Architektur Forschung Bauen. ICD/ITKE 2010-2020

>> A R C H I T E K T U R FORSCHUNG B AU E N I C D/ I T K E 2 0 1 0 / 2 0

AC H I M M E N G E S / JA N K N I P P E R S B I R K H ÄU S E R BASEL

>> DA N K S AG U N G Die Arbeiten in diesem Buch sind nicht das Werk zweier Protagonisten, vielmehr gehen sie auf die intensive Teamarbeit einer Vielzahl Beteiligter zurück, ohne die keines der hier gezeigten Projekte möglich gewesen wäre.

Unser ganz besonderer Dank gilt den Wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern an unseren beiden Instituten. Ihre Kreativität, Kompetenz und Leidenschaft sind eine unabdingbare Voraussetzung nicht nur für die im Buch dargestellten Projekte, sondern insgesamt für die über viele Jahre erfolgreiche Lehre und Forschung an ICD und ITKE. Dies trifft in gleichem Maße auf die beteiligten Studierenden zu, denen wir außerdem besonderen Respekt für ihren Mut zollen, sich auf das ergebnisoffene und risikobehaftete Experiment der verschiedenen Forschungspavillons einzulassen.

Wir danken allen Kooperationspartnern aus Industrie und Wissenschaft für die wertvollen Beiträge und die gute Zusammenarbeit, die uns auf viele weitere gemeinsame Projekte hoffen lässt. Da wir auf die finanzielle Unterstützung durch private und vor allem öffentliche Fördermittelgeber angewiesen sind, bedanken wir uns für das uns entgegengebrachte Vertrauen.

Ganz besonderer Dank gilt auch der Universität Stuttgart für die außergewöhnliche Unterstützung auf vielen verschiedenen Ebenen. Das die Fachgrenzen überschreitende wissenschaftliche Umfeld der Universität Stuttgart ist eine wesentliche Voraussetzung für unsere Arbeit.

Achim Menges und Jan Knippers Herbst 2020

4

5

>> INHALT

INTRO

ARCHITEKTUR

EINLEITUNG

NEU DENKEN

Einführung Architektur Forschung Bauen 8

Vorwort GEORG VRACHLIOTIS Experimentelle Architektur für das 21. Jahrhundert 16

ICD und ITKE, Universität Stuttgart 10

Architektur digital anders denken 22 Computation statt Computisierung 24 Forschendes Bauen und bauendes Forschen 26 Forschungsstränge und Entwicklungslinien 28

INTEGRATIVE

FORSCHUNG

Integration von Form, Material, Struktur und Raum 32 Bionik als wissenschaftliches Querdenken 34 Tragwerke jenseits von Typologien 36 Innovation Holz 38 Innovation Faserverbundwerkstoff 40 Vom Experiment zur anerkannten Bauweise 42

EXPERIMENTELLES

EXTERNE

BAUEN

POSITIONEN

ICD/ITKE Forschungspavillon 2010 46

THOMAS SPECK Architektur und Bionik 66

ICD/ITKE Forschungspavillon 2011 56

JENNY SABIN Materialkultur 88

ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 68

BOB SHEIL Explorative Lehre 100

ICD/ITKE Forschungspavillon 2013/14 78

ANTOINE PICON Komplexität und Widerspruch von Material Computation 112

Forstpavillon 90 ICD/ITKE Forschungspavillon 2014/15 102 ICD/ITKE Forschungspavillon 2015/16 114 ICD/ITKE Forschungspavillon 2016/17 126 Elytra Filament Pavilion 136 BUGA Holzpavillon 150 BUGA Faserpavillon 162 Urbach Turm 176

JANE BURRY Computerbasiertes Entwerfen 124 MET TE RAMSGAARD-THOMSEN Interdisziplinarität als Notwendigkeit für Innovation 148 PHILIPPE BLOCK Innovative Tragwerke 174 PETER CACHOLA SCHMAL Weniger Gewicht durch mehr Form 188

PERSPEKTIVE FÜR FORSCHUNG UND PRAXIS

Perspektive Akademische Forschung: Holzbauweisen 192 Perspektive Akademische Forschung: Faserverbundbauweisen 196 Perspektive Architektonische Praxis 200

6

7

OUTRO ANHANG

Projektbeteiligte ICD/ITKE Bauten 206 Personen 220 Literaturverweise 224 Bildnachweise 228

>> A R C H I T E K T U R FORSCHUNG B AU E N In der Architektur sind technisch-konstruktive und sozio-kulturelle Aspekte untrennbar verwoben und bedingen sich wechselseitig. Seit die digitalen Technologien das Entwerfen und Bauen durchdringen, ist jedoch eine gewisse Rat- und Visionslosigkeit aufseiten der Bauschaffenden zu beobachten. Es stellt sich die Frage, wie dieser fundamentale Wandel nicht nur als technische Entwicklung verstanden, sondern als signifikante kulturelle Veränderung gestaltet werden kann. Mit unseren Arbeiten versuchen wir, einen Beitrag zu dieser Fragestellung zu leisten. Dabei ist uns bewusst, dass es sich immer nur um eine partielle Betrachtung handeln kann und nur einer von vielen Wegen begangen wird.

werke von Frei Otto, die auf erstaunliche Weise architektonische Eleganz und konstruktive Effektivität verbinden und so plötzlich zeitgemäßer erschienen als die zeitgenössische Architektur. Mit der Verleihung des PritzkerPreises an Frei Otto im Jahr 2015 wurde diese Leistung anerkannt. Uns erschien die Prämierung aber auch unter einem weiteren Gesichtspunkt bemerkenswert: Frei Otto wurde mit den höchsten Ehren der Architektur ausgezeichnet, obwohl es bei seinen bekanntesten Bauwerken jeweils auch einen (anderen) Architekten oder Ingenieur gab. Gewürdigt wurde also der übergreifende und architekturprägende Beitrag, der im Wesentlichen auf seine Forschungstätigkeit zurückging.

Unsere Forschung und Bauten als Architekten und Ingenieure gemeinsam voranzutreiben hat dabei vielschichtige Gründe. Zum einen ist die kooperative Ausrichtung dem akademischen Umfeld der Universität Stuttgart geschuldet, für das wir uns beide bewusst entschieden haben. Denn es ist geprägt von einer über viele Jahrzehnte gewachsenen Kultur der interdisziplinären Zusammenarbeit von Architektur und Ingenieurwissenschaften. Deren herausragende Vertreter Fritz Leonhardt, Jörg Schlaich und insbesondere Frei Otto sind eine Inspiration für unsere Arbeit. Die von Frei Otto entwickelte Entwurfsmethode der Gestaltfindung war uns ein wichtiger Anknüpfungspunkt, ebenso die Leichtigkeit seiner Bauten, die die banale und dennoch oft thematisierte Dialektik des Effizienten versus des Expressiven so mühelos überwindet.

