Il padiglione Hybrid Flax dimostra l'applicazione di un innovativo sistema di costruzione ibrido in legno e fibre naturali come alternativa alle tecniche di costruzione convenzionali. Sviluppato dal Cluster of Excellence “Integrative Computational Design and Construction for Architecture” (IntCDC) dell'Università di Stoccarda, il padiglione è stato progettato come spazio espositivo centrale per la mostra orticola Landesgartenschau 2024 sulle rive del fiume Argen a Wangen im Allgäu, in Germania.
Il sistema ibrido combina il legno a strati incrociati (CLT) e la fibra di lino avvolta roboticamente per creare un edificio efficiente dal punto di vista delle risorse, realizzato con materiali regionali e biobased. Inoltre, il progetto del padiglione ha un legame decisamente locale: il lino veniva originariamente lavorato in una storica filanda nella zona ovest della città di Wangen (la filanda è stata ristrutturata come parte del Landesgartenschau).
La prima struttura ibrida che combina CLT e fibra di lino
Spazio espositivo permanente, il Padiglione ibrido del lino è costituito da una struttura di copertura ondulata e da una facciata circolare in vetro che offre una vista in tutte le direzioni. Al centro del padiglione, un giardino climatico funge da cortile interno e facilita la ventilazione trasversale e il raffreddamento. La soletta dell'edificio, ad attivazione geotermica, è realizzata in calcestruzzo riciclato e cemento a basse emissioni di carbonio, per garantire il comfort interno tutto l'anno.
Il tetto tridimensionale è senza dubbio la caratteristica principale del padiglione. Realizzata con l'avvolgimento di filamenti di lino senza anima, la sua costruzione è la prima struttura ibrida in assoluto a combinare piastre di legno a strati incrociati con corpi in fibra naturale. La forma ondulata del tetto è realizzata con venti componenti ibridi che si alternano alle normali lastre di legno, coprendo uno spazio espositivo di 380 metri quadrati. “L'obiettivo di questo nuovo sistema costruttivo ibrido è quello di ottenere uno spazio ampio e privo di colonne riducendo al minimo l'uso di materiali, sfruttando così la sinergia tra legno e fibre naturali composite”, spiega IntCDC.
IntCDC ha sviluppato un sistema che segue i principi della costruzione circolare, garantendo che i materiali possano essere separati, selezionati, riutilizzati e/o riciclati.
L'uso di metodi computazionali integrativi (che prevedono algoritmi e simulazioni al computer) nella progettazione del padiglione assicura l'assimilazione senza soluzione di continuità delle informazioni provenienti da specialisti di diverse discipline, contribuendo così a collegare ricerca e industria. “Questo approccio comprende non solo la progettazione dei componenti ibridi in fibra di legno, ma considera anche le interfacce con gli elementi costruttivi convenzionali, come la facciata e il tetto, tenendo conto dei loro requisiti geometrici e costruttivi interconnessi”, spiega l'IntCDC. Un approccio progettuale flessibile e iterativo ha permesso di apportare modifiche in ogni fase: la progettazione, la produzione e la costruzione del padiglione sono state completate in soli dodici mesi. “Nello spirito del trasferimento bidirezionale delle conoscenze tra ricerca d'avanguardia e imprese di costruzione, l'edificio dimostra anche come un'architettura altamente innovativa possa essere costruita da piccole imprese regionali e da artigiani specializzati”, aggiunge l'IntCDC. Grazie alla progettazione computazionale integrata e alla prefabbricazione precisa, il soffitto del padiglione è stato assemblato in loco in otto giorni.
Un sistema costruttivo ibrido che utilizza fibre naturali
L'ibrido di fibre di lino e legno massimizza le qualità specialistiche di entrambi i materiali, creando componenti edilizi leggeri, pratici e ottimali. “I componenti ibridi mirano a ottenere una struttura a trave semplicemente supportata con un'altezza strutturale variabile”, spiega IntCDC. "Il corpo in fibra forma una superficie inferiore che sopporta principalmente carichi di tensione, mentre il pannello in legno gestisce le forze di compressione e costituisce la superficie per la copertura del tetto. Insieme forniscono la resistenza e la rigidità necessarie per sostenere gli elevati carichi di neve ai piedi delle Alpi".
