ITECH Forschungspavillon 2024: Innovativer Ansatz für bio-basierte Hybridarchitektur

Im Rahmen des Projekts entstehen neue, computergestützte Entwurfsmethoden und roboterbasierte Fertigungsprozesse, die speziell darauf ausgelegt sind, das Potenzial der Materialien optimal zu nutzen. Die entwickelte Holz-Naturfaser-Hybridkonstruktion erweitert nicht nur die Grenzen der Materialinnovation, sondern bietet auch einen nachhaltigen Weg hin zu klimapositiven Praktiken im Bauwesen.

Die Forschung baut auf einer Reihe erfolgreicher Pavillons auf, die am Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und am Institut für Tragkonstruktionen und konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart entstanden sind. Das Projekt wurde von Studierenden und Forschenden des ITECH-Masterprogramms am Exzellenzcluster „Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur (IntCDC)“ der Universität Stuttgart entworfen und gefertigt.

Angesichts der Umweltkrise und des Ressourcenabbaus sollten Architekt*innen nicht nur darauf abzielen, die negativen Auswirkungen ihrer Entwürfe zu reduzieren, sondern vielmehr ganzheitliche Ansätze verfolgen, die zur Wiederherstellung und Verbesserung der natürlichen Umwelt beitragen. Der Wechsel von synthetischen Materialien und energieintensiven Herstellungsverfahren hin zu erneuerbaren Ressourcen und effizienteren Produktionsmethoden ist dabei unverzichtbar. Dabei gilt es jedoch, eine einseitige Abhängigkeit von einem einzelnen natürlichen Material vermeiden, um die Biodiversität zu schützen und das ökologische Gleichgewicht nicht zu gefährden.

Holz ist seit Jahrhunderten ein zentrales Baumaterial und hat in letzter Zeit aufgrund seiner Fähigkeit Kohlenstoff zu speichern und den CO₂-Fußabdruck im Bauwesen zu verringern, eine Wiederentdeckung in der Branche erlebt. Die steigende Nachfrage nach Holz, insbesondere im europäischen Bausektor, erfordert eine signifikante Ausweitung der lokalen Holzernte.

Gleichzeitig haben jedoch Faktoren wie der Klimawandel, steigende Temperaturen und Schädlingsbefall die Holzproduktion in den letzten Jahren stark beeinträchtigt. Die variierende Verfügbarkeit natürlich gewachsener Materialien und ihre lange Wachstumszeit machen deutlich, dass eine diversifizierte Nutzung bio-basierter Materialsysteme im Bauwesen notwendig ist.

Während Nadelholz 30 bis 60 Jahre benötigt, um eine für die industrielle Nutzung geeignete Größe zu erreichen, lassen sich Faserpflanzen innerhalb von nur etwa 120 Tagen in großen Mengen anbauen. Ihr schneller Wachstumszyklus und ihre effiziente Flächennutzung machen Faserpflanzen zu einer vielversprechenden Ergänzung in der Entwicklung einer breiteren Biomaterial-Baukultur.

Die Forschung an Faserverbundstoffen hat erfolgreich deren Fähigkeit zur Fertigung von leistungsstarken, leichten Strukturen mit synthetischen Fasern demonstriert. In den letzten Jahren hat sich jedoch auch das Potenzial von Naturfaserverbundstoffen zur Bildung tragender Strukturen zunehmend deutlich gezeigt. Besonders Flachsfasern, die in Mitteleuropa lokal verfügbar sind, zeichnen sich durch eine geringere Umweltbelastung und überlegene mechanische Eigenschaften im Vergleich zu anderen Naturfasern aus.

Dieses Projekt nutzt die Kombination von Flachsfaserverbundstoffen und Holz, um die Verteile beider Materialien in einem Hybridsystem aufzuzeigen und dabei die Nutzung natürlicher Ressourcen zu diversifizieren.

Im Zuge der Suche nach umweltfreundlicheren Alternativen zu erdöl-basierten Polymeren wurde in diesem Projekt erstmals in dieser Größenordnung ein teilweise bio-basiertes Harz eingesetzt. Nach einer umfassenden Untersuchung geeigneter Matrixsysteme fiel die Wahl auf ein Epoxidharz mit einem bio-basierten Anteil von 56 %. Dieser Schritt markiert einen bedeutenden Fortschritt hin zu einer zukünftigen Verwendung von vollständig bio-basierten Naturfaserverbundstoffen im Bauwesen auf architektonischem Maßstab.

Das Hybridsystem ist das Ergebnis einer intensiven Forschungsarbeit im ITECH-Masterprogramm, das die gestalterischen Möglichkeiten der Kombination von Holz und Naturfasern untersucht. Dabei wird ein Systemkonzept entwickelt, das beide Materialien integriert und deren formale, fertigungstechnische sowie strukturelle Potenziale nutzt, um großformatige Bauelemente zu gestalten.

