitt von dreieckigen Flächenelementen höheren Aufwand verursacht, als jener für z.B. viereckige Flächenelemente. Des Weiteren erfordert eine Tragstruktur aus vierecks- oder sechsecksförmigen Grundformen niedrigeren Materialbedarf, da die Anmelder zeigen konnten, dass etwa bei äquivalenten Approximationen von Freiformflächen mithilfe von Dreiecks- und Vierecksnetzstrukturen die Verwirklichung mithilfe von Vierecksnetzstrukturen eine geringere Anzahl von Trägerelementen benötigt, als jene mit dreiecksförmigen Grundformen.In addition, building costs can be reduced by using a four or hex network structure compared to triangular mesh structures, since the trimming of triangular area elements causes more expense than that for e.g. square surface elements. Furthermore, a supporting structure of quadrangular or hexagonal basic shapes requires less material, since Applicants have shown that, for example, with equivalent approximations of free-form surfaces using triangular and quadrilateral mesh structures, the realization using quadrilateral mesh structures requires a smaller number of support elements than those with triangular basic shapes ,
Durch die aufgrund der Wahl von Vier- oder Sechsecken als Grundform der Tragstruktur ermöglichte Parallelverschiebbarkeit besteht die Möglichkeit, ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal hinsichtlich der Trägerelemente vorzusehen, nämlich Trägerelemente, die zwischen den Knotenbereichen geradlinig und ohne Torsion (im geometrischen Sinn) verlaufen. Das wird durch das Merkmal zum Ausdruck gebracht, dass die Trägerelemente jeweils eine Längsachse aufweisen, die sich geradlinig zwischen jeweils zwei Knotenbereichen erstreckt und parallel zur gedachten Schnittlinie der ihm zugeordneten Flächenelementebenen verläuft, und der Querschnitt der Trägerelemente normal zu deren Längsachse entlang der gesamten Längsachse des Trägerelements jeweils einen relativen Drillwinkel von 0° aufweist. Bei einem Trägerelement, das im geometrischen Sinn einer Torsion unterworfen ist, weist im Gegensatz dazu der Querschnitt entlang der Längsachse eine Verdrehung auf, die somit einen Drillwinkel ungleich 0° besitzt. Durch dieses erfindungsgemäße Merkmal können die Trägerelemente quer zur Ebene der Flächenelemente höher ausgeführt werden, sodass ein Mehrschichtaufbau an ein und derselben Tragstruktur ermöglicht wird. Die Trägerelemente können dabei ausreichend hoch ausgeführt werden, um Raum für Gebäudeinfrastruktur zwischen den begrenzenden Außenschichten zu schaffen. Durch die höher ausführbaren Trägerelemente und die Verwendung von vier- oder sechseckigen Flächenelementen wird außerdem der Einbau von haustechnischen Einrichtungen und einem bauphysikalischen Mehrschichtaufbau erleichtert. Des Weiteren erleichtert die Verwendung geradliniger Trägerelemente ohne Torsion (im geometrischen Sinn) und Biegung die Montage, was die Montagekosten verringert.Due to the parallel displaceability made possible by the choice of four- or hexagons as the basic form of the support structure, it is possible to provide a further feature according to the invention with regard to the support elements, namely support elements which extend in a straight line between the nodal regions and without torsion (in the geometric sense). This is expressed by the feature that the support members each have a longitudinal axis extending straight between each two nodal regions and parallel to the imaginary cutting line of its associated surface planes, and the cross section of the support members normal to its longitudinal axis along the entire longitudinal axis of the Carrier element each having a relative drill angle of 0 °. In a carrier element, which is subjected to a torsion in the geometric sense, in contrast, the cross section along the longitudinal axis on a rotation, which thus has a twist angle not equal to 0 °. By means of this feature according to the invention, the carrier elements can be made higher transversely to the plane of the surface elements, so that a multi-layer structure on one and the same carrying structure is made possible. The support elements can be made sufficiently high to allow room for building infrastructure between the delimiting outer layers create. Due to the higher executable support elements and the use of four- or hexagonal surface elements also the installation of building services and a building physical multilayer structure is facilitated. Furthermore, the use of linear support elements without torsion (in the geometric sense) and bending facilitates assembly, which reduces assembly costs.
Eine Möglichkeit zur Sicherstellung der Parallelverschiebbarkeit planarer Flächenelemente in einer eine Freiformfläche approximierenden Tragstruktur besteht gemäß Anspruch 2 darin, dass die Winkelsumme jeweils gegenüberliegender Winkel im Schnittpunkt der gedachten Schnittlinien von vier in einem Knotenbereich aneinandergrenzender Flächenelementebenen gleich ist. Dabei ist zu bemerken, dass das Resultat einer geometrischen Approximation einer vom Architekten vorgegebenen Freiformfläche zunächst eine Netz aus Linien ist, wobei die Vierecke durch einen viereckigen Polygonzug dargestellt werden, die im Folgenden auch als "Masche" bezeichnet wird, und jeweils zwei aneinandergrenzende Polygonzüge eine gemeinsame Begrenzungslinie aufweisen; und jeweils vier aneinandergrenzende Polygonzüge einen gemeinsamen Knotenpunkt aufweisen, in dem sich die jeweils gemeinsamen Begrenzungslinien schneiden, wie noch näher beschrieben werden wird. In der baulichen Umsetzung sind freilich entlang der gemeinsamen Begrenzungslinien die Trägerelemente anzusetzen, sodass die in den Trägerelementen gehaltenen Flächenelemente in der Regel nicht mehr physisch zusammenstoßen, um eine gemeinsame Begrenzungslinie zu teilen, sondern voneinander beabstandet sind. Dennoch kann eine gedachte Schnittlinie gebildet werden, die durch die gedachte Erweiterung der jeweiligen Flächenelementebenen definiert wird. Diese gedachte Schnittlinie entspricht der oben genannten, gemeinsamen Begrenzungslinie der Polygonzüge der geometrischen Approximation. Der Schnittpunkt der gedachten Schnittlinien von vier in einem Knotenbereich aneinandergrenzenden Flächenelementebenen entspricht dabei dem oben genannten Knoten von vier Polygonzügen. In den Knotenpunkten ergeben sich zwischen den vier aneinandergrenzenden Polygonzügen vier Winkel, wobei gemäß Anspruch 2 die Tragstruktur so auszuführen ist, dass die Summe von jeweils zwei gegenüberliegenden Winkeln gleich ist. Das ist eine hinreichende Bedingung für die Parallelverschiebbarkeit der in der Tragstruktur gehaltenen Flächenelemente, und die Trägerelemente können ohne Torsion (im geometrischen Sinn) angeordnet werden, wie noch näher ausgeführt werden wird. In diesem Fall wird das einer solchen Tragstruktur zu Grunde liegende Polygonnetz auch als "konisches Netz" bezeichnet, wie ebenfalls noch näher erläutert werden wird.One possibility for ensuring the parallel displacement of planar surface elements in a supporting structure