Ein Überblick über Architekturmetalle und fortschrittliche Oberflächenbehandlungen

Nachdem ein Erdbeben im Jahr 1989 die strukturelle Integrität des MH de Young Memorial Museums in San Francisco zerstörte, wurden die Architekten Jacques Herzog und Pierre de Meuron mit der Neugestaltung des Gebäudes beauftragt. Eine der Ideen war die Entwicklung einer variabel perforierten Außenwand, die das Grün der Baumkronen im nahegelegenen Golden Gate Park widerspiegeln sollte. Die Ingenieure und Softwarespezialisten von A. Zahner haben ein System entwickelt, um die einzigartigen Perforations- und Noppenmuster für die Abschirmung zu erzeugen, die in diesem Vordach über dem Außencafé des Museums zu sehen sind. Dies war die erste Iteration dessen, was A. Zahner den Zahner Interpretive Relational Algorithmic Process oder den ZIRA-Prozess nannte.

Die Schönheit von Metall bleibt im Gewerbebau oft verborgen. In den meisten Fällen bemerkt niemand wirklich den Baustahl, der das Grundgerüst für einige der beeindruckendsten Architekturwerke aller Zeiten bildet.

Das ist jedoch nicht immer der Fall. Viele Architekten und Künstler sind sich der Auswirkungen bewusst, die Metall nicht nur als funktionales, sondern auch als dekoratives Merkmal bei der Gebäudegestaltung haben kann. Niemand mag es langweilig und langweilig, und Architekturmetall ist eine Möglichkeit, einem Bauprojekt visuelle Spannung zu verleihen.

Bill Zahner, Präsident und CEO von A. Zahner Co., hat buchstäblich die Bücher über Metalloberflächen geschrieben (Stahloberflächen; Kupfer-, Messing- und Bronzeoberflächen; Aluminiumoberflächen; Edelstahloberflächen; und Zinkoberflächen). Die A. Zahner Co. wurde 1897 von Bills Urgroßvater gegründet und begann mit der Herstellung von Baumetallen, indem sie Gesimse für neue Gewerbegebäude herstellte, die überall in Kleinstädten westlich des Mississippi errichtet wurden. Das Unternehmen begann in Joplin, Missouri, zog aber später nach Kansas City, Missouri, wo es heute seinen Sitz hat. A. Zahner verfügt über zwei Werke, eines in Kansas City und das andere in Grand Prairie, Texas, und beschäftigt rund 60 Ingenieure und 100 Fertigungsmitarbeiter, die an der Herstellung von Metallprodukten arbeiten, die in die ganze Welt verschickt werden.

„Wir arbeiten überall“, sagte Zahner. „Wir arbeiten derzeit in Miami, Phoenix und New York. Eines unserer größten Projekte ist derzeit die Restaurierung der Kapelle der Air Force Academy in Colorado Springs.“

Die Kadettenkapelle der US Air Force Academy ist auch außerhalb von Architektenkreisen bekannt. Die 1962 erbaute Kapelle verfügt über 17 Türme mit einer Höhe von 150 Fuß. Im Jahr 2004 wurde ihr der Status eines US-amerikanischen National Historic Landmark verliehen.

Während des Restaurierungsprojekts wurde um die Kapelle herum eine provisorische geschlossene Struktur errichtet, um das Innere des Gebäudes zu schützen, da Aluminiumteile, die Teil der ursprünglichen Konstruktion waren, entfernt und ersetzt wurden. (Der ursprüngliche Gebäudeentwurf sah ein kompliziertes Netzwerk von Regenrinnen vor, die ursprünglich unter den äußeren Aluminiumpaneelen des Gebäudes angebracht werden sollten. Die Dachrinnen wurden jedoch aus Budgetgründen verschrottet. Daher musste die Kapelle nur zwischen den Aluminiumplatten abgedichtet werden Paneele, um es vor den Elementen zu schützen, und das war im Laufe der Jahre nicht die beste Verteidigungslinie. Die vorhandenen Aluminiumpaneele werden entfernt, um die Installation eines neuen Paneelsystems zu ermöglichen, das der ursprünglichen Ästhetik entspricht, aber deutlich verbessert ist Leistungsmerkmale als die älteren Panels, die ersetzt werden.)

Zahner sagte, dass das Unternehmen als Subunternehmer des Projekts die spezifische Legierung identifizieren musste, die in den 1960er-Jahren beim Bau der Kapelle verwendet wurde, und sie speziell gießen lassen musste, damit sie extrudiert und ausgerollt werden konnte, damit sie zu den von der Kapelle kommenden Paneelen passte. Das Ziel besteht darin, die Paneele wiederherzustellen, jedoch ohne die Undichtigkeiten.

