Artikel

Licht, sterk en expressief met dank aan de natuur

Voor de Bundesgartenschau (BUGA) in Heilbronn ontwierpen en bouwden de universitaire instituten ITKE en ICD twee paviljoens. In beide ontwerpen (uit glas- en koolstofvezelcomposiet en uit hout) zijn bouwprincipes uit de natuur gekoppeld aan digitaal design en fabricage door robots.

De computeralgoritmes die aan de basis van beide paviljoens staan, berekenden voor elke bouwcomponent individueel de meest rationele vorm. Een sprong naar 'meer met minder', dankzij leentjebuur bij de natuur.


Auteur Hans Fuchs
 


Beide ITKE/ICD
-paviljoens bevinden zich op het zomereiland van de Bundesgartenschau (BUGA) 2019 in Heilbronn. Het 'Faserpavillon' telt zestig composietcomponenten uit glas- en koolvezeldraden, allemaal met een unieke vorm en samengebald onder een strak, mechanisch voorgespannen membraam uit transparant EFTE. 


Beide ITKE/ICD-paviljoens bevinden zich op het zomereiland van de Bundeshartenschau (BUGA) 2019 in Heilbronn.

De vorm van elke component werd gedicteerd door de krachtenafdracht
binnen de constructie, digitaal uitgevlooid door algoritmes uit de computers van het Instituut voor draagconstructies en constructief ontwerpen (ITKE) en het Instituut voor computerdesign (ICD) van de universiteit van Stuttgart. Die algoritmes functioneerden vervolgens als de draaiboeken voor de gesticulerende armen van de KUKA-robots die de componenten van de paviljoens bouwden.

Integraal digitaal ontwerpen 

Volgens ITKE en ICD zijn beide paviljoen een loepzuivere demonstratie van wat integraal digitaal ontwerpen vermag, waarin computerdesign, engineering en productie één stromend proces vormen. Het uit die ononderbroken digitale communicatie ontstane glas- en koolvezeldraad paviljoen voldoet daarbij aan alle strenge', zo laten beide instituten niet na te onderstrepen, Duitse bouwvoorschriften. 


In uiterlijk en opzet is het BUGA
-ontwerp verwant aan het paviljoen dat de beide instituten twee jaar geleden optrokken op het terrein van de universiteit van Stuttgart. Die overmaatse gekromde luifel bestond uit in epoxyhars gedrenkte glas- en koolvezeldraden, door twee robots en een drone tot architectuur geweven. Het uitharden van de nat verwerkte draden gebeurde aan de constructie.

Vrije vormen op maat 

Het BUGA-paviljoen is groter dan die luifel uit 2017. Met een vloeroppervlak van zo'n vierhonderd vierkante meter, heeft het ontwerp in Heilbronn een vrije overspanning van meer dan 23 meter. Gewicht per vierkante meter: 7,6 kilo, vijf keer lichter dan een vergelijkbare staalconstructie, melden ITKE en ICD. Het BUGA-paviljoen kon bij de productie zonder drone toe. De componenten werden geweven door een robot aan twee roterende wikkelsteigers. 


Het 'Faserpivillon' telt zestig composietcomponenten uit glas- en koolveesdraden onder een mechanisch voorgespannen membraan uit transparant efte. 

De digitaal uitgewerkte vorm van de bouwdelen ontstond uit de glasvezel- en koolstofcomposieten
, zonder mal of secundaire kern. Dat maakte volgens ITKE en ICD de weg vrij voor vrije vormen op maat, met een individuele mix van glas- en koolstofvezelcomposiet per component. Tijdens het weven plaatste de robot op de doorschijnende glasvezels zwarte koolstofvezels louter daar waar het volgens de algoritmes van ITKE en ICD daadwerkelijk constructief vereist was.

