Forschungspavillon ICD/ITKE - Universität Stuttgart

Text: M. Fleischmann, S. Schleicher, J. Lienhardt //

Ende Juli 2010 realisierten das Institut für Computerbasiertes Entwerfen (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.

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 6,5 mm starken Birkensperrholzlamellen zu fertigen.

Ziel
Die Realisierung des Forschungsbaus diente als Vehikel, um die Möglichkeiten materialgesteuerter, computergestützter architektonischer Entwurfsprozesse vor dem Hintergrund aktueller technischer Möglichkeiten, wie z.B. parametrischer CAD-Modellierung, FEM-Simulation und CNC-gesteuerter Fertigungsprozesse zu evaluieren. Ziel war es hierbei, eine integrierte „digitale Wertschöpfungskette“, basierend auf einem zentralen Informationsmodell, vom Entwurf bis hin zum fertigen Gebäude umzusetzen.

Methode
Die zur Anwendung gekommenen Methoden lassen sich wie folgt kategorisieren:
• Tragwerkstechnische Methoden (Kategorisierung, Versuchsreihen, Simulation)
• Modellierungstechnische Methoden (Informationsmodell)
• Fertigungstechnische Methoden (Robotische Fertigung, In-House Herstellung)

TRAGWERKSTECHNISCHE METHODEN

Das Tragwerk des Forschungspavillons zeigt eine neuartige Form des sog. Strukturleichtbaus, dem ein völlig neuer Ansatz zur Materialeinsparung in der Tragstruktur zu Grunde liegt. Hier werden Biegespannungen nicht vermieden, sondern aktiv eingesetzt, um den extrem dünnen Sperrholzstreifen die notwendige Steifigkeit zu verleihen. Aufgrund dieser Biegevorspannung ist es möglich, ein extrem leichtes und gleichzeitig sehr steifes Tragwerk zu erzeugen. Diese Tragwerksform wird als "biegeaktiv" bezeichnet (vgl. Atlas Kunststoffe und Membranen, Kapitel Tragwerk und Form). Bei solchen Tragwerken wird Geometrie und Systemsteifigkeit durch elastisches Verformen der Tragelemente erzeugt. Nach diesem Grundprinzip der Formgebung durch Biegung entstanden auch Gitterschalen wie die Multihalle Mannheim, welche aus einem ebenen Stabgitter in eine doppelt gekrümmte Schalenform gebogen wurde. Der Vorteil biegeaktiver Tragwerke liegt in der Möglichkeit, komplex gekrümmte Formen aus einfachen geradlinigen oder ebenen Bauteilen zu erzeugen. Vorraussetzung für geringe Biegeradien bei ausreichender Resttragfähigkeit sind dünne Bauteildicken. Die notwendige Steifigkeit wird durch die Biegevorspannung und das Koppeln mehrerer Biegeelemente hergestellt.
Geeignet für biegeaktive Tragwerke sind Materialien mit hoher Bruchdehnung, d.h. hohe Tragfähigkeit bei relativ geringer Steifigkeit. Diese Eigenschaften sind besonders gut durch Faserverbundwerkstoffe wie GFK (Glasfaserverstärkter Kunststoff) oder Holz gegeben.

Tragstruktur
Die Tragstruktur des Pavillons ergibt sich durch das alternierende Koppeln von Zug- und Biegelementen zu einem in sich stabilen Bogenpaar. Durch die Aneinanderreihung und das Verbinden von 40 Bogenpaaren entsteht die Schalenform des Torus mit 10 m Außendurchmesser und einer Spannweite von 3,50 m. 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 in einem Finite-Elemente-Programm 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.

Messreihen
Aufgrund des ausgeprägten Relaxationsverhaltens (Spannungsabbau unter konstanter Verformung) von Holz wurde zeitgleich mit dem Errichten des Pavillons ein Teststand in der Nähe aufgebaut, der bestückt wurde mit gebogenem Holzstreifen in drei verschiedenen Krümmungsradien. Wie im Pavillon verwendet, sind auch diese Streifen aus dem gleichem Holz und mit gleicher Lackierung. Sie werden in regelmäßigen Zeitabständen aus der Versuchsvorrichtung ausgebaut, um das Rückstellverhalten zu messen. Damit lässt sich eine Aussage über den Spannungsabbau im Pavillon treffen. Diese Daten sind Voraussetzung für eine realistische Verformungsberechnung mit dem Finite-Elemente Modell, welche als Vergleichsrechnungen dienen bei großmaßstäblichen Verformungstests des Pavillons.

Digitale Simulationsmodelle
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 physikalischer Tests empirisch untersucht und durch FEM Simulationen abgeglichen.

