The course “Architektur und Tragwerk” represents an opportunity for architecture students to develop a design project in which load-bearing structures and architectural space support and enhance each other as inherent parts of the same design process. The course fosters the development of a design thinking that emerges from the coexistence of a number of design parameters and performance criteria related to force flow, construction technologies, material use, and spatial qualities. Students will learn about diverse operative tools and strategies to control the complexity of such a multidisciplinary design process in which space-making and load-bearing elements are inherently intertwined. The potential of each design option will be evaluated based on various factors; in addition to structural performance and architectural expression, aspects related to material use, construction processes, and environmental footprint will play a crucial role in the whole process.

The course “Architektur und Tragwerk” represents an opportunity for architecture students to develop a design project in which load-bearing structures and architectural space support and enhance each other as inherent parts of the same design process. The course fosters the development of a design thinking that emerges from the coexistence of a number of design parameters and performance criteria related to force flow, construction technologies, material use, and spatial qualities.

Students will learn about diverse operative tools and strategies to control the complexity of such a multidisciplinary design process in which space-making and load-bearing elements are inherently intertwined. The potential of each design option will be evaluated based on various factors; in addition to structural performance and architectural expression, aspects related to material use, construction processes, and environmental footprint will play a crucial role in the whole process.

After a successful completion of the course, students will be able to:

1. Critically evaluate structural design concepts with respect to their ability to support and strengthen architectural concepts
2. Identify the most relevant design parameters and performance criteria for a given design task and select adequate tools to effectively integrate them as part of the design process
3. Conduct design explorations in compliance with structural, spatial, and environmental design aspects simultaneously

3 ECTS

Graded semester performance

The Red Canopy is the result of a summer school for architecture students held in Nanjing (China) in summer 2024. Entitled “Learning from the Ordinary”, the summer school focused on those spaces, materials, and elements that belong to the “ordinary” and as such are often overlooked. After a systematic analysis concerning the very notion of “ordinary”, 12 architecture students from NJU and CUHK engaged in a series of design explorations that resulted in the construction of a 700m² canopy made of bamboo and red woven geotextile.

Space

Located at the Northern edge of Xiangtang village, the canopy floats above a peach grove framing a series of new spaces and perspectives. The site was strategically chosen to demonstrate the underlying idea of the summer school: through design operations that are intentional, specifically tailored, and conscious of a variety of boundary conditions, it is possible to discover and activate spatial qualities even in those places that seem “ordinary”.

The peach grove was one of these places. It was a slope in between two paths, completely accessible, yet unused despite offering spectacular views on the mountains and on the neighboring fruit groves. The area lacked directionality, offering infinite possibilities to roam around the trees that eventually nobody took. The project aimed at highlighting these views by creating a space that users could navigate, guided by a sequence of perspectives on the mountains, sky, forests, purposefully orchestrated by the architects.

These perspectives were created through a series of openings in the surface of the canopy as well as by its edges. The space between neighboring supports is so wide that the side edges looked like the edges of a bigger opening, whose boundaries are lost in between the intricate landscape of the peach trees.

Structure

Supported by six pairs of columns that define its spatial boundaries, the suspended roof floats above the ground with a maximum span of over 30 meters. Each column is formed by a pair of bamboo elements connected one to each other to form a V-shaped saddle on top. Despite its roughness, this connection was carefully designed to solve all the main joints in the structure. In fact, in addition to connecting the pair of bamboo columns, the saddle creates space for the connection to a backstay cable and to the fabric itself. Forces coming from the surface of the roof are thus redirected to the ground through a combination of compressive and tensile forces that flow through the column and through the backstay cable respectively.

The surface of the canopy consists of 2-meter-wide woven strips of red geotextile. Curved bamboo ribs stretch across the fabric transferring forces to the six supports following a precise three-tier hierarchy. In addition to edge ribs, a set of primary ribs stretch directly between two supports; the secondary ribs stretch between two edge ribs instead. Primary and secondary ribs are tangential to the openings, thus creating control points for the tuning of their geometry.
 

Materials and construction

Red Canopy combines ordinary materials with circular construction principles to achieve a project rooted in local practices. The main components were sourced locally and assembled using low-tech construction methods common in the village. Thin bamboo elements, harvested nearby with the help of local villagers, form the ribs, while the woven fabric is made from woven geotextile, commonly used for different purposes by the locals. 

