Hybrid Flachs Pavillon

Der Hybrid-Flachs Pavillon ist ein zentraler Ausstellungsbau auf dem Landesgartenschaugelände, umgeben vom renaturierten Flusslauf der Argen. Der Pavillon zeigt erstmals eine Holz-Naturfaser-Hybridkonstruktion als Alternative zu konventionellen Bauweisen, die am Exzellenzcluster „Integratives Computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur (IntCDC) erforscht wird. Die in dieser Form einzigartige Konstruktion kombiniert schlanke Brettsperrhölzer mit robotisch gewickelten Flachsfaserkörpern in einem neuartigen, ressourcenschonenden Tragsystem aus regionalen, biobasierten Bauwerkstoffen mit einem besonderen örtlichen Bezug. So wurde Flachs vormals in der örtlichen Textilindustrie verarbeitet, deren altes Spinnereigelände im Zuge der Landesgartenschau saniert wurde. Die wellenartige Dachkonstruktion bietet, gemeinsam mit dem kreisförmigen Grundriss und dem zentral angeordneten Klimagarten, einen tiefen, fließend in die Landschaft übergehenden Raum. Die durch Erdwärme aktivierbare Bodenplatte aus Recyclingbeton ermöglicht eine ganzjährig komfortable Nutzung des dauerhaft angelegten Gebäudes.

Ein dauerhaftes Ausstellungsgebäude zur Demonstration neuartiger biobasierter Baumethoden

Der Hybrid-Flachs Pavillon befindet sich inmitten der Schaugärten der Landesgartenschau und umschließt einen zentralen Ausstellungsraum. Seine Form und Gestalt zeichnet sich durch das prägnante, wellenförmige Dach und umlaufende Glasfassaden aus und lädt Besucher aus allen Richtungen in den beeindruckenden Innenraum ein. Die vollständig transparente Hülle bietet Panoramablicke, die das Innere des Gebäudes nahtlos mit der äußeren Landschaft verschmelzen lassen. Angelehnt an den geschwungenen Argen-Flusslauf schafft das wellenförmige Dach kontinuierliche, sich graduell verändernde Raumzonen und vermittelt ein Gefühl von Weite über die Gebäudehülle hinaus. Das Herzstück des Bauwerks ist ein Klimagarten, der als Innenhof dient und eine natürliche Querlüftung und Kühlung ermöglicht. Zusammen mit einer geothermisch aktivierten Bodenplatte aus recyceltem Beton und CO2-reduziertem Zement sorgt dies für ganzjährigen Innenraumkomfort bei minimaler Haustechnik.

Das Dach des Pavillons stellt die weltweit erste Hybridkonstruktion aus Brettsperrholzplatten und Naturfaserkörpern dar, die durch kernloses Wickeln von Flachsfasern hergestellt wurde. Die 20 Hybridbauteile wechseln sich mit herkömmlichen Holzelementen ab und bilden die charakteristische wellenförmige Struktur des Daches, das die 380 m² große Ausstellungsfläche überspannt. Ziel dieses neuartigen hybriden Bausystems ist es, einen weitläufigen stützenfreien Raum zu schaffen und gleichzeitig den Materialeinsatz zu minimieren, indem die Synergie zwischen Holz und Naturfaserverbundstoffen genutzt wird. Die Vor-Ort-Montage aller 44 Deckenelemente wurde dank praxisnaher, interdisziplinärer Planung und der hochpräzisen Vorfertigung in 8 Tagen abgeschlossen.

Der digitale Entwurf des Gebäudes basiert auf integrativen computerbasierten Planungsmethoden, die die Expertise verschiedener am Projekt beteiligter Fachdisziplinen früh in den Planungsprozess einbinden und vereinen – wodurch sich der Kreis zwischen Forschung und Industrie schließt. Dieser Ansatz umfasst nicht nur die Gestaltung der hybriden Faser-Holz-Komponenten, sondern berücksichtigt auch die Schnittstellen zu konventionellen Bauelementen wie Fassade und Dach, insbesondere in Hinblick auf deren geometrischen und konstruktiven Anforderungen. Diese Methodik erlaubt einen flexiblen, iterativen Entwurfsprozess, der in jeder Phase der Entwicklung Anpassungen und Optimierungen in allen beteiligten Disziplinen zulässt. Infolgedessen dauerte der gesamte Planungs-, Fertigungs- und Bauprozess nur 12 Monate, was die Effektivität des integrativen Co-Design-Ansatzes unter Beweis stellt. Im Sinne eines wechselseitigen, interdisziplinären Wissenstransfers zwischen Forschung und Bauunternehmen zeigt das Gebäude auch, wie hochinnovative Architektur von regionalen, kleinen Unternehmen und Handwerkern gebaut werden kann.

Innovatives Hybrid-Bausystem aus Naturfasern

Das Faser-Holz-Hybridsystem nutzt die spezifischen Eigenschaften von Holz und natürlichen Fasern und ermöglicht besonders leichte, effiziente Bauteile mit hervorragender Leistungsfähigkeit. Der Einsatz von Flachsfaserkomponenten zur Verstärkung der schlanken Holzplatten erlaubt es die Vorteile schnell nachwachsender Ressourcen für die Bauindustrie zu nutzen und zeigt auf, wie der signifikante Bedarf an Bauholz effektiver aus lokal verfügbaren Beständen gedeckt werden kann. Das Bausystem wurde als zirkuläre Bauweise entwickelt, indem es eine zukünftige Materialwiederverwendung und -Verwertung durch die sortenreine Zerlegung der Hybridkomponenten in ihre Einzelteile ermöglicht. Durch eine graduelle Ausdifferenzierung der Faserkomponenten werden die unterschiedlichen, statisch erforderlichen Eigenschaften erreicht. Der Faserkörper bildet eine Fläche, die hauptsächlich Zuglasten trägt, während die Holzplatte Druckkräfte aufnimmt und die Oberfläche für den Raumabschluss und Dachaufbau bildet. Zusammen bieten sie die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit, um die hohen Schneelasten am Alpenrand zu tragen.

