LivMatS biomimetischer Flachsfaser-Pavillon für die Öffentlichkeit zugänglich

Fertiggestellt und für die Öffentlichkeit zugänglich, das liv MatS Pavilion, eine biomimetische Struktur im Botanischen Garten der Universität Freiburg, soll eine tragfähige, ressourceneffiziente Alternative zu herkömmlichen Bauweisen bieten und damit einen wichtigen Schritt in Richtung Nachhaltigkeit in der Architektur darstellen. Darüber hinaus ist es nach Angaben des Projektteams das erste Gebäude mit einer tragenden Struktur, das vollständig aus robotergewickelter Flachsfaser besteht, einem natürlich erneuerbaren, biologisch abbaubaren und regional verfügbaren Material in Mitteleuropa.

Ermöglicht durch eine neuartige Kombination natürlicher Materialien und fortschrittlicher digitaler Technologien ist dieser Pavillon das Ergebnis der erfolgreichen Zusammenarbeit eines interdisziplinären Teams von Architekten und Ingenieuren des Masterstudiengangs ITECH am Exzellenzcluster „Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)“ an der Universität Stuttgart (Deutschland) und Biologen des Exzellenzclusters „Lebendige, adaptive und energieautonome Materialsysteme (liv .) MatS)“ an der Universität Freiburg (Deutschland).

Laut dem Team demonstriert der bioinspirierte Pavillon, wie neuartige Co-Design-Prozesse, die gleichzeitig geometrische, materielle, strukturelle, produktionstechnische, umweltbezogene und ästhetische Anforderungen berücksichtigen, zusammen mit fortschrittlichen Roboterfertigungstechniken, die auf natürliche Materialien angewendet werden, in der Lage sind, ein Architektur, die zugleich ökologisch und ausdrucksstark ist. Die charakteristische, komplizierte Oberflächenerscheinung der strukturellen Flachselemente erinnert sowohl an volkstümliche Beispiele von Gitterwerk als auch an biologische Systeme.

Für die nächsten fünf Jahre wird das leben MatS Pavilion wird als Freiluft-Hörsaal der Universität Freiburg insbesondere für diejenigen der Universität Freiburg dienen, die den Botanischen Garten im Sinne des „Lernens von der Natur in der Natur“ als Forschungs- und Lehrstandort nutzen. Auch dort werden Wissenschaftler ihre Arbeit in Führungen oder Workshops der Öffentlichkeit präsentieren.

Naturfasermaterialien, Bionik

Ein Team von Architekten und Ingenieuren des Instituts für Computergestütztes Entwerfen und Bauen (ICD) und des Instituts für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart hat in den letzten zwei Jahren die Potenziale des Einsatzes von Naturfasern als Baustoff und sehen darin eine vielversprechende und nachhaltige Alternative zu synthetisch hergestellten Fasern. Sie haben mit dem liv . gefunden MatS-Pavillon, der nicht nur das Potenzial bietet, den ökologischen Fußabdruck des Gebäudes zu reduzieren und ein erneuerbares Material für die Bauindustrie ist, sondern die Flachsfasern in ihren mechanischen Eigenschaften mit Glasfaser-Rovings vergleichbar sind und eine ähnliche Steifigkeit pro Gewicht bieten, jedoch mit eine viel niedrigere verkörperte Energie.

Darüber hinaus setzt die Struktur die langjährige Forschungskooperation fort, um zu bestimmen, wie Prinzipien der Biologie – wie zum Beispiel tragende Systeme – von der Natur in die Architektur übertragen werden können. Das leben MatS Pavillon wurde vom Saguaro-Kaktus (Carnegia gigantea ) und der Feigenkaktus (Opuntia sp.), die sich durch ihre Holzstruktur auszeichnen. Der Saguaro-Kaktus hat einen zylindrischen Holzkern, der innen hohl und dadurch besonders leicht ist. Es besteht aus einer netzartigen Holzstruktur, die dem Skelett zusätzliche Stabilität verleiht und durch das Verwachsen der einzelnen Holzelemente entsteht. Auch das Gewebe der abgeflachten Seitentriebe des Feigenkaktus ist mit netzartigen Holzfaserbündeln durchwoben, die schichtweise angeordnet und miteinander verbunden sind. Dadurch zeichnet sich das Gewebe des Feigenkaktus durch eine besonders hohe Belastbarkeit aus. Durch die Abstraktion dieser Netzwerkstrukturen gelang es den Wissenschaftlern, die mechanischen Eigenschaften der vernetzten Faserstrukturen auf die Leichtbauelemente des Pavillons zu übertragen.

Integratives Design und Herstellung

Das Projekt baut auf mehr als 10 Jahren Forschung im Faserbau auf. Die bisherige Forschung konzentrierte sich auf die Verwendung von synthetisch hergestellten Faserverbundwerkstoffen im Bauwesen, wie Glas- und Kohlefasern, in Kombination mit fortschrittlichen computergestützten Design-, Simulations- und Herstellungsmethoden. Das leben MatS Pavillon erweitert diese Forschung hin zu einer nachhaltigeren Bauweise mit natürlichen Flachsfasern und untersucht den Einsatz dieser Naturfasern in einer großtechnischen Anwendung.

