Le dernier projet de pavillon de recherche de l'ITECH pose la question : « Comment la technologie peut-elle favoriser une intégration équilibrée des ressources naturelles pour faire progresser les systèmes architecturaux régénératifs ? » La forme unique du pavillon démontre une nouvelle approche de l'architecture hybride biosourcée : combinant des matériaux de construction traditionnels avec des matériaux biosourcés, le Pavillon de Recherche ITECH 2024 présente l'amalgame du bois et des fibres naturelles dans une forme imaginative.
Le projet considère les possibilités architecturales qui résultent des caractéristiques complémentaires du bois et de la fibre naturelle : la résistance à la compression et la flexibilité du bois sont intégrées aux qualités de traction et à la polyvalence de la fibre naturelle, ce qui permet une approche originale de la conception et de la fabrication de structures hybrides légères et performantes.
Le Pavillon de recherche ITECH 2024 a été réalisé grâce à la co-conception de nouvelles méthodes de conception computationnelle avec des processus de fabrication multi-robots. L'approche hybride bois-fibre repousse les limites de l'innovation matérielle et offre une voie régénératrice en termes de techniques de construction positives pour le climat.
Cette dernière recherche s'appuie sur une série de pavillons innovants (par exemple, le pavillon du lin hybride) développés à l'Institut pour la conception et la construction computationnelles (ICD) et à l'Institut des structures de bâtiments et de la conception structurelle (ITKE) de l'Université de Stuttgart.
Le pavillon de recherche ITECH 2024 a été conçu et développé par des étudiants et des chercheurs du programme interdisciplinaire ITECH MSc (Integrative Technologies & Architectural Design Research) du pôle d'excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) de l'université de Stuttgart.
Le pavillon de recherche ITECH est situé sur le campus Stadtgarten de l'université.
Hybride bois-fibre régénérateur
« Dans le contexte de la crise environnementale et de l'épuisement des ressources, les architectes doivent non seulement s'efforcer d'atténuer l'impact de leurs projets, mais aussi viser des approches plus holistiques qui contribuent à restaurer et à améliorer l'environnement naturel », déclare ITECH/ICD/ITKE. « Il est essentiel de passer des matériaux synthétiques et de la fabrication à forte consommation d'énergie à des ressources renouvelables et à des méthodes de fabrication plus efficaces.
Le bois joue un rôle fondamental dans la construction depuis des millénaires. Aujourd'hui, ce matériau naturel est de plus en plus reconnu pour sa capacité à séquestrer le carbone et à réduire l'empreinte carbone du secteur de la construction. Le bois est une ressource renouvelable, mais des facteurs clés tels que le taux de croissance et la qualité sont affectés par le changement climatique, ce qui souligne la nécessité d'une gamme de biomatériaux dans le secteur de la construction.
« Alors qu'il faut 30 à 60 ans pour que le bois de résineux typique atteigne une section transversale exploitable pour une utilisation industrielle, les cultures de fibres peuvent être cultivées en quantités importantes en 120 jours environ », explique ITECH/ICD/ITKE.
La recherche montre que les composites fibres naturelles-polymères (NFPC) peuvent être utilisés pour les structures porteuses. Les fibres de lin (provenant d'Europe) ont plusieurs propriétés remarquables par rapport à d'autres fibres naturelles, notamment : une résistance élevée à la traction, la légèreté, la capacité d'absorber l'humidité et une bonne conductivité thermique.
L'utilisation par le pavillon de recherche de l'ITECH d'un composite fibre de lin-polymère combiné à du bois d'œuvre illustre les avantages de ces deux matériaux dans un système hybride. Le projet utilise également une résine partiellement biosourcée comme alternative écologique aux polymères plus conventionnels à base de pétrole : « Le choix s'est porté sur une résine époxy contenant 56 % de matériaux d'origine biologique. Cette étape représente un progrès vers la construction à l'échelle architecturale avec un CNPA entièrement biosourcé », déclare ITECH/ICD/ITKE.
