Form, Struktur und Design: Prinzipien und Anwendungen

Konzept der Form

Das Wort Form kann verschiedene Bedeutungen annehmen und Synonyme wie Kontur oder Volumen (in Skulptur und Architektur) haben. In Plotins Philosophie wird zwischen der externen Form – der Kombination materieller Elemente eines Objekts, die wir sehen und berühren – und der internen Form unterschieden. Letztere definierte er als die interne Organisation der Teile, die dem Objekt Einheit verleiht und für die Erbringung grundlegender Funktionen (die sich in der äußeren Form manifestieren) verantwortlich ist.

Wir heben Folgendes hervor:

Materielle Form

Die materielle Form ist die physische Form, auch als visuelles Erscheinungsbild bekannt. Sie wird durch die Grenzen eines Volumenobjekts (z. B. ein Gebäude) oder einer Ebene (z. B. ein Blatt) bestimmt. Die Wahrnehmung eines Objekts ist nicht immer gleich; sie hängt von der Beleuchtung, der Position des Betrachters und dessen Vorkenntnissen über das beobachtete Objekt ab.

Form und Struktur

Bei der Betrachtung von Struktur müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, die über das mit bloßem Auge Sichtbare hinausgehen. Rudolf Arnheim sagte, dass visuelle Symbole oder Formen, die eine Bedeutung tragen (als repräsentative Formen), einer gewissen Ordnung oder Struktur gehorchen müssen, um für den Betrachter erkennbar zu sein.

Strukturanalyse von Konstruktionen

Eine Struktur ist eine Anordnung von Elementen, die dazu dient, Gewichte und Lasten aufzunehmen, ohne zu brechen und mit nur geringer Verformung. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Kräfte von einem Punkt zu einem anderen zu übertragen und dabei die Stabilität zu erhalten. Es geht darum, mit minimalem Materialeinsatz maximale Widerstandsfähigkeit zu erreichen – eine sogenannte wirtschaftliche Struktur. Eine Struktur, die bereits unter ihrem Eigengewicht versagt, wäre ineffizient, da sie mehr Masse benötigen und an Stabilität einbüßen würde.

Man unterscheidet zwei Arten von Strukturen:

• Natürliche Strukturen: Diese finden sich in der Natur, wie z. B. ein Baum oder das Skelett eines Wirbeltiers.
• Künstliche Strukturen: Diese sind von Menschen geschaffen, wie z. B. Gebäude oder Brücken.

Beim Entwurf einer Struktur müssen drei Schlüsseleigenschaften berücksichtigt werden:

• Widerstandsfähigkeit: Die Fähigkeit, den einwirkenden Kräften standzuhalten, ohne zu brechen.
• Steifigkeit: Die Fähigkeit, Kräften ohne übermäßige Verformung zu widerstehen.
• Stabilität: Die Fähigkeit, das Gleichgewicht unter Belastung zu halten.

Beanspruchungen von Strukturen

Die Elemente einer Struktur müssen sowohl ihr Eigengewicht als auch andere externe Kräfte und Belastungen aushalten. Diese Belastungen können sein:

Druck (Kompression)

Druckbeanspruchung tritt auf, wenn eine Struktur durch äußere Kräfte gestaucht wird, was zu einer Verkürzung und oft zu einer Verbreiterung führt. Die Flächen, auf die der Druck wirkt, neigen dazu, sich aufeinander zuzubewegen. Strukturen, die hohen Druckkräften widerstehen müssen, sind oft kurz, dick und massiv.

Zug (Traktion)

Zugbeanspruchung ist das Gegenteil von Druck. Hierbei wirken Kräfte auf ein Objekt, die versuchen, es auseinanderzuziehen oder zu verlängern. Für Strukturen, die Zugkräften ausgesetzt sind (z. B. Seile von Aufzügen, Tragkabel von Hängebrücken), werden Materialien verwendet, die eine hohe Zugfestigkeit aufweisen.

Biegung (Flexion)

Biegebeanspruchung tritt auf, wenn eine Kraft auf eine Struktur einwirkt und diese dazu bringt, sich durchzubiegen oder zu verformen, oft vorübergehend. Dies geschieht beispielsweise bei Dachsparren oder Tischplatten.

Torsion (Verdrehung)

Torsionsbeanspruchung (oder Drehmoment) tritt auf, wenn Kräfte auf eine Struktur einwirken, die eine Verdrehung um ihre Achse verursachen. Ein typisches Beispiel ist das Anziehen einer Schraube oder das Betätigen eines Schlüssels in einem Schloss.