„Wir haben den Ruf, Herausforderungen bei sehr komplexen Projekten anzunehmen und dem Designer dabei zu helfen, diese für den Kunden zu realisieren“, sagte Zahner.

Die Arbeit von A. Zahner ist ein sehr gutes Beispiel für einige der Metalloberflächentrends, die bei Architekturmetall zum Einsatz kommen.

„Wenn Sie um die Welt reisen, werden Sie diese alten Gebäude sicher an Orten wie Kopenhagen, London und Frankfurt sehen, und die alten oxidierten Kupferoberflächen sind normalerweise am erkennbarsten und interessantesten“, sagte Zahner. „Nun, mit Edelstahl kann man etwas Ähnliches machen.“

ABBILDUNG 1. Eine verdickte Chromoxidschicht auf Edelstahl trägt dazu bei, die für das menschliche Auge sichtbare Farbe zu erzeugen. Dies lässt sich an den Tafeln erkennen, die an der Außenseite des Museum of Science and Industry in Tampa, Florida, verwendet werden. A. Zahner hat ein Team, das sich der Entwicklung maßgeschneiderter Paletten neuer Farben und Oberflächen für verschiedene Metalle widmet, die das Unternehmen seine Zahner-Oberflächen nennt Produktlinie.

Eine Möglichkeit, Edelstahl zu färben, ist ein Verfahren, das in den 1970er Jahren von Inco Ltd. entwickelt wurde, einem kanadischen Bergbauunternehmen und über weite Strecken des 20. Jahrhunderts der weltweit führende Nickelproduzent. Durch chemische Säurebäder entsteht auf der Edelstahloberfläche eine verdickte Chromoxidschicht, die dazu beiträgt, die für das menschliche Auge sichtbare Farbe zu erzeugen.

Das Phänomen hinter der Farbbildung wird als Dünnschichtinterferenz bezeichnet, aus der sich die Interferenzfärbung entwickelt hat. Die verdickte Chromoxidschicht trägt dazu bei, die Farbe zu beeinflussen, wenn das Licht durch sie hindurchgeht, auf das Oberflächenmetall trifft und zum Betrachter zurückreflektiert wird. Denken Sie an Sonnenlicht, das auf eine Pfütze aus Motoröl und Wasser in der Einfahrt scheint, und an den Regenbogeneffekt, der manchmal entsteht. In dieser Situation wird ein Teil des Lichts von der obersten Ölschicht reflektiert, ein anderer Teil wird von dieser Schicht gebrochen und dann von der Wasserschicht unter dem Öl reflektiert, und das Licht wird dann erneut gebrochen, wenn es durch die Schicht nach oben dringt Öl. Das reflektierte Licht in der Pfütze zeigt einen Regenbogen, da das Licht alle Komponenten aller Wellenlängen enthält und der Zustand nicht kontrolliert wird. Wenn der elektrochemische Prozess zur späteren Einführung des Chromoxids gesteuert wird, können bestimmte Farben eingeführt werden. Zur Erzeugung der Farbe werden keine Pigmente, Tinten oder Farbstoffe verwendet.

Eines der ersten großen Projekte, bei denen diese Art der Interferenzfärbung zum Einsatz kam, war das Team-Disney-Gebäude in Anaheim, Kalifornien, das von Frank Gehry entworfen und 1995 eröffnet wurde. Bald darauf folgte das Museum of Science and Industry (MOSI) in Tampa, Florida ., im selben Jahr fertiggestellt.

Diese blauen Felder sind dreieckig, was das visuelle Interesse erhöht (siehe Abbildung 1). A. Zahner und Antoine Predock, Architekt des MOSI-Projekts, arbeiteten gemeinsam an der Entwicklung des triangulierten Paneelsystems, um dem Widerwillen des Metalls, sich gleichzeitig in zwei Richtungen zu krümmen, entgegenzuwirken, was zur Abdeckung der sphärischen Form der Kuppel des Gebäudes erforderlich war.

„Heute geht man da raus und es sieht genauso aus wie damals, als es Anfang der 1990er Jahre zum ersten Mal gemacht wurde. Es ist dieses wunderschöne Juwel“, sagte Zahner.