Neben der Wertschätzung von Forschung für die Architektur, der Begeisterung für das bereichernde Moment interdisziplinärer Arbeit und der Faszination für den Leichtbau ist eine wesentliche Motivation für unsere Arbeit und die in diesem Buch vorgestellten Bauten die Überzeugung, dass digitale Technologien die Architektur erheblich verändern werden. Wie wir aus der Geschichte wissen, ist ein erster Reflex im Umgang mit neuartigen technologischen Entwicklungen häufig, mit diesen zunächst vormalige Technologien nachzuahmen. Das vordigitale Bauschaffen zu digitalisieren und zu automatisieren, kann aber nicht das alleinige Ziel sein, weder die Optimierung der Verfahren, die Steigerung der Produktivität noch die reine Erweiterung des Formenkanons.

Vielmehr muss das Ausloten neuer Möglichkeiten im Fokus stehen, die mit den Mitteln unserer Zeit die Vielschichtigkeit und Komplexität qualitativer und quantitativer Aspekte in Betracht ziehen, welche ein Gebäude ausmachen. Neben der architektonischen Qualität, der räumlichen Artikulation und dem soziokulturellen Beitrag besteht die übergroße Herausforderung, die ökologische Effizienz der Bauprozesse und Bausysteme drastisch zu verbessern. Dies wird nur gelingen, wenn die Möglichkeiten der Digitalisierung konsequent erforscht und genutzt werden. Dabei sind wir uns voll bewusst, dass dieselben digitalen Technologien, die die

Einige unserer Forschungspavillons haben ihren Ursprung in einer Zeit, in der die zuvor weitverbreitete Euphorie für die vordergründig „digitale Architektur“ einer allgemeinen Ernüchterung wich. Mit Ende der 2000erJahre war eine Vielzahl von Gebäuden fertiggestellt, deren digital generierte Formen erheblich mit ihren prädigitalen Bauweisen kollidierten. Verstärkt durch die gleichzeitige Weltfinanzkrise haftete ihnen der bittere Beigeschmack des Exzessiven an. Ganz anders die Bau-

Erkundung eines zukunftsfähigeren Bauschaffens und neuartiger architektonischer Ansätze erlauben, genauso dafür eingesetzt werden können, Konventionen zu verfestigen, Normierungen zu stärken und Daten zu monopolisieren. Es gilt also, den sich durch die digitalen Technologien vollziehenden Wandel aktiv, kritisch und zugleich positiv zu gestalten. Wer sollte dies an vorderster Front tun, wenn nicht Architektinnen und Architekten, Ingenieurinnen und Ingenieure?

Wir sind uns bewusst, dass ein solches positives Gestalten und Untersuchen neuer Möglichkeiten erheblicher Anstrengungen bedarf, womit im Kontext digitaler Technologien auch die Frage nach Forschung in der Architektur neu aufgeworfen wird. Besonders im Bereich der baupraktischen Tätigkeit wird es zunehmend schwieriger, neue Möglichkeiten auszuloten und forschende Wege zu beschreiten. Die Konformität mit anerkannten Regeln der Technik wird immer stärker über die rechtlichen, versicherungstechnischen und bauwirtschaftlichen Rahmenbedingungen eingefordert. Die Baupraxis ist zunehmend beschränkt auf das Verbleiben innerhalb der Grenzen dieses anerkannten Stands der Technik, wie er in Normen und anderen bauaufsichtlichen Regelungen definiert ist. Dies widerspricht der Forderung nach mehr Innovationen durch Forschung, die per se neues Wissen jenseits der Konventionen schafft.

Wenn also die Praxis einen immer geringeren Anteil an Forschung zulässt, kann daraus gefolgert werden, dass im Gegenzug die Forschung einen höheren Anteil an Praxis integrieren muss. Darunter verstehen wir nicht primär die baupraktische Anwendungsforschung, sondern ein architekturspezifisches Verständnis von Grundlagenforschung. Neben der Erforschung von Methoden und Prozessen verstehen wir Bau- und Architekturforschung als Erkenntnisgewinn in Bezug auf technisch-konstruktive wie auch architektonisch-kulturelle Fragestellungen. Dies erfordert einen gesellschaftlichen Wandel, der mühsam und unbequem, letztendlich aber unerlässlich ist.

Mit dem vorliegenden Buch möchten wir einen Einblick in zehn Jahre gemeinsame Anstrengungen in dieser Sache an den beiden Instituten für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) an der Universität Stuttgart geben. Das Buch gliedert sich in drei inhaltliche Teile: Das Kapitel „ARCHITEKTUR neu denken“ erläutert die uns zur Verfügung stehenden Mittel, Prozesse und Forschungsansätze mit dem Ziel, einen positiven Beitrag für die Architektur zu leisten und diese zukunftsorientiert unter Zuhilfenahme der digitalen Technologien voranzutreiben. Die komplexen Rahmenbedingungen, denen das Bauen der Zukunft ausgesetzt ist, die Synergien und Wechselwirkungen auf verschiedenen Forschungsebenen und die Vorteile integrativer und interdisziplinärer Ansätze fassen Fachartikel im Kapitel „Integrative FORSCHUNG“ zusammen. Die Rubrik „Experimentelles BAUEN“ gibt einen Einblick in eine Auswahl an gemeinsam realisierten ICD/ITKE Projekten als Vehikel und Gegenstand unserer Forschung von 2010 bis 2020. Kolleginnen und Kollegen, die unseren Weg auf unterschiedliche Weise begleitet haben, verankern in ihren Positionen das Spektrum unserer Projekte im Kontext des derzeitigen Architekturdiskurses. Uns allen geht es um ARCHITEKTUR FORSCHUNG BAUEN.

ACHIM MENGES

JAN KNIPPERS

ICD – Institut für

ITKE – Institut für

Computerbasiertes

Tragkonstruktionen

Entwerfen und

und Konstruktives

Baufertigung,

Entwerfen,

Universität Stuttgart

Universität Stuttgart

220

8

9

>> I C D U N D I T K E , U N I V E R S I TÄT ST U T TG A R T

Die Strukturen deutscher Universitäten unterscheiden sich deutlich von denen vieler internationaler akademischer Institutionen. Eine deutsche Universität ist in Fakultäten organisiert, die entlang der klassischen akademischen Disziplinen ausgerichtet sind. Eine Fakultät ist wiederum in Untereinheiten strukturiert, zum Beispiel in Fachbereiche oder Institute. Die Fakultät für Architektur und Stadtplanung der Universität Stuttgart gliedert sich in insgesamt 14 Institute, die die gesamte Breite von der Architekturtheorie bis zum Städtebau abdecken. Diese übernehmen bestimmte elementare Lehrgebiete, sind ansonsten in ihrer Ausrichtung in Lehre und Forschung aber frei und unabhängig.