Geodätische Vermessung
Nach Fertigstellung wurde der Pavillon kontinuierlich vermessen und seine exakte Geometrie mittels Laserscanners erfasst. Mit dieser Technik konnten die aufgrund von Umwelteinflüssen auftretenden Materialveränderungen beobachtet und der damit verbundene Spannungsabbau in der Tragstruktur während verschiedener Phasen der Standzeit dokumentiert werden. Schlussendlich wird der Pavillon vor seinem Abbau noch Belastungstests unterzogen, die darüber Aufschluss geben werden, zu welchem Grad sich die Tragstruktur verformen lässt bzw. wie redundant die Struktur ist.

MODELLIERUNGSTECHNISCHE METHODEN

Die aus der FEM-Simulation gewonnen Daten bildeten die Grundlage für das computerbasierte Informationsmodell. Anders als in herkömmlichen digitalen Entwurfsprozessen war dieses zentrale digitale Informationsmodell keine geometrische Abbildung des intendierten Pavillons. Dies wäre auf Grund der komplexen Abhängigkeiten von Form, Struktur und Umwelt nicht möglich gewesen.

Informationsmodell
Das Informationsmodell war ein individuell programmiertes Computerscript (in RhinoScript®), welches dazu benutzt wurde, die im Laufe des Planungsprozesses benötigten Dateien zu erstellen. Der Inhalt dieser Dateien war streng von deren Verwendungszweck abhängig. Für Renderings und Designentscheidungen zum Beispiel musste ein dreidimensionales Geometriemodell erzeugt werden, wohingegen für den Zuschnitt auf dem Roboter ganz andere Anforderungen bestanden.
Durch den streng modularen Aufbau des Informationsmodells war es möglich, zu jeder Zeit während des extrem kurzen Entwurfsprozesses und trotz vieler Planungsbeteiligter ständig die Oberhand über die digitale Informationsflut zu behalten. Änderungen, seien sie bedingt durch Feedback des FEM-Modells oder durch sonstige Entscheidungen, wurden direkt im Code umgesetzt und wirkten sich somit augenblicklich auf den Stand aller übrigen Daten aus: Von der zweidimensionalen Zeichnung, über die herstellungsrelevanten und maschinenspezifischen Daten bis hin zum dreidimensionalen Modell.
Dieser innovative Ansatz im digitalen Data-Management im architektonischen Entwurfsprozess bedient sich moderner Softwarewerkzeuge, indem er diese um projektspezifische Funktionalität erweitert.

Geometriemodell
Als zentrales Evaluierungsmodell für Entscheidungsprozesse diente das digitale Geometriemodell. Es war sozusagen die dreidimensionale „Visualisierung“ des Informationsmodells und eine essentielle Schnittstelle, welche dabei half verschiedenste Entwurfsentscheidungen und Herstellungsfaktoren zu evaluieren.
Dieses Modell bezog seine geometrische Information aus dem Informationsmodell, in welchem die relevanten materialspezifischen Eigenschaften der Tragstruktur und viele weitere formbestimmende Parameter eingebettet waren.

Die wechselseitigen Abhängigkeiten von Geometrie, Material und externen Kräften wurden in zahlreichen physikalischen Messreihen erfasst und evaluiert. Der Fokus dieser Messreihen lag auf der Erfassung der Auslenkung elastisch verformter Holzstreifen unter externen (Druck-)Lasten.
Obwohl das zugehörige Geometriemodell formbestimmende Faktoren wie die auf den fertigen Bau wirkenden Eigen-, Verkehrs und Windlasten nicht berücksichtigte, ermöglichte es dennoch schon eine realitätsnahe Evaluation möglicher Entwürfe in Form von materialgetreuen, digitalen Machbarkeitsstudien. Dass diese einen zu jeder Zeit, insbesondere schon in den frühesten Entwurfsphasen vorhandenen, zentralen Bestandteil des Projektes darstellten, waren ein besonderes Anliegen und ein wichtiger Innovationsaspekt im digitalen Modellierungsverfahren. In „regulären“ Entwurfsprozessen, die sich CAD-Software bedienen, werden materialspezifische Eigenschaften oft erst durch aufwändige Simulationen erkannt und spielen in der Entwurfsphase eine untergeordnete Rolle. Diese Strategie wäre für eine solch extrem leichte Struktur, wie sie der Pavillon darstellt, nicht tragfähig gewesen.

Neben dem dreidimensionalen Geometriemodell konnten mit Hilfe des über 6400 Zeilen langen Codes des Informationsmodells alle relevanten Daten für die Berechnung in der FEM-Analyse-Software als auch die CNC-maschinenspezifischen Daten für die Herstellung generiert werden.