Während des Forschungs- und Entwicklungsprozesses wurde der Entwurf des Faserkörpers kontinuierlich durch Rückkopplung zwischen architektonischen Anforderungen, statischer Analyse, Einschränkungen aus der Fertigung und Materialeigenschaften entwickelt. Er besteht aus mehreren sequenziell gewickelten Flachsfaserlagen. Die primäre Faserstruktur, die sogenannte “Spine” wirkt als zentraler Unterzug von innen nach außen. Die Fächerlage verteilt die Lasten gleichmäßig auf die Stützen, während die optisch dominierenden Gitternetzschichten ein gleichmäßiges Fasernetz bilden, um die erforderliche strukturelle Integrität zu erreichen. Zwei zusätzliche Eckverstärkungslagen verbessern die Faserinteraktion und bieten zusätzliche Verstärkung in strukturell kritischen Bereichen.

Die Faser-Holz-Hybridkomponenten überbrücken eine Spannweite von 8,6 Metern zwischen den Stützen entlang der beiden Fassaden. Die radial angeordneten 120 mm dicken kreuzverleimten Holzplatten erzeugen die wellenförmige Dachfläche. Die Holzplatten wurden mit einer 5-Achs-Fräsmaschine hergestellt und enthalten eine Reihe von Aussparungen für die Verbindungen zwischen Holz, Faser und Fassade sowie abgeschrägte Kanten, die kontinuierlich ihren Winkel ändern, um den variierenden Orientierungen der Faserverbindungen zu entsprechen. Die Flachsfaserkörper werden mit Schrauben unter jeder zweiten CLT-Platte befestigt und bilden so die Hybridkomponenten. Statische Belastungstests dienten zur Kalibrierung der Finite-Elemente-Modelle und zur Überprüfung der Tragfähigkeit des Bausystems.

Von der robotergestützten Prototypenentwicklung zum industriellen Faserwickeln

Der kernlose Faserwickelprozess, der bei der Entwicklung und Produktion der Faserelemente verwendet wird, ermöglicht einen lokal angepassten Materialauftrag, der durch die spezifischen Anforderungen von Statik, Architektur und Materialgesteuert wird. Im Gegensatz zu konventionellen Herstellungsprozessen für Faserverbundwerkstoffe wird dies ohne eine Schalung erreicht, da der Wickelrahmen gemeinsam mit dem Faserelement entworfen wird, und der endgültige Faserkörper im Wickelprozess als Folge der Interaktion der Fasern entsteht. Für dieses Projekt war eine Anpassung des kernlosen Faserwickelprozesses erforderlich, um das natürliche Flachsfasermaterialsystem und die einzigartige Geometrie des Faserkörpers zu ermöglichen. Normalerweise sind positive Krümmungen nur durch eine zusätzliche Form herstellbar, doch dieses Bauteil beinhaltet sowohl Bereiche positiver als auch negativer Gaußscher Krümmung. Um dies zu erreichen, enthält der Wickelrahmen eine Art Rückgrat oder auch “Spine” genannt, welche die positive Krümmung des Bauteils in seiner Längsrichtung sowie negative Krümmung, strukturelle Tiefe und Krümmungsradius in seinem Querschnitt ermöglicht, während es gleichzeitig die notwendige Struktur für den selbsttragenden Rahmen darstellt. Die Wickelankerpunkte um den Umfang des Rahmens wurden jeweils basierend auf der Normalen der Oberfläche orientiert, um eine konsistente Faserrichtung zu gewährleisten und Kräfte ordnungsgemäß von Holz in die Faserbündel zu übertragen – eine Anforderung, die für die Leistungsfähigkeit der Hybridkomponente von entscheidender Bedeutung ist.

Unter Verwendung dieses maßgefertigten Rahmens wurden Geometrie, Faserstrukturen und Herstellungsprozesse an der Universität Stuttgart durch eine Reihe von Prototypen entwickelt, getestet und von einem 6-Achs-Roboterarm mit einem spezifisch hierfür entwickelten Endeffektor gefertigt. Nach Abschluss der Prototypenphase einschließlich der statischen Versuche wurde der finalisierte Entwurf an den Industriepartner übergeben, um die Serienproduktion mit einer industriellen 5-Achs-Faserwickelmaschine durchzuführen. Die Fertigungsplanung wurde direkt in den computerbasierten Entwurfsprozess integriert und eine speziell entwickelte Software wandelte die geometrischen Daten des Faserelements in einen ausführbaren Maschinencode um, wodurch der Prozess vom Entwurf zur Fertigung optimiert und erfolgreich die Lücke zwischen Forschung und Industrie überbrückt wurde.

Die Forschung an durch integrative digitale Planung und Fertigung ermöglichte, bio-basierte Hybrid-Bausysteme wird an der Universität Stuttgart im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Computational Design and Construction for Architecture“ fortgesetzt.

PROJEKT PARTNER

Exzellenzcluster IntCDC – Integratives Computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur, Universität Stuttgart.

Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD)
Prof. Achim Menges, Rebeca Duque Estrada, Monika Göbel, Harrison Hildebrandt, Fabian Kannenberg, Christoph Schlopschnat, Christoph Zechmeister

Institut für Tragkonstruktionen und konstruktives Entwerfen (ITKE)
Prof. Dr. Jan Knippers, Tzu-Ying Chen, Gregor Neubauer, Marta Gil Pérez, Valentin Wagner,

mit Unterstützung von: Daniel Bozo, Minghui Chen, Peter Ehvert, Alan Eskildsen, Alice Fleury, Sebastian Hügle, Niki Kentroti, Timo König, Laura Marsillo, Pascal Mindermann, Ivana Trifunovic, Weiqi Xie

Landesgartenschau Wangen im Allgäu 2024 GmbH
Karl-Eugen Ebertshäuser, Hubert Meßmer

Stadt Wangen im Allgäu

HA-CO Carbon GmbH
Siegbert Pachner, Dr. Oliver Fischer, Danny Hummel

STERK abbundzentrum GmbH
Klaus Sterk, Franz Zodel, Simon Sterk

FoWaTec GmbH
Sebastian Forster

Biedenkapp Stahlbau GmbH
Stefan Weidle, Markus Reischmann, Frank Jahr

Harald Klein Erdbewegungen GmbH
Harald Klein

PROJEKT KOOPERATIONEN

Wissenschaftliche Kooperation:
IntCDC Large Scale Construction Laboratory
Sebastian Esser, Sven Hänzka, Hendrik Köhler, Sergej Klassen

Weitere beratende Ingenieure:
Belzner Holmes und Partner Light-Design
Dipl.-Ing. (FH) Thomas Hollubarsch, Victoria Coval

BiB Concept
Dipl.-Ing. Mathias Langhoff

Collins+Knieps Vermessungsingenieure
Frank Collins, Edgar Knieps

Moräne GmbH – Geotechnik Bohrtechnik
Luis Ulrich M.Sc.

Spektrum Bauphysik & Bauökologie
Dipl.-Ing. (FH) Markus Götzelmann

wbm Beratende Ingenieure
Dipl.-Ing. Dietmar Weber, Dipl.-Ing. (FH) Daniel Boneberg

lohrer.hochrein Landschaftsarchitekten DBLA

Baugenehmigung:
Landesstelle für Bautechnik
Dr. Stefan Brendler, Dipl.-Ing. Steffen Schneider

Prüfingenieur
Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Blaß, Dr.-Ing. Marcus Flaig

Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer, Dipl.-Ing. Jörg Schmied

MPA-Materialprüfungsanstalt, Universität Stuttgart
Melissa Lücking M.Sc., Dipl.-Ing (FH) Frank Waibel

Baukooperation
ARGE- Leistungsbereich Wärmeversorgungs- und Mittelspannanlagen
Franz Miller OHG

Stauber + Steib GmbH

PROJEKT UNTERSTÜTZUNG

DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft

Dieses Projekt wurde durch das Ministerium für Ernährung, Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg unterstützt.

Bioökonomie Baden-Württemberg: Forschung- und Entwicklung (FuE) Förderprogramm “Nachhaltige Bioökonomie als Innovationsmotor für den Ländlichen Raum”

Holz Innovativ Programm (HIP), Ministerium für Ernährung, Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg

IFB Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart

ISW Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen, Universität Stuttgart

Wangen Turm

Eingebettet in die eindrucksvolle Landschaft des Westallgäus ist der Wangen Turm ein architektonisches Wahrzeichen und einen wegweisenden Holzbau für die Landesgartenschau 2024. Basierend auf der Forschung des Exzellenzclusters „Integratives Computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur (IntCDC)“ der Universität Stuttgart ist der Turm die erste in vollen Höhe begehbare Struktur, die tragende selbstformende Holzbauteile verwendet. Die charakteristische Form dieses einzigartigen Holzbauwerks ist Ausdruck einer neuen, aus natürlich nachwachsenden, lokal verfügbaren und regional verarbeiteten Materialien bestehenden Architektur. Diese Innovation imHolzbau wird ermöglicht durch die Integration von Forschung, materialgerechter und computerbasierter Planung, digitaler Fertigung und qualifiziertem Handwerk.

Ein architektonisches Wahrzeichen und wegweisender Holzbau

Der Turm verbindet als architektonisches Wahrzeichen das Landesgartenschau-Gelände im Argen-Tal mit den sanften Hügeln der umliegenden Landschaft. Am Boden ergeben sich die Turmeingänge aus den sich zu drei Seiten elegant öffnenden Holzflächen, die einen einladenden Raum freigeben, der sich dem Fluss Argen und der sanft gerundeten Spitze des benachbarten Drumlins, eines eiszeitlich geformten Hügels und Zeugnisses der voralpinen Gletschergeschichte der Region, zuwendet.

Innen bietet der Turm durch die spiralförmig aufstrebende Holzstruktur ein einzigartiges Raumerlebnis, das durch das Spiel von Licht und Schatten auf den gekrümmten Holzflächen noch unterstrichen wird. Der Aufstieg über die 113 Stufen zur Aussichtsplattform bietet eine visuelle und haptische Verbindung zur Materialität der innovativen Holzstruktur des Turms. Beim Austritt auf die transparente Aussichtsplattform ergibt sich beeindruckender Blick auf die umliegende Landschaft. Mit seiner geschwungenen Oberkante kuratiert der Turm die Blickbeziehungen zu verschiedenen kultureller- und landschaftlicher Merkmale und rahmt dabei die Aussicht auf die mittelalterliche Stadt Wangen und die Argen-Auen, während er zugleich ein atemberaubendes Panorama auf die Alpen eröffnet.

