Het nieuwste ITECH Research Pavilion project stelt de vraag: “Hoe kan technologie een evenwichtige integratie van natuurlijke hulpbronnen stimuleren om regeneratieve architecturale systemen te bevorderen?” De unieke vorm van het paviljoen demonstreert een nieuwe benadering van biogebaseerde hybride architectuur: het ITECH Research Pavilion 2024 combineert traditionele bouwmaterialen met biogebaseerde materialen en presenteert de samensmelting van hout en natuurlijke vezels in een fantasierijke vorm.
Het project onderzoekt de architectonische mogelijkheden die voortvloeien uit de complementaire eigenschappen van hout en natuurlijke vezels: de druksterkte en flexibiliteit van hout wordt geïntegreerd met de treksterkte en veelzijdigheid van natuurlijke vezels, waardoor een originele benadering van het ontwerp en de fabricage van lichtgewicht, performatieve hybride structuren mogelijk wordt.
Het ITECH Research Pavilion 2024 werd gerealiseerd door het co-ontwerpen van nieuwe computationele ontwerpmethoden met multi-robot fabricageprocessen. De houtvezel-hybride benadering verlegt de grenzen van materiaalinnovatie en biedt een regeneratieve route in termen van klimaatpositieve bouwtechnieken.
Dit nieuwste onderzoek bouwt voort op een reeks innovatieve paviljoens (bijvoorbeeld het Hybrid Flax Pavilion) ontwikkeld aan het Institute for Computational Design and Construction (ICD) en het Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE) aan de Universiteit van Stuttgart.
Het ITECH Onderzoekspaviljoen 2024 werd ontworpen en ontwikkeld door studenten en onderzoekers van het interdisciplinaire ITECH MSc Programma (Integrative Technologies & Architectural Design Research) aan het Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC), Universiteit van Stuttgart.
Het ITECH-onderzoekspaviljoen bevindt zich op de campus Stadtgarten van de universiteit.
Regeneratieve houtvezel hybride
“In de context van [een] milieucrisis en uitputting van hulpbronnen moeten architecten niet alleen streven naar het verminderen van de impact van hun ontwerpen, maar ook streven naar meer holistische benaderingen die de natuurlijke omgeving helpen herstellen en verbeteren,” zegt ITECH/ICD/ITKE. “De overgang van synthetische materialen en energie-intensieve productie naar hernieuwbare bronnen en efficiëntere productiemethoden is essentieel.
Hout speelt al duizenden jaren een fundamentele rol in de bouw. Tegenwoordig wordt dit natuurlijke materiaal steeds meer erkend om zijn vermogen om koolstof vast te leggen en de koolstofvoetafdruk van de bouwsector te verminderen. Hout is een hernieuwbare bron, maar belangrijke factoren zoals groeisnelheid en kwaliteit worden beïnvloed door klimaatverandering - dit onderstreept de behoefte aan een reeks biomaterialen in de bouwsector.
“Terwijl typisch zachthout 30 tot 60 jaar nodig heeft om een oogstbare dwarsdoorsnede te bereiken die geschikt is voor industrieel gebruik, kunnen vezelgewassen binnen ongeveer 120 dagen in aanzienlijke hoeveelheden worden gekweekt,” zegt ITECH/ICD/ITKE.
Onderzoek toont aan dat natuurlijke vezel-polymeer composieten (NFPC) kunnen worden gebruikt voor dragende constructies. Vlasvezels (afkomstig uit Europa) hebben een aantal opmerkelijke eigenschappen in vergelijking met andere natuurlijke vezels, waaronder: hoge treksterkte, lichtgewicht, vermogen om vocht te absorberen en goede thermische geleidbaarheid.
Het gebruik van een vlasvezel-polymeer composiet in combinatie met hout in het ITECH Research Pavilion toont de voordelen van deze twee materialen in een hybride systeem. Het project maakt ook gebruik van een gedeeltelijk biogebaseerde hars als milieuvriendelijk alternatief voor meer conventionele polymeren op basis van aardolie: “Er is gekozen voor een epoxyhars met 56 procent biogebaseerd materiaal. Deze stap betekent een vooruitgang in de richting van bouwen op architecturale schaal met een volledig biogebaseerde NFPC,” aldus ITECH/ICD/ITKE.