Material processing was minimized in order to meet the strict 5-day fabrication and construction timeline, as well as to favor a convenient reuse of the material itself. The team of 12 students together with the tutors fabricated all the parts and assembled the canopy with the use of basic tools and equipment and without the support of any professional contractor. This consideration was already part of the design process, with construction details and erection strategies that were developed accordingly.
After the placement and erection of the six bamboo columns, a network of cables was stretched in between them as a temporary support for the ribs. At a later stage, the ribs were placed on top of the cables, connected to the columns and between each other. Finally, the geotextile strips were unrolled and unfolded on top and connected to the ribs. After the removal of the temporary cables, the system could be tuned by tensioning the backstay cables of the columns.

Eventually, the extremely limited transformation of the materials used for the construction allowed villagers to effectively reuse parts of it after the disassembly. The Red Canopy was dismantled at the end of the summer school, the material was left on site and the villagers were instructed to take what they needed and to reuse it in the village. After one month, only the network of ribs was left.

The Red Canopy created a new focal point in the village of Xiangtang with minimal use of material and limited resources in terms of construction process. It demonstrated that, with clear design intentions and operative awareness, it is possible to find a “poetics in the ordinary”. It also showed that this poetics concerns global and local scale, from the construction in its entirety to the construction details that made it possible.

The Summer School was organized and led by Bartosz Bukowski and Dr. Federico Bertagna (Chair of Structural Design), in collaboration with Prof. Dr. Shuaizhong Wang (Chinese University of Hong Kong) and Dr. Yue Zhao (Southeast University, Nanjing). It took place between Nanjing and the village of Xiangtang from June 24^th to July 19^th 2024. The results were presented in an exhibition curated by Dr. Yue Zhao held in Xiangtang Community Center.

The midterm critique of the Structural Design DBaug + MIBS course took place on October 7th. The students’ projects were discussed together with our invited guests: Dr Giulia Boller, Agnieszka Latak, Filippo Santoni, Dimitrios Piskas, Matthias Ludin, and Charles Binck.

Current members of the Chair of Structural Design:

• Prof. Dr. Jacqueline Pauli
• Dr. Federico Bertagna
• Dr. Lluis Ernique Monzo
• Dr. Ioannis Mirtsopoulos
• Dr. Yasaman Yavaribajestani
• Bartosz Bukowski
• Michele Capelli
• Simon Eisenlohr
• Philine Euler-Rolle
• Ursula Jaray
• Stefan Jos
• Leo Kleine
• Juan Orjuela Sepulveda
• Natalia Pieroni

Former members of the chair:

• Dr. Davide Tanadini
• Linus Schmitz

Midterm Critique of the course Architektur und Tragwerk with invited quests: Marina Montresor and Patrick Studer.

Der eintägige Design-Workshop für die Arbeitsgruppe Brückenbau fand am 17.01.2025 statt. Die Aufgabe bestand darin, ein kleines Gebäude mit unterschiedlichen Spannweiten zu entwerfen. Die Beteiligten entwickelten die Konzepte anhand von physischen Modellen sowie Skizzen.

Workshop organisiert von Prof. Dr. Jacqueline Pauli, Dr. Federico Bertagna, Bartosz Bukowski

By 2050 at the latest, humanity must manage to step into an ecological age – an age in which it only consumes what is actually available to it, and in which all, absolutely all, material cycles are closed (including those of greenhouse gases). The period, leading up to then, will be marked by a tremendous transition, bringing seemingly enormous challenges, but simultaneously offering a unique opportunity to question everything that is not based on a fundamental physical law of the universe. Like many other things, the way we design, use, and dispose of our buildings will adapt to the new framework conditions. Structural design theory, on the other hand, is based on the basic physical laws of mechanics. From the material, through the construction process, to the building: for centuries, the locally accessible construction material and available artisans with their technical means and skills, in interplay with the local climate conditions, defined how buildings were constructed. Established knowledge of material properties, structural mechanics, and the relationships and interaction between them will remain valid and continue to constitute the backbone of structural design. Ideas, concepts, and utopias for a new generation of load-bearing structures can emerge on this basis.
 

Professur für Tragwerksentwurf

Prof. Dr. Jacqueline Pauli
Stefano-Franscini-Platz 1
8093 Zürich
Switzerland

assistenz.*pauli@arch.*ethz.*ch

Consultations:
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Welche Anforderungen stellt der heutige, dynamische Kontext mit seinen vielschichtigen Herausforderungen an künftige Architekt:innen? Eine sich rasant ändernde Welt im Zuge des Klimawandels fordert umweltbewusstes, nachhaltiges Entwerfen und Bauen mehr als je zuvor.

Dieser zunehmenden Komplexität begegnet das Studio Foundations mit einem Kollektiv von acht Professor:innen (Lehrstühlen).