Die 23 Meter hohe, neuartige Konstruktion des Turms besteht aus 12 tragenden, gebogenen Brettsperrholzsegmenten (BSP) mit einem Querschnitt von nur 130 Millimetern. Die globale Geometrie des Turms, kombiniert mit den lokalen Krümmungen der BSP-Elemente, führt zu einem neuartigen flächenaktiven Holztragwerk, das die entscheidenden horizontalen Windlasten trägt und dem Turm seine markante, gewundene Silhouette verleiht. Die Krümmung verleiht den Bauteilen dabei zusätzliche Steifigkeit, ähnlich wie bei Wellblechen. Die Treppenspindel trägt die vertikalen Verkehrslasten auf den Stufen und unterstreicht durch die Verjüngung am Fußpunkt elegant die Lastverteilung zwischen der zentralen Spindel und der Hülle aus Holz. Computerbasierte Planungsmethoden, die das Materialverhalten und die Herstellungsbedingungen von Anfang an integrieren, sind das Kernstück des zukunftsweisenden Entwurfs und der hochpräzisen Umsetzung dieses Forschungsdemonstrators. Millimetergenaue Vorfertigung und präzisionsgefräste Verbindungsdetails ermöglichten die Montage vor Ort in nur drei Tagen und die nahtlose Integration der Stahltreppe, des Glasoberlichts und der Aussichtsplattform des Turms. Die leistungsfähige und ressourceneffiziente Holzkonstruktion erzeugt durch ihre markante Silhouette einen unverkennbaren architektonischen Ausdruck.

Planung und Produktion von selbstgeformten Holzbauteilen

Der Wangen Turm ist der weltweit erste begehbare Aussichtsturm, der gekrümmte großformatige Bauteile verwendet, die sich durch das Schwinden des Holzes selbsttätig formen. Für gewöhnlich werden das feuchtigkeitsbedingte Schwinden und Verformen als Nachteile des Baustoffes Holz betrachtet. Inspiriert von biologischen Vorbildern wie dem Fichtenzapfen, der auf wechselnde Umgebungsfeuchte mit der Formänderung seiner Schuppen reagiert, können ähnliche Prinzipien jedoch zur gezielten Formgebung von gebogenen Holzbauteilen eingesetzt werden. Hierbei wird die exakte Formveränderung hin zu einer vorgegebenen Zielkrümmung nur durch das charakteristische Schwinden des Holzes bei einer Abnahme des Holzfeuchtegehalts während des üblichen, industriellen Trocknungsprozesses angetrieben.

Für die Herstellung der selbstgeformten BSP-Bauteile wurde einheimisches Fichtenholz verwendet. Die selbstformenden doppelschichtigen Platten wurden als flache Paneele aus jeweils einer 30 Millimeter starken “aktiven” Schicht und einer kreuzweise verleimten 10 Millimeter dünnen “restriktiven” Schicht hergestellt. Im Gegensatz zur typischen industriellen Holzverarbeitung wurden die Bretter nur leicht luftgetrocknet verwendet. Die “aktive” Schicht mit höherem Feuchtigkeitsgehalt wurde in einer flachen Vakuumpresse mit der “restriktiven” Schicht verleimt. Nach dem Laminieren wurden die flachen Paneele einem kontrollierten Trocknungsprozess unterzogen, bei dem die aktive Schicht senkrecht zur Faserrichtung der Bretter schwindet, so dass sich die Paneele von selbst in die vorausberechnete Form biegen. Drei gekrümmte doppelschichtige Platten wurden überlappt und zusammen mit einer 10 Millimeter dünnen, elastisch gebogenen Sperrschicht verklebt, um die 130 Millimeter dünnen, formstabilen und präzise gekrümmten BSP-Rohlinge herzustellen.

Materialorientierter, ressourcenschonender Holzbau

Computerbasierte Entwurfs- und Simulationsmethoden, die das Materialverhalten von Beginn an berücksichtigen, sowie eine hochpräzise digitale Vorfertigung bilden die Grundlagen, um gekrümmte BSP-Platten für eine ressourceneffiziente, formaktive Holzstruktur zu nutzen. Die integrierten Holzverbindungen konnten so direkt aus dem digitalen Modell abgeleitet und mittels CNC-Fräsen präzise materialisiert werden. Jedes der zwölf 23 Meter langen Tragwerkssegmente des Turms besteht aus drei einzelnen BSP-Elementen, die 5-achsig CNC-gefräst und mit einer eigens entwickelten, in den Querschnitt eingelassenen Laschenverbindung präzise verbunden wurden, um durchgängige BSP-Elemente bei gleichbleibenden Querschnittsabmessungen zu ermöglichen. Die exakte Position und Geometrie der Verbindungen wurde so generiert, das gleichzeitig die Anforderungen der Statik wie auch der Fertigung optimiert und die Gesamtmenge des Materialverschnitts minimiert wurde.
Bereits in der Werkhalle wurden die zwölf Turmbauteile in Zweiergruppen vormontiert, wodurch die Bauzeit vor Ort entscheidend verkürzt werden konnte. Auch die schlanken Stahlverbinder, die das statische Bindeglied zwischen dem Holztragwerk und dem Treppenhaus darstellen, sowie die meisten der 168 Lärchenholzpaneele der Fassade wurden in der Fabrik vormontiert. Vor Ort konnten die Turmbauteile in nur drei Tagen auf ihrem Fundament aus Recyclingbeton mit CO2-reduziertem Zement aufgestellt werden. In den fertigen Holzrohbau wurden anschließend die Segmente der Spindeltreppe sowie die, sieben Meter überspannende, Aussichtsplattform von oben eingehoben.