Interferenzfärbung kann nur Primärfarben liefern. Durch die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)-Färbung, die zweite wichtige Methode zur Herstellung von Farbe in Edelstahl, kann eine vielfältigere Palette erzeugt werden.

Beim PVD-Verfahren wird eine Beschichtung aufgebracht, die verdampft und in einer Vakuumkammer auf eine erhitzte Metalloberfläche aufgetragen wird. Wenn sich der ionisierte Metalldampf mit dem Oberflächenmetall verbindet, entsteht eine nur wenige Moleküle dicke Beschichtung. Das Ergebnis ist eine Oberfläche, die sich von den ursprünglichen Metalleigenschaften unterscheidet und einen höheren Schutz bietet als Pulverbeschichtung, Galvanisierung oder Eloxierung.

Die Zugabe eines Titannitrats zum PVD-Verfahren führt zu einer goldenen Farbe. Titankarbid sorgt für ein tiefes Schwarz. In beiden Beispielen besitzt die Lackierung im Gegensatz zur Interferenzfärbung tatsächlich Farbe. (Es ist zu beachten, dass die PVD-Beschichtung aufgrund ihrer geringen Dicke Licht durchdringen und vom Oberflächenmetall reflektieren kann, was zu Lichtinterferenzen führt.) Zu den weiteren Farben, die mit dem PVD-Verfahren erzeugt werden können, gehören Bronze, Blau und Rot. lila.

Jeder in der Metallindustrie weiß, was COR-TEN ist. Es ist so ziemlich das, woran man denkt, wenn jemand von „wetterfestem Stahl“ spricht.

COR-TEN wurde erstmals in den 1930er Jahren von der US Steel Corp. für den Bau von Eisenbahnwaggons zum Transport von Eisenerz und Kohle entwickelt und wird seitdem als korrosionsbeständige Stahllegierung für Architektur- und Kunstanwendungen vermarktet, ist aber nicht auf diese Bereiche beschränkt. COR-TEN und andere witterungsbeständige Stähle enthalten einige Elemente, vor allem Kupfer, die interagieren und eine ausgeprägte Oxidbarriere auf der Oberfläche bilden. Durch das Wachstum dieses Eisenoxyhydroxids wird dem Grundmetall Korrosionsbeständigkeit verliehen. Sobald sich die Oxidschicht entwickelt hat, erfolgen in den meisten Umgebungen langsam weitere Veränderungen im Oberflächenmaterial. Der witterungsbeständige Stahl erzeugt eine erdfarbene Oberfläche, die ihn zu einer beliebten Wahl für Gebäude macht, die sich in eine natürliche Umgebung einfügen möchten.

ABBILDUNG 2. Das Äußere des Science Center am Amherst College, Amherst, Mass., ist ein Beispiel für den vorverwitterten Look, der erzielt werden kann, ohne auf die Natur warten zu müssen.

Das Problem, das A. Zahner erkannte, besteht darin, dass Architekten und Designer sehr frustriert sein können, wenn sie darauf warten, dass die Korrosion auftritt und die erwartete Oberflächenbeschaffenheit erzielt wird. Hier kann eine Vorbewitterung helfen.

„Das ist eines der Dinge, die wir mit unserem Werk in Texas machen“, sagte Zahner. „Wir nehmen die COR-TEN-Legierung und lassen sie der Witterung standhalten. Unser Ziel ist es, den Punkt zu erreichen, an dem das Eisenoxyhydroxid ausblutet und sich in ein viel stabileres Eisenoxyhydroxid verwandelt.“

Bei A. Zahner bedeutet Vorbewitterung, dass man COR-TEN und andere hochfeste, niedriglegierte wetterfeste Stähle verwendet, die Metalloberflächen einem Oxidationsmittel aussetzt und anschließend eine Reihe von Benetzungs- und Trocknungszyklen durchführt. Das Unternehmen glaubt, dass seine Vorbewitterungsprozesse dazu beitragen können, dass die Oberfläche dieser Materialien das dunkle, reichhaltige Oxyhydroxid erhält, das sie bei natürlicher Alterung in den Elementen erhalten würden.

Ein Beispiel für diese Art der Vorbewitterung ist das Science Center am Amherst College (siehe Abbildung 2). Die geschweißten und geformten Stahlteile wurden gestrahlt, um die Oberfläche gründlich zu reinigen und für die erste Oxidationsbehandlung vorzubereiten. Nach dem Trocknen wurden die Oberflächen mit einem starken Elektrolyten behandelt, einem Reduktionsmittel, das den Oxidationsprozess in Gang setzt. Bei Anzeichen von Korrosion wurde die Oberfläche mit entionisiertem Wasser abgespült und trocknen gelassen. Nachträgliche Behandlungen, bei denen das Metall benetzt und getrocknet wird, führen zu einer dicken, dunklen Oxidschicht auf der Metalloberfläche.

