LivMatS biomimetische vlasvezelpaviljoen opent voor publiek

Voltooid en open voor het publiek, de liv MatS Pavilion, een biomimetische structuur in de Botanische Tuin van de Universiteit van Freiburg (Duitsland), zou een levensvatbaar, hulpbronnenefficiënt alternatief bieden voor conventionele bouwmethoden en vormt daarom een ​​belangrijke stap in de richting van duurzaamheid in de architectuur. Verder is het volgens het projectteam het eerste gebouw met een dragende structuur die volledig is gemaakt van robotisch gewonden vlasvezel, een natuurlijk hernieuwbaar, biologisch afbreekbaar en regionaal verkrijgbaar materiaal in Centraal-Europa.

Dit paviljoen, mogelijk gemaakt door een nieuwe combinatie van natuurlijke materialen en geavanceerde digitale technologieën, komt voort uit de succesvolle samenwerking van een interdisciplinair team van architecten en ingenieurs van het ITECH-masterprogramma in het Cluster of Excellence "Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)" aan de Universiteit van Stuttgart (Duitsland) en biologen van het Cluster of Excellence “Living, Adaptive and Energy-autonomous Material Systems (liv MatS)” aan de Universiteit van Freiburg (Duitsland).

Volgens het team laat het bio-geïnspireerde paviljoen zien hoe nieuwe co-designprocessen die gelijktijdig rekening houden met geometrische, materiële, structurele, productie-, milieu- en esthetische vereisten, samen met geavanceerde robotfabricagetechnieken toegepast op natuurlijke materialen, in staat zijn om een architectuur die tegelijk ecologisch en expressief is. Het onderscheidende, ingewikkelde uiterlijk van de structurele vlaselementen doet denken aan zowel lokale voorbeelden van traliewerk als biologische systemen.

De komende vijf jaar zal de liv MatS Pavilion zal dienen als een buitencollegezaal aan de Universiteit van Freiburg, vooral voor degenen aan de Universiteit van Freiburg, die de Botanische Tuin gebruiken binnen het concept van "leren van de natuur in de natuur" als onderzoeks- en onderwijslocatie. Ook zullen wetenschappers er hun werk aan het publiek presenteren in rondleidingen of workshops.

Natuurlijke vezelmaterialen, biomimetica

In de afgelopen twee jaar heeft een team van architecten en ingenieurs van het Institute for Computational Design and Construction (ICD) en het Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE), Universiteit van Stuttgart, het potentieel onderzocht van het gebruik van natuurlijke vezels als een bouwmateriaal, in de overtuiging dat ze een veelbelovend en duurzaam alternatief vormen voor synthetisch geproduceerde vezels. Ze hebben gevonden met de liv MatS-paviljoen dat, naast het potentieel om de ecologische voetafdruk van het gebouw te verminderen en een hernieuwbaar materiaal voor de bouwsector te bieden, de vlasvezels qua mechanische eigenschappen vergelijkbaar zijn met glasvezelrovings, met een vergelijkbare stijfheid per gewicht, maar met een veel lagere belichaamde energie.

Verder zet de structuur de langdurige onderzoekssamenwerking voort om te bepalen hoe de principes van de biologie - zoals dragende systemen - van de natuur naar de architectuur kunnen worden overgebracht. De live MatS-paviljoen is geïnspireerd op de saguaro-cactus (Carnegia gigantea .) ) en de cactusvijgcactus (Opuntia sp.), die worden gekenmerkt door hun houtstructuur. De saguaro-cactus heeft een cilindervormige houten kern die van binnen hol is en daardoor bijzonder licht. Het bestaat uit een netachtige houten structuur, die het skelet extra stabiliteit geeft en wordt gevormd door de vergroeiing van de afzonderlijke houtelementen. Het weefsel van de afgeplatte zijscheuten van de cactusvijgcactus is ook verweven met netachtige houtvezelbundels, die in lagen zijn gerangschikt en met elkaar verbonden. Hierdoor wordt het weefsel van de cactusvijgcactus gekenmerkt door een bijzonder hoog draagvermogen. Door deze netwerkstructuren te abstraheren, konden de wetenschappers de mechanische eigenschappen van de verknoopte vezelstructuren overbrengen naar de lichtgewicht structurele elementen van het paviljoen.

Integrerend ontwerp en fabricage

Het project bouwt voort op meer dan 10 jaar onderzoek in vezelconstructie. Eerder onderzoek was gericht op het gebruik van synthetisch geproduceerde vezelcomposieten in de bouw, zoals glas- en koolstofvezels, in combinatie met geavanceerde computationele ontwerp-, simulatie- en fabricagemethoden. De live MatS Pavilion breidt dit onderzoek uit naar een meer duurzame manier van bouwen met natuurlijke vlasvezels en onderzoekt het gebruik van deze natuurlijke vezels in een grootschalige toepassing.