approximating a free-form surface is that the angle sum of respectively opposite angles at the point of intersection of the imaginary cut lines is equal to four surface plane adjoining surface areas. It should be noted that the result of a geometric approximation of a free-form surface specified by the architect is first a network of lines, the quadrilaterals being represented by a quadrangular polygon, hereinafter also referred to as "mesh", and two adjoining polygonal ones, respectively have common boundary line; and each four adjacent polygons have a common node in which intersect the respective common boundary lines, as will be described in more detail. In the structural implementation, of course, the support elements are to be set along the common boundary lines, so that the surface elements held in the support elements generally no longer physically collide to share a common boundary line, but are spaced apart from one another. Nevertheless, an imaginary cutting line can be formed, which is defined by the imaginary extension of the respective surface element planes. This imaginary line of intersection corresponds to the abovementioned common boundary line of the geometric approximations of the polygons. The point of intersection of the imaginary lines of intersection of four surface-level planes adjacent to each other in a nodal area corresponds to the above-mentioned node of four polygons. In the nodes, there are four angles between the four adjacent polygons. wherein according to
Eine weitere Möglichkeit zur Sicherstellung der Parallelverschiebbarkeit planarer Flächenelemente in einer eine Freiformfläche approximierenden Tragstruktur besteht gemäß Anspruch 3 darin, dass die Winkelsumme jeweils gegenüberliegender Winkel zwischen den Flächennormalen zweier aneinandergrenzender Flächenelementebenen von vier in einem Knotenbereich aneinandergrenzender Flächenelementebenen gleich ist. In diesem Fall wird das einer solchen Tragstruktur zu Grunde liegende Polygonnetz auch als "dual-isothermes Netz" bezeichnet, wie ebenfalls noch näher erläutert werden wird.A further possibility for ensuring the parallel displaceability of planar surface elements in a support structure approximating a free-form surface consists in that the angle sum of respectively opposite angles between the surface normals of two adjoining surface element planes is equal to four surface element planes adjoining one another in a node region. In this case, the underlying basis of such a support structure polygon mesh is also referred to as a "dual-isothermal network", as will also be explained in more detail.
Gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, dass die Trägerelemente eine rechteckige Querschnittsform aufweisen, oder in eine rechteckige Querschnittsform einschreibbar sind. Die Längsachse dieser Trägerelemente verläuft dabei zwischen jeweils zwei Knotenbereichen, und die Querachse steht entlang der gesamten Längserstreckung des Trägerelements sowohl normal auf die Längsachse, als auch normal auf die gedachte Schnittlinie der ihm zugeordneten Flächenelementebenen. Die Längsachse muss dabei nicht unbedingt eine Symmetrieachse des Trägerelements sein, entscheidend ist stattdessen, dass entlang des Trägerelements geradlinig zwischen zwei Knotenbereichen und parallel zur gedachten Schnittlinie der ihm zugeordneten Flächenelementebenen verläuft. Rechtecksquerschnitte haben auch einen ästhetischen Vorteil, da sie schlanker erscheinen als etwa kreisförmige Querschnitte, und auch schlanker ausgeführt werden können, da für die Biegebeanspruchung aufgrund der entlang der Querachse wirkenden Belastung durch die Flächenelemente nur die Trägerhöhe normal zur gedachten Schnittlinie der ihm zugeordneten Flächenelementebenen ausschlaggebend ist. Des Weiteren können aber je nach technischer Anforderung auch andere Formen der Trägerelemente vorteilhaft sein, etwa Trägerelemente mit einer I-förmige Querschnittsform.According to
Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass an den Trägerelementen zumindest zwei Flächenelemente gehalten sind. Hierbei wird der Vorteil der erfindungsgemäßen Merkmale ausgenützt, dass ein Mehrschichtaufbau durch parallel zueinander versetzte Flächenelemente an ein und derselben Tragstruktur leicht möglich ist. Zwischen den gemäß Anspruch 5 vorgesehenen, zumindest zwei Flächenelementebenen wird Raum für Einrichtungen zusätzlicher Gebäudeinfrastruktur geschaffen, wie etwa Rohrleitungen oder bauphysikalische Schichten. Des Weiteren kann der Zwischenschichtbereich Aufgaben für die klimatechnischen Eigenschaften der Bauform erfüllen, wie etwa eine Zirkulation von Luftmassen zur Hinterlüftung und thermischen Isolierung.According to
Anspruch 6 bezieht sich auf ein Verfahren zur Festlegung einer Tragstruktur für gekrümmte Hüllgeometrien in Bauwerken bestehend aus Trägerelementen, bei dem eine vorgegebene, gekrümmte Hüllgeometrie durch ein lückenloses Netz von N-Ecken (N=3,4, ...), die jeweils eine planare Masche definieren, approximiert wird, wobei jeweils aneinandergrenzende N-Ecke einen gemeinsamen Knotenpunkt aufweisen, und in zumindest einem Abschnitt der Hüllgeometrie die Maschenebene eines N-Ecks und die jeweiligen Maschenebenen zweier in nicht-parallelen Raumrichtungen angrenzenden N-Ecke in unterschiedlichen Ebenen liegen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Approximation der vorgegebenen, gekrümmten Bauform mithilfe eines ersten, lückenlosen Netzes von 4- oder 6-Ecken erfolgt, die durch Parallelverschiebung in einer Richtung normal zur Maschenebene des jeweiligen 4- oder 6-Ecks in ein weiteres, lückenloses Netz von 4- oder 6-Ecken überführbar sind, wobei jeweils zwei aneinandergrenzende N-Ecke eine gemeinsame Begrenzungslinie aufweisen, die den Verlauf der Längsachse eines diesen N-Ecken zugeordneten Trägerelements festlegt, und die Abmessung eines Trägerelements senkrecht zu dieser Begrenzungslinie durch den Abstand der entsprechenden Begrenzungslinie des ersten Netzes zu jener des weiteren, parallel verschobenen Netzes festgelegt wird. Eine Parallelverschiebung eines Netzes von z.B. 4-Ecken bedeutet dabei, dass jede Masche eines 4-Ecks des ersten Netzes in einer Richtung normal zur Maschenebene des jeweiligen 4-Ecks parallel verschoben wird. Erfindungsgemäß muss das auf diese Art parallel verschobene Netz von 4-Ecken wieder ein lückenloses Netz von 4-Ecken mit jeweils planaren Maschenebenen ergeben. Das hat den Vorteil, dass der Abstand einer Begrenzungslinie zweier aneinandergrenzender 4-Ecke des ersten Netzes zu der durch Parallelverschiebung aus ihr hervorgegangene Begrenzungslinie des weiteren, parallel verschobenen Netzes zur Festlegung der Abmessung eines Trägerelements senkrecht zu dieser Begrenzungslinie herangezogen werden kann. Da der Verlauf der Längsachse dieses Trägerelements erfindungsgemäß ebenfalls durch diese Begrenzungslinie festgelegt wird, also parallel zu ihr verläuft, ergeben sich somit durch die erfindungsgemäße Festlegung des Tragrahmens gerade Trägerelemente ohne Torsion (im geometrischen Sinn).