Der Wangen Turm verkörpert in seiner charakteristischen Form und innovativen Bauweise einen zeitgemäßen architektonischen und konstruktiven Ausdruck des traditionellen Baumaterials Holz. Mit einer integrativen Herangehensweise an der Schnittstelle von Forschung, Handwerk und computerbasierter Planung und Vorfertigung, präsentiert sich der Wangen Turm als Vorreiter für effizientes, ökologisches und zugleich regionales Bauen.

Projekt Partner

Exzellenzcluster IntCDC – Integratives Computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur, Universität Stuttgart.

Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD)
Prof. Achim Menges, Martin Alvarez, Monika Göbel, Laura Kiesewetter, David Stieler, Dr. Dylan Wood
Mit Unterstützung von: Gonzalo Muñoz Guerrero, Alina Turean, Aaron Wagner

Institut für Tragkonstruktionen und konstruktives Entwerfen (ITKE)
Prof. Dr. Jan Knippers, Gregor Neubauer

Blumer-Lehmann AG
Katharina Lehmann, David Riggenbach, Jan Gantenbein

mit Biedenkapp Stahlbau GmbH
Markus Reischmann, Frank Jahr

Stadt Wangen im Allgäu
Landesgartenschau Wangen im Allgäu 2024 GmbH

Weitere Projektbeteiligte

Wissenschaftliche Zusammenarbeit:
Professur für Forstnutzung Prof. Dr. Markus Rüggeberg, TU Dresden

Weitere beratende Ingenieure:
wbm Beratende Ingenieure
Dipl.-Ing. Dietmar Weber, Dipl.-Ing. (FH) Daniel Boneberg

Collins+Knieps Vermessungsingenieure
Frank Collins

Schöne Neue Welt Ingenieure GbR
Florian Scheible, Andreas Otto

lohrer.hochrein Landschaftsarchitekten DBLA

Baugenehmigung:
Prüfingenieur: Prof. Hans Joachim Blaß, Karlsruhe
Gutachter: MPA Stuttgart, Dr. Gerhard Dill Langer, Prof. Dr. Philipp Grönquist

Zusammenarbeit für Fundament:
Fischbach Bauunternehmen

Projektuntertützung

DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft
Zukunft Bau – Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen / BBSR

Maison Fibre

EINE NEUARTIGE MATERIALKULTUR IN DER ARCHITEKTUR

Die auf der Architekturbiennale Venedig 2021 ausgestellte Maison Fibre untersucht einen alternativen Ansatz zum Entwerfen und Konstruieren von Gebäuden für das Wohnen und Arbeiten in der Zukunft. Als Antwort auf die zentrale Frage der Ausstellung „How will we live together?“ präsentieren das Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und das Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) des Exzellenzclusters IntCDC an der Universität Stuttgart eine vollmaßstäbliche, begehbare Installation, die ausschließlich aus robotisch gefertigten Bauelementen aus Fasern besteht – die erste mehrgeschossige Struktur dieser Art.

Als zentrales Exponat der dazugehörigen Ausstellung zum Thema „Materialkultur“ bietet Maison Fibre den Besuchern die räumliche Erfahrung und den konstruktiven Eindruck einer zukunftsweisenden, entmaterialisierten Architektur, deren Bauelemente vor Ort aus nur wenigen Kilogramm Werkstoff hergestellt werden können. Im Vergleich zu Le Corbusiers Maison Dom-Ino, einem prägenden Vorbild für die Architektur des 20. Jahrhunderts, ist das Gewicht von Maison Fibre um das Fünfzigfache reduziert und verweist somit auf eine neue Materialkultur, sowohl für die Architektur, als auch die damit verbundenen ökologischen (Material und Energie), ökonomischen (Wertschöpfungsketten und Wissensproduktion), technischen (digitale Technologien und Robotik) und soziokulturellen Fragen.

NEUE DENKANSÄTZE FÜR DEN BAU VON LEBENSRÄUMEN

Wir verbringen 87 Prozent unseres Lebens in Gebäuden. Diese bilden den baulichen Rahmen und das materielle Substrat für unser Zusammenleben. Aber genau diese Materialität und Materialisierung von Gebäuden stellt eine der wesentlichen ökologischen und sozialen Herausforderungen an unsere Gesellschaft dar. Die Frage nach unserem zukünftigen Zusammenleben ist somit intrinsisch mit der Frage nach dem zukünftigen Bauen verbunden.

Das derzeitige Bauen ist eine der ressourcenintensivsten und emissionsstärksten menschlichen Aktivitäten überhaupt. Der Pro-Kopf-Verbrauch von Baustoffen für die tragende Gebäudestruktur, die mehr als die Hälfte des Materialeinsatzes bei Gebäuden ausmacht, hat sich im Verlauf des letzten Jahrhunderts vervielfacht. Das Bauschaffen in seiner heutigen Ausprägung, das eine einfache Bauausführung mit einem erheblichen Mehrbedarf an Material erkauft, erscheint nicht länger zukunftsfähig. Es bedarf daher dringend neuer Denkansätze.