Die volumetrischen Eigenschaften von Holz werden in diesem Projekt als Dachelemente genutzt, um eine räumliche Hülle zu schaffen. Durch die einfache Bearbeitbarkeit des Holzes können die Plattenkanten gefräst werden, dass sie als Schnittstelle für die Fasern dienen. Im Gegensatz zum traditionellen kernlosen Faserwicklungsprozess, bei dem die Fasern um Wickelankerpunkte gelegt werden, die an einem temporären Stahlrahmen befestigt sind, übernimmt hier das Holz die Funktion des Rahmens. Es wird nicht nur temporär verwendet, sondern bleibt als integraler Bestandteil der Struktur erhalten.

Während des Herstellungsprozesses stützt das Holz die Fasern, und nach dem Aushärten arbeiten beide Materialien im Verbund, um die räumliche Stabilität der Struktur zu sichern. Dieser innovative Ansatz erweitert die Rolle des Holzes über seine traditionelle strukturelle Funktion hinaus, steigert die Effizienz der Vorfertigung und reduziert den Produktionsabfall.

Strukturell kombiniert das System die Druckfestigkeit des Holzes mit der Zugfestigkeit der Fasern, was die Materialverteilung sowie die geometrische Anordnung im gesamten System bestimmt. Die finale räumliche Konfiguration von Holz und Fasern verdeutlicht die Kräfteverteilung und zeigt das ständige Zusammenspiel der beiden Materialien. Dabei entstehen Synergien, die die strukturelle Leistung optimieren und das Potenzial beider Materialien voll ausschöpfen.

Das entwickelte System besteht aus zwei Komponententypen: Säulen und Deckenelemente, die der Struktur ermöglichen, sich sowohl vertikal als auch horizontal zu erweitern. Die Säulen entstehen durch die Anordnung von Holzstreben in einem radialen Muster. Hierbei fungieren die Holzstreben als Druckstäbe, während die Fasern als Zugkabel und externe Verstrebung dienen, was zu einer erhöhten strukturellen Redundanz und Stabilität führt.

Die Deckenelemente bestehen aus einer Kombination von Holzstreben, die unter einer Holzplatte fixiert sind, einer Faserschnur und einem Fasernetz. Dieses System sorgt dafür, dass die Holzplatte und die Streben hauptsächlich Druckkräfte aufnehmen, während die Faserschnur im unteren Bereich auf Zug beansprucht wird, wodurch die Effizienz und Tragfähigkeit der Struktur maximiert wird.

Die Verbindungen wurden so gestaltet, dass eine einfache Demontage der Bauteile möglich ist. Durch den Einsatz von lösbaren und eingebetteten Verbindungen konnte der Bedarf an mechanischen Verbindungselementen reduziert werden. Kreuzverschraubte Überlappungsverbindungen verbinden die Holzplatten miteinander, während vor Ort hergestellte Fasernähte die Faserkanten mittels Bolzen verbinden. Innerhalb der einzelnen Komponenten sorgen eingefräste Schlitze an den Enden der Holzstreben sowie Fingerzinken dafür, dass die Schnittstellen zwischen Fasern und Holz optimal ineinandergreifen. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Verbindung und unterstützt gleichzeitig die Wiederverwendbarkeit der Bauteile.

Der integrative Co-Design-Ansatz vereint die entwickelten Konzepte in einem iterativen digitalen Planungsprozess. Dieser Entwurfsprozess kombiniert die Geometrie, die aus einem anfänglichen globalen Formfindungsprozess hervorgeht, mit einer detaillierten Fasersyntax, der Gestaltung der Verbindungen sowie den Anforderungen der robotergestützten Fertigung und der Montagesequenz. Letztlich ermöglicht der digitale Entwurfsprozess die Erstellung von Fertigungsdateien für einen optimierten Planungs-, Fertigungs- und Bauablauf, der die strukturellen, fertigungstechnischen und konstruktiven Potenziale der einzelnen Materialien nutzt, um eine komplexe und leistungsfähige Architektur zu realisieren.

In den letzten zehn Jahren hat die Forschung zum kernlosen Faserwickeln bedeutende Fortschritte erzielt und dabei die hohe Robustheit und Flexibilität dieser Fertigungsmethode für leichte Faserstrukturen unter Beweis gestellt. Der Gestaltungsraum solcher Strukturen kann durch den Einsatz von Multi-Roboter-Prozessen erweitert werden, die neue Möglichkeiten hinsichtlich Geometrie, Komplexität und Faserinteraktion bieten. Frühere Projekte haben kollaborative Robotersysteme für verschiedene Anwendungen untersucht, darunter die Vergrößerung des Fertigungsbereichs und die Bewegung gegenüberliegender Seiten eines Stahlrahmens.

Dieses Projekt nutzt eine Multi-Roboter-Kollaboration, um die Anforderungen zu bewältigen, die sich aus der Verwendung von Holz als eingebetteten Rahmen ergeben. Insbesondere bei den Säulenelemente kommen schlanke Holzstreben zum Einsatz, die als Träger für die Fasern dienen und bei ungleichmäßiger Spannung brechen könnten. Um dieses Problem zu lösen, wird eine duale Anordnung von zwei Robotern eingesetzt, die gleichzeitig auf gegenüberliegenden Seiten derselben Strebe arbeiten. Diese Strategie wird insbesondere bei den ersten Wickelschichten angewendet, bis alle Streben gleichmäßig mit Fasern umwickelt und gesichert sind. Damit markiert dieses Projekt den ersten Einsatz einer parallelen Faserwickelstrategie zur Herstellung einer Struktur im Vollmaßstab.