Anspruch 7 bezieht sich wiederum auf die Festlegung einer Tragstruktur mithilfe eines ihm zu Grunde liegenden, konischen Netzes, indem die Winkelsumme jeweils gegenüberliegender Winkel zwischen den Begrenzungslinien von vier aneinandergrenzenden 4-Ecken in deren gemeinsamen Knotenpunkt gleich ist.
Anspruch 8 bezieht sich auf die weitere Möglichkeit der Festlegung eines Tragrahmens mithilfe eines ihm zu Grunde liegenden, dual-isothermen Netzes, indem die Winkelsumme jeweils gegenüberliegender Winkel zwischen den Flächennormalen zweier aneinandergrenzender Maschenebenen von vier in einem Knoten aneinandergrenzender Flächenelementebenen gleich ist.
Anspruch 9 zielt wiederum auf einen Mehrschichtaufbau der gekrümmten Bauform ab, indem in einem Abschnitt der Tragstruktur zumindest ein zweites, lückenloses Netz von 4-Ecken, die jeweils eine planare Maschenebene definieren, festgelegt wird, wobei die 4-Ecke des zweiten Netzes durch Parallelverschiebung der 4-Ecke des ersten Netzes in einer Richtung normal zur Maschenebene des jeweiligen 4-Ecks gebildet werden.Claim 9 in turn aims at a multi-layer structure of the curved design by at least a second, continuous network of 4 corners, each defining a planar mesh plane, is defined in a portion of the support structure, wherein the 4-corner of the second network are formed by parallel displacement of the 4-corner of the first network in a direction normal to the mesh plane of the respective 4-corner.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen hierbei die
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Fig. 1 eine Darstellung zweier paralleler Vierecksnetze mit jeweils planaren Maschenebenen, -
Fig. 2 eine Darstellung eines Abschnittes einer erfindungsgemäßen Tragstruktur in der architektonischen Anwendung, -
Fig. 3 die Konstruktion eines parallel verschobenen Netzes N0 aus einem Basisnetz N und dem Parallelnetz p(N) in zweidimensionaler Ansicht, -
Fig. 4 die Konstruktion eines parallel verschobenen Netzes N0 aus einem Basisnetz N und dem Parallelnetz p(N) in dreidimensionaler Ansicht, -
Fig. 5a eine Darstellung eines konischen Knotens, -
Fig. 5b eine Darstellung von zwei benachbarten konischen Knoten, -
Fig. 6a eine Darstellung einer Schramm'schen Kreispackung auf der Kugel und das isotherme Netz p(N), -
Fig. 6b eine Darstellung eines dual-isothermen Knotens, -
Fig. 6c eine Darstellung zur geforderten Winkelbeziehung in dual-isothermen Netzen, -
Fig. 7 ein Vierecksnetz (im Hintergrund) und ein verfeinertes Vierecksnetz mit jeweils planaren Maschenebenen (im Vordergrund), -
Fig. 8 ein Beispiel einer architektonischen Anwendung des Vierecksnetzes gemäßFig. 7 , -
Fig. 9-12 ein Ausführungsbeispiel zur Festlegung von Trägerelementen anhand eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren generierten Vierecksnetzes, -
Fig. 13 eine schematische, zweidimensionale Darstellung der rechteckigen Querschnittsform des Bauraums im Knotenbereich, -
Fig. 14 eine schematische, dreidimensionale Darstellung der rechteckigen Querschnittsform des Bauraums im Knotenbereich, -
Fig. 15 a-d mögliche architektonische Anwendungen einer Tragstruktur, -
Fig. 16 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Konstruktion der Trägerelemente, -
Fig. 17 Trägerelemente, die in einem Knotenbereich eines dual-isothermen Netzes zusammenlaufen, -
Fig. 18 eine Darstellung eines Mehrschichtaufbaus am Beispiel eines dual-isothermen Netzes, -
Fig. 19a-b eine Darstellung der geometrischen Stützstruktur eines hexagonalen Netzes mit Stütztrapezen konstanter Höhe, und die -
Fig. 20a-c in derFig. 20b ein Offset-Paar N, No mit konstantem Eckenabstand und konstantem Flächenabstand, das aus der Stützstruktur vonFig. 20a gewonnen wurde, und aus dem das dazugehörige, ebene Flächentragsystem in Diagrammform in derFig. 20c gezeigt ist.
-
Fig. 1 a representation of two parallel quadrilateral meshes each with planar mesh planes, -
Fig. 2 a representation of a portion of a support structure according to the invention in the architectural application, -
Fig. 3 the construction of a parallel shifted network N 0 from a base network N and the parallel network p (N) in two-dimensional view, -
Fig. 4 the construction of a parallel shifted network N 0 from a base network N and the parallel network p (N) in three-dimensional view, -
Fig. 5a a representation of a conical node, -
Fig. 5b a representation of two adjacent conical nodes, -
Fig. 6a a representation of a Schramm circle packing on the sphere and the isothermal network p (N), -
Fig. 6b a representation of a dual-isothermal node, -
Fig. 6c a representation of the required angular relationship in dual-isothermal networks, -
Fig. 7 a quadrangle net (in the background) and a refined quadrilateral mesh, each with planar mesh planes (in the foreground), -
Fig. 8 an example of an architectural application of the quadrangle network according toFig. 7 . -
Fig. 9-12 an exemplary embodiment for fixing carrier elements on the basis of a quadrilateral mesh generated according to the method according to the invention, -
Fig. 13 a schematic, two-dimensional representation of the rectangular cross-sectional shape of the space in the node area, -
Fig. 14 a schematic, three-dimensional representation of the rectangular cross-sectional shape of the installation space in the node area, -
Fig. 15 ad possible architectural applications of a supporting structure, -
Fig. 16 a schematic representation for explaining the construction of the support elements, -
Fig. 17 Carrier elements which converge in a node region of a dual-isothermal network, -
Fig. 18 a representation of a multi-layer structure using the example of a dual-isothermal network, -
Fig. 19a-b a representation of the geometric support structure of a hexagonal network with constant support heights of constant height, and the -
Fig. 20a-c in theFig. 20b an offset pair N , N o with constant corner distance and constant area distance, which consists of the support structure ofFig. 20a and from which the associated, flat surface carrying system in diagram form in theFig. 20c is shown.
