Das neueste Projekt des ITECH-Forschungspavillons stellt die Frage: „Wie kann Technologie eine ausgewogene Integration natürlicher Ressourcen vorantreiben, um regenerative architektonische Systeme zu fördern?“ Die einzigartige Form des Pavillons zeigt einen neuartigen Ansatz für biobasierte Hybrid-Architektur: Der ITECH-Forschungspavillon 2024 kombiniert traditionelle Baustoffe mit biobasierten Materialien und präsentiert die Verschmelzung von Holz und Naturfasern in einer fantasievollen Form.
Das Projekt befasst sich mit den architektonischen Möglichkeiten, die sich aus den komplementären Eigenschaften von Holz und Naturfasern ergeben: Die Druckfestigkeit und Flexibilität von Holz wird mit den Dehnungseigenschaften und der Vielseitigkeit von Naturfasern kombiniert und ermöglicht so einen originellen Ansatz für den Entwurf und die Herstellung von leichten, performativen Hybridstrukturen.
Der ITECH-Forschungspavillon 2024 wurde durch die gemeinsame Entwicklung neuer rechnergestützter Entwurfsmethoden mit Multi-Roboter-Fertigungsverfahren realisiert. Der Holz-Faser-Hybrid-Ansatz verschiebt die Grenzen der Materialinnovation und bietet einen regenerativen Weg in Bezug auf klimapositive Bautechniken.
Diese jüngste Forschungsarbeit baut auf einer Reihe innovativer Pavillons auf (z. B. dem Hybridflachs-Pavillon), die am Institut für rechnergestütztes Entwerfen und Konstruieren (ICD) und dem Institut für Baukonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart entwickelt wurden.
Der ITECH-Forschungspavillon 2024 wurde von Studenten und Forschern des interdisziplinären ITECH-MSc-Programms (Integrative Technologies & Architectural Design Research) am Exzellenzcluster Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) der Universität Stuttgart entworfen und entwickelt.
Der ITECH-Forschungspavillon befindet sich auf dem Campus Stadtgarten der Universität.
Regeneratives Holz-Faser-Hybrid
„Vor dem Hintergrund der Umweltkrise und der Verknappung der Ressourcen müssen Architekten nicht nur versuchen, die Auswirkungen ihrer Entwürfe zu mildern, sondern auch ganzheitliche Ansätze verfolgen, die zur Wiederherstellung und Verbesserung der natürlichen Umwelt beitragen“, so ITECH/ICD/ITKE. „Der Übergang von synthetischen Materialien und energieintensiver Herstellung zu erneuerbaren Ressourcen und effizienteren Herstellungsmethoden ist von entscheidender Bedeutung.“
Holz spielt seit Jahrtausenden eine grundlegende Rolle im Bauwesen. Heute wird dieses natürliche Material zunehmend für seine Fähigkeit anerkannt, Kohlenstoff zu binden und den Kohlenstoff-Fußabdruck des Bausektors zu verringern. Holz ist eine erneuerbare Ressource, aber Schlüsselfaktoren wie Wachstumsrate und Qualität werden durch den Klimawandel beeinträchtigt - dies unterstreicht den Bedarf an einer Reihe von Biomaterialien für den Bausektor.
„Während typisches Nadelholz 30 bis 60 Jahre benötigt, um einen für die industrielle Nutzung geeigneten Erntequerschnitt zu erreichen, können Faserpflanzen innerhalb von etwa 120 Tagen in nennenswerten Mengen angebaut werden“, sagt ITECH/ICD/ITKE.
Die Forschung zeigt, dass Naturfaser-Polymer-Verbundwerkstoffe (NFPC) für tragende Strukturen verwendet werden können. Flachsfasern (aus Europa) haben im Vergleich zu anderen Naturfasern mehrere bemerkenswerte Eigenschaften: hohe Zugfestigkeit, geringes Gewicht, Fähigkeit zur Feuchtigkeitsaufnahme und gute Wärmeleitfähigkeit.
Der ITECH-Forschungspavillon verwendet einen Flachsfaser-Polymer-Verbundwerkstoff in Kombination mit Holz, um die Vorteile dieser beiden Materialien in einem Hybridsystem zu demonstrieren. Bei dem Projekt wird auch ein teilweise biobasiertes Harz als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen erdölbasierten Polymeren verwendet: „Es wurde ein Epoxidharz gewählt, das zu 56 Prozent aus biobasiertem Material besteht. Dieser Schritt stellt einen Fortschritt auf dem Weg zum Bauen im architektonischen Maßstab mit einem vollständig biobasierten NFPC dar“, so ITECH/ICD/ITKE.
Mitgestaltung eines performativen Hybridsystems
Das Hybridsystem des Pavillons demonstriert das morphologische Potenzial, das sich aus der Kombination von Holz und NFPC ergibt. Die volumetrische Natur des Holzes wird in Form von Dachplatten erforscht; das Fräsen der Kanten jeder Platte bildet eine Schnittstelle mit den Fasern. Mit Hilfe eines kernlosen Wickelverfahrens werden die Fasern um mechanische Anker gelegt, die an einem Holzrahmen befestigt sind. Bei diesem Projekt wurde die Herausforderung, Holz als eingebetteten Rahmen zu verwenden, in Zusammenarbeit mit zwei Robotern bewältigt. In den Säulen könnten die schlanken Holzstreben, die den Rahmen für die Fasern bilden, durch zu viel Spannung brechen: Dieses Problem wird durch eine Wickelanordnung mit zwei Robotern gelöst, bei der beide Roboter gleichzeitig auf gegenüberliegenden Seiten derselben Holzstrebe wickeln.