Co-ontwerp van een performatief hybride systeem
Het hybride systeem van het paviljoen demonstreert het morfologische potentieel dat ontstaat door hout en NFPC te combineren. De volumetrische aard van hout wordt onderzocht in de vorm van dakplaten; het frezen van de randen van elke plaat zorgt voor een interface met de vezels. Met behulp van een kernloos wikkelproces worden de vezels rond mechanische ankers geplaatst die op een houten frame zijn bevestigd. Bij dit project werd met twee robots samengewerkt om de uitdaging van het gebruik van hout als ingebed frame aan te gaan. In de kolommen zouden de slanke houten stutten die een frame vormen voor de vezels kunnen breken als gevolg van te veel spanning: een dubbele robotopstelling voor het wikkelen van de vezels biedt een oplossing voor dit probleem, waarbij beide robots tegelijkertijd aan weerszijden van dezelfde houten stut wikkelen.
“Tijdens het fabricageproces ondersteunt het hout de vezels,” zegt ITECH/ICD/ITKE. “Zodra ze zijn uitgehard, werken beide materialen samen, waardoor ze elkaar ondersteunen en essentieel zijn voor het behoud van de ruimtelijke integriteit van de constructie.” De benadering breidt de functionaliteit van hout uit tot buiten de gevestigde structurele capaciteit, verbetert de efficiëntie van de fabricage op externe locaties en vermindert productieafval.
Het ontwikkelde systeem heeft de vorm van kolommen en dakplaten, waardoor de constructie zowel verticaal als horizontaal kan uitzetten. “De kolommen worden gevormd door het plaatsen van groepen houten stutten in een radiale ruimtelijke opstelling, waarbij hout als compressiestaven en vezels als spankabels en externe versteviging fungeren, wat voor structurele redundantie en stabiliteit zorgt”, legt ITECH/ICD/ITKE uit. “De dakplaten bestaan uit een set houten stutten die onder een houten plaat zijn bevestigd, een vezelkoord en een vezelnet.” De eenvoudige geometrie van de dakplaten maakte het gebruik van één robot voor de fabricage van alle vijf de platen noodzakelijk.
De gevarieerde verbindingen van het paviljoen zijn ontworpen om demontage te vergemakkelijken door middel van verwijderbare verbindingen en een vermindering van mechanische verbindingen door middel van verankerde verbindingen.
Houten platen zijn verbonden door middel van kruislings geschroefde overlapverbindingen; vezelsteken maken verbindingen tussen vezelranden ter plaatse mogelijk door middel van boutverbindingen.
Ingebedde verbindingen aan het einde van de stutten en op vingerverbindingen vergemakkelijken een interface tussen vezels en hout.
Het geïntegreerde co-designproces van het project combineert de ontwikkelde concepten in een iteratieve digitale workflow. Deze workflow genereert fabricagebestanden van een gestroomlijnd ontwerp-tot-montageproces - hierdoor wordt het structurele potentieel van elk materiaal benut, waardoor een complexe, hoogwaardige morfologie ontstaat.
Technische details
De driepotige luifel van het paviljoen is ontworpen om 1,5 keer zijn eigen gewicht te weerstaan, evenals 1,5 keer de windbelasting (rekening houdend met opwaartse en horizontale krachten). “De uiteindelijke geometrie werd gediscretiseerd, rekening houdend met de optimale nerfrichting van hout en de gewenste overspanningen,” zegt ITECH/ICD/ITKE. “Dit resulteerde in drie kolomcomponenten, twee in twee richtingen overspannende en drie in één richting overspannende dakplaten.” De componenten convergeren onder een maximale hoek van tien graden, wat de afvoer van regenwater vergemakkelijkt.
Het paviljoen heeft een oppervlakte van 45 vierkante meter en weegt 966 kilogram. De hoofdoverspanningen strekken zich uit over 5 meter en 7,5 meter.
De materiaalsamenstelling van de constructie bestaat uit: 41,5 kilometer vlasvezelrovings; 1,75 kubieke meter (62 kubieke voet) 42 millimeter dikke drielaagse zachthouten houten platen; 0,096 kubieke meter (3,4 kubieke voet) hardhouten stutten.
De hoofdconstructie werd in twee dagen geassembleerd; het dakmembraan en de fundering werden in een extra week aangebracht.
Samenvatting
Het ITECH Research Pavilion 2024 toont het potentieel van biogebaseerde hybride systemen in de architectuur.
“Als onderzoeksdemonstrator vertegenwoordigt het paviljoen een stap in de richting van een nieuwe biomateriaalcultuur die de sterkte van hout integreert met natuurlijke vezels in een samenhangend constructiesysteem,” zegt ITECH/ICD/ITKE. “Door gebruik te maken van de complementaire eigenschappen van deze twee materialen wil het onderzoek duurzame bouwoplossingen bieden en de ontwerpmogelijkheden van biogebaseerde hybriden in de architectuur uitbreiden.”
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