Im Folgenden soll gezeigt werden, wie mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine erfindungsgemäße Tragstruktur 8 von der beginnenden Planung einer Freiformfläche bis zur realisierten Bauform umgesetzt werden kann. Ausgangspunkt ist dabei ein computergeneriertes Modell einer Freiformfläche, wobei der Architekt auf ästhetische und wohlproportionierte Formgebungen zu achten hat. Die architektonische Planung der Freiformfläche wird dabei auch deren Aufbau aus einzelnen Flächenelementen 5 und die Gestaltung der Tragstruktur 8 mit einbeziehen. Für den Architekten wird sich dabei die Frage der Gestaltung der einzelnen Flächenelemente 5 in Art, Größe und Form in erster Linie im Zusammenhang mit dem visuellen Eindruck der Gesamtstruktur stellen, wobei freilich auf die technische und wirtschaftliche Umsetzbarkeit zu achten ist. Die Freiformfläche ist dabei aus einzelnen Flächenelementen 5 aufzubauen, die die Freiformfläche lückenlos zusammensetzen.In the following, it will be shown how, with the aid of the method according to the invention, a support structure according to the
Im Computermodell ist daher zunächst die Aufgabe zu lösen eine vorgegebene, stetige Freiformfläche so in N-Ecke zu unterteilen, dass die Freiformfläche lückenlos wiedergegeben wird. Die Begrenzungslinien 2 der N-Ecke sind dabei Polygonzüge, die einen Flächeninhalt begrenzen, die als Masche 1 bezeichnet wird. Die Maschenebene soll planar sein, und stellt die Ebene des zukünftigen Flächenelements 5, etwa einer Glasplatte, dar. Im Folgenden wird daher der Begriff "Masche" 1 im Zusammenhang mit der geometrischen Approximation einer Freiformfläche durch ein Netz aus N-Ecken verwendet, und der Begriff "Flächenelement" 5 im Zusammenhang mit dem physischen Abdeckelement in der baulichen Umsetzung, das in die Trägerelemente 4 eingesetzt wird und sich in der entsprechenden Maschenebene des geometrischen Modells erstreckt.In the computer model, therefore, the task is first of all to solve a given, continuous Freiformfläche subdivide so in N-corner, that the freeform surface is reproduced without gaps. The
Wie hinlänglich bekannt ist, kann nur die Ebene oder eine einfach gekrümmte Fläche in eine Vielzahl gleicher Dreiecke, Vierecke und Vielecke unterteilt werden. Sobald die Fläche zur Raumbildung eine zweite Krümmung aufweist, also zur Freiformfläche wird, ist ein Maschennetz aus z.B. gleichen Dreiecken nur mehr in einigen wenigen Sonderfällen möglich. Die Art und Weise der Unterteilung etwa einer Kugel, also einer geometrisch vergleichsweise einfach zu beschreibenden Form, gehört zu den ältesten ingenieurstechnischen Aufgaben. Eine mögliche Lösung für die Kugel sind z.B. die geodäsischen Kuppeln von Buckminster Fuller, die ein Beispiel für eine Flächenaufteilung einer Kugel mit gleichen Sechsecken sind. Ungleich schwieriger ist das Auffinden geeigneter Lösungen zur Approximation komplexerer Freiformflächen, wie sie angesichts der beliebig geformten, mehrfach gekrümmten Flächen zeitgenössischer Architektur gefordert werden.As is well known, only the plane or a single curved surface can be divided into a plurality of equal triangles, quadrilaterals and polygons. As soon as the area for the formation of space has a second curvature, ie becomes a free-form surface, a mesh of, for example, the same triangles is only possible in a few special cases. The manner of subdivision of a sphere, that is, a geometrically comparatively easy to describe shape, is one of the oldest engineering tasks. One possible solution for the sphere is, for example, Buckminster Fuller's geodesic domes, which are an example of an area distribution of a sphere with identical hexagons. It is much more difficult to find suitable solutions for the approximation of more complex free-form surfaces, which are required in view of the arbitrarily shaped, multiply curved surfaces of contemporary architecture.
Gegenstand der Erfindung sind hierbei Annäherungen von Freiformflächen durch Vier- oder Sechsecksnetze mit ebenen Maschen 1. Im Folgenden wird zunächst auf Vierecksnetzstrukturen eingegangen. Ein solches Vierecksnetz ist aus ebenen Vierecken lückenlos so aufgebaut, dass längs jeder inneren Kante des Netzes genau zwei Vierecke zusammenstoßen. In einer inneren Ecke des Netzes stoßen im Allgemeinen genau vier Vierecke zusammen; eine solche Ecke wird im Folgenden als Knoten X bezeichnet und heißt regulär, andernfalls nennt man den Knoten X singulär. Durch Kanten bzw. Begrenzungslinien 2 von Randpolygonen geht nur eine Vierecksmasche 1. An regulären Ecken von Randpolygonen stoßen nur eine oder zwei Maschen 1 zusammen. Wenn im Folgenden von einem "Netz" ohne andere Spezifikation die Rede ist, ist immer ein Vierecksnetz mit ebenen Maschen 1 gemeint.The invention relates to approximations of free-form surfaces by four- or six-cornered nets with
Im Folgenden soll nun erläutert werden, wie im Rahmen der Erfindung ein Vierecksnetz N als Approximation einer Fläche F, meist einer Freiformfläche, gefunden werden kann, das in der baulichen Verwirklichung über die erfindungsgemäßen Vorteile verfügt.In the following, it will now be explained how within the scope of the invention a quadrilateral mesh N can be found as an approximation of a surface F , usually a free-form surface, which has the advantages according to the invention in the structural realization.
