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Gewickelt, nicht gemauert

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Der „ICD/ITKE Research Pavilion 2013-14” auf dem Gelände der Universität Stuttgart. Fotos © ICD/ITKE, Universität Stuttgart
von Sophia Walk | 12. September 2014
Im robotergesteuerten Bauprozess spielen die Eigenschaften und das Verhalten des Baumaterials eine wichtige Rolle. Das Institut für Computerbasiertes Entwerfen der Universität Stuttgart zeigt, wie man ein Haus im Wickelverfahren bauen kann.
Der Wunsch, freie, organische Formen nicht nur entwerfen, sondern auch bauen zu können, ist weit älter als die Möglichkeiten, die sich uns im Zeitalter des Digitalen bieten. Um nur die jüngste Vergangenheit zu betrachten: In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts glaubte Le Corbusier an die freie Verformung von Beton und dessen großflächiger konstruktiver Überspannung. Oscar Niemeyer erklärte seine Architekturauffassung explizit anhand des weiblichen Körpers, und der Name Frei Otto steht seit den 1950er Jahren für stützenfreie zeltartige Dachkonstruktionen mit enormen Spannweiten. Frei Otto war es denn auch, der an der Universität Stuttgart den Grundstein für eine ingenieurwissenschaftliche Forschungskultur innerhalb des Architekturentwurfs legte. Erforscht wurde, was auch der digitalen Fabrikation von Gebäuden immanent ist: die Eigenschaften des jeweiligen Baumaterials.

Verhalten und Eigenschaften des Materials verstehen

Sobald Fabrikationsmethoden und entsprechende Maschinen zum Einsatz kommen, die nichts mehr mit dem Aufmauern von Steinen zu tun haben, wird das Materialverhalten zum entscheidenden Parameter. Das gilt auch für das Wickeln von Häusern. Das Wickeln von Häusern? Dahinter verbirgt sich ein Forschungsschwerpunkt des Architekten Achim Menges, der am Institut für Computerbasiertes Entwerfen (Institute for Computational Design ICD) der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit dem dortigen Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) Versuchsbauten entwickelt, die dem aktuellen Forschungsstand der jeweiligen Entwurfs- und Herstellungstechniken in der Architektur entsprechen. Der neueste, im März 2014 eröffnete „ICD/ITKE Research Pavilion 2013-14“ wurde mittels robotergesteuertem Wickeln von in Epoxidharz getränkten Glas- und Carbonfasern gefertigt. Zwei in sechs Achsen bewegliche Industrieroboter wickeln diese Fasern um insgesamt 36 dünne Rahmen, die die Bauteilkanten definieren und nach der Fertigstellung der einzelnen Wickelmodule entfernt wurden.

Von Deckflügelschalen flugfähiger Käfer lernen

Innerhalb des Projekts wurden einerseits robotische Fertigungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe und andererseits biologische Konstruktionsprinzipien natürlicher Faserstrukturen erforscht. So dienten die Deckflügelschalen flugfähiger Käfer als Vorbild für das Strukturprinzip des bionischen Pavillons. Solche Flügelschalen schützen zum einen den Käferleib und sind zum anderen material- und gewichtssparend, um die Flugfähigkeit des Käfers zu erhalten.

Indem die Eigenschaften dieser Schalen mittels Mikro-Computertomographie erfasst wurden, konnten Rückschlüsse darauf gezogen werden, wie die Wickelsyntax ausgeführt werden musste. Was, gemeinsam mit der Wechselwirkung aus Material, Form und robotischer Herstellung, zu neuartigen Leichtbauweisen mit Faserverbundwerkstoffen führt.
Was das Bauen in freien Formen angeht, so bieten textile Materialien die meisten Möglichkeiten. Begrenzt wird deren Einsatz allerdings dadurch, dass diese selbst keine tragenden Eigenschaften besitzen, weshalb ein wesentlicher Teil des Bauprozesses darin besteht, eine formgebende und formstabile Grundstruktur zu entwickeln.

Der Bauprozess als Formgenerator

Achim Menges plädiert mit Blick auf eine rechnergestützte Architektur denn auch für ein Umdenken im Umgang mit deren Materialität: „Wo Maschine und Material im Entwurfsprozess nicht nur überlappen, sondern interagieren, entsteht ein neues Verständnis von Material in der Architektur.“ Das berechnete Verhalten des Materials bestimmt somit zusammen mit der Grundstruktur die Form des Pavillons. Der Bauprozess wird zum Formgenerator.