Die beiden Institute – das Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung ICD und das Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen ITKE – sind zunächst für Aufgaben in der Grundlehre im Bachelorstudiengang der Fakultät verantwortlich: das ICD für Geometrie und CAD, das ITKE für Tragwerkslehre. Das ICD wurde im Zuge der wachsenden Bedeutung digitaler Modellierungs- und Fertigungsmethoden von Achim Menges nach seiner Berufung im Jahr 2008 gegründet. Seitdem wurde die Lehr- und vor allem Forschungstätigkeit kontinuierlich ausgebaut. Das ITKE vermittelt hingegen klassische Inhalte der Tragwerkslehre und geht auf die Ursprünge der Architekturausbildung an der Universität Stuttgart im 19. Jahrhundert zurück. Zunächst fast ausschließlich in der Lehre tätig, hat das Institut seine umfangreiche experimentelle Forschungstätigkeit erst mit dem Antritt von Jan Knippers im Jahr 2000 entwickelt. Für die Aufgaben in der Grundlehre werden die Institute mit bescheidenen personellen Mitteln durch die Universität ausgestattet. Die jeweils etwa 20 Wissenschaftlichen Mitarbeiter müssen fast ausschließlich aus externen Forschungsmitteln – die in teilweise sehr kompetitiven Verfahren von Achim Menges und Jan Knippers eingeworben werden – finanziert werden. Das derzeit größte und wichtigste Projekt ist der von der Deutschen Forschungs-

gemeinschaft (DFG) mit etwa 45,5 Mio. Euro für den Zeitraum von 2019 bis 2025 geförderte Exzellenzcluster „Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)“. Ein Exzellenzcluster ist die bedeutendste und umfangreichste Förderung der DFG. Mit dem Exzellenzcluster IntCDC konnte sich zum ersten Mal ein Cluster im Bereich der Architektur und des Bauens in diesem hochkompetitiven, sich über alle Wissenschaftsbereiche erstreckenden Wettbewerb durchsetzen. Neben ICD und ITKE sind in dem Exzellenzcluster IntCDC viele weitere Institute mit mehr als 130 Wissenschaftlern aus unterschiedlichen Bereichen der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme vertreten, vornehmlich aus den Bereichen der Architektur, dem Bauingenieurwesen, der Produktions- und Systemtechnik, der Robotik, den Computerwissenschaften sowie den Sozial- und Geisteswissenschaften. Das gemeinsame Forschungsziel ist es, das volle Potenzial digitaler Technologien zu nutzen, um das Planen und Bauen neu zu denken und durch einen systematischen, ganzheitlichen und integrativen computerbasierten Ansatz wegweisende Innovationen für das Bauschaffen zu ermöglichen. Der Exzellenzcluster knüpft direkt an die Vorarbeiten von ICD und ITKE, beispielweise die beiden BUGA Pavillons im Rahmen der Bundesgartenschau in Heilbronn 2019, an und wäre ohne diese nicht möglich gewesen. Achim Menges ist Sprecher, Jan Knippers stellvertretender Sprecher des Exzellenzclusters.

Die Teams der beiden Institute sind entsprechend ihrer fachlichen Ausrichtung unterschiedlich besetzt: Am ICD sind überwiegend Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus der Architektur, aber auch aus der Informatik oder dem Design tätig, während am ITKE mehrheitlich Ingenieurinnen und Ingenieure sowie einige Architektinnen und Architekten beschäftigt sind. Entsprechend bringen die Mitarbeiter der beiden Institute komplementäre Kompetenzen in die gemeinsamen Projekte ein: Das ICD steuert computerbasierte Entwurfsmethoden und di-

1] Bei einer Verringerung des Feuchtegehalts im Material öffnet

2] Die elastische Verformung der Strelitzie beim Bestäuben diente

sich der Fichtenzapfen, ohne dass hierfür metabolische Energie

als Vorbild für die Entwicklung des FlectoFin am ITKE.

benötigt wird. Dieses Bewegungsprinzip wird am ICD im Rahmen des HygroSkin Projekts erforscht.

10

gitale Fertigungsprozesse bei; Entwurf und Analyse der Tragwerke sowie Prüfung der Materialien und Baukomponenten stammen aus dem ITKE. Es sind nicht nur die Kompetenzen von ICD und ITKE, die sich ergänzen, sondern auch die übergeordneten Perspektiven und Sichtweisen. Diese ergeben sich nicht nur aus der fachlichen Orientierung der Architektur und des Bauingenieurwesens, sondern auch aus den verschiedenen Biografien von Achim Menges und Jan Knippers.

Die unterschiedlichen, aber komplementären Institutskulturen lassen sich am Beispiel der Forschung an adaptiven Systemen für die Architektur, basierend auf nachgiebigen Verformungsmechanismen verdeutlichen.

Dieser Forschungsbereich wird – entgegen der in diesem Buch vorgestellten kooperativen Arbeiten – an beiden Instituten weitestgehend unabhängig voneinander und auf unterschiedliche Weise untersucht.

Das ICD verfolgt das Thema der passiven, hygroskopischen Aktuierung von geschichteten Holzverbundelementen, sogenannten Bilayern. Bei einer Änderung des Feuchtegehalts reagiert Holz durch Schwinden und Quellen senkrecht zur Faser. Dieses Materialverhalten wird üblicherweise als Nachteil von Holz betrachtet, dem man durch Laminieren rechtwinklig zueinander angeordneter Holzlagen begegnet. Die vom ICD untersuchten passiv aktuierten Bilayer zeigen, wie dieses

natürliche Verhalten von Holz – in Anlehnung an Vorbilder aus der Natur, wie etwa dem Fichtenzapfen – für bewegliche adaptive Elemente genutzt werden kann. Dieses Verhalten lässt sich in 3D-gedruckten, mehrlagigen Strukturen aus synthetischen Materialien nachempfinden, die komplexe Formen und Bewegungsabläufe abbilden können und in erheblichem Maße skalierbar sind: Beim Urbach Turm wurde dieses Verfahren zur Herstellung gekrümmter Brettsperrholzplatten mit 14 m Länge genutzt. Diese wurden im Anschluss durch Laminieren zweier gekrümmter Lagen und Aufbringen einer Sperrschicht in ihrem Verformungszustand eingefroren. Bei einem Feuchtigkeitswechsel verformen sie sich nun nicht mehr.