Biologische structuren als voorbeeld 

Het BUGA-paviljoen laat volgens ITKE en ICD zien hoe integraal digitaal ontwerpen en fabriceren nieuwe, vezelcomposiet bouwsystemen mogelijk maakt, die licht, structureel efficiënt en architectonisch expressief zijn. Voor de structuur van het paviljoen speelden ITKE en ICD leentjebuur bij de natuur, bijna standaard de bron van inspiratie voor de paviljoens van beide instituten. 


In de biologie zijn de meeste dragende structuren vezelcomposieten, melden ITKE en ICD: "Ze zijn gemaakt van vezels zoals cellulose, chitine of collageen en een matrixmateriaal d
atde structuur ondersteunt en de relatieve positie handhaaft. De prestaties en efficiëntie van biologische structuren komen voort uit deze vezelachtige systemen. Hun organisatie, richting en dichtheid is haarfijn afgestemd, om te garanderen dat materiaal alleen daar wordt geplaatstwaar nodig." 


Het BUGA
-paviljoen brengt dat biologische principe over op architectuur.De meer dan 150.000 meter glas- en koolstofvezels in het paviljoen zijn uitgewerkt in een constructie waarvan de vezelopstelling, dichtheid en oriëntatie van elke bouwcomponent afzonderlijk werd gekalibreerd, structureel afgestemd en architectonisch gearticuleerd, aldus ITKE en ICD. Een aanpak die volgens beide instituten niet haalbaar is met reguliere bouwtechnieken.

Naar een plaatskelet 

Ook in het houten BUGA-paviljoen keken ITKE en ICD naar de natuur. Voorbeeld hier: het plaatskelet van zee-egels, een dubbele schaal opgebouwd uit modulaire elementen die met vingerverbindingen aan elkaar zijn geschakeld. 


De robot plaatste op de doorschijnende glasvezels zwarte koolstofvezels. Alleen daar waar het constructief nodig was. 

Het BUGA
-paviljoen is in gebruik voor concerten en evenementen en bestaat uit 376 op maat gemaakte holle houten elementen. Elk element is opgebouwd uit twee dunne platen aan een ring van randbalken. Via een opening in de bodemplaat worden de elementen aan elkaar gemonteerd. Hier bevinden zich ook de ledlampen die het paviljoen 's avonds in het licht zetten. De lichtgewicht elementen zijn in het paviljoen met elkaar verbonden door vingerverbindingen, naar analogie van een zee-egelskelet.

Meer met minder 

ITKE en ICD maken in het houten paviljoen naar eigen zeggen de sprong naar 'meer met minder'. De instituten zetten het BUGA-paviljoen zelf af tegen het pindavormige paviljoen dat zij in 2014 ontwierpen voor de tuinbouwtentoonstelling in Schwäbisch Gmünd. De eveneens houten constructie op basis van de morfologie van een zee-egelskelet, wordt door hen als benchmark neergezet. 


In Heilbronn zorgen de holle segmenten van het BUGA
-paviljoen voor een veel grotere overspanning,bij minder hout per vierkante meter. De dragende houten omhulling van het paviljoen bereikt een kolomvrije overspanning van 30 meter, maar weegt slechts 38 kilo per vierkante meter.

Transportabel productieplatform 

Net als in het glas- en koolstofvezelcomposiet paviljoen, was bij het houten paviljoen sprake van een integrale aanpak van ontwerp, engineering en productie. Voor die productiefase ontwikkelde ICD met commerciële partners een nieuw, transportabel productieplatform voor twee industriële robots. Met deze robotunit bouwde men de houten elementen op, inclusief tijdelijke bevestiging met beuken nagels en structurele verlijming van onder- en bovenplaat met de randbalken. 


In een tweede procesgang freesden de robots de vingerverbindingen en openingen in de segmenten uit. Gemiddelde productietijd per segment: acht minuten. Voor het freeswerk hadden de robots nog eens twintig tot veertig minuten nodig. De assemblage met metalen bouten werd in tien dagen tijd uitgevoerd door twee monteurs, zonder steiger of bekisting. 


De Bundesgartenschau in Heilbronn is nog tot begin oktober geopend, zie: buga2019.de 

Deel dit artikel