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Forschungspavillon ICD/ITKE - Sommer 2010

Autoren: Simon Schleicher, Julian Lienhard, Moritz Fleischmann

Institut für Computerbasiertes Entwerfen - Prof. Achim Menges
Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen - Prof. Jan Knippers

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.

Forschungspavillon Stuttgart, ICD, Holz
Innenansicht des biegeaktiven Pavillon (Photo: Julian Lienhard, 2010)
Forschungspavillon Stuttgart, ICD, Holz
Außenansicht der sehr dünnen, durch Biegung vorgespannten Sperrholz Lamellen. (Photo: Simon Schleicher, 2010)

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.

Informationsmodell

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. Die gewonnen Daten bildeten die Grundlage für das computerbasierte Informationsmodell.

Forschungspavillon Stuttgart, ICD, Holz
Experimentelle und digitale Biegeversuche zur Ermittlung des Materialverhaltens (Photo: Andreas Eisenhardt, Manuell Vollrath, Kristine Wächter / Illustration: Julian Lienhard, 2010)

Anders als in herkömmlichen digitalen Entwurfsprozessen war dieses zentrale digitale Informationsmodell keine geometrische Abbildung des intentionierten Pavillons. Dies wäre auf Grund der komplexen Abhängigkeiten von Form, Struktur und Umwelt nicht möglich gewesen.

Das Informationsmodell war ein individuell programmiertes Computerscript, 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 3 dimensionales 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 2-dimensional Zeichnung, über die herstellungsrelevanten und maschinenspezifischen Dateien bis hin zum 3-dimensionalen Modell.

Dieser innovative Ansatz im digitalen Datenmanagements während des architektonischen Entwurfsprozesses bedient sich moderner Software-Werkzeuge, indem er diese um projektspezifische Funktionalität erweitert.

Als zentrales Evaluierungsmodell in Meetings und Entscheidungsprozessen diente das digitale Geometriemodell. Es war sozusagen die 3-dimensionale „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 minimaler Biegeradien welche sich mit Spezifischen Holzsorten und Plattendicke erreichen lassen. 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, war ein besonderes Anliegen und ein wichtiger Innovationsaspekt im digitalen Modellierungsverfahren. In „regulären“ Entwurfsprozessen, die sich CAD-Software bedienen, werden materialspezifische Eigenschaften oft erst zum Zeitpunkt der statischen Analyse, wenn der Entwurf meist schon festgelegt ist, berücksichtigt. ein solches Vorgehen wäre für eine biegeaktive Struktur, deren Geometrie unmittelbar mit den Materialeigenschaften zusammen hängt, nicht möglich gewesen.

Neben dem 3-dimensionalen Geometriemodell konnten mit Hilfe des über 6400 Zeilen langen Codes des Informationsmodells abgewickelte Geometrie für die Formfindung und statische Berechnung mittels FEM-Analyse, sowie die Zuschnittsgeometrie für der Streifenelemente als CNC-maschinenspezifischen Daten für die Herstellung generiert werden.

Forschungspavillon Stuttgart, ICD, ITKE, Holz
Informationsmodell mit den digital generierten Positionen aller Verbindungsdetails (Illustration: Andreas Eisenhardt, Manuell Vollrath, Kristine Wächter, 2010)
Forschungspavillon Stuttgart, ICD, IZKE, Holz
Differenzierung der 80 Birkensperrholzstreifen des Pavillons (Illustration: Andreas Eisenhardt, Manuell Vollrath, Kristine Wächter, 2010)
Forschungspavillon, Stuttgart, ICD, ITKE, Holz
Code basierte Erstellung der Konstruktionspläne zur robotischen Fertigung inklusive aller relevanten Verbindungsdetails (Illustration: Andreas Eisenhardt, Manuell Vollrath, Kristine Wächter, 2010)

Die zentrale Rolle des Informationsmodells spiegelt sich in der zentralen Rolle des Entwerfers in solch einem computergestützten Entwurf wieder: 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.

Tragwerk

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 + Membranen, Kapitel Tragwerk und Form).

