S.A.C. BIVOUAC L'AIGUILLETTE À LA SINGLA

Nik Bieri

7.Semester - Professur Schwartz

(Projektarbeit mit Edvardas Bukota)

 

Beim Entwerfen und Entwickeln unseres Konzeptes stellte sich gleich zu Beginn die Frage: „Was ist ein Biwak?“. Wir beschäftigten uns demnach zuerst mit der genauen Definition des Wortes Biwaks um uns der „Aufgabenstellung“, beziehungsweise dem Anfangspunkt unseres Entwurfes im Klaren zu sein. 

Der Begriff Biwak kommt aus dem Französischen und bedeutet so viel wie „Nachtlager“, „Feldlager“ und bezeichnet ein provisorisches Lager im Freien. Die Idee des Biwaks kommt aus dem Militär. Wer in der Pfadi oder der Jungwacht war kennt sicherlich den sogenannten „Gotthardschlauch“ oder den „Berliner“. Es sind simple Nachtlager, die einzig und alleine dem Schutz vor Nässe, Wind und Kälte und als Nachtlager dienen. Dementsprechend beschränkt sich die Biwakausrüstung auf das Minimalste wie Zeltblache und Wolldecke. 

Im Hochgebirge ist ein Biwak nicht das Ziel einer Bergtour, sondern dient als kurzzeitiges Nachtlager auf Routen mit einem bestimmten Schwierigkeitsgrad, bevor man einen Gipfel erklimmt. Der Aufenthalt ist dementsprechend kurz und die Bedürfnisse, respektive Ansprüche an das Nachtlager eher gering. Sie beschränken sich auf Schutz vor Nässe, Wind und Kälte sowie die Möglichkeit eine warme Mahlzeit zuzubereiten und auszuruhen.

 

In den letzten Jahren haben sich vor allem durch den Transport mittels Helikopter, neue Materialien und das Prinzip der Vorfabrikation, neuartige eigenständige Formen im Biwakbau entwickelt. Der ursprüngliche Gedanken eines Biwaks, so erahnt man, geht teilweise zugunsten einer eigenständigen Formsprache und der Ausformulierung des Biwaks als Designobjekt verloren. 

Ohne die heutige Entwicklung zu verneinen, wollen wir gedanklich einen Schritt zurückgehen und die ursprüngliche Idee der Behausung, an den Anfängen des architektonischen Denkens, betrachten und verstehen, da sie unserer Meinung nach mit dem Gedanken des Biwaks zusammenfliesst. 

 

„Dabei stellen wir fest, dass eben gerade die Einfachheit, die nicht dem Willen der Erbauer entspringt, sondern von der Rauheit der Umwelt diktiert wird, das speziell Interessante an den Hütten und Biwaks im Hochgebirge ausmacht. Die schöpferische Inspiration der Planer richtet sich deshalb nicht an der Tradition oder der Ästhetik aus, sondern an der Notwendigkeit, schutzbedürftigen Menschen – manchmal Hunderten – in den unwirtlichsten Gegenden des bewohnten Europa Obdach zu bieten. Die Planung einer Hütte im Hochgebirge war und ist eine Herausforderung an die Intelligenz und Kreativität der Architekten.“ 

- Enrico Camanni 

 

Eine Behausung im ursprünglichen Gedanken wurde mit dem primären Ziel des Schutzes vor der Aussenwelt errichtet. Der Unterschlupf sollte so schnell und effizient wie möglich errichtet werden, wobei sich die Form aus praktischen und konstruktiven Gründen ergab.  Wobei das elementarste Element einer solchen Behausung das Dach war. Als Material wurde verwendet, was vorhanden war.

Nochmals zurück zum Anfang. Betrachtet man erneut den „Gotthardschlauch“ erkennt man die wesentlichen Eigenschaften eines Biwaks. Die Form ergibt sich aus praktischen Gründen. Die Form des Dachs folgt der Ergonomie des Menschen, an den Füssen tiefer und am Kopf höher. 