Die zentrale Rolle des Informationsmodells spiegelt sich in der zentralen Rolle des Entwerfers in solch einem computergestützten Entwurf wider: Die Potentiale und Möglichkeiten eigener Designentscheidungen können sich erst dann entfalten, wenn der Entwerfende in der Lage ist, relevante, formbestimmende Faktoren zu abstrahieren und in einem parametrischen Modell in gegenseitige Verbindung zu setzen. Durch das Erarbeiten dieser Abhängigkeiten positioniert sich der Architekt zentral im Wirkungsfeld aller Planungsbeteiligten, indem er es schafft, alle nötigen Informationen zusammenzutragen und seinen Entwurf nicht über die anderen hinweg, sondern mit Ihrer Hilfe zu gestalten.

FERTIGUNGSTECHNISCHE METHODEN

Während die Planung der computerbasierten Entwurfs-, Simulations- und Produktionsprozesse mehrere Monate in Anspruch nahm, konnte die Fertigung aller Bauteile und der zeitgleiche Aufbau des Pavillons in einem Zeitfenster von drei Wochen vollzogen werden.
Hierbei kam erstmals die an der Universität Stuttgart neu errichtete robotische Fertigungsanlage (RoboLab) zum Einsatz, die eine Herstellung des Pavillons im Haus ermöglichte. Somit konnte der Forschungspavillon gemäß der Entwurfs- und Tragwerks-Parameter von den Studenten und Institutsmitarbeitern selbst, d.h. ohne die Mithilfe externer Firmen oder sonstiger Planungsbeteiligter, äußerst genau vorgefertigt werden.

Robotische Fertigung
Die computergestützte Fabrikationsmethode ermöglichte eine Differenzierung der biege-aktiven Konstruktion in mehr als 500 geometrisch unterschiedlichen Teilen. Die aus dem Informationsmodell und aus der FE-Simulation stammenden Daten und Messergebnisse wurden dabei so in den Maschinen-Code überführt, dass die Informationskette aus Entwurf, statischer Planung und den sich bis zum Schluss ändernden Randbedingungen (z.B.: Materialverfügbarkeit oder Budget) nahtlos ineinander griff und von Anfang an in den Fertigungsprozess integriert werden konnte. Dabei wurde ein Kompromiss gefunden, der sowohl die Präzision durch den notwendigen Detailgrad als auch eine effiziente Logistik durch die gewünschte Produktionsgeschwindigkeit gewährleistete. Der enge Produktionszeitplan verlangte beispielsweise, dass alle Bauteile ohne Werkzeugwechsel in nur einem Durchgang mit einem ø20 mm Fräskopf gefertigt werden konnten. Dabei wurde nicht nur das Bauteil in seiner Kontur freigelegt, sondern auch alle Kopplungsstellen in ihren Winkeln vorgegeben, halbverdeckte Verzinkungen gefräst und die Positionen später zu platzierender Sicherungsschrauben markiert. Durch diesen Schritt waren alle für den Zusammenbau relevanten Informationen direkt auf das Bauteil eingeprägt und es bedurfte keiner komplexen Anleitung, um die Teile des Pavillons zusammenzusetzen. Aus 150 Birkensperrholzplatten (2950 x 700 x 65 mm) wurden 400 unterschiedliche Bogensegmente erstellt, die sich zu 80 Streifen mit einer Länge von 10 m zusammenfügen ließen. Somit besteht der Pavillon aus Bauteilen, die einerseits groß genug sind, um weite Spannweiten des effizienten Tragwerks zu erreichen, andererseits klein genug sind, um sich ohne Probleme durch das Universitätsgebäude von nur wenigen Leuten transportieren zu lassen.

Qualitätsmanagment im Herstellungsprozess
Begleitet wurde die Herstellung aller Bauteile durch eine Qualitätskontrolle in Form von Belastungstests an der fakultätseigenen Prüfanlage. Alle Verbindungsdetails konnten somit auf ihre Zugfestigkeit überprüft werden und die Relevanz der aus dem Fertigungsprozess stammenden Einflussfaktoren dabei nachvollzogen werden. Die Einstellungen des 6-Achs-Roboters (z.B. Frästiefe, Vorschub oder Fräsgeometrie) wurden daraufhin so optimiert, dass eine gesteigerte statische Leistungsfähigkeit der Bauteile erzielt werden konnte. Ein unmittelbares Feedback zwischen Materialverarbeitung und Materialverhalten war somit möglich und konnte dadurch integraler Bestandteil der Informationskette werden.

