Die Suche nach der op­ti­ma­len Trag­form

Die Geschichte des Ingenieurbaus ist von einem kontinuierlichen Streben nach möglichst effizienten Tragwerken geprägt. Neue Werkstoffe und Berechnungsmethoden eröffneten immer wieder neue Möglichkeiten, das grundlegende Ziel blieb jedoch dasselbe: Tragfähigkeit, Materialeffizienz und Wirtschaftlichkeit bestmöglich miteinander zu verbinden.

Meilenstein des konstruktiven Ingenieurbaus

Bereits Galileo Galilei formulierte das Prinzip, jedes Tragwerk auf das statisch Erforderliche zu reduzieren und überflüssiges Material zu vermeiden. Daraus entwickelte sich das Leitbild des strukturellen Minimums, das den Ingenieurbau bis heute prägt. Die Meilensteine des konstruktiven Ingenieurbaus verdeutlichen diese Entwicklung: Der Doppel-T-Träger aus Puddeleisen optimierte den Materialeinsatz für Biegeträger. Die ausschliesslich axial beanspruchten Zug- und Druckstäbe der Fachwerke ermöglichten eine effizientere Materialnutzung. Stahlbeton erlaubte es, Zug- und Druckkräfte gezielt verschiedenen Werkstoffen zuzuordnen und Tragwerke dem Spannungsverlauf anzupassen.

Die Entwicklung vollzog sich durch Experimente, neue Materialien und das Hinterfragen bestehender Tragwerkstypologien. Der Fokus verlagerte sich zunehmend von der Dimensionierung einzelner Bauteile hin zur Optimierung des Gesamttragwerks. Bereits Bögen, Gewölbe und Kuppeln nutzten ihre Geometrie zur Lastabtragung. Mit den dünnen Schalen und Membrantragwerken des 20. Jahrhunderts wurde die Form jedoch selbst zum Gegenstand des Entwurfs. Statt auf überlieferte Bautypen zurückzugreifen, suchten Ingenieurinnen und Ingenieure jene Geometrie, welche den Kräftefluss optimal aufnimmt und den Materialeinsatz minimiert. Wenn nicht mehr die Masse, sondern die Geometrie die Lasten trägt, wird die Suche nach der statisch optimalen Form zur eigentlichen ingenieurwissenschaftlichen Entwurfsaufgabe.

Formfindung als Entwurfshaltung

In diesem historischen Zusammenhang steht Heinz Isler als Vertreter einer Generation, zu der auch Félix Candela (1910–1997), Frei Otto (1925–2015), Sergio Musmeci (1926–1981) oder Ulrich Müther (1934–2007) gehören. Alle entwickelten Tragwerke, deren Qualität aus der Übereinstimmung von Tragverhalten und Geometrie entstand. Auch Islers Schalen entstanden aus einem iterativen Formfindungsprozess, bei dem sich die Form aus den Randbedingungen und den Lasteinwirkungen entwickelte. Die Form war nie Selbstzweck und nicht Ausgangspunkt, sie war Konsequenz des Tragverhaltens und Ergebnis des konstruktiven Entwurfs. Sie entwickelt sich aus dem Kräfteverlauf, dem Material und den jeweiligen Randbedingungen.

In den 1950er- und 1960er-Jahren erhielt diese Suche nach dem strukturellen Optimum eine zusätzliche gestalterische Dimension: Aus dem Kräftefluss entwickelte Strukturen wurden nicht nur als besonders effizient, sondern auch als besonders schön wahrgenommen. Insofern steht Islers Werk exemplarisch für die damalige Entwicklung. Als einer der weltweit bekanntesten Schweizer Ingenieure realisierte er denn auch über tausend dünnwandige Stahlbetonschalen und prägte damit das Schweizer Nachkriegslandschaftsbild nachhaltig.

Das Modell als Erkenntnisinstrument

Der entscheidende Beitrag Islers liegt nicht nur in der Formensprache, wichtig ist vor allem auch seine Arbeitsmethodik. Im Zentrum steht das physische Modell als Instrument der Formfindung. Hängende Tücher, pneumatische Membranen, Wasser, Schnee oder Gips wurden im Büro in Lyssachschachen und im Garten seines Hauses in Zuzwil zu Versuchsanordnungen, mit denen sich Tragformen entwickeln liessen, die mathematisch nur schwer zu beschreiben waren. Natürliche physikalische Gesetzmässigkeiten wurden unmittelbar in konstruktive Lösungen überführt. Das Modell diente nicht der Darstellung eines bereits entwickelten Entwurfs, sondern wurde selbst zum Erkenntnisinstrument. Im Experiment wurden Zusammenhänge sichtbar, die sich rechnerisch oft noch gar nicht formulieren liessen. Es machte den Kräftefluss sichtbar und erlaubte es, das Tragverhalten unmittelbar zu verstehen. Nicht eine vorgegebene Geometrie wurde statisch überprüft, die Geometrie entwickelte sich aus den statischen Zusammenhängen.