Co-conception d'un système hybride performant
Le système hybride du pavillon démontre le potentiel morphologique qui résulte de la combinaison du bois et du NFPC. La nature volumétrique du bois est explorée sous la forme de plaques de toit ; le fraisage des bords de chaque plaque fournit une interface avec les fibres. En utilisant un processus d'enroulement filamentaire sans âme, les fibres sont placées autour d'ancrages mécaniques fixés sur une charpente en bois. Ce projet a fait appel à la collaboration de deux robots pour relever le défi de l'utilisation du bois comme cadre intégré. Dans les colonnes, les fines tiges de bois qui servent de cadre aux fibres risquent de se briser sous l'effet d'une tension trop forte : un dispositif d'enroulement à deux robots permet de résoudre ce problème, les deux robots s'enroulant simultanément de part et d'autre de la même tige de bois.
« Pendant le processus de fabrication, le bois soutient les fibres », explique ITECH/ICD/ITKE. « Une fois durcis, les deux matériaux travaillent ensemble, se renforçant mutuellement et jouant un rôle essentiel dans le maintien de l'intégrité spatiale de la structure. » Cette approche permet d'étendre la fonctionnalité du bois au-delà de sa capacité structurelle établie, d'améliorer l'efficacité de la fabrication sur des sites hors site et de réduire les déchets de fabrication.
Le système développé se présente sous la forme de colonnes et de plaques de toit, ce qui permet à la structure de s'étendre verticalement et horizontalement. « Les colonnes sont formées en plaçant des groupes d'entretoises en bois dans une disposition spatiale radiale, où le bois agit comme des tiges de compression et les fibres comme des câbles de tension et des contreventements externes, assurant la redondance et la stabilité de la structure », explique ITECH/ICD/ITKE. « Les plaques de toit sont composées d'un ensemble d'entretoises en bois fixées sous une plaque de bois, d'un cordon de fibres et d'un treillis de fibres. La géométrie simple des plaques de toit a nécessité l'utilisation d'un seul robot pour la fabrication des cinq plaques.
Les diverses connexions du pavillon sont conçues pour faciliter le démontage grâce à des joints détachables et à une réduction des connexions mécaniques par des joints encastrés.
Les plaques de bois sont reliées par des joints à recouvrement vissés en croix ; les points de fibre permettent des connexions sur place entre les bords de fibre à l'aide de joints boulonnés.
Les connexions encastrées à l'extrémité des montants et sur les joints à entures multiples facilitent l'interface entre la fibre et le bois.
Le processus de co-conception intégré du projet combine les concepts développés dans un flux de travail numérique itératif. Ce processus génère des fichiers de fabrication à partir d'un processus rationalisé de la conception à l'assemblage. Ainsi, le potentiel structurel de chaque matériau est exploité, ce qui permet de créer une morphologie complexe et très performante.
Détails techniques
L'auvent à trois pieds du pavillon est conçu pour résister à 1,5 fois son propre poids ainsi qu'à 1,5 fois la charge du vent (en tenant compte des forces horizontales et ascendantes). « La géométrie finale a été discrétisée en tenant compte des directions optimales des fibres du bois et des portées souhaitées », explique ITECH/ICD/ITKE. « Il en est résulté trois éléments de colonne, deux travées à deux voies et trois plaques de toit à une voie. Les éléments convergent à un angle maximal de dix degrés, ce qui facilite l'évacuation des eaux de pluie.
Le pavillon couvre une surface de 45 mètres carrés (484 pieds carrés) et pèse 966 kilogrammes (2 130 livres). Les travées principales s'étendent sur 5 mètres (16 pieds) et 7,5 mètres (25 pieds).
La structure est composée des matériaux suivants 41,5 kilomètres de fibres de lin ; 1,75 mètre cube de plaques de bois de résineux à trois couches de 42 millimètres d'épaisseur ; 0,096 mètre cube d'entretoises en bois dur.
La structure principale a été assemblée en deux jours ; la membrane du toit et les fondations ont été réalisées au cours d'une semaine supplémentaire.
Résumé
Le pavillon de recherche ITECH 2024 démontre le potentiel des systèmes hybrides biosourcés en architecture.
« En tant que démonstrateur de recherche, le pavillon représente une étape vers une nouvelle culture des biomatériaux qui intègre la résistance du bois et des fibres naturelles dans un système structurel cohésif », explique ITECH/ICD/ITKE. « En tirant parti des propriétés complémentaires de ces deux matériaux, la recherche vise à trouver des solutions de construction durable et à élargir les possibilités de conception des hybrides biosourcés dans l'architecture. »
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