Schub (Scherung)

Schub- oder Scherbeanspruchung entsteht, wenn auf einen Körper zwei entgegengesetzt gerichtete, parallele Kräfte einwirken, die leicht versetzt sind. Diese Kräfte neigen dazu, die Struktur zu zerschneiden oder abzureißen, indem sie Teile gegeneinander verschieben. Ein Beispiel hierfür ist die Wirkung einer Schere oder Zange.

Konstruktive Elemente (Bauelemente)

Strukturen bestehen aus verschiedenen Elementen, die dafür verantwortlich sind, den auftretenden Belastungen standzuhalten. Dazu zählen:

Fundament (Stiftung)

Das Fundament ist die Basis, auf der ein Gebäude ruht. Es wird oft aus Materialien wie Beton (bestehend aus Sand, Kies, Zement und ggf. Bewehrung wie Maschendraht) hergestellt. Auf das Fundament wirken hauptsächlich Druckkräfte.

Säulen und Stützen

Säulen sind vertikale Bauelemente, die Lasten aufnehmen (z. B. von Balken) und auf das Fundament oder andere tragende Elemente übertragen. Sie werden hauptsächlich auf Druck beansprucht. Zylindrische Stützen werden oft als Säulen bezeichnet.

Wände und Trennwände

Wände und Trennwände sind vertikal aufgestellte Elemente. Wände sind in der Regel tragende oder aussteifende Bauteile und oft dicker und massiver als Trennwände, die primär der Raumteilung dienen.

Balken und Träger

Balken und Träger sind meist horizontale Bauelemente, die Lasten aufnehmen und auf Stützen oder Wände übertragen. Sie werden vorwiegend auf Biegung beansprucht. Sie bestehen häufig aus Stahlbeton, Stahl oder Holz. Kürzere Balken, die oft in einem Raster angeordnet sind, können auch als Unterzüge oder Deckenbalken bezeichnet werden und bilden zusammen mit Hauptträgern die Geschossdecken von Gebäuden.

Zugstangen und Seile

Zugstangen und Seile sind Elemente, die Zugkräfte aufnehmen, Lasten halten und zur Versteifung von Strukturen beitragen können. Bei Schrägseilbrücken beispielsweise sind Stahlseile an einem Ende am Brückendeck und am anderen Ende an Pylonen befestigt. Solche Elemente können auch zur Abspannung hoher vertikaler Konstruktionen wie Masten oder Kräne verwendet werden und mittels Spannschlössern justiert und gespannt werden.

Die Form, die ein Seil unter Last annimmt, hängt von der Art der Belastung ab. Ein unter Einzellasten hängendes Seil bildet ein Seilpolygon. Hängt ein Seil nur unter seinem Eigengewicht durch, bildet es eine Kettenlinie (Katenoide). Ist die Last jedoch gleichmäßig über die Spannweite (horizontale Projektion) verteilt, nimmt das Seil die Form einer Parabel an.

Bögen (Arcos)

Der Bogen ist eine der ältesten architektonischen Konstruktionslösungen. Er besteht aus einem gekrümmten Bauteil, das eine Öffnung überspannt und Lasten auf seitliche Stützen (Widerlager) ableitet, wodurch ein offener Raum darunter entsteht.

Dreiecke und Fachwerke

Das Dreieck ist die stabilste geometrische Grundfigur, da es sich unter Einwirkung äußerer Kräfte nicht ohne Längenänderung seiner Seiten verformen lässt. Durch die Anordnung von Dreiecken zu einem Fachwerk entsteht eine sehr steife und tragfähige Rahmenstruktur. Bekannte Fachwerktypen sind beispielsweise Warren-, Pratt- und Howe-Fachwerke.

Platten und Scheiben

Platten und Scheiben sind flächige Bauelemente, die zur Abdeckung oder Verkleidung von Baukörpern (z. B. Dächer, Fassaden von Gebäuden) oder Fahrzeugen dienen. Sie wirken als tragende oder nichttragende Oberflächen.

Tragsysteme (Structural Systems)

Man unterscheidet üblicherweise vier Hauptarten von Tragsystemen:

Formaktive Systeme

Systeme, die primär durch Zug- oder Druckkräfte wirken (formaktive Systeme), sind weit verbreitet, da sie eine wirtschaftliche Möglichkeit bieten, große Flächen mit leichten Konstruktionen zu überspannen (z. B. Seilnetze, Membranen).