Am ITKE werden in Zusammenarbeit mit der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg und den DITF Denkendorf aktiv aktuierte biegsame Faserverbundelemente entwickelt, mit dem Ziel, robuste und wartungsarme bewegliche Fassadenbekleidungen zu realisieren. Diese sollen mit wenigen mechanischen Komponenten wie z. B. Lagern oder Gelenken auskommen. Die Idee ist ursprünglich aus der Untersuchung von Pflanzenbewegungen entstanden. Da die Kinematik im Gegensatz zu gängigen Verschattungsmechanismen ohne Rotations- oder Translationsachse auskommt, sondern auf Biegeverformung beruht, können die Elemente auf doppelt gekrümmten Flächen angewendet werden. Die Faserverbundbauteile bieten für außenliegende Bauelemente ausreichend Steifigkeit zur Aufnahme der Wind-

11

ARCHITEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

>> A R C H I T E K T U R D I G I TA L ANDERS DENKEN

Menschen verbringen 87 % ihrer Zeit in Gebäuden. Diese bilden den physischen Raum und stofflichen Rahmen, aber auch die Basis für den gesellschaftlich-kulturellen Kontext, in dem sich ein Großteil unseres Lebens abspielt. Durch das aktive Gestalten der gebauten Umwelt entfaltet Architektur ihre soziale Bedeutung sowie ihre ökologische und ökonomische Relevanz. Wie dieses Gestalten erfolgt und unser Umfeld prägt, steht in direktem Zusammenhang mit dem intellektuellen und physischen Schaffen von Architektur, den Prozessen des Entwerfens und Bauens. Die digitalen Technologien erlauben nun, die bisherigen Wechselwirkungen, in denen diese Prozesse der Generierung und Materialisierung von Form und Raum seit der Renaissance verharren, infrage zu stellen. Ein wesentlicher Schwerpunkt der in diesem Buch vorgestellten Forschung betrifft die Frage, wie wir das Materielle und das Materialisieren in der Architektur durch das Digitale und die Digitalisierung anders denken können.

Die Beschäftigung mit digitalen Technologien ist kein Selbstzweck, sondern die Suche nach Antworten auf einige der drängenden Fragen an die Architektur von morgen.

Bau und Betrieb von Gebäuden sind zentrale Ursachen für den menschgemachten Energie- und Ressourcenverbrauch, den Ausstoß von Schadstoffen und die Produktion von Abfall. Wir müssen den Verbrauch endlicher, vor allem fossiler Ressourcen für Gebäude und die CO2-Emissionen deutlich reduzieren, wenn wir die Ziele der Klimakonvention der Vereinten Nationen erreichen wollen. Gleichzeitig erfordert die rapide Verstädterung, dass die Produktivität der Planungs- und Bauprozesse drastisch erhöht wird. Wenn wir dabei nicht auf die repetitive Gestaltung und Monotonie des Bauens des letzten Jahrhunderts zurückgreifen wollen, brauchen wir neue Methoden und Prozesse, die architektonische Vielfalt und Qualität mit digitalen Planungsmethoden und Bauprozessen in Einklang bringen. Die Herausfor-

derung besteht darin, deutlich mehr zu bauen, gleichzeitig aber weniger an Ressourcen zu verbrauchen.

Das heutige Planen und Bauen ist fest mit der Vorstellung einer Prozesskette verknüpft: Am Anfang steht die Formidee und Raumkonzeption der Architekten, gefolgt von der technischen Bearbeitung der Ingenieure, der Vorfertigung in der Werkstatt und schließlich der Umsetzung auf der Baustelle. Auch wenn die Realität mit zahlreichen Querbezügen und Iterationsschleifen zumeist erheblich komplexer ist, organisiert sich die gängige Praxis entlang dieser Kette. Dieser traditionelle Ablauf bewirkt allerdings, dass der Grad an Innovationen beschränkt bleibt, weil jedes Glied der Prozesskette die Informationen, die es vom vorangegangenen Partner erhält, mit seinen eigenen Methoden bearbeitet und entsprechend seiner eigenen Kriterien bewertet, bevor es diese an den Nächsten weitergibt.

Das Aufbrechen dieses linearen und hierarchisch organisierten Prozesses ist daher der Schlüssel für das Freisetzen echter Innovationen, die über eine inkrementelle Steigerung der Effizienz vorhandener Planungsmethoden und Bausysteme hinausgehen. Nur wenn alle Projektbeteiligten in Planung und Realisierung von Beginn an in einem offenen und hierarchiefreien Prozess miteinander kommunizieren und sich die verschiedenen Ebenen gegenseitig beeinflussen, kann etwas wirklich Neues entstehen.

Digitale Technologien bieten die Möglichkeit, das Bauwesen grundlegend zu verändern. Derzeit steht im Vordergrund von Forschung und Entwicklung zumeist die Datendurchgängigkeit zwischen den verschiedenen Teilbereichen des Bauschaffens. Davon abgesehen erfolgt die Digitalisierung der einzelnen Teilbereiche weitestgehend entkoppelt voneinander. Im Ergebnis führt dies in den meisten Fällen zu isolierten Erkenntnissen und punktuellen Verbesserungen bereits bestehender Planungsverfahren, Fertigungsprozesse und Bausyste-

me, mit wenig Einfluss auf die ästhetischen und funktionalen Qualitäten der daraus entstehenden Gebäude.

Somit erfordert die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit den digitalen Technologien auch, die grundsätzliche Frage nach Forschung in der Architektur neu zu stellen.

Unsere Forschung am ICD und ITKE hat zum Ziel, die Möglichkeiten digitaler Technologien für die Architektur integrativ und interdisziplinär zu untersuchen, aber auch kritisch zu reflektieren. Im Zentrum steht dabei die Frage, wie sich neue digitale Technologien nicht nur für die Optimierung bestehender prädigitaler Prozesse und Systeme einsetzen lassen, sondern stattdessen neuartige Ansätze für Entwurf, Planung, Fertigung und Bauen entwickelt werden können.

Unser Ziel ist es, genuin digitale Bausysteme und Bauweisen zu entwickeln, die eine Architektur ermöglichen, die der Digitalisierung als fundamentale technische und vor allem auch soziokulturelle Veränderung gerecht wird.

In diesem Sinne erproben die vorgestellten ICD/ITKE Bauten ein radikales Gegenmodell zur heutigen Praxis des Planens und Bauens. Sie zeigen, wie in einem grundlagen- und erkenntnisorientierten Prozess Lösungen entstehen können, die sich außerhalb etablierter Typologien von Architektur, Konstruktion und Tragwerk befinden und trotzdem sowohl hinsichtlich der funktionalen Leistungsfähigkeit als auch des architektonischen Ausdrucks überzeugen. Dies kann nur gelingen, wenn das Potenzial digitaler Technologien zu einer tiefgreifenden Integration voll genutzt wird und dabei alle Disziplinen und Kompetenzen von Beginn an beteiligt sind. Umwege und Sackgassen sind dabei nicht nur ein unvermeidlicher, sondern auch ein bereichernder Teil des Weges.