 

Für unseren Entwurf folgen wir dieser Idee. Wir bemessen die einzelnen Zonen aus dem Raumorganigramm und fassen sie in Volumen wie Aufenthalt, Kochen, Schlafen, Materiallager sowie Toilette zusammen und gehen ausgehend von diesen, von uns definierten, fünf Volumen auf die Suche nach einer optimalen Form.  Bei der neuen Raumorganisation / -Anordnung und der daraus resultierenden Dachform, berücksichtigen wir Einflüsse von Wind, Schnee, Licht, Sonneneinstrahlung, Terrain sowie Energieeffizienz. 

Das Dach schmiegt sich dabei an die angeordneten Kuben. Es wird also aus dem Innern heraus entwickelt und ist demnach ein Abbild der inneren Raumorganisation. die durchgehende und je Geschoss um 180° Grad gedrehte Treppe wird das Einraumkonzept verdeutlicht, gleichzeitig jedoch leicht verschleiert. Es schaffen sich auf jedem Geschoss neue Sichtbezüge, respektive Durchblicke, welche nach und nach die Raumorganisation erkennbar machen. Die effizienteste Möglichkeit, die Volumen anzuordnen ist die Kreisform. Sie bietet die grösstmögliche Fläche bei kleinstem Umfang, respektive das grösstmögliche Volumen bei kleinster Oberfläche. Diese Tatsache lässt sich vor allem bei den Schlafplätzen gut erkennen. durch die runde Anordnung der Schlafplätze passen sich diese optimal an die Ergonomie des Menschen an nutzen so die verwendete Fläche effizient aus. Durch die in der Höhe versetzten Geschosse erreichen wir eine Reduzierung der Gebäudehöhe um beinahe drei Meter, was sich positiv auf die Windangriffsfläche auswirkt. Die sich dabei ergebende Form wirkt durch ihre charakteristische Form als unverkennbares Symbol. Es wird von Weitem erkannt und markiert das Etappenziel des Bergsteigers. Es wirkt als Teil der Berglandschaft und trotzdem eigenständig. Begünstigt , bzw. verdeutlicht wird dies durch die feine transluszente Membran und Dämmung, welche über die Konstruktion gespannt ist. sie leuchtet in der Nacht und schafft am Tag im Innern Lichtspiele.

 

Da das Biwak direkt an einer südexponierten Hangkante platziert wird, entstehen bezüglich dem vorhandenen Permafrost einige Probleme, welche auf die Fundation und Konstruktion einen grossen Einfluss haben. 

Da die Hangkante steil abfällt, ist eine flächendeckende Schneeablagerung mit isolierender Funktion kaum möglich, was eine direkte Sonneneinstrahlung auf den Felsen erlaubt. Vor allem im Sommer kann so, das in den Kluften des Felsen vorhandene und zusammenhaltend wirkende Eis durch die starke Sonneneinstrahlung auftauen und so zu einem flächigen Felssturz führen. Ein Lösungsansatz wären hier sogenannte Injektionsbohrungen mit Mikropfählung.

Ein Platten- oder Streifenfundament ist einerseits nicht möglich, da das Abbinden des Betons eine exotherme Reaktion mit sich zieht und somit zur Erwärmung des Erdreichs führt und wiederum einen flächigen Felssturz provozieren könnte. Zusätzlich kann Beton in einer solchen Höhenlage temperaturbedingt nicht verarbeitet werden. Die in solchen Situationen normalerweise zugegebenen Zusatzmittel, wie  bspw. Abbindebeschleuniger oder die Erwärmung des Anmachwassers ist nicht möglich, da sie die abgegebene Wärme der Abbindereaktion zusätzlich erhöhen und die bereits genannten Folgen bezüglich Permafrost hervorrufen könnte.

