LivMatS Biomimetischer Flachsfaser-Pavillon eröffnet – Meilenstein nachhaltiger Architektur

Fertiggestellt und für die Öffentlichkeit geöffnet, bietet der livMatS Pavillon, eine biomimetische Struktur im Botanischen Garten der Universität Freiburg (Deutschland), eine lebensfähige, ressourceneffiziente Alternative zu konventionellen Bauweisen und stellt daher einen wichtigen Schritt in Richtung Nachhaltigkeit in der Architektur dar. Zudem constituye er das, was sein Projektteam als erstes Gebäude mit einer tragenden Struktur bezeichnet, die vollständig aus robotisch gewickelter Flachsfaser besteht – einem natürlich erneuerbaren, biologisch abbaubaren und in Mitteleuropa regional verfügbaren Material.

Natürliche Materialien und digitale Technologien

Ermöglicht durch eine neuartige Kombination natürlicher Materialien und fortschrittlicher digitaler Technologien, stammt dieser Pavillon aus der erfolgreichen Zusammenarbeit eines interdisziplinären Teams aus Architekten und Ingenieuren des ITECH Masterprogramms am Exzellenzcluster „Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)“ an der Universität Stuttgart (Deutschland) und Biologen des Exzellenzclusters „Living, Adaptive and Energy-autonomous Material Systems (livMatS)“ an der Universität Freiburg (Deutschland).

Laut Team zeigt der bio-inspirierte Pavillon, wie neuartige Co-Design-Prozesse, die gleichzeitig geometrische, materiale, strukturelle, produktionelle, umweltbezogene und ästhetische Anforderungen berücksichtigen, zusammen mit fortschrittlichen robotischen Fertigungstechniken, angewendet auf natürliche Materialien, eine Architektur erzeugen können, die gleichzeitig ökologisch und expressiv ist. Die charakteristische, komplexe Oberflächenerscheinung der strukturellen Flachselemente erinnert an sowohl volkstümliche Beispiele von Gitterwerken als auch biologische Systeme.

Fünf Jahre als Outdoor-Vorlesungsraum

Für die nächsten fünf Jahre wird der livMatS Pavillon als Outdoor-Vorlesungsraum an der Universität Freiburg dienen, besonders für diejenigen an der Universität Freiburg, die den Botanischen Garten im Konzept „Lernen von der Natur in der Natur“ als Forschungs- und Lehrstandort nutzen. Wissenschaftler werden ihre Arbeit dort in Führungen oder Workshops der Öffentlichkeit präsentieren.

Natürliche Fasermaterialien, Biomimetik

Über die vergangenen zwei Jahre hat ein Team von Architekten und Ingenieuren am Institute for Computational Design and Construction (ICD) und dem Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE), Universität Stuttgart, das Potenzial der Verwendung von Naturfasern als Baumaterial untersucht, in dem Glauben, sie präsentierten eine vielversprechende und nachhaltige Alternative zu synthetisch produzierten Fasern. Sie fanden mit dem livMatS Pavillon, dass Flachsfasern zusätzlich zur potenziellen Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks des Gebäudes und Bereitstellung eines erneuerbaren Materials für die Bauindustrie in ihren mechanischen Eigenschaften mit Glasfaser-Rovings vergleichbar sind – ähnliche Steifigkeit pro Gewicht, aber mit viel geringerer grauer Energie.

Inspiration: Saguaro- und Feigenkaktus

Die Struktur setzt die langjährige Forschungskooperation fort, zu bestimmen, wie Biologie-Prinzipien – wie Tragsysteme – aus der Natur in die Architektur übertragen werden können. Der livMatS Pavillon wurde vom Saguaro-Kaktus (Carnegiea gigantea) und dem Feigenkaktus (Opuntia sp.) inspiriert, die durch ihre Holzstruktur charakterisiert sind. Der Saguaro-Kaktus hat einen zylindrischen hölzernen Kern, der innen hohl und damit besonders leicht ist. Er besteht aus einem netzartigen Holzstruktursystem, das dem Skelett zusätzliche Stabilität verleiht und durch das Ineinanderwachsen seiner einzelnen Holzelemente entsteht. Das Gewebe der abgeflachten Seitentriebe des Feigenkaktus ist ebenfalls mit netzartigen Holzfaserbündeln durchwirkt, die in Lagen angeordnet und miteinander verbunden sind. Dadurch ist das Gewebe des Feigenkaktus durch eine besonders hohe Tragfähigkeit charakterisiert. Durch Abstraktion dieser Netzwerkstrukturen konnten die Wissenschaftler die mechanischen Eigenschaften der vernetzten Faserstrukturen auf die leichten Strukturelemente des Pavillons übertragen.