Vektoraktive Systeme

Wenn ein Tragsystem aus linearen Elementen besteht, die Kräfte als Vektoren weiterleiten (z. B. Fachwerke, Raumfachwerke), spricht man von vektoraktiven Systemen.

Schnittgrößenaktive Systeme (Massenaktive Systeme)

Massenaktive Systeme (oder schnittgrößenaktive Systeme) bestehen aus Elementen, die primär auf Biegung beansprucht werden, wie Balken, Stützen und Rahmen (z. B. bei Portalrahmen).

Flächenaktive Systeme

Flächenaktive Systeme sind Strukturen, bei denen externe Kräfte durch die Kontinuität einer Fläche übertragen werden, wie bei Platten, Schalen oder Faltwerken (laminare Strukturen).

Natürliche Formen als Designgrundlage

Die Untersuchung und Analyse der Natur als Inspirationsquelle für das Design umfasst zwei grundlegende Prozesse: Analyse und Synthese.

Analyse

Die Analyse besteht darin, ein Objekt oder System in seine Bestandteile zu zerlegen und die Prinzipien oder Ursprünge zu verstehen, die seiner Entstehung zugrunde liegen.

Synthese

Die Synthese folgt in der Regel auf die Analyse. Sie beinhaltet den Neuaufbau eines Ganzen aus seinen Elementen, wobei nicht alle ursprünglichen Elemente priorisiert werden müssen, sondern nur jene, die als wichtig und bedeutsam erachtet werden.

Natürliche und künstliche Formen

Natürliche Formen sind jene, die Elemente der Natur (pflanzlichen, tierischen oder mineralischen Ursprungs) darstellen oder von ihnen abgeleitet sind. Man kann auch sagen, dass ein Design als natürlich bezeichnet wird, wenn seine Funktion spezifisch auf natürlichen Prinzipien basiert oder für eine natürliche Umgebung geschaffen wurde.

Künstliche Formen repräsentieren das vom Menschen Geschaffene.

Natürliche Materialien

Natürliche Materialien stammen direkt aus der Natur. Dazu gehören auch recycelte Naturfasern und die Wiederverwendung ursprünglicher, naturbelassener Materialien.

Ein Material wird als „natürlich verwendet“ betrachtet, wenn es in seiner ursprünglichen Erscheinung eingesetzt wird, ohne sein wahres Aussehen zu verbergen, unabhängig von der Art des Materials selbst.

Bionik

Die Bionik ist die Analyse der Funktionsweise lebender Systeme und ihrer „Tricks“. Einmal entdeckt, können diese Prinzipien in alltäglichen Designs oder Apparaten materialisiert werden. Leonardo da Vinci gilt als einer der ersten Bioniker, da viele seiner Entwürfe auf Naturstudien basierten.

Wesentliche Merkmale bionischer Systeme sind oft Miniaturisierung und ein hoher Grad an Flexibilität, um sich an verschiedene Umgebungen anpassen zu können. Ein markantes Beispiel hierfür sind Tierskelette.

Der Goldene Schnitt

Der Goldene Schnitt ist eine Kompositionsregel, die vom Mathematiker Luca Pacioli formuliert wurde. Er argumentierte, dass diese Struktur in vielen Bereichen der Natur vorhanden ist, z. B. in der Anordnung von Ästen, Blättern oder Blüten.

Euklid definierte die Teilung einer Strecke im Goldenen Schnitt (stetige Teilung) so, dass sich die größere Teilstrecke (a) zur kleineren Teilstrecke (b) genauso verhält wie die Gesamtstrecke (a+b) zur größeren Teilstrecke (a). Die Formel lautet: a/b = (a+b)/a. Das Ergebnis dieses Verhältnisses ist die Zahl Phi (Φ) ≈ 1,618, auch als Goldene Zahl bekannt.

Form und Funktion

Der Grundsatz „Form follows function“ (Die Form folgt der Funktion) besagt, dass die äußere Gestalt (Form) eines Objekts durch seinen Zweck oder Inhalt bestimmt werden sollte. Die Botschaft oder Funktion, die vermittelt werden soll, gibt die Form vor, damit sie optimal erfüllt bzw. verstanden wird. Dies ist ein wichtiger Aspekt in der Gestaltung.

Der ästhetische Funktionalismus ist eine Theorie, die Schönheit als Ergebnis der optimalen Anpassung von Form an Funktion betrachtet. Demnach sind Objekte dann schön, wenn ihre Form perfekt auf ihre Funktion abgestimmt ist.