Das Beispiel zeigt: Digitale Fabrikation bringt Architekten dazu, ihr Nachdenken über den Einsatz bestimmter Materialien und ihr Verhältnis zu diesen von Grund auf zu verändern. Es entwickelt sich eine neue Materialkultur. Die Frage ist dann oft weniger, wie ein Material „aussieht“, sondern wie es sich verhält und welche Formbarkeit es besitzt. Hatten Architekten lange geglaubt, solche Fragen seien im Prinzip beantwortet, so stellen sie sich nun von neuem. Sofern man nicht auch weiterhin mehr oder weniger so bauen will wie schon vor vor 2000 Jahren. Und es wird klar: Digitale Fabrikation beginnt nicht erst in der Fabrik, wo Daten an Maschinen übermittelt und die gewünschten Bauteile produziert werden. Bereits das rechnerunterstützte Entwerfen und Konstruieren – das robotergesteuerte Wickelverfahren beweist es – ist Bestandteil des Bauens.
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Im Rahmen dieses Projektes wurde ein kernloser robotischer Wickelprozess entwickelt, bei dem in Harz getränkte Glas- und Carbonfasern auf von zwei kooperierenden 6-Achs Industrieroboter geführten Rahmen (Effektoren) gewickelt werden.
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Insgesamt wurden 36 unterschiedliche Bauteile hergestellt, deren Geometrie auf abstrahierten Strukturprinzipien der Käferelytren beruht.
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Der Forschungspavillon überspannt eine Fläche von 50 Quadratmetern mit einem gesamt Gewicht von 593 Kilogramm und einem Rauminhalt von 122 Kubikmeter.
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Im Rahmen der Untersuchung natürlicher Faserverbundstrukturen haben sich die Deckflügelschalen (Elytren) flugfähiger Käfer als geeignetes Vorbild für materialeffiziente Bauweisen herausgestellt. Die Elytren sind zum Schutz des Käferhinterleibes besonders tragfähig, aber gleichzeitig zur Erhaltung der Flugfähigkeit sehr material- und gewichtssparend ausgebildet.
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Forschungspavillon zeigt, wie die computerbasierte Synthese von biologischen Strukturprinzipien und den komplexen Wechselwirkung aus Material, Form und robotischer Herstellung zu neuartigen Faserverbundbauweisen führen kann.
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Der Forschungspavillon von 2012 ist ein temporärer bionischer Versuchsbau aus faserbasiertem Verbundmaterial.
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Der Pavillon bildet somit im Verlauf des robotischen Herstellungsverfahrens seine eigene Positivform aus.
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Formgenerierung, Material- und Tragwerksplanung wurden unmittelbar im Entwurfsprozess integriert.
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Die robotische Fertigung erfolgte direkt auf der Baustelle. Dabei kam ein 6-achsiger Industrieroboter, durch eine siebte externe Achse erweitert, zum Einsatz.
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Voraussetzung ist eine geschlossene digitale Kette vom Entwurfsmodell über Finite-Elemente-Simulationen, Materialversuche bis hin zur Maschinenansteuerung.
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Gewickelt, nicht gemauert
von Sophia Walk | 12. September 2014
Im robotergesteuerten Bauprozess spielen die Eigenschaften und das Verhalten des Baumaterials eine wichtige Rolle. Das Institut für Computerbasiertes Entwerfen der Universität Stuttgart zeigt, wie man ein Haus im Wickelverfahren bauen kann.
Der Wunsch, freie, organische Formen nicht nur entwerfen, sondern auch bauen zu können, ist weit älter als die Möglichkeiten, die sich uns im Zeitalter des Digitalen bieten. Um nur die jüngste Vergangenheit zu betrachten: In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts glaubte Le Corbusier an die freie Verformung von Beton und dessen großflächiger konstruktiver Überspannung. Oscar Niemeyer erklärte seine Architekturauffassung explizit anhand des weiblichen Körpers, und der Name Frei Otto steht seit den 1950er Jahren für stützenfreie zeltartige Dachkonstruktionen mit enormen Spannweiten. Frei Otto war es denn auch, der an der Universität Stuttgart den Grundstein für eine ingenieurwissenschaftliche Forschungskultur innerhalb des Architekturentwurfs legte. Erforscht wurde, was auch der digitalen Fabrikation von Gebäuden immanent ist: die Eigenschaften des jeweiligen Baumaterials.