Unsere Lernziele sind:

• Erkunden verschiedener Methoden und Werkzeuge des zirkulären, nachhaltigen und einfachen Bauens.
• Selbständiges Arbeiten, kritisches Denken und Reflexion der eigenen Arbeit.
• Kennenlernen und Verstehen eines iterativen Entwurfsprozesses von vielen sich gegenseitig bedingenden Faktoren.
• Verstehen von Stadtstrukturen und Stadtsoziologie. Vertraut werden mit Massstäben, Proportionen und Dimensionen. Erkunden der Wechselwirkung zwischen Bebauung und Umwelt als Ausgangspunkt für den Entwurf.
• Erlangen von Verständnis der wichtigsten Konzepte und historischen Entwicklungen in der architektonischen Typologie und Form und deren Bedeutung. Erlernen von Analysemethoden und der direkten Anwendung der Erkenntnisse im Projekt.
• Erfassen von räumlichen Kategorien und Erkunden, wie Materialität, Dimensionen, Licht und Klang die räumliche Wahrnehmung beeinflussen. Erarbeitung eines materialspezifischen Grundlagenwissens sowie deren Einfluss auf den Raum und die Konstruktion.
• Erfassen der grundlegenden Prinzipien der architektonischen Konstruktion über die verschiedenen Bausysteme, Elemente und Materialien. Der Schwerpunkt liegt auf der Beziehung vom Gebäude mit dem Boden.
• Praktische Arbeit am Modell, im Plan, anhand von Handzeichnungen und Skizzen sowie im Visualisierungsprogramm als Teil des Entwurfsprozesses.

Inhalt    

Im Herbstsemester erkunden wir verschiedene Orte entlang der Limmat; diese reichen von der Innenstadt von Zürich bis in die Agglomeration und unterscheiden sich in der Topografie, Nutzung, Bebauungsstruktur, Besucherfrequenz, Geschichte.
Wir analysieren deren Kontext und setzen unsere Beobachtungen direkt in Bezug zu einer ersten Entwurfsidee für eine Buvette. Das Erkunden von Baumaterialien, deren technischen Eigenschaften, Herstellungsprozesse und Einsatzgebiete, sowie deren Einfluss auf die Raumwirkung, Fügungsprinzipien und Konstruktion inspirieren uns bei der Entwurfsarbeit und beeinflussen den Ausdruck und die Setzung massgeblich. Der Kurs führt die Studierenden in eine breite Palette von analogen und digitalen architektonischen Notationstechniken ein. Dazu gehören das Skizzieren, Zeichnen von Plänen und Schnitten, das Bauen von Arbeitsmodellen, 3D-Druck, Modellieren im CAD, Scannen von Kontexten, Visualisieren von Projekten und Programmieren – Fähigkeiten, die im Atelier vermittelt und durch direkte Anwendung im Entwurf kontextualisiert und geübt werden. Parallel dazu vermittelt „Studio Foundations“ grundlegende Prinzipien der architektonischen Konstruktion, die den Studierenden vom ersten Tag an helfen, Architektur als materielle Praxis zu verstehen.

Beschreibung 

Die Vorlesung Tragwerksentwurf IV wendet das in den Vorlesungen Tragwerksentwurf I-III erlernte Wissen auf bestehende Bauwerke an. 
Dabei betrachten wir Bestandsgebäude als funktionierende Einheiten, deren konstruktive Integrität bewahrt werden soll, ohne sie zu unantastbaren Museumsstücken zu erklären. Zentral ist dabei ein Verständnis für das Zusammenwirken der Tragwerksteile, deren Stärken und Schwächen einerseits, sowie den Auswirkungen von Umbaumassnahmen auf die tragenden Komponenten.

Die Vorlesungen soll Strategien aufzeigen, wie sinnvoll mit bestehenden Tragwerken umgegangen werden kann, ohne die Kreativität des Entwurfs einzuschränken.
 

Ziele

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Kurses sollten die Studierenden in der Lage sein:

1. Die Konstruktionsweisen typischer Schweizer Stadthäuser des 20. Jahrhunderts zu erkennen und zuzuordnen.
2. Das Tragsystem eines bestehenden Bauwerks anhand von Planmaterial zu analysieren und fehlende Informationen zu benennen.
3. Die Hauptursachen für Umbauten und deren Auswirkungen auf das Tragwerk zu kennen.
4. Alterungsprozesse von Baustoffen und deren Instandhaltung sowie Ertüchtigung resp. Verstärkung zu verstehen. 
5. Die baulichen Eingriffe in typische Stadthäuser statisch sinnvoll zu entwerfen.
6. Auswirkungen von Aufstockungen zu kennen und zusätzliche Lasten statisch sinnvoll anzuordnen.
    