Il design del corpo in fibra comprende una serie di strati di fibra di lino naturale avvolti in sequenza. IntCDC spiega che: "Lo strato primario della spina dorsale si allinea con la direzione della trave, fungendo da cordone di fondo al centro della campata. Lo strato a ventaglio disperde gradualmente i carichi verso i sostegni di bordo, mentre gli strati reticolari, visivamente dominanti, creano una maglia di fibre uniforme per raggiungere l'integrità strutturale richiesta. Due ulteriori strati di rinforzo angolari migliorano l'interazione tra le fibre e forniscono un rinforzo supplementare nelle aree strutturalmente critiche".
I componenti ibridi in fibra di legno coprono una luce di 8,6 metri (28 piedi) tra i supporti lineari. I pannelli in CLT con uno spessore di 120 millimetri costituiscono l'ossatura primaria e creano l'aspetto ondulato del tetto. I corpi in fibra di lino sono fissati con viti sotto ogni seconda lastra di CLT, realizzando così i componenti ibridi.
Colmare il divario tra ricerca e industria
Per lo sviluppo e la produzione degli elementi in fibra è stato utilizzato un processo di avvolgimento di filamenti senza nucleo. L'avvolgimento di filamenti coreless è descritto come “un metodo di fabbricazione che si basa sulle proprietà meccaniche anisotrope delle fibre a diffusione libera avvolte attorno a supporti nello spazio per creare strutture portanti efficienti senza bisogno di stampi o matrici” (Bodea, 2023).Il telaio di avvolgimento è co-progettato insieme all'elemento in fibra: “Il corpo finale dell'elemento emerge nel processo di avvolgimento come stato di equilibrio di tutti i segmenti di fibra che interagiscono”, spiega IntCDC. La sua forma geometrica unica utilizza curvature superficiali positive impiegando aree di curvatura gaussiana sia positiva che negativa.
In questo caso, “il telaio di avvolgimento include una ‘spina dorsale’ che consente la curvatura positiva del componente in direzione longitudinale, nonché la curvatura negativa, la profondità strutturale e il raggio di curvatura nella sua sezione trasversale, il tutto fornendo la struttura necessaria per rendere il telaio autoportante”, spiega IntCDC.
I test sulla geometria, sui modelli di fibra e sui processi di fabbricazione sono stati eseguiti presso l'Università di Stoccarda, utilizzando un braccio robotico a 6 assi con un effettore finale personalizzato (una sorta di mano e dita). Una volta completato, il progetto finale è stato trasferito a un partner industriale per la produzione in serie, utilizzando una macchina industriale a 5 assi per l'avvolgimento dei filamenti. “La pianificazione della fabbricazione è stata integrata direttamente nel processo di progettazione computazionale, semplificando il flusso di lavoro dalla progettazione alla fabbricazione e colmando con successo il divario tra ricerca e industria”, spiega l'IntCDC.
Il professor Achim Menges, direttore del Cluster of Excellence IntCDC, afferma: “Il Padiglione ibrido di lino è il risultato di molti anni di ricerca e dimostra come i materiali a base biologica e le strutture bio-ispirate possano aprire nuove strade per un'architettura rigenerativa ed espressiva.”
Project partners
Cluster of Excellence IntCDC – Integrative Computational Design and Construction for Architecture, University of Stuttgart
Institute for Computational Design and Construction (ICD): Prof. Achim Menges, Rebeca Duque Estrada, Monika Göbel, Harrison Hildebrandt, Fabian Kannenberg, Christoph Schlopschnat, and Christoph Zechmeister
Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE): Prof. Dr. Jan Knippers, Tzu-Ying Chen, Gregor Neubauer, Marta Gil Pérez, and Valentin Wagner
With support of: Daniel Bozo, Minghui Chen, Peter Ehvert, Alan Eskildsen, Alice Fleury, Sebastian Hügle, Niki Kentroti, Timo König, Laura Marsillo, Pascal Mindermann, Ivana Trifunovic, and Weiqi Xie
Landesgartenschau Wangen im Allgäu 2024 GmbH
Stadt Wangen im Allgäu
HA-CO Carbon GmbH: Siegbert Pachner, Dr. Oliver Fischer, and Danny Hummel
STERK abbundzentrum GmbH: Klaus Sterk, Franz Zodel, and Simon Sterk
FoWaTec GmbH: Sebastian Forster
Biedenkapp Stahlbau GmbH: Stefan Weidle, Markus Reischmann, and Frank Jahr
Harald Klein Erdbewegungen GmbH
Riferimento:
Bodea, S. (2023) Metodi di avvolgimento robotizzato di filamenti senza anima per elementi costruttivi leggeri per l'architettura, OPUS: Universität Stuttgart. Disponibile a:
http://dx.doi.org/10.18419/opus-13450 (Accessed: 29 May 2024).