„Während des Herstellungsprozesses unterstützt das Holz die Fasern“, sagt ITECH/ICD/ITKE. „Sobald sie ausgehärtet sind, arbeiten beide Materialien zusammen, unterstützen sich gegenseitig und tragen wesentlich dazu bei, die räumliche Integrität der Struktur zu erhalten.“ Dieser Ansatz erweitert die Funktionalität von Holz über seine etablierte strukturelle Kapazität hinaus, verbessert die Effizienz der Fertigung an externen Standorten und reduziert den Produktionsabfall.
Das entwickelte System besteht aus Stützen und Dachplatten, die eine vertikale und horizontale Ausdehnung der Struktur ermöglichen. „Die Stützen werden gebildet, indem Gruppen von Holzstreben in einer radialen räumlichen Anordnung platziert werden, wobei das Holz als Druckstäbe und die Fasern als Zugseile und externe Verstrebungen fungieren und so die strukturelle Redundanz und Stabilität gewährleisten“, erklärt ITECH/ICD/ITKE. „Die Dachplatten bestehen aus einer Reihe von Holzstreben, die unter einer Holzplatte befestigt sind, einem Faserseil und einem Fasernetz.“ Die einfache Geometrie der Dachplatten erforderte den Einsatz eines Roboters für die Herstellung aller fünf Platten.
Die vielfältigen Verbindungen des Pavillons sind so konzipiert, dass die Demontage durch lösbare Verbindungen und eine Reduzierung der mechanischen Verbindungen durch eingebettete Fugen erleichtert wird.
Die Holzplatten werden über kreuzweise geschraubte Überlappungsverbindungen verbunden; Fasernähte ermöglichen vor Ort Verbindungen zwischen Faserkanten durch Schraubverbindungen.
Eingebettete Verbindungen am Ende der Streben und an den Keilzinkenverbindungen ermöglichen eine Schnittstelle zwischen Faser und Holz.
Der Pavillon erstreckt sich über eine Fläche von 45 Quadratmetern und wiegt 966 Kilogramm (2.130 Pfund). Die Hauptspannweiten erstrecken sich über 5 Meter und 7,5 Meter.
Die Materialzusammensetzung des Bauwerks besteht aus: 41,5 Kilometer Flachsfaserstränge; 1,75 Kubikmeter dreischichtige Weichholzplatten mit einer Dicke von 42 Millimetern; 0,096 Kubikmeter Hartholzverstrebungen.
Die Hauptstruktur wurde in zwei Tagen montiert; die Dachmembran und das Fundament wurden dann im Laufe einer weiteren Woche fertiggestellt.
Zusammenfassung
Der ITECH-Forschungspavillon 2024 demonstriert das Potenzial biobasierter Hybridsysteme in der Architektur.
„Als Forschungsdemonstrator stellt der Pavillon einen Schritt in Richtung einer neuen Biowerkstoffkultur dar, die die Festigkeit von Holz mit Naturfasern in ein zusammenhängendes Struktursystem integriert“, so ITECH/ICD/ITKE. „Durch die Nutzung der komplementären Eigenschaften dieser beiden Materialien zielt die Forschung darauf ab, nachhaltige Konstruktionslösungen zu entwickeln und die Gestaltungsmöglichkeiten von biobasierten Hybriden in der Architektur zu erweitern.“
Project partners
Institute for Computational Design and Construction – ICD
Rebeca Duque Estrada, Fabian Kannenberg, Prof. Achim Menges
Institute of Building Structures and Structural Design – ITKE
Tzu-Ying Chen, Yanan Guo, Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers
Concept & System Development – ITECH Class of 2024
Kalaivanan Amudhan, Hamed Behmanesh, Clara Blum, Yagmur Bulut, Cornelius Carl, Paula Castel, Minghui Chen, Luisa Claus, Matthias Hornung, Che Chen Hu, Mohammad Mahdi Jafari, Simon Joller, Donghwi Kang, Arindam Katoch, Niki Kentroti, Rabih Koussa, Otto Lindstam, Luiza Longo, Samuel Losi, Laura Marsillo, Gonzalo Muñoz Guerrero, Kumaraguru Rangaraj Venkatachalam, Markus Renner, Seyedehgelareh Sanei, Jonathan Schill, Zahra Shakeri, Shirin Shevidi, Ceren Tüfek, Aysima Yavuz, Ali Zolfaghari.
Robotic Fabrication – ITECH Class of 2024
Kalaivanan Amudhan, Hamed Behmanesh, Clara Blum, Yagmur Bulut, Cornelius Carl, Paula Castel, Luisa Claus, Che Chen Hu, Mohammad Mahdi Jafari, Simon Joller, Donghwi Kang, Niki Kentroti, Otto Lindstam, Luiza Longo, Samuel Losi, Laura Marsillo, Gonzalo Muñoz Guerrero, Kumaraguru Rangaraj Venkatachalam, Zahra Shakeri, Shirin Shevidi, Ceren Tüfek, Aysima Yavuz, Ali Zolfaghari.
With support of:
Philip Duncan, Sven Hänzka, Harrison Hildebrandt, Renan Prandini, Michael Preisack, Michael Schneider, Katja Rinderspacher & Christoph Zechmeister
Student assistance: YuLun Chiu, Kai-Jie Kwang & Nicolas Pousa
Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture – IntCDC