Perforationen kann jeder machen. A. Zahner war der erste, der mit dieser Stanzmaschine ein Bild ausstanzte (siehe Abbildung 3).

„Wir waren die ersten, die einen Ansatz hatten, ein Bild aufzunehmen und es in Maschinensprache umzuwandeln“, sagte Zahner. „Also fingen wir an, Perforationen auf der Oberfläche mithilfe des Stempels zu steuern, aber dann dachten wir: ‚Wie können wir die Maschine dazu bringen, nicht zu perforieren, sondern das Material anzustoßen, um verschiedene Arten der Texturierung zu schaffen?‘“

Was mit dem präzisen Stanzen unterschiedlich großer Löcher begann, um ein Bild auf mehreren Metallplatten nachzubilden, entwickelte sich bald zu etwas viel Komplizierterem. Zahner sagte, dass das MH de Young Memorial Museum in San Francisco ein gutes Beispiel dafür sei (siehe Abbildung 4).

Das erstmals 1895 eröffnete Museum wurde nach dem Erdbeben in Loma Prieta im Jahr 1989 schwer beschädigt. Die Schweizer Architekten Jacques Herzog und Pierre de Meuron wurden Ende der 1990er Jahre mit der Neugestaltung des Gebäudes beauftragt.

Herzog und de Meuron hatten die Idee einer perforierten Außenwand, die die Baumkronen des nahegelegenen Golden Gate Park nachahmen sollte. Das Duo arbeitete mit den Ingenieuren und Softwarespezialisten von A. Zahner zusammen, um eine Möglichkeit zu entwickeln, einzigartige Perforations- und Grübchenmuster zu erstellen, die die Lichtmuster nachahmen, die durch Bäume hindurch zu sehen sind.

Die Arbeit war immens. Etwas mehr als 1,1 Millionen Pfund. Kupfer wurden für die Arbeit verwendet. Das entspricht etwa einem Kupferblech mit einer Breite von 1 m und einer Länge von 21,6 Meilen.

ABBILDUNG 3. Die perforierten Metallpaneele ImageWall von A. Zahner geben Architekten die Möglichkeit, aufwändige Wanddesigns für Orte wie Lobbys, Parkhausfassaden oder abgetrennte Außenbereiche zu erstellen. Bei dieser besonderen Installation in einem Bürogebäude in Ottawa, Kanada, wurden 1.563 Quadratfuß speziell angefertigter perforierter Aluminiumplatten und zugehöriger Unterrahmen verwendet, um Wandkunst zu schaffen, die die Reise entlang des Ottawa River neben dem nahegelegenen Parliament Hill zeigt.

Was die Herstellung betrifft, waren das Gebäude und sein Turm für 1,7 Millionen Perforationen und 1,5 Millionen Unebenheiten auf der Oberfläche verantwortlich, darunter vier Ebenen mit Prägungen und vier Ebenen mit äußeren Formen.

Laut Zahner dürfte sich die nächste Entwicklung strukturierter Panels stärker auf die Robotik stützen.

„Wenn Sie sich zum Beispiel das Bloomberg Center in New York ansehen, haben wir das Metall teilweise geschnitten und es dann mit einem Roboter gezielt gebogen“, sagte er. (Abbildung 5 zeigt eine Außenwand des Bloomberg Center auf dem Roosevelt Campus der Cornell Tech in New York City.)

Das ist nur ein Teil dessen, was bei A. Zahner in der Welt der architektonischen Metalle los ist, aber es unterstreicht die Tatsache, dass Metall leicht übersehen wird, wenn es darum geht, eine Aussage zu machen. Viel zu lange war es für die Menschen in Ordnung, einfach Farbe zu verwenden, um die Oberfläche zu schützen oder der Metalloberfläche ein optisches Highlight zu verleihen. Das muss nicht sein.

Zahner sagte, dass A. Zahner sich weiterhin mit der Robotik befassen werde, um strukturierte Formen auf Metall zu bringen, die manuell kaum zu bewerkstelligen wären. Er erwähnte auch, dass Nanobeschichtungen entstehen werden, die Materialschutz bieten und dem Metall im Laufe der Zeit ein vorhersehbareres Finish verleihen.