Dieser experimentelle Ansatz mit Modellen prägte die realisierten Schalen aus Beton oder Kunststoff und beeinflusste die internationale Diskussion über Formfindung. Islers Arbeiten gelten deshalb als wichtiger Beitrag zu «form finding» – einer Entwurfsmethode, bei der eben aus definierten Randbedingungen und Lasten jene Geometrie gesucht wird, die das günstigste Tragverhalten aufweist. Diese Umkehr des Entwurfsprozesses prägt die Entwicklung neuartiger Tragwerke bis heute.

Arbeits- statt Präsentationsmodell

An den Modellen von Isler zeigt sich eindrücklich, dass sie weit mehr sind als Anschauungsobjekte. Die Präsentation physischer Modelle von Heinz Isler und Félix Candela durch Zaha Hadid Architects an der 13. Architekturbiennale von Venedig im Jahr 2012 zeigte, dass deren Arbeiten weit mehr sind als historische Dokumente. Sie dienen bis heute als Referenz für die Entwicklung komplexer Tragwerksformen. Entscheidend ist dabei ihre Funktion: Während Präsentationsmodelle einen abgeschlossenen Entwurf dokumentieren, sind Islers Modelle Teil des Entwurfsprozesses selbst – und damit ein wertvolles Zeugnis des Denkprozesses.

Im Unterschied zu Candela, der seine Schalen aus mathematisch exakt beschreibbaren Regelflächen entwickelte und dadurch wirtschaftliche Schalungen aus geraden Holzelementen realisieren konnte, suchte Isler bewusst nach freien Geometrien, die sich den damaligen analytischen Berechnungsmethoden weitgehend entzogen. Nicht zufällig sprach Isler von «Fingerstatik». Bereits das Aufbringen kleiner Kräfte auf ein Modell verändert dessen Form und macht das Tragverhalten direkt verständlich. Das physische Modell wird damit zum Arbeits- und Erkenntnisinstrument, das Form, Kräftefluss, Verformungen sowie Actio und Reactio gleichzeitig sichtbar macht.

Randbedingungen erfüllen

Die Werkzeuge der Formfindung haben sich unterdessen grundlegend verändert – sie sind vor allem auch digital geworden. Unverändert geblieben ist jedoch die ingenieurwissenschaftliche Aufgabe, für gegebene Randbedingungen möglichst effiziente Tragwerke zu entwickeln. Hängemodelle, parametrische Modellierung, Sensitivitätsanalysen und KI-gestützte Optimierungsverfahren dienen letztlich alle genau diesem Ziel.

Digitale Verfahren ersetzen den experimentellen Zugang aber nicht, sondern erweitern seine Möglichkeiten. Denn künstliche Intelligenz ist ein leistungsfähiges Werkzeug. Sie automatisiert Berechnungen, analysiert grosse Datenmengen und beschleunigt Optimierungsprozesse. Rechengestützte Verfahren erlauben es darum heute, komplexe, multiparametrische und nichtlineare Entwurfsaufgaben systematisch zu untersuchen und eine Vielzahl möglicher Tragwerkskonfigurationen zu generieren. Bereits in der konzeptionellen Entwurfsphase unterstützen sie die Planenden dabei, über etablierte Typologien hinauszugehen, ohne die Kontrolle über die relevanten Entwurfsparameter zu verlieren.

Aber künstliche Intelligenz ersetzt weder das ingenieurwissenschaftliche Verständnis noch die menschliche Kreativität. Heinz Isler erkannte diesen Zusammenhang bereits Ende der 1990er-Jahre. Rechner können bekannte Fragestellungen effizient bearbeiten, das physische Modell hingegen macht Zusammenhänge sichtbar, die zuvor noch gar nicht erkannt wurden. Oder, wie er selbst formulierte: «Gerade in der kreativen Welt der nichtorthogonalen Architektur ist die Arbeit mit menschlicher Vorstellungskraft und mit physischen Modellen nicht nur wertvoll, sondern auch weit überlegen. Automatisierung wird den menschlichen Geist niemals ersetzen können.»

So zeigen Heinz Islers Arbeiten exemplarisch, dass der Prozess des ingenieurspezifischen Entwerfens weder rein mathematisch oder statisch noch rein intuitiv ist. Er entsteht vielmehr aus dem kontinuierlichen Wechselspiel von Experiment, Berechnung und konstruktivem Verständnis. Genau darin liegt die bleibende Aktualität seines Werks – unabhängig davon, ob analoge oder digitale Werkzeuge zum Einsatz kommen. Gerade diese Haltung eröffnet auch heute neue Perspektiven für die Entwicklung von Tragwerken. Denn auch künftig wird die Qualität eines Tragwerks nicht allein durch seine Berechnung bestimmt, sondern durch das Verständnis der Zusammenhänge, aus denen es entsteht.

Clementine Hegner-van Rooden ist dipl. Bauingenieurin ETH, Fachjournalistin BR und Geschäftsleiterin der Gesellschaft für Ingenieurbaukunst.