Der kollaborative Fertigungsaufbau besteht aus zwei industriellen Roboterarmen, von denen einer auf einer Linearachse bewegt wird, während der andere stationär bleibt. Die Bewegungen beider Roboter werden mit einer externen Achse synchronisiert, die die Struktur stützt, sodass das duale Wickeln einem choreografierten Ablauf ähnelt. Um die Pfadplanung der Roboter zu optimieren, wurden spezielle Methoden entwickelt, die die spezifischen Materialien und deren Schnittstellen berücksichtigen.

Aufgrund der einfacheren Geometrie der Deckenelemente und der Tatsache, dass die Streben nur auf einer Seite der Platten fixiert waren, kam für die Herstellung aller fünf Deckenelemente ein einzelnes Robotersystem zum Einsatz.

Die gesamte Produktion fand im Computational Construction Lab (CCL) des ICD in Stuttgart-Wangen statt. Der Wickelprozess für jedes Säulenelement dauerte etwa 14 Stunden, während die Deckenelemente im Durchschnitt 8 Stunden in Anspruch nahmen. Nach jeder Wickelsitzung wurden die Komponenten in einem maßgeschneiderten Temperofen ausgehärtet.

Der ITECH Forschungspavillon 2024 wurde entworfen, um das Potenzial bio-basierter Hybridkonstruktionen in der Architektur zu demonstrieren. Dabei werden die Eigenschaften von Naturfaserverbundstoffen und Holz genutzt, um ein leistungsfähiges und regeneratives Hybridsystem zu entwickeln.

Der Entwurf des Pavillons besteht aus einer dreibeinigen Dachkonstruktion, die sowohl ein- als auch mehrfach gespannte Tragwerke durch eine stark entmaterialisierte Struktur erweitert. Die Tragfähigkeit ist so ausgelegt, dass sie das 1,5-fache ihres Eigengewichts sowie 1,5-fache Windlasten tragen kann, wobei sowohl Auftriebskräfte als auch horizontale Kräfte berücksichtigt werden.

Die endgültige Geometrie wurde so optimiert, dass sie den idealen Faserverlauf des Holzes und die gewünschten Spannweiten berücksichtigt. Dies führte zu drei Säulenkomponenten sowie zu zwei zweifach und drei einseitig gespannten Deckenelementen. Diese Komponenten übertragen die Kräfte effektiv durch den Querschnitt des Hybridsystems, erfüllen die Randbedingungen des Fertigungsprozesses und treffen in einem maximalen Winkel von zehn Grad aufeinander, um die Ableitung von Regenwasser zu gewährleisten.

Nach der Fertigung wurde eine Testmontage des Pavillons im Maßstab 1:1 im Computational Construction Lab (CCL) durchgeführt, bei der die Struktur kopfüber aufgebaut wurde, um Fertigungstoleranzen zu überprüfen. Dieser Prozess ermöglichte zudem das Wickeln der abnehmbaren Fasernähte, bevor die Komponenten zur Baustelle transportiert wurden.

Der Pavillon steht im Stadtgarten des Universitätscampus und erstreckt sich über eine Fläche von 45 Quadratmetern bei einem Gewicht von 966 kg. Die Hauptspannweiten betragen 5 und 7,5 Meter. Insgesamt wurden 41,5 km Flachsfasern, 1,75 m³ dreilagige Nadelholzplatten mit einer Stärke von 42 mm sowie 0,096 m³ Hartholzstreben verwendet.

Für den Montageprozess kam ein Mini-Raupenkran zum Einsatz, um die einzelnen Komponenten zu heben, während eine Teleskoparbeitsbühne die vertikale Bauhöhe unterstützte. Die Hauptstruktur wurde in zwei Tagen montiert, wobei für die Fertigstellung der Dachhaut und des Fundaments eine zusätzliche Woche benötigt wurde.

Mit einer vertrauten architektonischen Typologie entfaltet sich das einzigartige Hybridsystem des Pavillons als komplexes Zusammenspiel der Materialien. Das System erkundet einen erweiterten Gestaltungsraum für Faserstrukturen, der durch die strategische räumliche Anordnung beider Materialien ermöglicht wird. Es widerspricht konventionellen Vorstellungen von Form und Struktur und schafft eine neuartige, zugleich fundierte Material- und Architekturerfahrung.

Als Forschungsdemonstrator markiert der Pavillon einen Schritt in Richtung einer neuen bio-basierten Materialkultur, die die Stärken von Holz und Naturfasern zu einem kohärenten strukturellen System integriert. Durch die Nutzung der komplementären Eigenschaften dieser beiden Materialien zielt die Forschung darauf ab, nachhaltige Lösungen für das Bauwesen zu entwickeln und die Gestaltungsmöglichkeiten bio-basierter Hybridstrukturen in der Architektur zu erweitern.

Quelle: Universität Stuttgart, Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung; Fotos: ITECH/ICD/ITKE, Universität Stuttgart