LivMatS Biomimetische vlasvezel paviljoen opent voor publiek – Duurzame architecturale mijlpaal

Voltooid en open voor het publiek, is de livMatS Pavilion, een biomimetische structuur gelegen in de Botanische Tuin van de Universiteit van Freiburg (Duitsland), naar verluidt een haalbare, resource-efficiënte alternatief voor conventionele bouwmethoden en vertegenwoordigt dus een belangrijke stap naar duurzaamheid in architectuur. Verder vormt het wat het projectteam claimt het eerste gebouw met een lastdragende structuur die volledig gemaakt is van robotisch gewonden vlasvezel, een natuurlijk hernieuwbaar, biologisch afbreekbaar en regionaal beschikbaar materiaal in Centraal-Europa.

Natuurlijke vezelmaterialen, biomimetics

Gedreven door een nieuwe combinatie van natuurlijke materialen en geavanceerde digitale technologieën, stamt deze paviljoen uit de succesvolle samenwerking van een interdisciplinair team van architecten en ingenieurs van de ITECH masteropleiding aan de Cluster of Excellence "Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)" aan de Universiteit van Stuttgart (Duitsland) en biologen van de Cluster of Excellence "Living, Adaptive and Energy-autonomous Material Systems (livMatS)" aan de Universiteit van Freiburg (Duitsland).

Volgens het team toont de bio-geïnspireerde paviljoen hoe nieuwe co-ontwerpprocessen die gelijktijdig rekening houden met geometrische, materiaal, structurele, productie, milieu- en esthetische eisen, samen met geavanceerde robotische fabricagetechnieken toegepast op natuurlijke materialen, in staat zijn om een architectuur te genereren die tegelijkertijd ecologisch en expressief is. De distinctive, ingewikkelde oppervlakteverschijning van de structurele vlas elementen is suggestief voor zowel vernaculaire voorbeelden van latwerk als biologische systemen.

De komende vijf jaar zal de livMatS Pavilion dienen als een outdoor leszaal aan de Universiteit van Freiburg, met name voor diegenen aan de Universiteit van Freiburg, die de Botanische Tuin gebruiken binnen het concept van "leren van de natuur in de natuur" als onderzoek- en onderwijslocatie. Wetenschappers zullen hun werk daar ook presenteren aan het publiek in begeleide tours of workshops.

De afgelopen twee jaar heeft een team architecten en ingenieurs aan 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 natuurlijke vezels als bouwmateriaal, gelovend dat ze een veelbelovende en duurzame alternatief bieden voor synthetisch geproduceerde vezels. Ze vonden met de livMatS paviljoen dat, naast het bieden van potentieel om de milieuvoetafdruk van het gebouw te reduceren en een hernieuwbaar materiaal te bieden voor de bouwindustrie, de vlasvezels vergelijkbaar zijn in hun mechanische eigenschappen met glasvezel rovingen, die vergelijkbare stijfheid per gewicht bieden, maar met een veel lagere ingebedde energie.

Verder voortzet de structuur de langdurige onderzoeks samenwerking om te bepalen hoe biologische principes — zoals lastdragende systemen — van de natuur in de architectuur overgedragen kunnen worden. De livMatS paviljoen was geïnspireerd door de saguaro cactus (Carnegia gigantea) en de prickly pear cactus (Opuntia sp.), die gekenmerkt worden door hun houtstructuur. De saguaro cactus heeft een cilindrische houten kern die hol is aan de binnenkant en dus bijzonder licht. Het bestaat uit een net-achtige houtstructuur, die het skelet additionele stabiliteit geeft en gevormd is als resultaat van de intergroei van zijn individuele houtelementen. Het weefsel van de afgeplatte zijschoten van de prickly pear cactus is ook verweven met net-achtige houtvezelbundels, die in lagen gerangschikt en met elkaar verbonden zijn. Als resultaat wordt het weefsel van de prickly pear cactus gekenmerkt door een bijzonder hoge lastdraagcapaciteit. Door deze netwerkstructuren te abstraheren, waren de wetenschappers in staat de mechanische eigenschappen van de gekruiste vezelstructuren over te dragen naar de lichte structurele elementen van de paviljoen.