Die Natur bietet eine solche paradigmatische Alternative: fast alle tragenden Strukturen in der Biologie sind Faserstrukturen, bei denen die Orientierung, Richtung und Dichte der Fasern genau an die einwirkenden Kräfte angepasst sind. Der daraus resultierende hohe Grad an morphologischer Differenzierung, Funktionalität und die damit verbundene Ressourceneffizienz sind kennzeichnend für Strukturen in der Natur. Dieses biomimetische Prinzip von „weniger Material“ durch „mehr Form“ wird von dem Projektteam der Universität Stuttgart seit vielen Jahren erforscht. Die Bauweise mit Faserverbundwerkstoffen zeigt einen grundlegend alternativen Ansatz von Materialität für den Bau zukünftiger Lebensräume auf.

MAISON FIBRE: EINE MATERIALKULTUR DER ENTMATERIALISIERUNG

Der Beitrag von ICD und ITKE zur Architekturbiennale Venedig 2021 ist die architektonische Untersuchung einer alternativen „Materialkultur“, eine Begrifflichkeit, die eher in den Sozial-, Geschichts-, Technik- und Kunstwissenschaften verwendet wird. Maison Fibre, das zentrale Exponat der Ausstellung der beiden Institute, ist zugleich eine vollmaßstäbliche architektonische Installation und ein offenes Modell für den propagierten Kulturwandel. Es thematisiert die Abkehr vom prädigitalen, materialintensiven Bauen unter Verwendung zumeist isotroper und schwerer Baustoffe wie Beton, Stein und Stahl – diese werden häufig in großer Entfernung produziert, zu Bauelementen verarbeitet und dann über weite Strecken transportiert –, hin zu originär digitalen Bauweisen mit lokal ausdifferenzierten und vor Ort gefertigten Konstruktionen aus hochgradig anisotropen Werkstoffen: einer Architektur aus Fasern.

Maison Fibre ist das Ergebnis eines Jahrzehnts der Forschung an robotisch gefertigten Faserverbundstrukturen und wendet diese erstmalig auf begehbare Decken- und Wandelemente für das mehrgeschossige Bauen in der Architektur an. Die gesamte Struktur besteht aus sogenannten Rovings, Bündeln aus endlosen, unidirektionalen Fasern. Um den Modellcharakter des Projekts zu unterstreichen, wurde ein Bausystem aus Wand- und Deckenelementen mit dem für den Wohnungsbau typischen Rastermaß von 2,5 m entwickelt.

Der modellhafte Charakter des Projekts erschließt sich aus dem Bezug zu einem prägenden Vorbild der Architekturgeschichte, der Maison Dom-Ino von Le Corbusier. Die Geschossfläche der Installation entspricht der historischen Referenz, ebenso wie die Gliederung über drei Geschossplatten und das vielseitig erweiterbar gedachte System. Die im Vergleich zu einer Tektonik des Massiven radikale Andersartigkeit des Faserhaften, des Ausdifferenzierten und des Entmaterialisierten wird durch die Inszenierung der tragenden Faserstruktur für die Besucher räumlich und haptisch erfahrbar. Ein weiterer Unterschied besteht in der möglichen Anpassbarkeit und somit auch der Interaktion mit dem baulichen Bestand, wie es für ein zukünftiges urbanes Bauen maßgeblich sein wird. Durch die Integration der bestehenden Säulen des Ausstellungsgebäudes in die Installation wird dies bewusst betont.

FASERARCHITEKTUR: ANPASSUNGSFÄHIGE MATERIALISIERUNG UND VARIABLE MATERIALITÄT

Die tragenden Wand- und Deckenelemente wurden durch das von den beiden Instituten entwickelte kernlose, robotische Wickelverfahren gefertigt, welches die lokal lastangepasste Auslegung und Ausrichtung der Carbon- und Glasfasern erlaubt und so eine außergewöhnliche Leichtbauweise ermöglicht. So beträgt das resultierende Flächengewicht der tragenden Faserkonstruktion der Bodenelemente im Obergeschoss gerade einmal 9,9 kg/m². Die Wandelemente fallen noch deutlich leichter aus.

Für die Fertigung eines tragenden Bodenelements wurden weniger als zwei Prozent des Bauteilvolumens als Materialvolumen benötigt. Dieser extrem geringe Materialverbrauch in Kombination mit der sehr kompakten, robotischen Produktionseinheit erlaubt es perspektivisch, die gesamte Fertigung vor Ort auszuführen, ohne dass dabei Lärm oder Abfall in nennenswertem Umfang entstehen. Dies trifft nicht nur auf den erstmaligen Erstellungsprozess zu, sondern auch auf Erweiterungs- oder Umbauarbeiten. So bleibt die mit dieser Bauweise errichtete Architektur langfristig anpassungsfähig und flexibel.

Die in diesem Projekt untersuchte Faserverbundbauweise für mehrgeschossiges Bauen ist materialübergreifend einsetzbar. Maison Fibre nutzt noch die derzeit maßgeblich verfügbaren Faser- und Harzsysteme, aber es zeichnet sich bereits jetzt eine erhebliche Erweiterung des Materialspektrums in naher Zukunft ab. Dieses reicht von mineralischen Fasersystemen, die extremen Temperaturbeanspruchungen standhalten können, bis hin zu natürlichen Fasersystemen, die innerhalb eines Jahreszyklus nachwachsen. Diese sich von unserer etablierten Vorstellung des Bauens signifikant unterscheidenden Ansätze zur Materialisierung und Materialität von Architektur wird den Besucherinnen und Besuchern in den Ausstellungsteilen „Materialisation Perspective“ und „Materiality Perspective“ erläutert, die im Obergeschoss der Maison Fibre untergebracht sind.