Inhalt

Die Vorlesung konzentriert sich auf den Gebäudebestand der Schweizer Städte, vornehmlich auf das 20. Jahrhundert. An den in diesem zeitlichen Rahmen üblichen Konstruktionsweisen zeigt sie beispielhaft verschiedene Umbaumassnahmen auf, beispielsweise Umnutzungen, Einfügen neuer Öffnungen und Schächte (Lifte), entfernen tragender Wände sowie Anbauten und Aufstockungen. An beispielhaften realen Gebäuden werden diese Eingriffe diskutiert und die Entwurfsparameter abgesteckt. 

Begleitet werden die Vorlesungen von Übungseinheiten und Kolloqiuen, die den Vorlesungsstoff anwenden und veranschaulichen.

Eine letzte Vorlesung am Ende des Semestes widmet sich dem Thema des Tragwerksentwurfs im Hinblick auf einen zukünftigen modularen Rückbau (Design-to-Disassembly) sowie dem Tragwerksentwurf aus wiederverwendeten Bauteilen (Re-Use).

Formulas and Reference: 
01_Formelsammlung_TEIII-IV

Consultations:
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Ob im Berufsleben oder im Alltag, wir sind ständig von Materialien umgeben. Dennoch wissen wir oft nicht, woher sie stammen, welche Arbeitsschritte zu ihrer Herstellung notwendig sind und welcher Energieaufwand damit verbunden ist. Im Rahmen dieser Seminarreise möchten wir einen Blick hinter die Kulissen werfen und uns mit den Herstellungsprozessen von Stahl befassen.

Die Seminarreise führt uns zu den östlichen Nachbarn, der Alpenrepublik Österreich, einem der letzten Länder Europas, in dem noch Erz abgebaut wird. Neben der geografischen Nähe zur Schweiz, die eine unkomplizierte Zugreise ermöglicht, wurde in Österreich das «LD-Verfahren» entwickelt, nach dem 72 % der weltweiten Rohstahlproduktion hergestellt werden. Das Verfahren ist nach den österreichischen Stahlwerken Linz (Oberösterreich) und Donawitz (Steiermark) benannt, deren Ingenieure den Prozess entwickelt haben. Diese Stahlwerke werden wir im Rahmen der Seminarreise selbstverständlich besuchen. Wir beginnen mit dem Erzabbau am Erzberg in Eisenerz. (Laut einer Sage fingen Bewohner nahe dem Leopoldsteiner See einen Wassermann. Um seine Freiheit zu erlangen, bot er ihnen „Gold für zehn Jahre, Silber für hundert Jahre oder Eisen für immerdar“ an. Die klugen Eisenerzer sollen sich für letzteres entschieden haben, woraufhin der Wassermann ihnen den Erzberg zeigte.). Am zweiten Tag erhalten wir einen Vortrag von Herrn Prof. Christian Bernhard von der Montanuniversität Leoben, der uns in die Welt der Mineralien und des Eisens einführt. Es folgen Besuche in den Hochöfen und Walzwerken in Donawitz, dem weltweit modernsten Edelstahlwerk in Kapfenberg und als krönender Abschluss der Hauptsitz der Stahlfirma «Voestalpine» in Linz. Dazwischen besuchen wir lokale Museen, darunter die historische Hochofenanlage «Radwerk IV» in Vordernberg.

Damit uns die Hitze der Stahlöfen nicht die Köpfe zum Schmelzen bringt, machen wir in der Mitte der Woche einen Tagesausflug nach Graz. Dort widmen wir uns dem Zusammenhang zwischen der Stahlindustrie und der Architekturszene, insbesondere mit Blick auf die «Grazer Schule», zu der wir einen Vortrag von Herrn Prof. Anselm Wagner hören werden. Darüber hinaus möchten wir nicht unerwähnt lassen, welche sozialen Auswirkungen die Stahlproduktion für die Arbeitenden, Städte und Regionen hatte. Auch hierzu erwartet uns ein Vortrag von Herrn Prof. Bernhard Reismann. Abschließend machen wir einen Stadtrundgang durch Graz, um das Gehörte in der Realität zu erleben. Danach fahren wir mit dem Zug nach Linz.
Die Seminarreise endet am Freitag mit einem Stadtrundgang durch Linz, der sich auf die Beziehung zwischen Industrie und Stadt sowie deren Transformation und Wandel konzentriert. Zum Abschluss hoffen wir, dass noch Zeit für eine echte Linzer Torte bleibt.