Dabei ist im Folgenden ein Vierecksnetz N immer als Approximation einer Fläche F, meist einer Freiformfläche, gedacht. Man kann ein Netz so verfeinern, dass die Seitenflächen immer kleiner werden, und immer näher an F rücken. Als Grenzlage ergibt sich dadurch ein Kurvennetz K auf F. Erhält man bei der Verfeinerung die Ebenheit der Maschen 1, so ergibt sich in der Grenze ein so genanntes konjugiertes Kurvennetz K auf F.In the following, a quadrilateral mesh N is always intended as an approximation of a surface F , usually a free-form surface. One can refine a network so that the side surfaces are becoming smaller and move closer and closer to F. As a limit, this results in a curve network K on F. If, in the refinement, the evenness of the
Wichtige Methoden zur Erzeugung von Vierecksnetzen mit ebenen Maschen 1 und insbesondere von solchen, welche für die Architektur vorteilhafte Eigenschaften besitzen, beruhen auf dem Konzept paralleler (parallelbezogener) Netze. Parallele Netze M, N sind solche, bei denen die Maschen 1 des einen Netzes M unter Erhaltung aller Nachbarschaftsbeziehungen auf die Maschen 1 des anderen Netzes N so abgebildet werden können, dass die Ebenen entsprechender Maschen 1 parallel sind. Da bei dieser Transformation bzw. Parallelverschiebung Maschen 1 mit einer gemeinsamen Kante 2 wieder auf Maschen 1 mit einer gemeinsamen Kante 2 abgebildet werden, sind wegen der Parallelität entsprechender Maschenebenen auch entsprechende Kanten 2 in den Netzen M und N parallel (siehe
Man kann von einem Netz M ausgehen und durch Parallelverschiebung der Seitenflächen unter Einhaltung der Eckenbedingungen neue Netze N konstruieren. Die dabei auftretenden Freiheitsgrade lassen sich für das Design nutzen. Die
Für die Konstruktion spezieller Netze sind jene Netze N von Bedeutung, zu denen es ein paralleles Netz p(N) gibt, welches eine konvexe Fläche S (z.B. eine Kugel) approximiert. Dies regularisiert das Netz N in dem Sinn, dass zu kleine Eckenwinkel in den Maschen 1 und damit zu schmale Vierecke vermieden werden. Der tiefere Grund hierfür liegt darin, dass unter Verfeinerung im oben angegebenen Sinn und unter Beibehaltung der ebenen Maschen 1 von N und p(N) folgendes passiert: N hat als Grenzlage ein Kurvennetz K auf einer Fläche F, p(N) hat als Grenzlage ein Kurvennetz p(K) auf der Fläche S. Die Netze K und p(K) sind parallel aufeinander bezogen und daher ist K das Netz der Relativkrümmungslinien von F in Bezug auf die "Relativsphäre" S.For the construction of special nets, those nets N are important, to which there is a parallel network p ( N ), which approximates a convex surface S (eg a sphere). This regularizes the mesh N in the sense that too small corner angles in the
Falls S eine Kugel ist, ist K das Netz der gewöhnlichen Krümmungslinien und daher rechtwinklig. Das Netz der Krümmungslinien beschreibt die Richtungen stärkster und schwächster Normalkrümmung einer Fläche. Es ist geeignet, dem Betrachter eine gute Vorstellung von der Form zu vermitteln, was die Bedeutung für die Architektur erhöht. Im Folgenden wird ein Netz N mit einem parallelen Netz p(N), welches eine konvexe Fläche S approximiert, auch allgemeines Krümmungsnetz genannt.If S is a sphere, K is the network of ordinary curves and therefore rectangular. The network of curvature lines describes the directions of strongest and weakest normal curvature of a surface. It is appropriate to give the viewer a good idea of the form, which enhances the importance of the architecture. In the following, a network N with a parallel network p ( N ), which approximates a convex surface S , is also called a general curvature network .
Erfindungsgemäß wird das Konzept der Parallelverschiebbarkeit eines Netzes N, M zur Erzeugung eines sogenannten "Offsets" zur Festlegung einer Tragstruktur und zur Verwirklichung mehrschichtiger Aufbauten von Schalen in der Architektur benutzt. Ein Offset No zu einem Vierecksnetz N soll dabei ein paralleles Vierecksnetz sein, wobei je nach Anwendung gewisse Anforderungen an die Abstände entsprechender Maschen 1, Kanten 2 oder Knoten X gestellt werden.According to the invention, the concept of parallel displacement of a net N, M is used to create a so-called "offset" for defining a supporting structure and for realizing multilayer structures of shells in architecture. An offset N o to a quadrilateral network N is intended to be a parallel quadrilateral network, whereby depending on the application, certain requirements are placed on the spacings of
Die
Es sei nun ein Vierecksnetz N mit ebenen Maschen 1 auf ein ebensolches Netz p(N) parallelbezogen, wobei p(N) eine konvexe Fläche S approximiert. Innerhalb von S kann ein Punkt Z gewählt werden, der die Rolle eines Mittelpunkts spielt und die Verteilung der Abstände der Offsets regelt. Die Konvexität von S ist nicht unbedingt notwendig, wohl aber, dass ein Punkt Z existiert, von dem aus alle Flächen von p(N) sichtbar sind. Nun werden Offsets No von N bezüglich p(N) folgendermaßen konstruiert: Jede Maschenebene Q des Netzes N wird im Sinne der gegebenen Orientierung in eine Neulage Qo parallel verschoben. Der Abstand von Q zu Qo muss dabei gleich dem Abstand von Z zu p(Q) sein. Hierbei bezeichnet p(Q) die Ebene jener Masche 1 des Parallelnetzes p(N), welche zu Q gehört (siehe
Es ist zu beachten, dass die Abstände entsprechender Knoten X und Xo von Basis und Offset durch die Abstände von Z zu den Knoten des Parallelnetzes p(N) gegeben sind, und Analoges gilt für entsprechende Kanten.It should be noted that the distances of corresponding nodes X and X o from base and offset are given by the distances from Z to the nodes of the parallel network p ( N ), and the same applies to corresponding edges.
Offensichtlich sind bei dieser Offset-Konstruktion noch gewisse Freiheiten bei der Verteilung der Abstände möglich. Diese liegen in der Wahl des Zentrums Z. Haben zum Beispiel alle Maschenebenen von p(N) denselben Abstand zu Z, so erhält man Offsets in konstantem Flächenabstand. Dabei darf aber das Ausgangsnetz N nicht beliebig sein, sondern muss schon auf ein passendes Netz p(N) parallelbezogen sein.Obviously, in this offset construction, some freedom in the distribution of distances are still possible. These are the choice of the center Z. For example, if all the mesh planes of p ( N ) are the same distance from Z , we obtain offsets at a constant area spacing. However, the output network N must not be arbitrary, but must already be parallel-related to a suitable network p ( N ).
Falls entsprechende Vierecksflächen von Basis und Offset einen konstanten Abstand besitzen sollen, muss das parallele Netz p(N) Vierecksflächen in konstantem Abstand zu Z haben. Deshalb muss p(N) einer Kugel S mit Mitte Z berührend umschrieben sein, d.h. alle Maschenebenen von p(N) müssen die Kugel S berühren. Für den Radius der Kugel S kann etwa der Wert 1 angenommen werden.If corresponding quadrilateral faces of base and offset are to have a constant spacing, the parallel mesh p ( N ) must have quadrilateral faces at a constant distance from Z. Therefore, p ( N ) of a sphere S must be circumscribed with center Z , ie all mesh planes of p ( N ) must touch the sphere S. For example, the value of 1 can be assumed for the radius of the sphere S.