Es bleibt keine andere Lösung als das Biwak auf Pfahlfundationen zu verankern. Solche Fundamente sollten durch die Auftauschicht hindurch in den Fels verankert werden können, denn ein genügend stabiler Spitzenwiderstand wird erst durch das Anfrieren des Pfahls am festen Untergrund gewährleistet. Dieser Vorgang des Anfrierens dauert ungefähr eine Woche, weshalb eine genaue zeitliche Organisation der Baustelle notwendig ist.

Ein weiteres Problem bezüglich dem Untergrund im Permafrost liegt in der Wärmeabgabe des Gebäudes, welche durch den Bodenkontakt in den Untergrund geleitet wird. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, heben wir unser Biwak mittels Stützen vom Boden ab, um einen Luftzwischenraum zu garantieren, welcher eine natürliche Unterlüftung gewährleistet. Das Problem der Entwässerung und Stauung des Wassers im Aussenbereich (vor allem zwischen Biwak und Fels) verhindern wir einerseits durch die Anhebung des Gebäudes mittels Pfählen und andererseits durch die steil geneigte Südfassade, welche das Abrutschen des Schnees kontrolliert gegen Süden gewährleistet. 

 

Bezüglich der Konstruktion versuchen wir erneut unser Projekt so nah wie möglich an das Prinzip des Zelt- respektive Biwakbaus (im ursprünglichen Sinn eines Zeltes) anzulehnen. Sprich: eine einzelne tragende Stütze (analog zur Zeltstange), übernimmt gleichzeitig die Funktion der Erschliessung. Die einzelnen Stockwerke werden durch vorgespannte Seile (Wirkungsweise wie eine Membran und analog zum Zeltdach) in Position gehalten und ausgesteift. Es ergibt sich ein hybrides System (membranversteiftes Tragwerk, welches später noch genauer erläutert wird), in welchem sich die zwei Konstruktionsprinzipien gegenseitig bedingen. 

 

Ein solches Prinzip ist bezüglich des Bauablaufs und des Transports (sehr leicht) in den Bergen extrem effizient. Die Aluminium - Hauptstütze gekoppelt mit der Erschliessung und den Bodenplatten welche in der Netzmembran befestigt sind werden mit einer am Pylon biegesteif verschweissten Sockelplatte an einem Stück auf die am Bauplatz vorbereiteten Fundation (mehrere Mikropfähle, an welcher eine Bodenplatte verschraubt wird) gesetzt. Nun wird die Bodenplatte des Pylons auf die Bodenplatte des Fundaments geschraubt und die Membran, in welcher die Geschossplatten zu diesem Zeitpunkt noch lose hangen, am Boden, sprich der Bodenplatte, abgespannt. So wird System (inkl. Bodenplatten) ausgesteift (während diesem Vorgang wird das Gerüst vom Helikopter in Position gehalten um eine Hilfskonstruktion überflüssig zu machen). In einem zweiten Schritt wird eine zweite und gedämmte Membran über das Gerüst gelegt, welche ausschliesslich für den Wetterschutz und die Isolation des Biwaks verantwortlich ist. Sie wird mit einem Reissverschluss befestigt und in Form gebracht. Das Prinzip des Aufbaus, respektive der Konstruktion soll dabei so radikal einfach und zeiteffizient wie bei einem Zelt sein. Durch diese einfache Konstruktion reduziert sich einerseits die Zeit für den Aufbau und damit die Einsatzzeit des Helikopters (zwei Flüge) und andererseits die Anzahl der benötigten qualifizierten Mitarbeitern. Beides Faktoren, welche sich positiv auf die Kosten des Bauprojekts auswirken.