1, 2] Das ICD/ITKE Team während des Entwurfs des BUGA

22

Faserpavillons zur Bundesgartenschau 2019 in Heilbronn

23

Ein wesentlicher Aspekt von zukunftsorientierter Architekturforschung ist also die Untersuchung digitaler Technologien, nicht als Fortführung bestehender Methoden und Prozesse, sondern als Ausgangspunkt und Vehikel, das Entwerfen und Bauen anders zu denken. Dabei geht es nicht um das Unkonventionelle an sich, sondern um das Erforschen alternativer Ansätze, die den Möglichkeiten und den Mitteln unserer Zeit gerecht werden. Es geht darum, die epochale Veränderung durch digitale Technologien als Chance aufzugreifen und deren disruptives Potenzial kritisch, aber positiv zu gestalten.

A RCHI TEK TUR FORS CHUN G

BAUEN POSI TI O NEN

PER SPEKT IV E

INTEGRATIVE

FOR S C H UNG

30

31

A RCHI TEK TUR

FORS CHUN G

BAUEN

POSI TI O NEN

PER SPEKT IV E

>> I N T E G R AT I O N VO N F O R M , M AT E R I A L , ST R U K T U R U N D R AU M Als verbindendes Element zwischen Entwurf und Bau gilt die Zeichnung bzw. der architektonische Plan. Der moderne Bauplan entstand zwischen dem 13. und 15. Jahrhundert. Mit der Entwicklung der perspektivischen und parallelen Projektion in der Renaissance waren die Voraussetzungen geschaffen, auf deren Grundlage sich der Wandel vom mittelalterlichen Baumeister zum neuzeitlichen Architekten vollzog, dessen Entwurfstätigkeit nicht länger direkt in das Baugeschehen integriert ist. Symptomatisch für diesen Wandel war z. B. Leon Battista Albertis Forderung nach der Trennung der Prozesse des Entwerfens und Bauens.[18] Die Notationsform der darstellenden Zeichnung spielt dabei eine entscheidende Rolle. Sie erzeugt die architektonische Aussage und gibt zugleich die Handlungsanweisung für deren Umsetzung. Aufgrund dieser zentralen Rolle gilt die Architektur als eine der Kunstformen, die auf ein Notationssystem angewiesen ist.[19] Allerdings ist genau in diesem entmaterialisierten System der geometrischen Zeichnung und des Plans eine wesentliche Konvention des architektonischen Denkens angelegt, nämlich die vorrangige Stellung der Geometrie und deren hierarchisches Verhältnis zur Materialisierung.

Das gängige Entwurfsdenken priorisiert die geometrische Form und versteht das Material als deren passiven Empfänger zur Umsetzung der Form. Selbstverständlich nehmen die meisten Architekten für sich in Anspruch, materialgerecht zu entwerfen. Die spezifische Materialität wird dabei allerdings zumeist vorgefassten konstruktiven, strukturellen und räumlichen Typologien zugeordnet, die in der konventionellen Hierarchie von Form und Material verharren. Das Bauen wird als der nachgeordnete Schritt des Überführens einer geplanten in eine materielle Form verstanden. Inzwischen hat sich diese Konzeption nicht nur in der Architekturpraxis tief verwurzelt, sondern auch in den gesetzlichen Rahmenbedingungen, die die Berufswelt regeln.

Im Gegensatz dazu stehen Ansätze, die Entwerfen und Bauen im Kontext digitaler Technologien von Beginn an integrativ behandeln. Durch Computation werden Aspekte der materiellen Welt zugänglich, die zuvor weit außerhalb der Intuition des Entwerfers und jenseits der Erfassbarkeit mit herkömmlichen Notationsformen lagen.[20] Der Computer stellt eine direkte Schnittstelle zwischen der virtuellen und physischen Welt dar, die es erlaubt, Materialverhalten bereits im Entwurfsprozess zu aktivieren. Computation ist somit nicht nur auf rein digitale Prozesse beschränkt, sondern bezieht im Sinne von Material Computation die Möglichkeit mit ein, dass die Materialien selbst spezifische Formen erzeugen oder sogar programmiert werden können.[21] Diese Herangehensweise des materialspezifischen, kombinierten Gestaltungs- und Konstruktionsprozesses greift die Entwurfsmethode des „Gestalt Findens“ von Frei Otto auf und erweitert diese.[22] ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2010

S. 46

Ein anschauliches Beispiel für eine entwurfsintegrierte Rückkopplung von Material und Form ist der ICD/ITKE Forschungspavillon 2010. Hier wurde die Integration des elastischen Verhaltens von Holzlamellen in den Entwurfsprozess genutzt, um daraus eine neuartige biegeaktive Architektur zu erzeugen. Das Material ist nicht länger der passive Empfänger einer zuvor geometrisch definierten Form, sondern wird im Entwurfsprozess aktiv zu deren Erzeuger. Analog dazu verhält sich der Materialisierungsprozess. Durch das hohe Maß an Integration ist kein herkömmlicher, geometrischer Bauplan notwendig – oder gar möglich. Die Bauteile werden in einer prozessual festgelegten Abfolge gefügt, wodurch sich auf der Baustelle die architektonische Form des Pavillons durch das elastische Materialverhalten von selbst einstellt.

Interessant ist nicht nur die entwurfsmethodische Entwicklung, sondern auch eine veränderte Gewichtung von Aspekten wie Formenkomplexität, Einfachheit eines Bauprozesses, Effektivität einer Konstruktion oder Authentizität eines Materialausdrucks. Im weiteren Forschungsverlauf wurde der integrative Ansatz kontinuierlich vertieft. Dies reicht von gezieltem Differenzieren des Materialverhaltens im ICD/ITKE Forschungspavillon 2015/16 hin zu einem Programmieren des Materials beim Urbach Turm, sodass dieses von selbst eine bestimmte Form annimmt.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2015/16