Ablauf
Die Zusammenarbeit zwischen Studenten und wissenschaftlichen Mitarbeitern begann im Wintersemester 2009/2010, als das Team des ICD und ITKE gemeinsam einen Entwurf präsentierten, welcher die Realisierung im darauffolgenden Semester (Ende Sommersemester 2010) zum Ziel hatte. Inhaltlich lag der Fokus des Entwurfes auf der investigativen Untersuchung von Holz und dessen spezifischen Eigenschaften sowie der Entwicklung eigener, einfacher „biegebeanspruchter Gleichgewichtssysteme“, welche dann sukzessive in eine Versuchsstruktur überführt wurden. Am Ende des (Entwurfs-)Semesters im Winter präsentierten 5 studentische Teams ihre Arbeiten, von welchen eine im Rahmen der Endpräsentation zur Realisierung ausgewählt wurde.
Während des darauffolgenden Semesters wurden die planungsrelevanten, digitalen Modelle erstellt sowie Finanzierung gesichert, Baugenehmigungen eingeholt, Details erarbeitet und der Pavillon gebaut. Die eigentliche „Errichtung“ dauerte drei Wochen und wurde parallel mit der Herstellung der Holzstreifen im RoboLab der Architekturfakultät vollzogen.

Ergebnis
Der temporäre Bau ist nicht nur das Ergebnis innovativer Entwurfs-, Herstellungs- und tragwerksplanerischer Verfahren, sondern auch eines innovativen Lehrkonzepts, welches das Ziel verfolgte, innerhalb kürzester Zeit einen Versuchsbau an der Schnittstelle zwischen wissenschaftlicher Forschung und Lehre zu realisieren. Der Prozess hat gezeigt, dass sich durch die enge Zusammenarbeit aller Beteiligten weitere Entwicklungspotentiale ergeben. Mit der Fertigstellung des Versuchsbaus beginnt nun die Phase der (wissenschaftlichen) Evaluation: Insbesondere der direkte Vergleich des Gebauten (und nun dreidimensional gescannten) mit den existierenden digitalen Modellen aus Entwurf und Simulation wird endgültig aufzeigen, wie präzise dieser erste Gehversuch in der Lage war, nicht-lineares Materialverhalten abzubilden.

RESÜMEE

Digitale Entwurfsprozesse und materialspezifisches, physikalisches Verhalten sind noch selten eng miteinander verknüpft. Der Entwurf und die nachfolgende Umsetzung haben gezeigt, dass sich durch intensive Erforschung der Zusammenhänge zwischen Tragwerk, Kraft, Form und Material neue Zugänge zu den aktuell relevanten und zukünftig immer wichtiger werdenden Themen wie Nachhaltigkeit und Umgang mit Ressourcen in der Architektur schaffen lassen.
Die erfolgreiche Realisierung des Projektes im Rahmen des Architekturstudiums und somit eine Rückbesinnung auf die Rolle zukünftiger Architekten als „Bauende“ war eine wichtige Entscheidung, die wir in den kommenden Semestern beibehalten und ausbauen möchten.

 

PROJEKTDATEN

Hochschule
Universität Stuttgart

Fachbereich
Architektur und Stadtplanung

Lehrstuhl
Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD), Prof. Achim Menges &
Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE), Prof. Jan Knippers

Seminar-Art
Entwurf

Für wen?
Studenten des Hauptstudiums in Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen Mitarbeitern.

Jahr
2010 (Fertigstellung)

Dauer
2 Semester: WS 2009/2010 – SS 2010
(1 Entwurfssemester, 1 Realisierungssemester)

Projekt Team
KONZEPT & REALISIERUNG
Andreas Eisenhardt, Manuel Vollrath, Kristine Wächter & Thomas Irowetz, Oliver David Krieg, Admir Mahmutovic, Peter Meschendörfer, Leopold Möhler, Michael Pelzer, Konrad Zerbe

WISSENSCHAFTLICHE LEITUNG
Moritz Fleischmann (Projektleitung), Simon Schleicher (Projektleitung), Christopher Robeller (Konstruktive Leitung), Julian Lienhard (Tragwerksplanung), Diana D’Souza (Tragwerksplanung), Karola Dierichs (Dokumentation)

Förderer
OCHS GmbH; KUKA Roboter GmbH; Leitz GmbH & Co. KG; A. WÖLM BAU GmbH; ES CAD Systemtechnik GmbH; Ministerium für Ländlichen Raum, Ernährung und Verbraucherschutz Landesbetrieb Forst Baden-Württemberg (ForstBW)

Links
http://icd.uni-stuttgart.de/?p=4458
http://www.itke.uni-stuttgart.de/de/forschung/Forschungspavillon.htm

Informationen
mail(at)icd.uni-stuttgart.de (ICD)
info(at)itke.uni-stuttgart.de (ITKE)

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