 

Bezüglich der Entwässerung besteht durch den fehlenden Wasseranschluss des Gebäudes im Innern kein Problem. Das Wasser kann im Aussenbereich entleert oder in einem Behälter mit Frostschutzmittel gelagert und per Helikopter ausgeflogen werden. Für die Toilette wird eine Speziallösung benötigt. Eine Möglichkeit wäre eine Streutoilette, welche ohne Strom funktioniert. Benötigt wird lediglich eine einfache Abluftinstallation. Eine Streutoilette trennt den Urin vom „grossen Geschäft“. Dies geschieht durch Sickerlöcher im Auffangbehälter, durch welche der Urin in einen externen Kanister abfließt. Natürliche bakterielle Prozesse durch das Streu - Material in der Toilette gewährleisten eine Umwandlung in Kompost, was eine Entsorgung per Helikopter überflüssig macht. 

Bauablauf, Konstruktion und Materialität

 

Der Einsatz von Membranen als versteifendes Element erzeugt immer hybride Tragstrukturen. Die Membran wird in Kombination mit zug-, druck- und/oder biegebeanspruchten Elementen eingesetzt. Die Tragwirkung der Membran innerhalb der hybriden Tragstruktur setzt sich dabei aus zwei Prinzipien zusammen: Das erste Prinzip wird als Formstabilisierung bezeichnet, dessen primäres Ziel die Reduzierung von Verformungen und daraus folgend die Reduzierung von Biegemomenten ist. Das zweite Prinzip wird Kopplung genannt. Dabei wird die Membran als kraftübertragendes Element zwischen anderen Elementen eingesetzt, um einen mehrteiligen Querschnitt zu erzeugen. Denn die Steifigkeit des mehrteiligen Querschnitts ist deutlich höher als die Summe der Steifigkeiten der einzelnen Elemente. In membranversteiften Tragwerken überlagern sich oft beide Effekte.

 

Die Lastausleitung aus Membranen erfolgt über die Ränder. Die Ausbildung der Ränder spielt daher im konstruktiven Membranbau eine grundsätzlich wichtige Rolle, da Störungen in den Rändern auch zu Störungen in der Membranfläche führen. Auch aus diesem Grund wählen wir runde Grundrisse um eine flächig durchgängige Abspannung zu gewährleisten. Fensteröffnungen lassen wir aus, um die Membran flächig nicht zu „stören“. Die Belichtung des Biwaks geschieht über den obersten Teil der Membran. Sprich die Membran (in unserem Fall ist sie netzartig) endet im obersten Geschoss des Biwaks in einen runden Metallrahmen, welcher wiederum die Lastabtragung über eine fächerartige, auf den Pylon zulaufende Konstruktion punktuell überträgt. Über der fächerartigen Konstruktion wird auf einem runden Metallrahmen eine Fensterscheibe eingesetzt welche einerseits eine Durchlüftung ermöglicht und andererseits die Belichtung des Biwaks gewährleistet. Eine solche Belichtung im Innern über das Dach bedingt eine spezielle Lösung bezüglich den Geschossen mit den Betten. Wir entscheiden uns für eine hängematteähnliche Konstruktion. Sprich: zwischen den Geschossplatten werden Netze gespannt, welche erstens durch ihre Transparenz die Belichtung durch das Oblicht bis in die unterste Etage gewährleisten und gleichzeitig das bereits erwähnte Einraumkonzept verstärken zudem dienen sie der Lastabtragung und der Versteifung der Plattformen. Zweitens reduziert sich dadurch das Transporteigengewicht und drittens kann so eine variable Anzahl an möglichen Schlafplätzen garantiert werden. Das heisst, die Schlafplätze sind nicht auf Matratzen, also auf eine genau bemessene Fläche pro Person beschränkt, sondern die gesamte Fläche der „Hängematte“ kann wie gewünscht belegt werden. Somit können auch allfällige Notschlafplätze geboten werden. 

 

Um dem Konzept des Zeltes treu zu bleiben werden sämtliche Geschossplatten am Pylon aufgehängt, sprich: die zur Aussteifung der Plattformen notwendigen Seilelemente (Membran) werden so stark vorgespannt, dass sich die Geschossplatten in ihrer Position halten ohne dabei den Pylon zu berühren, bzw. die Lastabtragung über ihn zu machen. Es handelt sich also halbwegs um eine Art Tensegrity Struktur. 