S. 114

URBACH TURM

S. 176

In einem weiteren Forschungsfeld wird untersucht, wie der Materialisierungsprozess auch im Kontext digitaler Produktionstechnologien entwurfsgenerativ gestaltet werden kann.[23] Am Anfang stand die Erkenntnis, dass der Wechsel von prozessspezifischen CNC-Maschinen, die in den meisten Fällen eine automatisierte Variante herkömmlicher Fertigungsverfahren darstellen, zu generischen Fertigungseinheiten wie dem Industrieroboter die Möglichkeit bietet, den Fertigungsprozess so zu gestalten, dass es zu einer entwurfsintegrierten Rückkopplung zwischen dem Materialisierungsprozess und der zu materialisierenden Form kommen kann. Dies ermöglicht zum einen die entwurfsintegrierte Konzeption neuartiger Fertigungsprozesse, wie beispielsweise das im Rahmen des ICD/ITKE Forschungspavillon 2012 konzipierte kernlose, robotische Wickeln von großformatigen Faserverbundbauteilen. Zum anderen erfordert es aber auch entsprechende Entwurfsmethoden.

jedes Bauteilagenten auf die spezifischen Möglichkeiten und Einschränkungen einer Fertigungsumgebung reagiert. Entscheidend ist dabei, dass diese Rückkopplung nicht nur offline, also die Fertigung antizipierend, sondern auch online erfolgen kann. Dies bedeutet, dass während des Fertigungsprozesses Abläufe in direkter Reaktion auf Sensordaten aus dem Fertigungsumfeld erfolgen. Diese cyber-physischen Produktionssysteme verändern das Verständnis der Materialisierung, also der Herstellung von Architektur.[24] Statt vor Beginn des Herstellungsprozesses einen eindeutigen Satz an Handlungsanweisungen – ob in Form eines Bauplans oder eines vordefinierten Maschinensteuerungscodes – festzulegen, steht das Entwerfen des prozessualen Maschinenverhaltens im Vordergrund. Exemplarisch kann der ICD/ITKE Forschungspavillon 2014/15 aufgeführt werden, anhand dessen ein cyber-physisches Faserlegeverfahren auf formveränderlichen pneumatischen Hüllen untersucht wurde.

32

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2014/15

S. 102

33

Bei einer solchen verhaltensbasierten Fertigung werden kontinuierlich Daten gesammelt und an den Fertigungsroboter zurückgeführt. Dies bedeutet, dass im Fertigungsverlauf neue Informationen gewonnen und weitere Erkenntnisse erzeugt werden. Im Lauf der Herstellung führt diese Rückkopplung dazu, dass sich der Entwurf bis zum Abschluss des Bauprozesses stetig weiterentwickelt.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012

S. 68

FORSTPAVILLON

S. 90 [18], [19], [20], [21],

Für den Forstpavillon im Rahmen der Landesgartenschau 2014 wurde ein agentenbasiertes Modellierungssystem entwickelt, in dem das generative Verhalten

[22], [23], [24]: 224

A RCHI TEK TUR

FORS CHUN G

BAUEN

POSI TI O NEN

PER SPEKT IV E

>> B I O N I K A LS W I S S E N SCHAFTLICHES QUERDENKEN

In den kommenden Jahrzehnten müssen wir unsere Bautätigkeit aufgrund der rapiden Verstädterung und der wachsenden Weltbevölkerung drastisch intensivieren. Der Kollaps des Ökosystems Erde lässt sich dabei nur verhindern, wenn wir für die Errichtung und den Betrieb von Gebäuden deutlich weniger Ressourcen verbrauchen als bisher. Mehr mit weniger zu bauen, ist also eine zentrale Herausforderung an die Architektur von morgen.

äußeren Verkleidung. Jede dieser Schichten ist für die Erfüllung der ihr zugewiesenen Funktion optimiert. Im Ergebnis bedeutet dies, dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Werkstoffen eingesetzt wird, wie mineralische Baustoffe, erdölbasierte Kunststoffe, Metalle, Holz und vieles mehr. Diese unterschiedlich beschaffenen Komponenten haben meist eine einfache und sich wiederholende Geometrie und werden zu einem funktionsfähigen Gesamten gefügt.

Für Konstruktionen der Natur ist der geringe Ressourcenverbrauch ein entscheidender Vorteil in der Evolution. Darüber hinaus zeigen natürliche Konstruktionen weitere Eigenschaften, die auch für das Bauen der Zukunft eine wesentliche Rolle spielen. Alle pflanzlichen und tierischen Strukturen basieren letztlich auf der Nutzung von Solarenergie. Um den Energieverbrauch zu reduzieren, können sie sich an veränderliche klimatische Bedingungen anpassen, und zwar sowohl im Tages- und Jahresverlauf als auch während ihrer Lebenszeit. Sie sind robust, d. h., sie können Störungen überstehen, ohne völlig aus dem Gleichgewicht zu geraten. Falls Schäden auftreten, sind sie in der Lage, diese selbst zu reparieren. Sie nutzen vorwiegend diejenigen Stoffe, die in unmittelbarer Umgebung vorhanden sind. Am Ende ihrer Lebensdauer zerfallen sie wieder in Grundbausteine, die im Sinne eines Kreislaufs Lebensgrundlage für andere, neue Lebewesen sind.

Natürliche Konstruktionen zeigen dagegen eine nahezu unendliche Vielfalt an Strukturierungsmöglichkeiten.[26] Sie verwenden wenige polymere Grundbausteine, beispielsweise in Form von Proteinen, Polysacchariden oder Nukleinsäuren, die fast ausschließlich aus den immer gleichen, leichten, chemischen Elementen aufgebaut sind: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor. Im Verlauf der Evolution sind durch Mutation, Rekombination und Selektion aus diesen Grundbausteinen hochgradig ausdifferenzierte Strukturen entstanden. Vom makroskopischen Organismus bis hinab zu den einzelnen Molekülen besteht jedes Strukturbauteil aus kleineren Elementen, die aus jeweils ähnlichen Grundbausteinen aufgebaut sind. So entstehen aus wenig leistungsfähigen Grundbausteinen multifunktionale Strukturen, die an vielfältige und sich teilweise widersprechende Anforderungen angepasst sind. Sie tragen nicht nur Lasten, sondern transportieren gleichzeitig Nährstoffe und Wasser. Sie katalysieren chemische Reaktionen, erkennen Signalstoffe und sind zu vielfältigen „Self-X“-Funktionen in der Lage, wie Selbstorganisation, Selbstadaptivität, Selbstheilung und Selbstreinigung. Grundprinzip aller biologischen Systeme ist dabei die effektive Umwandlung von Energie in physiologische Leistungen, ein Ziel, das im übertragenen Sinn auch in der Architektur verfolgt wird.