Jedes zu einem solchen Netz p(N) parallele Netz N wird im Folgenden konisches Netz genannt. Diese Bezeichnung rührt von folgender geometrischen Kennzeichnung her: Die in einem regulären inneren Knotenpunkt X von N zusammenstoßenden vier Netzebenen berühren eine Kugel Sx vom Radius 1, die man aus der eingeschriebenen Kugel S von p(N) durch geeignete Parallelverschiebung erhält. Daher berühren diese vier Ebenen durch X auch jenen Drehkegel mit Spitze X, der der Kugel Sx berührend umschrieben ist (siehe
Konische Netze haben also die praktische Eigenschaft, Offsets in konstantem Flächenabstand zu besitzen. Da p(N) eine Kugel S approximiert, sind konische Netze auch als Näherungen von Krümmungslinien-Netzen zu.betrachten. Zur Berechnung eignet sich neben der Konstruktion aus p(N) vor allem folgende Optimierungsmethode.Conical nets thus have the practical property of having offsets at constant area spacing. Since p ( N ) approximates a sphere S , conical nets are also considered as approximations of curvature nets. In addition to the construction of p ( N ), the following optimization method is particularly suitable for the calculation.
Zur Verwirklichung der Erfindung wird ein Algorithmus vorgeschlagen, der folgendes leistet:
- Input ist ein Vierecksnetz N, dessen Maschen nicht zu stark von ebenen Maschen abweichen. Solche Netze können automatisch oder interaktiv aus konjugierten Kurvennetzen der unterliegenden Fläche F generiert werden.
- Output ist ein Vierecksnetz mit ebenen Maschen, welches möglichst nahe an F liegt.
- Input is a quadrilateral mesh N whose mesh does not deviate too much from flat mesh. Such networks can be generated automatically or interactively from conjugate curve networks of the underlying area F.
- Output is a quadrilateral mesh with flat mesh that is as close to F as possible.
Der Algorithmus arbeitet mit einer numerischen Optimierung, welche iterativ abläuft. Sie erfolgt durch schrittweise Verlagerung der Knoten X unter Erhalt der Konnektivität. Am Beginn der Iteration wird durch ein Penalty-Verfahren folgende Zielfunktion f=fplanar +w 1 fglatt +w 2 fnahe minimiert. Die Bedeutung dieser Funktionen ist die folgende: Da ein Viereck genau dann eben und konvex ist, wenn für die Summe der Innenwinkel α1 + α2 + α3 + α4 = 2π gilt, wird fplanar als Summe von Termen (α1 + α2 + α3 + α4 -2π)2 angesetzt, wobei sich die Summe über alle Vierecke des Netzes erstreckt. Die Funktion fglatt soll kleine Werte für glatte und ästhetische Netze annehmen, wobei im Prinzip jede bekannte Glättungsfunktion verwendet werden kann. Die Funktion fnahe hält das Netz während der Optimierung nahe an der gegebenen Referenzfläche F oder auch am Input-Netz N. Am einfachsten wird die Summe der Abstände entsprechender Knoten X des aktuellen und des verbesserten Netzes eingesetzt. Besser bewährt sich allerdings die bekannte Tangentialdistanz-Methode. Die Gewichte w 1 und w 2 müssen im Laufe der Optimierung verkleinert werden, um den Einfluss des Planaritäts-Terms fplanar zu erhöhen. Um eine numerisch hochwertige Ebenheit der Maschen 1 zu erhalten, verwendet man im Anschluss an das Penalty-Verfahren eine Lagrange-Newton-Iteration, welche die Zielfunktion w 1 fglatt +w 2 fnahe unter einer Menge von Nebenbedingungen minimiert. Die Nebenbedingungen sind die Gleichungen α1 + α2 + α3 + α4 = 2π für die einzelnen Vierecksmaschen 1.The algorithm works with a numerical optimization, which runs iteratively. It is done by gradually shifting node X while preserving connectivity. At the beginning of the iteration, the following objective function f = f planar + w 1 f smooth + w 2 f close is minimized by a penalty method. The meaning of these functions is the following: Since a quadrangle is plane and convex if and only if the sum of the inner angles α 1 + α 2 + α 3 + α 4 = 2π, then f is planar as the sum of terms (α 1 + α 2 + α 3 + α 4 -2π) 2 , the sum extending over all quadrangles of the network. The function f smooth should accept small values for smooth and aesthetic networks, whereby in principle any known smoothing function can be used. The function f near holds the network during the optimization close to the given reference surface F or the input network N. The simplest way is to use the sum of the distances of corresponding nodes X of the current and the improved network. However, the well-known tangential distance method proves to be better. The weights w 1 and w 2 must be reduced in the course of the optimization in order to increase the influence of the planarity term f planar . In order to obtain a numerically high flatness of the
Der Algorithmus kann nur dann sinnvoll eingesetzt werden, wenn das Input-Netz die Geometrie eines konjugierten Kurvennetzes reflektiert, also insbesondere aus einem solchen gewonnen wurde.The algorithm can only be used meaningfully if the input network reflects the geometry of a conjugate curve network, ie in particular has been obtained from such a network.