Die tragenden Bauelemente werden mit einem vom Projektteam entwickelten kernlosen Filament-Winding-Verfahren hergestellt. Bei diesem Ansatz der additiven Fertigung (AM) platziert ein Roboter Faserbündel präzise auf einem Wickelrahmen. Dies ermöglicht angeblich die gezielte Kalibrierung und architektonische Artikulation der Ausrichtung, Ausrichtung und Dichte der Fasern, um genau den strukturellen Anforderungen im Bauteil zu entsprechen, wie in seiner biologischen Inspiration. Erst durch das Zusammenspiel der Fasern innerhalb des Wickelrahmens entsteht laut Forschern eine vordefinierte Bauteilform, eine zusätzliche Form oder ein zusätzlicher Kern entfällt. Außerdem fallen bei diesem Herstellungsverfahren keine Abfälle oder Verschnitte an. Außerdem kann für alle geometrisch unterschiedlichen Elemente der gleiche modulare Wickelrahmen verwendet werden. Dies führt zu einer hervorragenden Materialeffizienz gemessen an herkömmlichen Baustoffen und führt zu einer hohen Tragfähigkeit.

Auch Naturfasern und ihre biologische Variabilität stellen die Forscher vor neue Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf die computergestützten Konstruktions- und Roboterfertigungsabläufe sowie die Maschinensteuerung. Diese Co-Design-Workflows wurden zunächst für synthetische und damit homogene Materialien entwickelt und mussten nun an die Materialeigenschaften von Flachsfasern angepasst werden. Diese Anpassung des integrativen Berechnungsmodells ermöglichte es, dass die heterogenen Materialeigenschaften in die Konstruktion und Planung der einzelnen Komponenten sowie der Gesamtstruktur einfließen. Die spezifischen mechanischen Eigenschaften der Naturfasern erforderten auch eine Neukonfiguration des robotischen Herstellungsprozesses.

Das leben MatS pavilion ist mit einer wasserdichten Polycarbonathaut überzogen, die nicht nur Wetterschutz bietet, sondern auch die Fasern vor direkter UV-Strahlung und Feuchtigkeit vor Regen oder Schnee schützt.

Integrierter Demonstrator für nachhaltiges Bauen

Die tragende Struktur des liv MatS Pavillon besteht aus 15 Flachsfaserkomponenten, die ausschließlich aus endlos gesponnenen Naturfasern robotisch vorgefertigt werden, sowie einem faserigen Decksteinelement auf der Struktur. Die Elemente variieren in der Gesamtlänge von 4,50 bis 5,50 Metern und wiegen im Durchschnitt nur 105 Kilogramm. Die gesamte Faserstruktur wiegt bei einer Fläche von 46 Quadratmetern rund 1,5 Tonnen. Der endgültige Entwurf entspricht der deutschen Bauordnung und den damit verbundenen bauaufsichtlichen Zulassungsanforderungen und Lastkombinationen einschließlich Wind- und Schneelasten.

Die Forschungsentwicklungen rund um den Rechenprozess, die robotische Fertigung sowie das neue Materialsystem wurden von einem interdisziplinären Team aus ITECH-Studenten und ICD/ITKE-Forschern der Universität Stuttgart entwickelt und durch die Fertigung einer ersten Serie von Prototypen validiert der Naturfaserbestandteile. Anschließend wurden die Produktionsdaten generiert und an den Industriepartner des Projekts FibR GmbH (Stuttgart, Deutschland) zur Herstellung der 15 Strukturbauteile übergeben.

Das Projekt setzt eine Reihe erfolgreicher experimenteller und hochinnovativer Gebäudedemonstratoren fort, die vom interdisziplinären Forscher- und Studententeam der ICD/ITKE Universität Stuttgart entworfen und realisiert wurden. Es stärkt auch die bereits erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen dem Exzellenzcluster liv MatS an der Universität Freiburg und dem Exzellenzcluster IntCDC an der Universität Stuttgart. IntCDC zielt darauf ab, Design und Bau durch digitale Technologien zu überdenken, um die ökologischen, wirtschaftlichen und soziokulturellen Herausforderungen zu bewältigen, denen sich die gebaute Umwelt gegenübersieht. Die Vision von leben MatS soll Natur und Technik verbinden, um zukunftsweisende Umwelt- und Energietechnologien zu entwickeln. Der Pavillon bietet naturgemäß Anknüpfungspunkte, um Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen biologischen und technischen Materialien aufzuzeigen und die Möglichkeiten aufzuzeigen, die Bioinspiration beispielsweise in der Architektur, aber auch in anderen Bereichen der Technik bietet.

Wissenschaftliche Entwicklung:

• Marta Gil Pérez, Serban Bodea, Niccolò Dambrosio, Bas Rongen, Christoph Zechmeister
• Projektleitung:Katja Rinderspacher, Marta Gil Pérez, Monika Göbel

Konzeptentwicklung, Systementwicklung, Prototyping:

• 2018-2020:Talal Ammouri, Vanessa Costalonga Martins, Sacha Joseph Cutajar, Edith Anahi Gonzalez San Martin, Yanan Guo, James Hayward, Silvana Herrera, Jeongwoo Jang, Nicolas Kubail Kalousdian, Simon Jacob Lut, Eda Özdemir, Gabriel Rihaczek, Anke Kristina Schramm, Lasath Ryan Siriwardena, Vaia Tsiokou, Christo van der Hoven, Shu Chuan Yao
• 2018-2019:Karen Andrea Antorveza Paez, Okan Basnak, Guillaume Caussarieu, Zhetao Dong, Kurt Drachenberg, Roxana Firorella Guillen Hurtado, Ridvan Kahraman, Dilara Karademir, Laura Kiesewetter, Grzegorz Łochnicki, Francesco Milano, Yue Qani Nasim Sehat, Tim Stark, Zi Jie, Jake Tan, Irina Voineag

Fassadenentwicklung:

• Tim Stark
• Mit Unterstützung von:Okan Basnak, Yanan Guo, Axel Körner
• Studentenassistenz:Matthew Johnson, Daniel Locatelli, Francesca Maisto, Mahdieh Hadian Rasanani, Lorin Samija, Anand Shah, Lena Strobel, Max Zorn