De dragende bouwelementen worden geproduceerd met een kernloos filamentwikkelproces dat is ontwikkeld door het projectteam. Bij deze Additive Manufacturing (AM)-benadering plaatst een robot vezelbundels precies op een wikkelframe. Dit zorgt naar verluidt voor de gerichte kalibratie en architecturale articulatie van de oriëntatie, uitlijning en dichtheid van de vezels om precies te passen bij de structurele vereisten in de component, zoals in zijn biologische inspiratie. Volgens onderzoekers ontstaat een vooraf gedefinieerde componentvorm alleen door de interactie van de vezels in het wikkelframe, waardoor er geen extra mal of kern nodig is. Bovendien produceert deze fabricagemethode geen afval of restanten. Bovendien kan hetzelfde modulaire wikkelframe worden gebruikt voor alle geometrisch variërende elementen. Dit leidt tot een uitstekende materiaalefficiëntie in vergelijking met conventionele bouwmaterialen en resulteert in een hoog draagvermogen.

Natuurlijke vezels en hun biologische variabiliteit hebben de onderzoekers ook voor nieuwe uitdagingen gesteld, met name met betrekking tot het computerontwerp en de robotfabricageworkflows, evenals de machinebesturing. Deze co-design workflows werden aanvankelijk ontwikkeld voor synthetische en dus homogene materialen en moesten nu aangepast worden aan de materiaaleigenschappen van vlasvezels. Deze aanpassing van het integratieve computationele ontwerpmodel stelde de heterogene materiaaleigenschappen in staat om het ontwerp en de planning van de individuele componenten en de algehele structuur te informeren. De specifieke mechanische eigenschappen van de natuurlijke vezels vereisten ook de herconfiguratie van het robotfabricageproces.

De live MatS-paviljoen is bedekt met een waterdichte polycarbonaathuid, die niet alleen bescherming biedt tegen weersinvloeden, maar ook de vezels beschermt tegen directe UV-straling en vocht tegen regen of sneeuw.

Geïntegreerde demonstrator voor duurzaam bouwen

De draagconstructie van de liv MatS-paviljoen bestaat uit 15 vlasvezelcomponenten, robotisch geprefabriceerd uitsluitend uit continu gesponnen natuurlijke vezels, evenals een vezelig sluitsteenelement bovenop de structuur. De elementen variëren in lengte van 4,50 tot 5,50 meter en wegen gemiddeld slechts 105 kilogram. De gehele vezelstructuur weegt ongeveer 1,5 ton en beslaat een oppervlakte van 46 vierkante meter. Het uiteindelijke ontwerp voldoet aan de Duitse bouwcode en de daarmee samenhangende bouwvergunningseisen en belastingcombinaties inclusief wind- en sneeuwbelasting.

De onderzoeksontwikkelingen met betrekking tot het computerproces, de robotfabricage en het nieuwe materiaalsysteem werden ontwikkeld door een interdisciplinair team van ITECH-studenten en ICD/ITKE-onderzoekers aan de Universiteit van Stuttgart en werden gevalideerd door de fabricage van een eerste serie prototypes van de natuurlijke vezelcomponenten. De productiegegevens werden vervolgens gegenereerd en doorgegeven aan de industriële partner van het project, FibR GmbH (Stuttgart, Duitsland) voor de productie van de 15 structurele componenten.

Het project zet een reeks succesvolle experimentele en zeer innovatieve bouwdemonstraties voort, ontworpen en gerealiseerd door het interdisciplinaire team van onderzoekers en studenten van de ICD/ITKE Universiteit van Stuttgart. Het versterkt ook de reeds succesvolle samenwerking tussen de Cluster of Excellence liv MatS aan de Universiteit van Freiburg en het Cluster of Excellence IntCDC aan de Universiteit van Stuttgart. IntCDC wil ontwerp en constructie heroverwegen door middel van digitale technologieën om de ecologische, economische en sociaal-culturele uitdagingen waarmee de gebouwde omgeving wordt geconfronteerd, aan te pakken. De visie van liv MatS gaat natuur en technologie combineren om geavanceerde milieu- en energietechnologieën te ontwikkelen. Het paviljoen biedt van nature aanknopingspunten om overeenkomsten en verschillen tussen biologische en technische materialen te benadrukken en om de mogelijkheden te laten zien die bio-inspiratie biedt, bijvoorbeeld in de architectuur maar ook op andere technologische gebieden.

Wetenschappelijke ontwikkeling:

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

Conceptontwikkeling, systeemontwikkeling, 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 Salyani, Ho Nasim Sehat, Tim Stark, Zi Jie, Jake Tan, Irina Voineag

Gevelontwikkeling:

• Tim Stark
• Met steun van:Okan Basnak, Yanan Guo, Axel Körner
• Studentenbijstand:Matthew Johnson, Daniel Locatelli, Francesca Maisto, Mahdieh Hadian Rasanani, Lorin Samija, Anand Shah, Lena Strobel, Max Zorn