Damit es leichter fällt, einen Input zu haben, der diese Anforderungen erfüllt, kann man die vorgeschlagene Optimierungsmethode mit einem Unterteilungsalgorithmus, der auf Vierecksnetzen arbeitet, kombinieren. Man gibt ein grobes und einfaches Vierecksnetz mit (fast) ebenen Maschen 1 vor (siehe Beispiel im Hintergrund von
Des Weiteren ist in die Optimierung noch folgende Kennzeichnung eines konischen Knotens X einzubauen: Die vier um einen konischen Knoten X der Reihe nach auftretenden Eckenwinkel ω1, ω2, ω3, ω4 erfüllen die Gleichung
Im Penalty-Verfahren wird zur Funktion fplanar pro Knoten X ein Term (ω1+ω3-ω2-ω4)2 addiert. In der Optimierung mit Nebenbedingungen kommt pro Knoten X die Nebenbedingung (K) hinzu. Das Netz im Vordergrund der
Will man Trägerelemente 4 mit konstanten Profilen für einen Tragrahmen 8 verwenden und dies mit optimierten Knoten X (4 Ebenen durch eine Achse) durchführen, so sind Offsets in konstantem Kantenabstand (Höhe der Trägerelemente 4) nötig. Dies ist eine stärkere Einschränkung als die Forderung nach konstantem Flächenabstand oder nach konstantem Eckenabstand, und daher kann man mit solchen Netzen nicht mehr beliebige Formen approximieren. Trotzdem gibt es eine Vielfalt derartiger Netze, welche man auf folgende Weise erhält: Wegen des konstanten Abstandes der Kanten 2 von Basisnetz N und Offsetnetz No muss es ein Parallelnetz p(N) geben, dessen Kanten 2 durchwegs denselben Abstand von Z haben. Also berühren alle Kanten von p(N) eine Kugel S mit Mitte Z. Jede Vierecksmasche von p(N) liegt in einer Ebene E, deren Schnittkreis mit S alle Seiten der Masche 1 berührt. Also hat jede Masche 1 von p(N) einen auf der Kugel S liegenden Inkreis. Angrenzende Maschen 1 erzeugen berührende Inkreise. Insgesamt bildet daher die Menge der Inkreise eine Kreispackung auf der Kugel (siehe
Netze N, die auf ein solches Vierecksnetz p(N) parallelbezogen sind, werden dual-isotherme Netze genannt, weil sie die Laguerre-geometrischen (und damit in gewissem Sinne dualen) Gegenstücke zu den isothermen Netzen darstellen. Hieraus folgt aber auch, dass mit solchen Netzen nur jene Flächen approximiert werden können, bei denen das Gauss-Bild der Krümmungslinien ein isothermes Netz ist. Dies bedeutet eine gewisse Einschränkung im Design. Die Klasse von Flächen beinhaltet insbesondere die Minimalflächen. Netze mit konstantem Kantenabstand, welche Minimalflächen approximieren, sind im Stand der Technik bekannt, ohne dass aber die vorliegende Eigenschaft der Offsets und ihre Bedeutung für die Architektur erkannt wurden. Wichtig für die praktische Umsetzung ist die bekannte Konstruktion der Netze p(N), welche auch Koebe-Polyeder genannt werden.Nets N parallel-related to such a quadrilateral network p ( N ) are called dual-isothermal nets because they represent the Laguerre-geometric (and thus in a sense dual) counterparts to the isothermal nets. However, it also follows that with such nets only those surfaces can be approximated in which the Gaussian image of the curvature lines is an isothermal network. This means a certain limitation in the design. The class of surfaces includes in particular the minimal surfaces. Constant edge meshes approximating minimal surfaces are known in the art, but without the present offsets property and its importance to the architecture being recognized. Important for the practical implementation is the well-known construction of the nets p (N), which are also called Koebe polyhedra.
Eine Kennzeichnung dual-isothermer Netze kann auch durch Winkelbedingungen erfolgen. In jeder Ecke des Netzes liegen die dort ausgehenden Kanten 2 auf einem Drehkegel. Der längs einer Kante 2 auftretende Winkel zwischen den Flächen (Winkel zwischen den Normalen, gemessen im Intervall (0,π)) wird im Folgenden als Flächenwinkel längs dieser Kante 2 bezeichnet, wobei ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 die längs der Kanten 2 um einen Knoten X auftretenden Flächenwinkel seien, so gilt (siehe dazu auch
In jedem Knoten eines dual-isothermen Netzes muss diese Bedingung erfüllt sein. Es gibt aber noch weitere Winkelbedingungen, die den Kanten 2 des Netzes zugeordnet sind.In every node of a dual-isothermal network, this condition must be met. But there are other angle conditions that are associated with the
Seien A und B die Endpunkte einer Kante 2, und mögen die dort auftretenden Winkel zu den in A und B einmündenden Nachbarkanten 2 zu beiden Seiten dieser Kante 2 mit α 1 , αr, β1, βr bezeichnet sein (siehe
Die Gültigkeit von (D1) in jedem Knoten X und die Gültigkeit von (D2) in jeder Kante 2 eines Vierecksnetzes mit ebenen Maschen 1 sind notwendig und hinreichend für das Vorliegen eines dual-isothermen Netzes.The validity of (D1) in each node X and the validity of (D2) in each
Will man einen festen Abstand zwischen entsprechende Knoten X und Xo von Basis und Offset erreichen, so müssen die Knoten des Parallelnetzes p(N) auf einer Kugel S liegen. Da jede viereckige Masche 1 von p(N) in einer Ebene E liegt, liegen die Ecken der Masche 1 auf dem Schnittkreis von E und S. Jede viereckige Masche 1 von p(N) ist also ein Kreisviereck, d.h. es hat einen Umkreis. Durch paralleles Verschieben der Seiten eines Kreisvierecks entstehen wieder die Seiten eines Kreisvierecks. Da die Seiten jeder Masche 1 von N zu den entsprechenden Seiten der entsprechenden Masche 1 von p(N) parallel sind, muss auch jedes Viereck in N ein Kreisviereck sein, d.h., einen Umkreis besitzen. Daher wird N auch als zirkuläres Netz bezeichnet. Da p(N) eine Kugel approximiert, sind auch die zirkulären Netze als Näherungen von Krümmungslinien-Netzen anzusehen. Ihre Offsets No = N ⊕ d·p(N) im Abstand d haben Knoten X, die im Abstand d zu den entsprechenden Knoten von N liegen.If one wants to achieve a fixed distance between corresponding nodes X and X o of base and offset, the nodes of the parallel network p ( N ) must lie on a sphere S. Since each
Zur Berechnung von zirkulären Netzen eignet sich die Optimierungsmethode wie oben beschrieben. Man hat nur die Planaritätsbedingung α1 + α2 + α3 + α4 = 2π pro Masche 1 durch die beiden Bedingungen α1 + α3 = π und α2 + α4 = π zu ersetzen, welche ein konvexes Kreisviereck kennzeichnen.For calculating circular networks, the optimization method is as described above. One has only to replace the planarity condition α 1 + α 2 + α 3 + α 4 = 2π per
Es gibt auch Netze N, deren Offsets sowohl konstanten Flächenabstand als auch konstanten Eckenabstand besitzen. Sie sind auf Netze p(N) parallelbezogen, deren Flächen eine Kugel S 1 mit Mitte Z berühren, und deren Ecken auf einer konzentrischen Kugel S 2 liegen. Dies ist genau dann der Fall, wenn die viereckigen Maschen 1 von p(N) Umkreise mit festem Radius besitzen. Man konstruiert ein solches Kreismuster aus einem sphärischen Rhombennetz. In der
Die Ausführungen über parallelbezogene Netze, deren Offsets und Stützstrukturen gelten für beliebige Netze mit ebenen Maschen 1, auch wenn die Maschen N-Ecke sind. Sie werden allerdings für Dreiecksnetze trivial: Zwei Dreiecke mit parallelen Seiten sind ähnlich, und daher sind parallelbezogene Dreiecksnetze stets ähnlich. Hingegen ist erfindungsgemäß auch noch der Fall der Sechsecknetze (hexagonale Netze) von Interesse. So wie bei einer regulären Pflasterung mit Sechsecken (Bienenwabe) stoßen in einer regulären Ecke eines solchen Netzes drei Maschen 1 (und drei Kanten 2) zusammen (