Integratief ontwerp en fabricage

Het project bouwt voort op meer dan 10 jaar onderzoek in vezelconstructie. Eerder onderzoek focuste op het gebruik van synthetisch geproduceerde vezelcomposieten in constructie, zoals glas- en koolstofvezels, in combinatie met geavanceerde computationele ontwerp, simulatie en fabricagemethoden. De livMatS paviljoen breidt dit onderzoek uit naar een meer duurzame bouwmethode met natuurlijke vlasvezels en onderzoekt het gebruik van deze natuurlijke vezels in een grootschalige toepassing.

De lastdragende bouwelementen worden geproduceerd met een kernloze filamente windingproces ontwikkeld door het projectteam. In deze additieve manufacturing (AM) benadering plaatst een robot precies vezelbundels op een wikkelraam. Dit stelt naar verluidt de gerichte calibratie en architecturale articulatie van de orientatie, uitlijning en dichtheid van de vezels in staat om precies aan de structurele eisen in het component te voldoen, zoals in zijn biologische inspiratie. Volgens onderzoekers ontstaat de vooraf gedefinieerde componentvorm alleen door de interactie van de vezels binnen het wikkelraam, wat de noodzaak voor een additionele mol of kern elimineert. Bovendien produceert deze fabricagemethode geen afval of afsnijde. Bovendien kan dezelfde modulaire wikkelraam voor alle geometrisch variërende elementen gebruikt worden. Dit leidt tot een uitstekende materiaalefficiëntie gemeten tegen conventionele bouwmaterialen en resulteert in een hoge lastdraagcapaciteit.

Natuurlijke vezels en hun biologische variabiliteit hebben de onderzoekers ook nieuwe uitdagingen gepresenteerd, met name met betrekking tot de computationele ontwerp- en robotische fabricageworkflows, alsook de machinebesturing. Deze co-design workflows waren initieel 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 alsook de algehele structuur te informeren. De specifieke mechanische eigenschappen van de natuurlijke vezels vereisten ook de herconfiguratie van het robotische fabricageproces.

De livMatS paviljoen is bedekt met een waterdichte polycarbonaat huid, die niet alleen weersbescherming biedt maar ook de vezels beschermt tegen directe UV-straling, en vocht van regen of sneeuw.

Geïntegreerde demonstrator voor duurzame constructie

De lastdragende structuur van de livMatS paviljoen bestaat uit 15 vlasvezelcomponenten, robotisch geproduceerd exclusief van continue gesponnen natuurlijke vezels, alsook een vezelkapsteenelement op de top van de structuur. De elementen variëren in totale lengte van 4,50 tot 5,50 meter en wegen gemiddeld slechts 105 kilogram. De gehele vezelstructuur weegt ongeveer 1,5 ton terwijl ze een oppervlakte van 46 vierkante meter bedekt. Het finale ontwerp voldoet aan de Duitse bouwcode en gerelateerde structurele vergunningseisen en set van belastingcombinaties inclusief wind- en sneeuwbelasting.

De onderzoekontwikkelingen met betrekking tot het computationele proces, de robotische fabricage alsook het nieuwe materialsysteem zijn ontwikkeld door een interdisciplinair team van ITECH studenten en ICD/ITKE onderzoekers aan de Universiteit van Stuttgart en gevalideerd door de fabricage van een eerste serie prototypes van de natuurlijke vezelcomponenten. De productiedata werd dan gegenereerd en doorgegeven aan het project's industriële partner FibR GmbH (Stuttgart, Duitsland) voor de productie van de 15 structurele componenten.

Het project voortzet een reeks succesvolle experimentele en hoog innovatieve bouwdemonstrators ontworpen en gerealiseerd door het interdisciplinaire team van onderzoekers en studenten aan ICD/ITKE Universiteit van Stuttgart. Het versterkt ook de al succesvolle samenwerking tussen de Cluster of Excellence livMatS aan de Universiteit van Freiburg en de Cluster of Excellence IntCDC aan de Universiteit van Stuttgart. IntCDC streeft ernaar ontwerp en constructie door digitale technologieën te herdenken om de ecologische, economische en socioculturele uitdagingen die de bebouwde omgeving tegenkomt aan te pakken. De visie van livMatS is om natuur en technologie te combineren om high-tech milieu- en energietechnologieën te ontwikkelen. Door zijn eigen aard biedt de paviljoen contactpunten om gelijkenissen en verschillen tussen biologische en technische materialen te benadrukken en de mogelijkheden die bio-inspiratie biedt, te tonen, bijvoorbeeld in architectuur maar ook in andere gebieden van technologie.