Viele dieser Eigenschaften aus der Natur sind auch für die Architektur erstrebenswert. Kriterien der biologischen Evolution und Entwicklungsziele in der Architektur sind sich ähnlich, die Strategien zur Umsetzung sind allerdings diametral entgegengesetzt.[25] In der architektonischen Konstruktion werden komplexe technische Herausforderungen in einzelne Teilaufgaben zerlegt, für die jeweils optimierte Einzellösungen entwickelt werden. Als einfaches Beispiel sei eine Wand genannt: Sie besteht im Wesentlichen aus einer Tragschicht, einer Dämmebene, einer Abdichtung und einer

Fast alle biologischen Systeme verwenden dabei faserartige Strukturen, beispielsweise Zellulose in Pflanzen, Chitin für Außenskelette von Insekten oder Kollagen

in Sehnen und Knochen von Säugetieren, um durch Orientierung, Schichtaufbau und Packungsdichten der Fasern sehr fein abgestimmte Struktureigenschaften und somit eine hohe Struktureffizienz zu erzielen. Die Bionik spielt daher bei der Entwicklung einer ressourceneffizienten Faserverbundbauweise eine besondere Rolle.

Strukturen, die sich den üblichen Kriterien der Architektur entziehen, gefordert. Unser Bauen ist vor allem auf eine einfache und zuverlässige Umsetzung ausgerichtet und verwendet daher immer gleiche Methoden, Prozesse und Systeme. Diese fest etablierten Strategien werden durch die Auseinandersetzung mit natürlichen Konstruktionen hinterfragt.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2012

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2011

S. 68

Ein linearer Transfer solcher Strukturbildungsprinzipien aus der Biologie in die Architektur wird nur in den seltensten Fällen möglich sein. Noch sind die technischen Möglichkeiten weit davon entfernt, die im Verlauf der Evolution von 3,8 Milliarden Jahren entstandenen natürlichen Strukturen in ihrer ganzen Komplexität abzubilden. Der Transfer in die Architektur ist zudem meist mit der Herausforderung der Skalierung verbunden, nicht allein in Bezug auf die Größe, sondern auch hinsichtlich der aufzunehmenden Lasten, der erwarteten Lebensdauer und weiterer für die Architektur relevanter Kriterien.[27] Ein zentraler Unterschied zwischen biologischen und technischen Strukturen ist weiterhin, dass Erstere während des gesamten Wachstumsprozesses lebensfähig sein müssen. Die Morphologie natürlicher Strukturen ist untrennbar mit dem Prozess ihres Entstehens verbunden.

S. 56

Der Austausch zwischen Biologen und Architekten betrifft nicht nur das Teilen von Wissen, sondern auch die Methoden des wissenschaftlichen Arbeitens. Die Naturwissenschaften bringen digitale Bildgebungsverfahren wie die Magnetresonanztomographie in die Zusammenarbeit ein. Im Gegenzug ermöglichen die numerischen Simulationsmethoden der Ingenieure einen vertieften Einblick in die Funktionsweise biologischer Systeme. Es treffen zwei wissenschaftliche Kulturen aufeinander, die unterschiedlicher kaum sein könnten – in der Biologie stehen das Erkennen und Verstehen im Vordergrund, während die Forschung in Architektur und Ingenieurwesen auf den Transfer in die Anwendung ausgerichtet ist.

Die Bionik führt diese verschiedenen Perspektiven zusammen und erfordert von jedem, die Grenzen gewohnter Denkmuster zu überschreiten. Darin liegt ihr eigentliches Potenzial zur Generierung echter Innovationen.[30]

34

35

Bauliche Analogien zu biologischem Wachstum wurden erst durch die Einführung additiver Fertigungsprozesse geschaffen.

ICD/ITKE FORSCHUNGSPAVILLON 2013/14

S. 78

Die anhand der Pavillons dargestellten Faserverbundstrukturen befinden sich während des robotischen Wickelns im statischen Gleichgewicht. Sowohl beim Wachsen in der Natur als auch in der additiven Fertigung stellen die physikalisch möglichen Formen den Rahmen für den Gestaltungs- und Optimierungsraum dar.

Die Bionik analysiert Form-, Strukturierungs- und Funktionsprinzipien der Natur und sucht nach Möglichkeiten, diese in abstrahierter Form auf Architektur und Bautechnik zu übertragen.[28, 29] Von Architekten und Ingenieuren wird dabei die Auseinandersetzung mit

[25], [26], [27], [28], [29], [30]: 224

150

151

>> BUGA HOLZPAVILLON

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

Bundesgartenschau Heilbronn, 2019

Mit minimalem Materialeinsatz spannte das atemberaubende Holzdach 30 Meter über einem der zentralen Konzert- und Veranstaltungsorte der BUGA und schuf so einen besonderen Raum. Der transportable BUGA Holzpavillon zeigte völlig neue Ansätze im digitalen Holzbau auf. Im Rahmen des Projekts wurde eine Roboterfertigungsplattform für den automatisierten Zusammenbau und die Fräsbearbeitung der 376 maßgeschneiderten Segmentbauteile entwickelt. Dieses Herstellungsverfahren stellte sicher, dass alle Holzsegmente wie ein großes, dreidimensionales Puzzle mit einer Genauigkeit von drei Zehntelmillimetern zusammengesetzt werden konnten.

BIOMIMETISCHER LEICHTBAU: SEGMENTIERTE HOLZSCHALEN Der Pavillon war eine der architektonischen Attraktionen auf der zentralen Sommerinsel der Bundesgartenschau 2019 in Heilbronn. Ausgehend von den Forschungstätigkeiten für den ICD/ITKE Forschungspavillon 2011 und den Forstpavillon der Landesgartenschau 2014 in Schwäbisch Gmünd, war es das Ziel des

Forschungsteams, die strukturelle Leistungsfähigkeit von biomimetisch segmentierten Holzschalen auf eine neue Ebene zu heben und so dem Holzbau neue Anwendungsfelder zu eröffnen. Die Struktur musste vollständig wiederverwendbar konstruiert werden, um sie nach der BUGA ohne Leistungsverlust rückbauen und an einem anderen Standort wiedererrichten zu können.

Die segmentierte Schalenkonstruktion basiert auf den biologischen Prinzipien des Plattenskeletts von Seeigeln, die von ICD und ITKE seit fast einem Jahrzehnt erforscht werden. Um Materialverbrauch und Gewicht zu minimieren, bestand jedes Schalensegment des BUGA Holzpavillons aus einer hohlen, großformatigen Holzkassette mit polygonaler Form. Jede einzelne dieser Kassetten setzte sich aus zwei dünnen Platten zusammen, die oben und unten einen Ring aus Randbalken beplankten und zu einem tragenden Bauteil verklebt wurden. Die untere Platte beinhaltete eine große Öffnung, die während der Montage den Zugang zu den verdeckten Bolzenverbindungen ermöglichte und zugleich eine besondere architektonische Erscheinung erzeugte.