Forschungspavillon, Stuttgart, ICD, ITKE, Holz
FEM Simulation zweier gekoppelter Sperrholzstreifen als Basis Element des Pavillons (Illustration: Julian Lienhard, 2010)
Forschungspavillon, Stuttgart, ICD, ITKE, Holz
FEM Simulation des biege-aktiven Tragwerks. Die exakte Geometrie der Struktur und der Gleichgewichtszustand aller Kräfte wird ermittelt durch das digitale Verbiegen der elastischen Streifen zu einem sich selbstversteifenden Tragwerk (Illustration: Julian Lienhard, 2010)

Aufgrund des ausgeprägten Relaxationsverhaltens (Spannungsabbau unter konstanter Verformung) von Holz wurde zeitgleich mit dem Errichten des Pavillons in der Nähe ein Teststand aufgebaut, dieser wurde mit gebogenem Holzstreifen in drei verschiedenen Krümmungsradien bestückt. 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 Vorraussetzung für eine realistische Verformungsberechnung mit dem Finite-Elemente Modell welche als Vergleichsrechnungen dienen bei großmaßstäblichen Verformungstests des Pavillons.

Robotische Fertigung

Während die Planung der computerbasierter Entwurfs-, Simulations- und Produktionsprozesse mehrere Monate in Anspruch nahm, konnte die Fertigung aller Bauteile und der zeitgleiche Zusammenbau des Pavillons in einem Zeitfenster von 3 Wochen vollzogen werden. Hierbei kam erstmals die an der Universität Stuttgart neu errichtete robotische Fertigungsanlage zum Einsatz und ermöglichte somit die Herstellung des Pavillons im Haus.

Forschungspavillon, Stuttgart, ICD, ITKE, Holz
Robotische Fertigung der 500 geometrisch unterschiedlichen Bauteile (Photo: Andrea Lautenschlager, 2010)

Somit konnte der Forschungspavillon gemäß der Entwurfs- und Tragwerks-Parameter von den Studenten und Institutsmitarbeitern selbst äußerst genau vorgefertigt werden. Darüber hinaus erlaubte diese computergestützte Fabrikationsmethode eine Differenzierung der biegeaktiven Konstruktion in mehr als 500 geometrisch unterschiedliche Teile. 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 ø20mm Fräskopf gefertigt werden konnten. Dabei wurde nicht nur das Bauteil in seiner Kontur freigelegt, sondern auch halbverdeckte Verzinkungen gefräst, alle Kopplungsstellen in ihren Winkeln vorgegeben, 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 (2950x700x65mm) wurden 400 unterschiedliche Bogensegmente erstellt, die sich zu 80 Streifen mit einer Länge von 10m zusammenfügen ließen. Somit besteht der Pavillon aus Bauteilen die einerseits groß genug sind, um weite Spannweiten zu erreichen, andererseits klein genug sind, um sich von nur wenigen Leuten durch das Universitätsgebäude transportieren zu lassen.

Forschungspavillon, Stuttgart, ICD, ITKE, Holz
Code basierte Erstellung der Konstruktionspläne zur robotischen Fertigung inklusive aller relevanten Verbindungsdetails (Illustration: Andreas Eisenhardt, Manuell Vollrath, Kristine Wächter, 2010)
Forschungspavillon, Stuttgart, ICD, ITKE, Holz
Detaillierung des Kopplungspunkte benachbarter Streifen (Illustration: Andreas Eisenhardt, Manuell Vollrath, Kristine Wächter, 2010)
Forschungspavillon, Stuttgart, IDD, ITKE, Holz
Detaillierung des Fußpunkdetails (Illustration: Andreas Eisenhardt, Manuell Vollrath, Kristine Wächter, 2010)
Forschungspavillon, Stuttgart, ICD, ITKE, Holz
Zusammenbau des Pavillons (Photo: Simon Schleicher, 2010)

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.

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 das biegeaktive Tragwerk verformen lässt bzw. wie redundant die Struktur ist.

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Innenansicht des fertig gestellten Tragwerks (Photo: Achim Menges, 2010)

Projekt Team

Institut für Computerbasiertes Entwerfen - Prof. Achim Menges
Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen - Prof. Jan Knippers

Konzept & Realisierung
Andreas Eisenhardt, Manuel Vollrath, Kristine Wächter & Thomas Irowetz, Oliver David Krieg, Ádmir 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)

Stichworte:
Dieser Artikel ist aus dem Heft:
10/2010

Bauen mit Holz

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