Verhalten und Eigenschaften des Materials verstehen

Sobald Fabrikationsmethoden und entsprechende Maschinen zum Einsatz kommen, die nichts mehr mit dem Aufmauern von Steinen zu tun haben, wird das Materialverhalten zum entscheidenden Parameter. Das gilt auch für das Wickeln von Häusern. Das Wickeln von Häusern? Dahinter verbirgt sich ein Forschungsschwerpunkt des Architekten Achim Menges, der am Institut für Computerbasiertes Entwerfen (Institute for Computational Design ICD) der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit dem dortigen Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) Versuchsbauten entwickelt, die dem aktuellen Forschungsstand der jeweiligen Entwurfs- und Herstellungstechniken in der Architektur entsprechen. Der neueste, im März 2014 eröffnete „ICD/ITKE Research Pavilion 2013-14“ wurde mittels robotergesteuertem Wickeln von in Epoxidharz getränkten Glas- und Carbonfasern gefertigt. Zwei in sechs Achsen bewegliche Industrieroboter wickeln diese Fasern um insgesamt 36 dünne Rahmen, die die Bauteilkanten definieren und nach der Fertigstellung der einzelnen Wickelmodule entfernt wurden.

Von Deckflügelschalen flugfähiger Käfer lernen

Innerhalb des Projekts wurden einerseits robotische Fertigungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe und andererseits biologische Konstruktionsprinzipien natürlicher Faserstrukturen erforscht. So dienten die Deckflügelschalen flugfähiger Käfer als Vorbild für das Strukturprinzip des bionischen Pavillons. Solche Flügelschalen schützen zum einen den Käferleib und sind zum anderen material- und gewichtssparend, um die Flugfähigkeit des Käfers zu erhalten.

Indem die Eigenschaften dieser Schalen mittels Mikro-Computertomographie erfasst wurden, konnten Rückschlüsse darauf gezogen werden, wie die Wickelsyntax ausgeführt werden musste. Was, gemeinsam mit der Wechselwirkung aus Material, Form und robotischer Herstellung, zu neuartigen Leichtbauweisen mit Faserverbundwerkstoffen führt.
Was das Bauen in freien Formen angeht, so bieten textile Materialien die meisten Möglichkeiten. Begrenzt wird deren Einsatz allerdings dadurch, dass diese selbst keine tragenden Eigenschaften besitzen, weshalb ein wesentlicher Teil des Bauprozesses darin besteht, eine formgebende und formstabile Grundstruktur zu entwickeln.

Der Bauprozess als Formgenerator

Achim Menges plädiert mit Blick auf eine rechnergestützte Architektur denn auch für ein Umdenken im Umgang mit deren Materialität: „Wo Maschine und Material im Entwurfsprozess nicht nur überlappen, sondern interagieren, entsteht ein neues Verständnis von Material in der Architektur.“ Das berechnete Verhalten des Materials bestimmt somit zusammen mit der Grundstruktur die Form des Pavillons. Der Bauprozess wird zum Formgenerator.

Das Beispiel zeigt: Digitale Fabrikation bringt Architekten dazu, ihr Nachdenken über den Einsatz bestimmter Materialien und ihr Verhältnis zu diesen von Grund auf zu verändern. Es entwickelt sich eine neue Materialkultur. Die Frage ist dann oft weniger, wie ein Material „aussieht“, sondern wie es sich verhält und welche Formbarkeit es besitzt. Hatten Architekten lange geglaubt, solche Fragen seien im Prinzip beantwortet, so stellen sie sich nun von neuem. Sofern man nicht auch weiterhin mehr oder weniger so bauen will wie schon vor vor 2000 Jahren. Und es wird klar: Digitale Fabrikation beginnt nicht erst in der Fabrik, wo Daten an Maschinen übermittelt und die gewünschten Bauteile produziert werden. Bereits das rechnerunterstützte Entwerfen und Konstruieren – das robotergesteuerte Wickelverfahren beweist es – ist Bestandteil des Bauens.