Von besonderem Interesse sind wieder jene Netze, bei denen die Offsets spezielle Eigenschaften haben. Ein Knoten X ist immer konisch (da drei Ebenen stets einen Drehkegel berühren) und daher hat man immer Offsets in konstantem Flächenabstand. Will man konstanten Kantenabstand erreichen, so muss es ein parallelbezogenes hexagonales Netz p(N) geben, dessen Kanten 2 eine Kugel berühren. Ein solches Netz kann man mittels bekannter Algorithmen für Koebe-Polyeder konstruieren. Die zugehörige Stützstruktur von N hat wieder die Eigenschaft, dass die auftretenden Trapeze konstante Höhe besitzen. In einer erfindungsgemäßen Tragstruktur 8 sind daher Trägerelemente 4 mit konstantem Querprofil verwendbar. Die Längsachsen der Trägerelemente 4 münden unter gleichen Winkeln in die Knotenachsen A und die Flächenelemente 5 können direkt an den inneren Rändern der Tragstruktur 8 montiert werden.Of particular interest again are those networks where the offsets have special properties. A node X is always conical (because three planes always touch a turning cone) and therefore you always have offsets in constant area spacing. If one wants to achieve constant edge distance, then there must be a parallel-related hexagonal network p ( N ) whose
Das Ergebnis ist jeweils ein Vierecksnetz mit ebenen Maschen 1, das eine Freiformfläche F approximiert. In der
Ausgangspunkt für die Konstruktion der Trägerelemente 4 ist ein Vierecksnetz N mit ebenen Maschen 1 (
Das Vierecksnetz N und ein dazu gehöriges Offset-Netz No bestimmen eine geometrische Stützstruktur welche von ebenen Vierecken aufgebaut wird (
Die
Bei der Erstellung der maximalen Abmessungen für die Querprofile der Trägerelemente 4 sind die extremalen Lagen der Winkel zwischen den Flächen des Basisnetzes und den Ebenen der Stützstruktur zu beachten (siehe
Bei einem dual-isothermen Netz sind die Höhen der Stütztrapeze konstant und damit auch die Abstände der Linienlager zum Trägerelement 4. Ein weiterer Vorteil dual-isothermer Netze ist der folgende: Man kann die Paneele der Abdeckung, also die Flächenelemente 5, oder weiterer Schichten auch an den Innenseiten der Trägerelemente 4 montieren, da auch diese ebene Maschen 1 bilden (siehe auch
Mithilfe der Erfindung ist es somit möglich, eine bauliche Umsetzung von Freiformflächen mithilfe einer Tragstruktur 8 zu finden, die die technischen und ökonomischen Anforderungen verringert. Insbesondere können Montageaufwand und -kosten möglichst gering gehalten werden. Des Weiteren gelingt es, dass die Tragstruktur 8 zur Approximation von Freiformflächen auch die Möglichkeit eines Mehrschichtaufbaus bietet, also die parallel versetzte Montage mehrerer Flächenelemente 5 an den Trägerelementen 4 einer einzigen Tragstruktur 8.Using the invention, it is thus possible to find a structural implementation of free-form surfaces using a
Claims (9)
- A supporting structure (8) for curved envelope geometries in buildings, consisting of support elements (4) which are each combined to form N-gons (N=3,4, ...) which span the envelope geometry and which each enclose a planar surface element (5), and the support elements (4) of adjacent N-gons each form a common node region (3) in which the support elements (4) abut, and the plane of a surface element (5) and the respective planes of the surface elements (5) of two N-gons which adjoin in non-parallel spatial direction lie in different planes in at least one section of the envelope geometry, characterized in that the support elements (4) form in this section 4-gons or 6-gons each, and the support elements (4) each have a longitudinal axis (L) which extends in a straight line between two node regions (3) each and runs parallel to the imaginary line of intersection of the surface element planes associated with the same, with the cross section of the support elements (4) normal to their longitudinal axis in each case having a relative twist angle of 0° along the entire longitudinal axis (L) of the support element (4).
- A supporting structure according to claim 1, characterized in that the angular sum of respectively opposing angles is equal in the point of intersection of the imaginary lines of intersection of four surface element planes adjoining in a node region (3).
- A supporting structure according to claim 1, characterized in that the angular sum of respectively opposite angles between the surface normals of two adjoining surface element planes of four surface element planes adjoining in a node region (3) is equal.
- A supporting structure according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the support elements (4) have a rectangular cross-sectional shape or can be inscribed into a rectangular cross-sectional shape.
- A supporting structure according to one of the claims 1 to 4, characterized in that at least two surface elements (5) are held on the support elements (4).
- A method for determining a supporting structure (8) for curved envelope geometries in buildings, consisting of support elements (4) in which a predetermined curved envelope geometry is approximated by a continuous network of N-gons (N=3, 4,...) which each define a planar mesh (1), with respectively adjoining N-gons having a common node (X), and the mesh plane of an N-gon and the respective mesh planes of two N-gons adjoining in non-parallel spatial directions lie in different planes in at least one section of the structural shape, characterized in that the approximation of the predetermined curved envelope geometry occurs with the help of a first continuous network of 4-gons or 6-gons which can be transferred to a further continuous network of 4-gons or 6-gons by parallel displacement in a direction normal to the mesh plane of the respective 4-gon or 6-gon, with two respective adjoining N-gons having a common boundary line (2) which determines the progression of the longitudinal axis of one support element (4) associated with said N-gons, and the dimensions of a support element (4) perpendicular to said boundary line (2) being determined by the distance (d) of the respective boundary line (2) of the first network to that of the further, parallel displaced network.
- A method for determining a supporting structure (8) according to claim 6, characterized in that the angular sum of respectively opposite angles between the boundary lines (2) of four adjoining 4-gons is equal in their common node (X).
- A method for determining a supporting structure (8) according to claim 6, characterized in that the angular sum of respectively opposite angles between the surface normals of two adjoining mesh planes of four surface element planes adjoining in a node (X) is equal.
- A method for determining a supporting structure (8) according to one of the claims 6 to 8, characterized in that in a section of the supporting structure (8) at least one second continuous network of 4-gons or 6-gons is determined which each define a planar mesh plane, with the 4-gons or 6-gons of the second network being formed by parallel displacement of the 4-gons or 6-gons of the first network in a direction normal to the mesh plane of the respective 4-gon or 6-gon.
Applications Claiming Priority (2)
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