Maison Fibre stellt zugleich eine ausdrucksstarke und authentische Architektur dar, wie auch eine weitgehend entmaterialisierte Struktur, deren rekonfigurierbaren Bauelemente aus nur wenigen Kilogramm Baumaterial hergestellt sind. Im Vergleich zu Le Corbusier`s Maison Dom-Ino ist das Gewicht von Maison Fibre um das Fünfzigfache reduziert und zeigt somit sowohl eine neue Materialkultur in der Architektur, als auch neue Antworten für die damit verbundenen ökologischen (Material und Energie), ökonomischen (Wertschöpfungsketten und Wissensproduktion), technischen (digitale Technologien und Robotik) und soziokulturellen Fragen auf.

PROJEKT TEAM

ICD Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung, Universität Stuttgart
Prof. Achim Menges
Niccolo Dambrosio, Katja Rinderspacher, Christoph Zechmeister
Rebeca Duque Estrada, Fabian Kannenberg, Christoph Schlopschnat

ITKE Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart
Prof. Jan Knippers
Nikolas Früh, Marta Gil Pérez, Riccardo La Magna

Mit Unterstützung von:
Werkstatt: Aleksa Arsic, Sergej Klassen, Kai Stiefenhofer

Studierende: TzuYing Chen, Vanessa Costalonga Martins, Sacha Cutajar, Christo van der Hoven, Pei-Yi Huang, Madie Rasanani, Parisa Shafiee, Anand Nirbhaybhai Shah, Max Benjamin Zorn

In Zusammenarbeit mit: FibR GmbH, Stuttgart

Moritz Dörstelmann, Ondrej Kyjanek, Philipp Essers, Philipp Gülke
Mit Unterstützung von: Erik Zanetti, Elpiza Kolo, Prateek Bajpai, Jamiel Abubaker, Konstantinos Doumanis, Julian Fial, Sergio Maggiulli

PROJEKTFÖRDERUNG

Universität Stuttgart
Exzellenzcluster IntCDC, EXC 2120
Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg

GETTYLAB, Teijin Carbon Europe GmbH, Elisabetta Cane mit Bipaled s.r.l. – Annalisa Pastore, Trimble Solutions Germany GmbH

Texoversum

Auf dem Campus der Hochschule Reutlingen entsteht das Texoversum, ein Lehr-, Forschungsund Innovationszentrum für die Querschnittstechnologie Textil. Als Teil eines Ensembles wird der Neubau im Rahmen des Masterplanes für die Erweiterung des Campus Reutlingen entwickelt und umgesetzt.

Das Texoversum setzt sich als kraftvoller und gleichzeitig kommunikativer Baustein in das städtebauliche Gefüge der Hochschule. Allmann Sattler Wappner Architekten, Menges Scheffler Architekten und Jan Knippers Ingenieure sind als Team für den Entwurf verantwortlich. Sie wurden im Gutachterverfahren mit dem ersten Preis ausgezeichnet und anschließend mit der Realisierung beauftragt. Das Texoversum umfasst fast 3.000 Quadratmeter Fläche für unterschiedliche Nutzergruppen. Es beinhaltet Werkstätten, Labore, die international renommierte Sammlung historischer Stoff- und Gewebeproben der Hochschule Reutlingen, multifunktionelle Flächen für Forschung und Entwicklung sowie diverse Unterrichtsräume. Das architektonische Konzept basiert auf einer vielfältigen Auseinandersetzung mit dem Thema textiles Bauen. So spiegelt sich das Entwurfsthema sowohl strukturell in der internen Verwebung der Funktionen wieder, als auch in der indentitätsstiftenden repräsentativen Gebäudehülle. Die einzigartige, erstmalig so umgesetzte Fassade aus Kohlenstoff- und Glasfasern repräsentiert die Innovationskraft und Zukunftsfähigkeit faserbasierter Werkstoffe und textiler Techniken. In einem an den Instituten von Achim Menges (ICD) und Jan Knippers (ITKE) der Universität Stuttgart entwickelten, robotischen Wickelprozess kann jedes einzelne Fassadenelement individuell an die Erfordernisse der Nutzung angepasst werden. Ausgehend von drei Basismodulen transformieren sich die Elemente entsprechend dem Sonnenverlauf und bilden ein einzigartiges, vielschichtiges Erscheinungsbild. Die Elemente sind komplett selbsttragend und benötigen keine unterstützende Tragstruktur. Ihre versetzte Anordnung erlaubt freie Durchblicke. Neben funktionalen Anforderungen der Absturzsicherung und des außenliegenden Sonnenschutzes erfüllt die Fassade ästhetische und repräsentative Ansprüche und schafft ein identitätsstiftendes Gebäude als Impulsgeber für die Technologie Textil.

Das Entwurfsthema Durchlässigkeit und Vernetzung setzt sich in der Konzeption des Baukörpers fort. In der inneren Struktur ist das Texoversum als offenes, transparentes Gebäude mit Split-Leveln gestaltet. Die halbgeschossig versetzten Ebenen, die über das Atrium auch visuell miteinander verwoben sind, verbinden die unterschiedlichen Nutzungsbereiche miteinander und bilden ein räumliches Kontinuum, das in einer großzügigen Dachterrasse seinen Abschluss findet. Die einzelnen Ebenen sind in ihrem Erscheinungsbild geprägt von einem robusten Werkstattcharakter mit robusten Industrieestrich- und Sichtbetonflächen sowie offen installierten Technikdecken. Als verbindende Elemente zwischen den Ebenen fungieren die als textile Räume gestalteten Sitzstufen. Einzelne Bereiche können bei Bedarf flexibel über Vorhänge abgetrennt werden. Das offene Raumkonzept schafft für die unterschiedlichen Nutzergruppen eine gemeinschaftliche Arbeitsatmosphäre, fördert die Kommunikation und bietet Plattformen für einen lebendigen Austausch.