Integratives Design und Fertigung

Das Projekt baut auf mehr als 10 Jahren Forschung im Faserbau auf. Bisherige Forschung fokussierte auf synthetisch produzierte Fasercomposites im Bau, wie Glas- und Carbonfasern, in Kombination mit fortschrittlichem computergestütztem Design, Simulation und Fertigungsmethoden. Der livMatS Pavillon erweitert diese Forschung in Richtung nachhaltigerer Bauweise mit natürlichen Flachsfasern und untersucht deren Einsatz in großmaßstäblicher Anwendung.

Die tragenden Bauelemente werden mit einem kernlosen Filament-Wickelprozess produziert, den das Projektteam entwickelt hat. In diesem Additive Manufacturing (AM) Ansatz platziert ein Roboter präzise Faserbündel auf einem Wickelrahmen. Dies ermöglicht laut Forschern die gezielte Kalibrierung und architektonische Artikulation der Orientierung, Ausrichtung und Dichte der Fasern, um genau den strukturellen Anforderungen im Bauteil zu entsprechen, wie in seiner biologischen Inspiration. Die vordefinierte Bauteilform entsteht dabei nur durch die Interaktion der Fasern innerhalb des Wickelrahmens, was die Notwendigkeit eines zusätzlichen Forms oder Kerns eliminiert. Zudem produziert diese Fertigungsmethode keinen Abfall oder Verschnitt. Darüber hinaus kann derselbe modulare Wickelrahmen für alle geometrisch variierenden Elemente verwendet werden. Dies führt zu exzellenter Materialeffizienz im Vergleich zu konventionellen Baumaterialien und resultiert in hoher Tragfähigkeit.

Herausforderungen: Biologische Variabilität

Naturfasern und ihre biologische Variabilität stellten die Forscher auch vor neue Herausforderungen, besonders bezüglich computergestütztem Design und robotischen Fertigungsworkflows sowie Maschinensteuerung. Diese Co-Design-Workflows wurden initial für synthetische und damit homogene Materialien entwickelt und mussten nun an die Materialeigenschaften von Flachsfasern angepasst werden. Diese Anpassung des integrativen computergestützten Designmodells ermöglichte es, die heterogenen Materialeigenschaften in Design und Planung der einzelnen Komponenten sowie der Gesamtstruktur einfließen zu lassen. Die spezifischen mechanischen Eigenschaften der Naturfasern erforderten auch die Neukonfiguration des robotischen Fertigungsprozesses.

Der livMatS Pavillon ist mit einer wasserdichten Polycarbonathaut bedeckt, die nicht nur Witterungsschutz bietet, sondern auch die Fasern vor direkter UV-Strahlung und Feuchtigkeit durch Regen oder Schnee schützt.

Integrierter Demonstrator für nachhaltiges Bauen

Die tragende Struktur des livMatS Pavillons besteht aus 15 Flachsfaser-Komponenten, robotisch vorgefertigt ausschließlich aus kontinuierlich gesponnenen Naturfasern, sowie einem faserigen Abschluss-Element oben auf der Struktur. Die Elemente variieren in Gesamtlänge von 4,50 bis 5,50 Metern und wiegen im Durchschnitt nur 105 Kilogramm. Die gesamte Faserstruktur wiegt ca. 1,5 Tonnen bei einer überdachten Fläche von 46 Quadratmetern. Das finale Design entspricht dem deutschen Baurecht und den zugehörigen statischen Genehmigungsanforderungen und Lastkombinationen einschließlich Wind- und Schneelasten.

Die Forschungsentwicklungen bezüglich computergestütztem Prozess, robotischer Fertigung sowie dem neuen Materialsystem wurden von einem interdisziplinären Team aus ITECH-Studierenden und ICD/ITKE-Forschern an der Universität Stuttgart entwickelt und durch die Fertigung einer ersten Serie von Prototypen der Naturfaser-Komponenten validiert. Die Produktionsdaten wurden dann generiert und an den industriellen Partner FibR GmbH (Stuttgart, Deutschland) zur Produktion der 15 Strukturelemente übergeben.

Das Projekt setzt eine Reihe erfolgreicher experimenteller und hochinnovativer Bau-Demonstratoren fort, die vom interdisziplinären Team aus Forschern und Studierenden an ICD/ITKE Universität Stuttgart designed und realisiert wurden. Es stärkt auch die bereits erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen dem Exzellenzcluster livMatS an der Universität Freiburg und dem Exzellenzcluster IntCDC an der Universität Stuttgart. IntCDC zielt darauf ab, Design und Bau durch digitale Technologien neu zu denken, um die ökologischen, ökonomischen und soziokulturellen Herausforderungen der gebauten Umwelt anzugehen. Die Vision von livMatS ist es, Natur und Technologie zu kombinieren, um fortschrittliche Umwelt- und Energietechnologien zu entwickeln. Durch seine Natur bietet der Pavillon Anknüpfungspunkte, um Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen biologischen und technischen Materialien hervorzuheben und die Möglichkeiten zu zeigen, die Bioinspiration bietet – beispielsweise in der Architektur, aber auch in anderen Technologiebereichen.