Ziel der Seminarreise ist es, den Herstellungsprozess von Stahl näherzubringen – vom Rohstoff Erz über die Verarbeitung bis hin zum Endprodukt und dessen Wiederverwendung. Durch das unmittelbare Erleben des Produktionsprozesses und des damit verbundenen Energieaufwands soll ein Bewusstsein für den Energieverbrauch und die Ökobilanz entwickelt werden, um den Baustoff Stahl besser und bewusster wertschätzen zu können.

Informationen:
Die Kosten beinhalten Anreise, Weiterreise, Unterkunft inkl. Frühstück, Bus vor Ort, Führungen, Reader, einige Mittag- und Abendessen; exkl. individuelle Abreise.
Begleitet wird die Seminarwoche von Prof. Jacqueline Pauli. Assistenz: Bartosz Bukowski und Stefan Jos (Organisation)

Beschreibung

Die Lehrveranstaltung Tragwerksentwurf III ergänzt die Lehrveranstaltungen Tragwerkentwurf I und II in Bezug auf Baumaterialien und Konstruktionstechniken.

Ziel der Lehrveranstaltung ist die Vermittlung eines ganzheitlichen Verständnisses für den Entwurf von Tragwerken auf der Grundlage der in den vorangegangenen Semestern erworbenen Kenntnisse des statischen Gleichgewichts in Verbindung mit den mechanischen Eigenschaften der wichtigsten Baustoffe und den entsprechenden Konstruktionstechniken.
Die Lehrveranstaltung untersucht die Beziehung zwischen Architektur und Tragwerk durch die Einführung und Diskussion von Entwurfsparametern und deren Auswirkungen auf verschiedene Leistungskriterien. Zu den Leistungskriterien gehören neben statischen Aspekten auch Aspekte des Material- und Energieverbrauchs, die in direktem Zusammenhang mit Fragen des ökologischen Fußabdrucks stehen.

Die Lehrveranstaltung soll aufzeigen, dass bei der Planung von Bauwerken eine Vielzahl von Aspekten aus unterschiedlichen Disziplinen gleichzeitig berücksichtigt werden müssen. Dies führt zu einer Komplexität, die sich nur selten auf eine eindeutige "richtige" Antwort reduzieren lässt. Kritisches Denken und technisches Wissen müssen sich gegenseitig ergänzen. Die Lehrveranstaltung zielt darauf ab, die Werkzeuge zur Entwicklung dieser Fähigkeiten zu vermitteln.
 

Ziele

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Kurses werden die Studierende folgendes beherrschen:

1. Strukturelles Verständnis von Bauwerken und ihren Bauteilen sowie deren statisches Verhalten.
2. Erkennen, Beherrschen und Berücksichtigen von Entwurfsparametern als Teil des Entwurfsprozesses.
3. Entwurf statischer Systeme nach verschiedenen Leistungskriterien, einschließlich architektonischer, struktureller, konstruktiver und ökologischer Aspekte.
4. Materialgerechtes Entwerfen von Tragwerken.
5. Dimensionieren von Bauteilen aus unterschiedlichen Baustoffen.
6. Entwicklung von Konstruktionsdetails nach vorgegebenen statischen Schemata.
    

Inhalt

Nach einer kurzen Wiederholung der in Tragwerksentwurf I und II vermittelten Schwerpunkte, werden in Tragwerksentwurf III verschiedene tragende Elemente in ihrer Beziehung zueinander und in ihrer Beziehung zum architektonischen Raum hin untersucht.
Ausgehend von zweidimensionalen statischen Systemen wird in einer Reihe von fünf Vorlesungen die Funktionsweise der wichtigsten tragenden Elemente eines Gebäudes mit Hilfe von graphischer Statik und analytischen Methoden veranschaulicht.
Die Auswirkungen der Tragwerksperformance, der räumlichen Qualitäten, des Materialeinsatzes und des ökologischen Fußabdrucks werden anhand von Analysen von Gebäuden mit besonderer Qualität während des gesamten Kurses diskutiert.
Die Inhalte der Lehrveranstaltung werden durch fünf Übungseinheiten vertieft, in denen die Studierenden die Möglichkeit haben, das in den Vorlesungen erworbene Wissen anzuwenden und ihre Entwurfsfähigkeiten durch spezielle Entwurfsübungen unter Betreuung eines Tutorenteams zu verfeinern.

Formulas and Reference: 
01_Formelsammlung_TEIII-IV

Consultations:
Sign up sheet