Visuelle Struktur im Design

Alle Arten von Formen, ob flach oder volumetrisch, enthalten eine grundlegende, sichtbare oder verborgene Struktur. In dieser Struktur sind alle formalen Elemente organisiert und aufeinander bezogen. Sie ist das organisierende Gerüst, das alle Teile eines Ganzen miteinander verbindet und ihre Beziehungen definiert.

Je nach den Komponenten und ihrer Anordnung in einer Designstruktur unterscheiden wir zwischen formalen, semi-formalen und informellen Strukturen.

Formale Struktur

Eine formale Struktur zeichnet sich durch starre, oft geometrische Strukturlinien aus. Diese dienen als Leitfaden für die Anordnung der Elemente und teilen den Raum in rhythmische Unterabteilungen auf, was ein Gefühl von Regelmäßigkeit und Ordnung vermittelt. Haupttypen formaler Strukturen basieren auf:

• Wiederholung
• Abstufung (Gradation)
• Strahlung

Wiederholung

Diese Art von Struktur entsteht, wenn gleiche oder ähnliche Elemente (Module) in regelmäßigen Abständen wiederholt werden. Die einfachste Form ist oft ein Raster, das aus sich schneidenden vertikalen und horizontalen Linien besteht und den Raum in gleich große Unterteilungen (z. B. Quadrate) gliedert. Variationen dieses Rasters können sein:

• Änderung der Position oder Größe: Module innerhalb des Rasters können in ihrer Position oder Größe variiert werden. Beispielsweise können rechteckige Unterteilungen horizontal oder vertikal betont werden, um unterschiedliche Eindrücke zu erzeugen.
• Änderung der Ausrichtung: Horizontale und vertikale Linien des Rasters können in beliebigen Winkeln geneigt werden, um ein Gefühl von Bewegung zu erzeugen.
• Verschiebung (Displacement): Unterteilungen des Rasters oder die Module darin können nach rechts, links, oben oder unten verschoben werden.
• Biegen oder Brechen von Linien: Strukturlinien können gebogen oder gebrochen werden. Dies kann alle Linien betreffen oder nur bestimmte (z. B. nur vertikale), wobei die grundlegende Form und Größe der Unterteilungen beibehalten oder systematisch verändert werden kann.
• Spiegelung (Reflection): Module oder Anordnungen von Unterteilungen können gespiegelt werden, entweder regelmäßig oder abwechselnd.
• Kombination: Verschiedene Module oder Rastersegmente können kombiniert werden, um größere und komplexere Formen zu erstellen, wobei die Größen oft aufeinander abgestimmt sind, um zusammenzupassen.

Spezielle Rastertypen

• Dreiecksraster: Ein Dreiecksraster entsteht, wenn Strukturlinien so geneigt werden, dass dreieckige Unterteilungen gebildet werden.
• Hexagonalraster: Ein Hexagonalraster ergibt sich oft aus der Kombination von sechs benachbarten Dreiecken eines Dreiecksrasters. Es kann komprimiert, gestreckt oder verzerrt werden.

Weitere Aspekte der Wiederholung

• Struktur mit mehrfacher Wiederholung: Tritt auf, wenn eine Struktur aus mehreren Arten von Modulen oder Unterteilungen besteht, die sich wiederholen.
• Wiederkehrende Module: Ihre Präsenz dient dazu, das Design zu vereinheitlichen. Nebeneinander platziert, sollten sie eher als einfache Bausteine eines größeren Ganzen wahrgenommen werden, anstatt als komplexe Einzelformen.
• Module, Supermodule und Submodule: Submodule sind die kleinsten Bestandteile, aus denen ein Modul bestehen kann. Werden Module in größeren Mengen gruppiert, können sie ein Supermodul bilden.
• Wiederholung von Eigenschaften: Die Wiederholung kann sich auf verschiedene Eigenschaften der Module beziehen, wie Ausrichtung, Farbe, Position im Raum usw.

Abstufung (Gradation)

Abstufung bedeutet, dass sich ein Modul oder eine Eigenschaft allmählich verändert, z. B. in seiner Beschaffenheit, Größe oder Ausrichtung. Dies erzeugt ein Gefühl der Progression und kann optische Täuschungen hervorrufen.

