Het Hybrid Flax Pavilion demonstreert de toepassing van een innovatief hybride bouwsysteem van hout en natuurlijke vezels als alternatief voor conventionele bouwtechnieken. Het paviljoen is ontwikkeld door het kenniscluster “Integrative Computational Design and Construction for Architecture” (IntCDC) van de Universiteit van Stuttgart en is ontworpen als centrale tentoonstellingsruimte voor de tuinbouwtentoonstelling Landesgartenschau 2024 aan de oevers van de rivier de Argen in Wangen im Allgäu, Duitsland.
Het hybride systeem combineert cross-laminated timber (CLT) en robotisch gewikkelde vlasvezels om een grondstoffenefficiënt gebouw te maken van regionale en biogebaseerde materialen. Bovendien heeft het ontwerp van het paviljoen een duidelijk lokale connectie - vlas werd oorspronkelijk verwerkt in een historische spinnerij in het westen van de stad Wangen (de molen is gerenoveerd als onderdeel van de Landesgartenschau).
Eerste hybride structuur die CLT en vlasvezel combineert
Het Hybrid Flax Pavilion, een permanente tentoonstellingsruimte, bestaat uit een golvende dakstructuur en een ronde glazen gevel die uitzicht biedt in alle richtingen. In het hart van het paviljoen doet een klimaattuin dienst als binnenplaats en zorgt voor dwarsventilatie en koeling. De geothermisch geactiveerde vloerplaat van het gebouw is gemaakt van gerecycled beton en koolstofarm cement, waardoor het hele jaar door binnencomfort wordt gegarandeerd.
Het driedimensionale dak is ongetwijfeld het meest opvallende kenmerk van het paviljoen. De constructie is de eerste hybride structuur ooit die kruislings gelamineerde houten platen combineert met natuurlijke vezels. De golfachtige vorm van het dak is gemaakt van twintig hybride componenten die worden afgewisseld met normale houten platen en een tentoonstellingsruimte van 380 vierkante meter bedekken. “Het doel van dit nieuwe hybride bouwsysteem is om een uitgestrekte kolomvrije ruimte te realiseren en tegelijkertijd het materiaalgebruik te minimaliseren door gebruik te maken van de synergie tussen hout en natuurlijke vezelcomposieten”, aldus IntCDC.
IntCDC ontwikkelde een systeem dat de principes van circulair bouwen volgt, zodat materialen kunnen worden gescheiden, gesorteerd, hergebruikt en/of gerecycled.
Het gebruik van integratieve computermethoden (waaronder computeralgoritmen en simulaties) in het ontwerp van het paviljoen zorgt voor de naadloze assimilatie van informatie van specialisten uit verschillende disciplines en helpt zo onderzoek en industrie met elkaar te verbinden. “Deze aanpak omvat niet alleen het ontwerp van hybride vezel-hout componenten, maar houdt ook rekening met interfaces met conventionele bouwelementen zoals de gevel en het dak, rekening houdend met hun onderling verbonden geometrische en constructieve vereisten,” aldus IntCDC. Een flexibele en iteratieve ontwerpbenadering zorgde ervoor dat er in elk stadium aanpassingen konden worden gemaakt - het ontwerp, de productie en de bouw van het paviljoen werden in slechts twaalf maanden voltooid. “In de geest van kennisoverdracht in twee richtingen tussen baanbrekend onderzoek en bouwbedrijven, laat het gebouw ook zien hoe zeer innovatieve architectuur kan worden gebouwd door regionale, kleine ondernemingen en bekwame ambachtslieden,” voegt IntCDC toe. Dankzij een geïntegreerd computationeel ontwerp en nauwkeurige prefabricage werd het plafond van het paviljoen ter plaatse in acht dagen in elkaar gezet.
