ICD/ITKE Forschungspavillon 2010

Ende Juli 2010 realisierten das Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und das Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart einen temporären Forschungspavillon aus Holz. Der innovative Bau demonstriert den neuesten Stand der Entwicklung computerbasierter Entwurfs-, Simulations- und Produktionsprozesse in der Architektur und setzt diese in einer komplexen Tragkonstruktion aus elastisch gebogenen Sperrholzstreifen um.

INFORMATIONSMODELL

An der Schnittstelle von Forschung und Lehre untersuchten die Wissenschaftler der beiden Institute in Zusammenarbeit mit den Studierenden, wie neuartige computerbasierte Entwurfsmethoden sowie die numerische Simulation des Tragwerks und Materialverhaltens zu neuen architektonischen und konstruktiven Möglichkeiten führen, die auf dem elastischen Biegeverhalten von Holz beruhen. Die aus diesen Untersuchungen hervorgegangene Tragstruktur bezieht ihre Leistungsfähigkeit aus der geometrischen Differenzierung und elastischen Formung extrem dünner Holzstreifen.

Das Konstruktionsprinzip beruht auf elastisch gebogenen Sperrholzlamellen. Diese werden so gekoppelt, dass sich eine Aufteilung in zug- und biegebeanspruchte Segmente ergibt, wobei jedes Zugsegment das benachbarte Biegesegment elastisch in Form hält. Die dabei eingebettete Eigenspannung erhöht die Tragfähigkeit des Gesamtsystems erheblich und ermöglicht es, den gesamten Pavillon aus nur 6,5mm starken Birkensperrholzlamellen zu fertigen.

Dieses entscheidende Materialverhalten der elastischen Biegung bildet die Grundlage für das computerbasierte Informationsmodell. Dafür wurde das Biegeverhalten des zur Verwendung kommenden Materials anhand einer Vielzahl von Tests empirisch untersucht und durch FEM Simulationen abgeglichen. Die gewonnen Daten bilden die Grundlage für das computerbasierte Informationsmodell.

TRAGWERK

Die Geometrie und Systemsteifigkeit dieses biegeaktiven Tragwerks entsteht durch elastisches Verformen seiner Tragelemente. Diese werden so untereinander gekoppelt, dass ein stabiles Gleichgewichtssystem entsteht. Durch das Biegen von 10m langen, aber mit einer Materialstärke von 6,5mm sehr dünnen Birkensperrholzstreifen wird die sich selbst stabilisierende Konstruktion unter Eigenspannungen gesetzt was dem Tragwerk zusätzliche Steifi gkeit verleiht. Die Geometrie des Pavillons ergibt sich dabei aus der Kopplung von 80 einzelnen Holzstreifen zueinander und bildet einen Torus mit 10m Außendurchmesser und einer Spannweite von 3,50m. Die exakte Form der Biegelinien und deren Abhängigkeiten untereinander wurden hierbei sowohl experimentell als auch anhand von parametrischen digitalen Modellen ermittelt. Auf dieser rein geometrischen Grundlage wurde dann eine Methode zur numerischen Formfindung entwickelt mit Hilfe derer das System aus ebenen Streifen in seine finale Form gebogen wurde. Durch die Simulation des tatsächlichen Materialverhaltens unter allen vorgegebenen geometrischen und physikalischen Randbedingungen konnte das exakte Biege- und Tragverhalten der gekoppelten Streifen berechnet werden. Dieses statische Modell verifiziert dabei einerseits die geometrische Form unter Berücksichtigung der eingeprägten Biegespannungen und wurde andererseits zur Bemessung der Konstruktion unter Windlasten herangezogen.

ROBOTISCHE FERTIGUNG

Die so entwickelte Struktur wurde auf der universitätseigenen robotischen Fertigungsanlage hergestellt. Diese computergestützte Fabrikationsmethode ermöglicht die notwendige Differenzierung der Konstruktion, die aus mehr als 500 geometrisch unterschiedlichen Teilen besteht, und erlaubt somit, den Forschungspavillon gemäß der Entwurfs- und Tragwerks-Parameter äußerst genau vorzufertigen. Die aus dem Informationsmodell und aus der Simulation stammenden Daten und Ergebnisse werden dabei direkt in den Maschinen-Code übersetzt, so dass die Informationsketten aus Entwurf, statischer Planung und örtlichen Randbedingungen nahtlos ineinander greifen und von Anfang an in den Fertigungsprozess integriert werden können.

Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung - Prof. Achim Menges

Moritz Fleischmann (Project Management)
Christopher Robeller (Detailing / Construction Management)
Karola Dierichs (Documentation)

Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen - Prof. Jan Knippers

Simon Schleicher (Project Management)
Julian Lienhard (Structural Engineering)
Diana D' Souza (Structural Engineering)

Konzept und Realisierung

Andreas Eisenhardt, Manuel Vollrath, Kristine Waechter
& Thomas Irowetz, Oliver David Krieg, Admir Mahmutovic, Peter Meschendoerfer, Leopold Moehler, Michael Pelzer, Konrad Zerbe

Förderer

OCHS GmbH
KUKA Roboter GmbH
Leitz GmbH & Co. KG
A. Woelm BAU GmbH
ESCAD Systemtechnik GmbH
Ministerium fuer Laendlichen Raum, Ernaehrung und Verbraucherschutz
Landesbetrieb Forst Baden-Wuerttemberg (ForstBW)