Leicht, stabil – und vom Roboter erbaut

Mit einem neuen Forschungspavillon setzt die Universität Stuttgart Maßstäbe in der Leichtbauarchitektur

10. August 2015

Er ist zugleich leicht und stabil, wie ein Spinnfaden: der Forschungspavillon 2014/2015 der Universität Stuttgart. Die Inspiration für das Design bekamen die Mitarbeiter des Instituts für Computational Design (ICD) und des Instituts für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) tatsächlich aus der Natur. Die Art und Weise, wie die Wasserspinne ihre Nester unter Wasser baut, diente als Vorbild.

Im Wasser baut die Spinne aus Spinnfäden ein glockenförmiges Netz, das sie mit Luft füllt. Diese Lufthülle sichert der Spinne unter Wasser das Überleben. Selbst ihre Eier legt sie innerhalb der Hülle ab. Von dieser einzigartigen Bauweise inspiriert, bestand auch der Forschungspavillon zunächst aus einer weichen, mit Luftdruck gestützten Folienhülle aus ETFE. Schritt für Schritt wurden anschließend mit Hilfe eines KUKA Roboters aus der KR QUANTEC ultra Familie von innen Carbonfasern aufgeklebt.

Das Ergebnis: eine federleichte Faserverbundschale. Sie formt den Pavillon in einzigartiger architektonischer Qualität. Da die Carbonfasern nur dort aufgebracht werden, wo sie zur Verstärkung der Konstruktion benötigt sind, und die pneumatische Schalung gleichzeitig als funktional integrierte Gebäudehülle verwendet wird, handelt es sich hierbei um einen abfallfreien und ressourcenschonenden Bauprozess.

Zur Platzierung der Carbonfasern auf der Innenseite der nachgiebigen Folie wurde ein prototypischer robotischer Fertigungsprozess entwickelt. Dabei wurde die Steuerung des Roboters besonders herausgefordert: Denn die Steifigkeit pneumatische Schalung verändert sich während des Faserablageprozesses und sorgt für schwankende Verformungen. Zur Anpassung dieser Parameter im Verlauf des Fertigungsprozesses wird die aktuelle Position und Anpresskraft über eine integrierte Sensorik erfasst und in Echtzeit in die Steuerung des Roboters integriert. Ein solches cyber-physisches Systems erlaubt eine konstante Rückkopplung zwischen den realen Fertigungsbedingungen und der digitalen Generierung des Robotersteuerungscodes. Dies stellt nicht nur eine wichtige Entwicklung im Rahmen dieses Projektes dar, sondern zeigt generelle neue Möglichkeiten für robotische Bauprozesse auf.

KUKA Robots in Architecture
©ICD/ITKE University of Stuttgart
Während der Fertigung wurden parallel neun vorimprägniert Carbonfaserrovinge mit insgesamt 45 km Länge auf 5 km Roboter Pfad mit einer mittleren Geschwindigkeit von 0,6 m/min abgelegt. Der Pavillon umfasst eine Fläche von ca. 40 m² und einen Rauminhalt von ca. 130 m³ bei einer Spannweite von 7.5 m und einer Höhe von 4.1 m. Das Gesamtgewicht liegt bei gerade einmal 280 kg, was einem Flächengewicht von 7 kg/m² entspricht.  Der Pavillon entstand an der Schnittstelle zwischen der Forschung der beiden Institute und der Lehre im Rahmen des interdisziplinären und internationalen ITECH Master Studiengangs. Er ist das Ergebnis einer anderthalbjährigen Entwicklungsarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie Studierenden aus Architektur, Ingenieur- und Naturwissenschaften.

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