Een hybride bouwsysteem dat natuurlijke vezels gebruikt
De hybride van vlasvezel en hout maximaliseert de specialistische kwaliteiten van beide materialen, waardoor lichtgewicht, praktische en optimale bouwcomponenten ontstaan. “De hybride componenten zijn gericht op een eenvoudig ondersteunde, balkachtige structuur met een variabele structurele hoogte,” zegt IntCDC. "De vezellichaam vormt een bodemoppervlak dat voornamelijk spanningsbelastingen draagt, terwijl het houten paneel de compressiekrachten beheert en het oppervlak vormt voor de dakbedekking. Samen zorgen ze voor de sterkte en stijfheid die nodig is om de hoge sneeuwbelasting aan de voet van de Alpen te dragen."
Het ontwerp van de vezellichaam bestaat uit een reeks opeenvolgend gewikkelde natuurlijke vlasvezellagen. IntCDC legt uit: "De primaire ruggengraatlaag lijnt uit met de richting van de balk en fungeert als een bodemkoord in het midden van de overspanning. De waaierlaag verspreidt de belastingen geleidelijk naar de randsteunen, terwijl de visueel dominante rasterlagen een uniform vezelnet creëren om de vereiste structurele integriteit te bereiken.Twee extra hoekwapeningslagen verbeteren de vezelinteractie en zorgen voor extra wapening in structureel kritieke gebieden."
De hybride vezel-hout onderdelen hebben een overspanning van 8,6 meter tussen lineaire steunen. CLT-panelen met een dikte van 120 millimeter vormen het primaire geraamte en creëren het golvende aspect van het dak. De vlasvezellichamen worden met schroeven onder elke tweede CLT-plaat bevestigd, waardoor de hybride componenten ontstaan.
De kloof tussen onderzoek en industrie overbruggen
Bij de ontwikkeling en productie van de vezelelementen is gebruik gemaakt van een kernloos filament winding proces. Kernloos wikkelen van filamenten wordt beschreven als “een fabricagemethode die vertrouwt op de anisotrope mechanische eigenschappen van vrij liggende vezels die rond steunen in de ruimte worden gewikkeld om efficiënte dragende structuren te maken zonder dat er mallen of matrijzen nodig zijn” (Bodea, 2023). Het wikkelframe wordt samen met het vezelelement ontworpen: “Het uiteindelijke vezellichaam van het element ontstaat tijdens het wikkelproces als de evenwichtstoestand van alle op elkaar inwerkende vezelsegmenten”, aldus IntCDC. De unieke geometrische vorm maakt gebruik van positieve oppervlaktekrommingen door gebieden met zowel positieve als negatieve Gaussische kromming te gebruiken.
Hier “bevat het wikkelframe een ‘ruggengraat’ die de positieve kromming van het onderdeel in de lengterichting mogelijk maakt, evenals negatieve kromming, structurele diepte en krommingsstraal in de dwarsdoorsnede, terwijl het de noodzakelijke structuur biedt om het frame zelfdragend te maken”, legt IntCDC uit.
Tests van de geometrie, vezelpatronen en fabricageprocessen werden uitgevoerd aan de Universiteit van Stuttgart met behulp van een 6-assige robotarm met een aangepaste eindeffector (zoiets als de robot een hand en vingers geven). Na voltooiing werd het definitieve ontwerp overgedragen aan een industriële partner voor serieproductie met behulp van een 5-assige industriële draadwindmachine. “Fabricageplanning werd direct geïntegreerd in het computationele ontwerpproces, waardoor de workflow van ontwerp tot fabricage werd gestroomlijnd en de kloof tussen onderzoek en industrie met succes werd overbrugd”, aldus IntCDC.
Professor Achim Menges, directeur van het Cluster of Excellence IntCDC, zegt: “Het Hybrid Flax Pavilion is het resultaat van vele jaren onderzoek en laat zien hoe biogebaseerde materialen en biogeïnspireerde structuren nieuwe wegen kunnen openen voor regeneratieve en expressieve architectuur.”
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
Referentie:
Bodea, S. (2023) Upscaled, robotic coreless filament winding methods for lightweight building elements for architecture, OPUS: Universität Stuttgart. Beschikbaar op:
http://dx.doi.org/10.18419/opus-13450 (Accessed: 29 May 2024).