Ebenso verbesserte sie die raumakustischen Eigen-

1, 2] Das 30 m spannende Dach aus Holzsegmenten des BUGA Holzpavillons schafft einen einzigartigen architektonischen Raum.

152

153

Deckplatte : Lärche-3-Schichtplatte, unbehandelt

----------------,?':::~~~

Konterlattung : Purenit

Wasserführende Schicht überlappend verklebt:

EPDM

w

>

f-

Obere Kassettenplatte : Furnierschichtholz , Fichte , 33 mm

::,c w Q_

(J)

0::

w

Q_

Bolzenverbindung zur Zug- und Momentenverbindung, gefräste Fingerzinken zur Querschubverbindung : Stahlbolzen , 16mm

z w z

0

f---

Untere Kassettenplatte mit Klebefläche und Montageöffnung: Furnierschichtholz , Fichte , 21 mm

(J)

0

Q_

z

w ::::> <(

al ('J

z

::::>

:r:

u

(J)

0::

0

lL

0::

3] Konstruktiver Aufbau der Schalensegmente: Der Aufbau der hohlen Kassetten ist statisch sehr leistungsfähig und führt zugleich zu einer sehr guten Raumakustik .

::::> f::,c

w

f-

:r: u 0:: <(

0

1

10m

4] Schnitt M 1:300: Die Spannweite des Pavillons ist fast dreimal so groß wie die des Forstpavillons in Schwäbisch Gmünd . Trotzdem ist das Flächengewicht aufgrunddes Übergangs zu hohlen Kassetten mit 36kg/m' sogar geringer.

BUGA HOLZPAVILLON Bundesgartenschau Heilbronn, 2019 Realisierung: Kooperation Bundesgartenschau Heilbronn mit der Universität Stuttgart, ausführende Firma müllerblaustein Bauwerke GmbH PROJEKTDATEN Fertigstellung: Apri I 2019 Nutzfläche: ca . 500 m' Schalenfläche: 600 m' Flächengewicht tragende Holzkonstruktion: 36,8 kg/m' Abmessungen: ca . 32 x 25 x 7 m Konstruktion tragende Schale: robotisch gefertigte Hohlkassettensegmente aus FichtenFurnierschichtholzmit UV-Schutz Vorsatzschale: EPDM-Abdichtung, 3-Achs-CNC-geschn ittene u n behandelte Lärchend reisch ichtplatten 154 MATERIAL Furnierschichtholz Fichte/Tanne 5]1ntegratives Co-Design: Die Segmentschale wurde durch AgentBased-Modelling in Rückkopplung mit der Entwicklung der

KONSTRUKTION

Fertigungseinheit generiert .

Segmentschale aus vieleckigen Hohlkassettensegmenten

ENTWURF Multi-Agentenbasierte Modeliierung

FERTIGUNG Robotisches 13-Achs-Positionieren, -Kleben, -Fräsen

BIOLOGISCHES VORBILD Plattenskelett des Sanddollars

PROJEKTBETEILIGTE ~

215

LITERATURHINWEISE [1 07], [1 08], [1 09], [11 0], [111], [112]:

6] Aufsicht des Pavillons M 1:300

__

227

155

INTEGRATIVES CO-DESIGN: WECHSELWIRKENDE ENTWURFS-, STATIKUND FERTIGUNGSENTWICKLUNG Neue Bauweisen erfordern neue Formen des Planens und Fertigens. Der BUGA Holzpavillon ist ein hervorragendes Beispiel für Co-Design. Der Begriff beschreibt die gleichzeitige und sich gegenseitig beeinflussende Entwicklung von Planungsmethoden und Fertigungsprozessen in einem interdisziplinären Team. Die für dieses Projekt geschaffene Co-Design-Methode generierte die Form jedes Bauteils des Pavillons gemäß der architektonischen Entwurfsabsicht und der statischen Beanspruchung. Auch die Konzeption und Entwicklung der zum Einsatz kommenden transportablen robotischen Fertigungseinheit war integraler Bestandteil des Co-Designs. Erst dieser hochintegrative Prozess ermöglichte die Fertigung von 376 unterschiedlichen Plattensegmenten mit 17.000 verschiedenen Keilzin-

A RCHI TEK TUR

FORSCHUNG

BAUEN

POSI TI ONEN

PER SPEKT IV E

schaften der Schale signifikant. Die Leichtbausegmente wurden durch Fingerzinken verbunden, die den morphologischen Prinzipien an den Rändern der Seeigelplatten folgen. Im montierten Zustand wirkte die Holzschale durch ihre ausdrucksstarke, doppelt gekrümmte Geometrie als formaktives Tragwerk.

kenverbindungen gemäß den vielfältigen konstruktiven Anforderungen an die Gesamtstruktur und deren Details mit einer Genauigkeit von drei Zehntelmillimetern.

ROBOTISCHE VORFERTIGUNG: KOMBINATION VON AUTOMATISIERTER MONTAGE MIT HOCHPRÄZISER BEARBEITUNG Im Vergleich zu massiven Holzelementen, wie sie beispielsweise beim Forstpavillon noch eingesetzt wurden, reduzieren die hohlen Holzkassetten Gewicht und Material deutlich, erhöhen aber auch die Anzahl der Bauteile um das bis zu Achtfache und führen zu einer komplexeren Fertigung. Das Streben nach höherer Ressourceneffizienz musste daher mit der automatisierten Roboterfertigung der Schalensegmente einhergehen.

Dazu wurde vom ICD und der BEC GmbH eine neuartige, transportable, 14-achsige Roboter-Holzfertigungsplattform entwickelt, die bei dem Industriepartner müllerblaustein Bauwerke GmbH zum Einsatz kam. Die Plattform beinhaltete zwei Schwerlastroboter, die auf einem 20-Fuß-Standardcontainerboden montiert waren. Die Flexibilität der Industrieroboter ermöglichte die Integration aller Vorfertigungsschritte der Kassettensegmente des Pavillons innerhalb einer einzigen, kompakten Fertigungseinheit.

8] Multifunktionseffektoren: Bei der automatisierten Herstellung kooperieren zwei mit projektspezifischen Effektoren ausgestattete Roboter.

7] Transportzustand Fertigungseinheit: Im Rahmen des Projekts wurde eine ortsungebundene robotische Fertigungsplattform entwickelt.

156

9] Alle 376 geometrisch unterschiedlichen Hohlkassettensegmente

157

wurden vollautomatisch zusammengebaut und befräst.

10] Hochpräzise, form- und kraftschlüssige Verbindung: Die Fräsung der Keilzinkenverbindungen hat eine Genauigkeit von 300 μm. Diese hohe Genauigkeit ist erforderlich, damit die Kräfte von Kassette zu Kassette über Kontakt übertragen werden.