Gradation in der Ebene

Bei der Gradation in der Ebene bleibt die Beziehung zwischen den Modulen oft konstant, und es gibt keine oder nur geringfügige Größenänderungen. Zwei Hauptklassen sind:

• Rotation in der Ebene
• Progression (Verschiebung) in der Ebene

Räumliche Gradation (Spatial Gradation)

Die räumliche Gradation beeinflusst die Form und Größe der Module, die hierbei nicht konstant bleiben. Zwei Hauptklassen sind:

• Räumliche Rotation: Das Modul wird im Raum gedreht, sodass bei jeder Stufe der Gradation andere Ansichten oder Kanten sichtbar werden.
• Räumliche Progression: Bezieht sich auf die allmähliche Veränderung der Größe oder Position im Raum, oft entlang paralleler Ebenen, was den Eindruck einer räumlichen Tiefenwirkung erzeugt.

Gradation der Form/Figur

Diese Art der Abstufung bezieht sich auf die schrittweise Veränderung der Form eines Moduls selbst. Man unterscheidet zwei Klassen:

• Vereinigung oder Subtraktion: Zeigt einen allmählichen Wandel eines Moduls durch schrittweises Hinzufügen (Vereinigung) oder Entfernen (Subtraktion) von Teilen.
• Dehnung oder Stauchung: Zeigt die allmähliche Veränderung der Form von Modulen, als ob sie durch interne oder externe Kräfte elastisch gedehnt oder gestaucht würden.

Weitere Aspekte der Gradation

• Pfad der Gradation: Definiert die Art und Weise, wie eine Figur schrittweise in eine andere umgewandelt wird (z. B. ein Kreis, der allmählich zu einem Quadrat wird).
• Rate der Gradation: Hängt von der Anzahl der Schritte ab, die benötigt werden, um eine Figur in eine andere zu überführen oder eine Eigenschaft zu verändern.
• Gradationsstrukturen: Sind Strukturen, die nicht auf reiner Wiederholung basieren, sondern bei denen sich Größe, Form oder beides in allmählichen Sequenzen verändern.
• Alternierende Gradation: Tritt auf, wenn sich die Richtung der Veränderung eines Moduls abwechselt, z. B. von links nach rechts in einer Reihe und umgekehrt in der nächsten.

Strahlung (Radiation)

Strahlungsstrukturen basieren auf einem Zentrum (Brennpunkt), von dem Strukturlinien ausgehen oder auf das sie zulaufen. Die Anordnung und Richtung der Module orientieren sich an diesen Linien. Man unterscheidet drei Hauptarten:

• Zentrifugal: Strukturlinien strahlen regelmäßig von einem Zentrum nach außen in alle Richtungen.
• Zentripetal: Strukturlinien oder Modulsequenzen laufen auf ein Zentrum zu, oft als gestrichelte oder gekrümmte Linien dargestellt.
• Konzentrisch: Strukturlinien sind als konzentrische Schichten um ein Zentrum angeordnet.

Überlagerung von Strahlungsstrukturen

Verschiedene Arten von Strahlungsstrukturen können überlagert werden, um komplexere Kompositionen zu erzielen.

Semi-formale Struktur

Eine semi-formale Struktur ist durch eine gewisse Regelmäßigkeit gekennzeichnet, die jedoch nicht streng ist. Sie vermittelt ein Gefühl von Ordnung, lässt aber Abweichungen zu. Typische Merkmale sind:

• Ähnlichkeit: Formen gehören einer gemeinsamen Klassifikation an oder stehen in Beziehung zueinander, auch wenn es leichte Abweichungen oder „Unvollkommenheiten“ in ihrer räumlichen Anordnung oder Form gibt.

Bei der Ähnlichkeit scheinen die Module leicht in Bewegung zu sein, halten aber dennoch als Einheit zusammen. Sie sind so angeordnet, dass sie eine kontrollierte Progression oder Variation andeuten.

• Anomalie: Bezeichnet das bewusste Einsetzen von Unregelmäßigkeiten in einem ansonsten regelmäßigen Design. Dies kann dazu dienen, Monotonie zu durchbrechen und Aufmerksamkeit zu erregen.
• Konzentration: Module werden in bestimmten Bereichen des Designs verdichtet oder zusammengedrängt, um einen Konzentrationseffekt zu erzielen. Dies kann eine Konzentration zu einem Punkt, von einem Punkt weg, zu einer Linie hin oder von einer Linie weg sein (freie Konzentration).

Informelle Struktur

Eine informelle Struktur weist oft keine sichtbaren oder strengen Strukturlinien auf. Die Organisation der Elemente ist freier und weniger eingeschränkt, oft intuitiv oder organisch.