Die Wirkungsweise und Vorteile einer membranversteiften Konstruktion kann am Beispiel eines Speichenrads verständlicht werden (Abb.2). 

 

Wird das Speichenrad ohne Formstabilisierung belastet, so ergeben sich am unteren und oberen Auflagerrand positive Biegemomente mit dem jeweiligen Maximum in der senkrechten Mittelachse. An den Seiten treten dagegen negative Biegemomente auf, die das Maximum in der horizontalen Mittelachse erreichen.

Wird das Speichenrad mit 16 Speichen stabilisiert, bleibt unter gleicher Belastung die grundsätzliche Verteilung der Biegemomente gleich. Die positiven Biegemomente oben und unten sind jedoch geringer und erstrecken sich über einen kleineren Bereich. Die negativen Biegemomente in den seitlichen Teilen des Speichenrades bilden sich aus Stützmomenten an den Knotenpunkten der Speichen und Feldmomenten zwischen den Knotenpunkten der Speichen. Die Biegemomente in den seitlichen Teilen bleiben über den gesamten Abschnitt negativ mit den Feldmomenten als jeweilige Maxima. Die höchsten negativen Biegemomente treten in etwa im Bereich der 45°-Diagonalen auf. An jeder Seite sind jeweils 5 Speichen mit Zugkräften beansprucht, die jeweils oberen und unteren drei Speichen werden dagegen spannungslos. Die Zugkräfte in den in der horizontalen Mittelachse liegenden Speichen sind am höchsten und nehmen dann mit zunehmender Entfernung ab. 

 

Auch bei einer Stabilisierung des Speichenrades mit einer Membran stellen sich die größten Biegemomente am obersten und untersten Punkt des Speichenrades ein. Dieses positive Biegemoment ist jedoch geringer als bei der Stabilisierung mit 16 Speichen und über einen geringeren Bereich ausgeprägt. In den seitlichen Bereichen des Speichenrades sind fast gar keine Biegemomente vorhanden. Der formstabilisierende Effekt funktioniert hier nahezu optimal, da die Last über Normal- und Querkraft abgetragen wird, ohne signifikante Biegemomente zu erzeugen. An der Zunahme des negativen Biegemoments im oberen und unteren Bereich ist ersichtlich, wann der formstabilisierende Effekt nachlässt. Dies bestätigt auch der Verlauf der Membranhauptkräfte: Diese verlaufen horizontal zwischen den beiden Seiten des Speichenrades. Im obersten und untersten Bereich ist die Membran dagegen spannungsfrei. Zur Beurteilung der Effizienz wurde das Eigengewicht der Membran in ein lineares Verhältnis zur Steifigkeit gesetzt. Die Effizienz der Membran ist sowohl bezogen auf die Verformung als auch in Hinsicht auf die Spannung umso höher, je geringer die Steifigkeit der Membran ist. Die Effizienz steigt wie bei den seilverspannten Speichenrädern exponentiell mit der Abnahme der Steifigkeit. Eine Vorspannung der Membran oder der Seile führt zu zwei Veränderungen im Tragverhalten des Speichenrades: Zum Ersten wird die Felge durch die Vorspannung mit einer Druckkraft belastet, zum Zweiten kann die Vertikallast durch den Abbau der Vorspannungen auch zu einem Teil direkt über die Membran oder die Seile abgetragen werden. 

 

(Holger Alpenmann - Membranversteifte Tragwerke - Dissertation im Fachgebiet Konstruktives Entwerfen und Tragwerkslehre zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften - Universität der Künste Berlin)

 

Im konstruktiven Membranbau werden für mechanisch vorgespannte Membranen fast ausschließlich Gewebemembranen aus Fasern verwendet. Fasern besitzen einen sehr kleinen Querschnitt im Verhältnis zur Länge. Sie werden durch Schmelz- und Streckvorgänge aus dem Ausgangsmaterial hergestellt. Die Festigkeit der Fasern nimmt mit abnehmender Querschnittsfläche der Fasern zu und ist deutlich höher als die Festigkeit des Ausgangsmaterials. Zur Herstellung von Membranen werden Aramid-, Kohlenstoff-, Glas-, HPPE- oder PET-Fasern verwendet. Die Fäden der Gewebe werden orthogonal zueinander verwebt, was den bereits am Experiment gezeigten und erwähnten Effekt hervorruft. Die orthogonal zueinander verwebten Fasern können durch ihre waagrechte Anordnung mehr Kräfte aufnehmen, als beispielsweise Speichen, welche diagonal wirken. Die am meisten eingesetzten Fasern sind Glas- und Polyesterfasern. Bei der Anwendung im Aussenbereich werden die Gewebe beschichtet, um sie vor mechanischer Beanspruchung und Umwelteinflüssen zu schützen. In unserem Fall verwenden wir PTFE-beschichtete Glasfasergewebe (Polytetrafluorethylen - kurz: Glasfaser-Teflon), wie bspw. die Eingangssituation in der Berufsschule Aarau. die Oberflächenlackierung wird in diesem Fall mit einem Teflonpolymer ausgeführt, wodurch ein nahezu selbstreinigender Effekt erzielt wird. Dies ist vor allem bei Bauvorhaben wie unserem interessant, da das Biwak weitgehend wartungsfrei sein soll (Beschädigungen können vor Ort ausgebessert werden). Außerdem ist dieses Material nicht brennbar (A2 / DIN 4102), extrem UV-beständig und sturm- sowie hagelsicher. Die mittlere Lebensdauer dieser PTFE-beschichteten Strukturen liegt bei 30 bis 40 Jahren. Membrankonstruktionen mit PTFE-beschichtetem Glasfasergewebe besitzen eine Transluzenz von 8-25%, wodurch eine besonders helle Atmosphäre unter den Strukturen erzielt wird. Das Material der Membran ist anfangs beige und bleicht dann innerhalb einiger Monate vollständig aus. 

 

Durch ihre Verwendung als Folienkissen ist die Wärmedämmung gegeben. Zusätzlich kann als neuartiger Ansatz durch einen Überzug aus hauchdünnen durchsichtigen Aluminium- und Lackschichten eine Reflexion der Wärmestrahlung ins Innere erreicht werden, was den Wärmeverlust zusätzlich begrenzt. 

 

Als Dämmung verwenden wir ein sogenanntes Glasgespinst, welches direkt in einem Wabensystem (Kissenhüllen, welche dampfundurchlässig sind) auf die Deckschicht, also die PTFE-beschichtete Membran genäht respektive geschweisst wird um es in der ursprünglichen Form zu halten und vor Feuchtigkeit zu schützen. Ein Glasgespinst besteht aus extrem dünn gesponnenen Glasfasern, welche mit einem lichtstabilen Binder versehen und zu einem leichten und lichtdurchlässigen, eben dem sogenannten Glasgespinst, verwoben werden. Durch die eingeschlossene, stehende Luft wird eine solide Wärmedämmung erreicht und gleichzeitig bei guter Lichtdurchlässigkeit eine Lichtstreuung erzielt, die eine nahezu schlagschattenfreie Raumausleuchtung erreicht. Ein solches Glasgespinst ist beispielsweise das TIMax GL-PlusF Glasgespinst der Firma wacotech, welches in einem Anwendungsbereich von -30°C bis +100°C verwendet werden kann. Es ist UV-stabil, komprimiert und unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit.

© 2023 by Simon Blom. Erstellt mit Wix.com

                       site by nik bieri.