Der erstmalige Einsatz der kernlosen Faserwickeltechnik in einer permanenten Struktur stellt hohe Anforderungen an die Standsicherheit, die Dauerhaftigkeit und den Brandschutz, die auch in einem entsprechenden Genehmigungsprozess mit einer Zustimmung im Einzelfall nachgewiesen werden mussten. Der Prozess umfasste die Prüfung von Kleinkörpern zur Bestimmung der wichtigsten mechanischen Eigenschaften für das statische Simulationsmodell sowie die Prüfung, Berechnung und Validierung von 1:1 Großbauteilen. Hierfür wurden Fassadenelementen im Maßstab 1:1 hergestellt und auf einer maßgeschneiderten Vorrichtung geprüft. Ein globales FE Modell der Fassade wurde schließlich zur Validierung des gesamten Systems entwickelt, sowie um die Kräfte in den Verbindungen zwischen den Zellen und der Konsolen für den Anschluss zum Rohbau zu ermitteln.

Das Texoversum wurde mit einer von zwei Auszeichnungen des Deutschen Hoschulbaupreises 2024 ausgezeichnet. Der Deutsche Hochschulbaupreis wird von der Deutschen Universitätsstiftung unter der Schirmherrschaft des Bundesbauministeriums ausgelobt und alle zwei Jahre vergeben.

Fertigstellung

2023

PROJEKT PARTNER

Bauherr
Südwesttextil e.V., Stuttgart

Wettbewerb und Konzept 1.Preis, 2019
Allmann Sattler Wappner Architekten GmbH, München
Menges Scheffler Architekten PartG mbh, Frankfurt
Jan Knippers Ingenieure, Stuttgart

Generalplanung, Objektplanung
Allmann Sattler Wappner Architekten GmbH, München

Objektplanung Faserverbund Fassade
Menges Scheffler Architekten PartG mbh, Frankfurt

Tragwerksplanung Faserverbund Fassade
Jan Knippers Ingenieure, Stuttgart

Zustimmung im Einzelfall Faserverbund Fassade
Prof. Thomas Ummenhofer, Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, KIT, Karlsruhe

Herstellung und Montage Faserverbund Fassade
FibR GmbH, Kernen

Tragwerksplanung Rohbau
bwp Burggraf + Reiminger Beratende Ingenieure GmbH, München

Projektsteuerung
Kubus360 GmbH, Stuttgart

Landschaftsplanung
Glück Landschaftsarchitektur GmbH, Stuttgart

Brandschutz
hhpberlin, Ingenieure für Brandschutz GmbH, Munich

Bauphysik
Müller-BBM Building Solutions GmbH, Planegg

TGA Planung
drei ingenieure Brunner Zauner–Beratende Ingenieure PartG mbB, Stuttgart

Elektroplanung
Müller & Bleher, Filderstadt GmbH & Co. KG

Urbach Tower

Der Urbach Turm stellt eine einzigartige Holzstruktur dar. Der Entwurf des Turms verwendet einen neuartigen Selbstformungsprozess für gebogene Holzkomponenten. Diese bahnbrechende Entwicklung stellt einen Paradigmenwechsel in der Herstellung von gekrümmtem Holz dar: von aufwendigen und energieintensiven mechanischen Umformprozessen, die schwere Maschinen erfordern, hin zu einem Prozess, bei dem der Werkstoff sich ganz von selbst formt. Diese Formänderung wird allein durch das Schwinden des Holzes bei abnehmendem Feuchtegehalt erreicht. Die Komponenten für den 14 m hohen Turm werden eben hergestellt und krümmen sich beim üblichen industriellen Trocknungsprozess von selbst in die endgültige, vorausberechnete Form. Die Technologie der selbstformenden Fertigung von Massivholzplatten eröffnet mit ihrer einfachen Anpassung an unterschiedliche Krümmungsradien neue und unerwartete architektonische Möglichkeiten für die Verwendung des nachhaltigen, erneuerbaren und regional verfügbaren Baumaterials Holz. Der Urbachturm ist das weltweit erste Bauwerk aus selbstgeformten, großformatigen Bauteilen. Es demonstriert nicht nur diesen innovativen Fertigungsansatz und die daraus resultierende neuartige Holzkonstruktion. Auch das Erlebnis von Raum und Landschaft wird durch die markante Landmarke, die den Beitrag der Stadt Urbach zur Remstal Gartenschau 2019 darstellt, intensiviert.

Materialprogrammierung und Vorhersagbarkeit

Im Holzbau verursachen Feuchtänderungen typischerweise Probleme mit Rissbildung und Verformung und müssen daher sorgfältig kontrolliert werden.  Im Gegensatz dazu wird in diesem Projekt das Material so angeordnet, dass es diese kraftvolle, natürlich auftretende Verformung nutzt, um ein geplantes Selbstformungsverhalten zu aktivieren. In der gleichen Weise wie Maschinen programmiert werden können, um verschiedene Bewegungen auszuführen, kann auch der Werkstoff Holz so programmiert werden, dass es sich während dem Trocknen in eine vorgegebene Form krümmt. Während es seit Jahrhunderten Methoden gibt, Holz in verschiedene Formen zu biegen und sich diese zu anerkannten, industriellen Prozessen entwickelt haben, sind sie nach wie vor meist auf hohe mechanische Kräfte für den Formgebungsprozess angewiesen.  Ebenso ist das Verformungsverhalten, von Holz bei Feuchteänderungen in der Praxis und in der Wissenschaft seit langem bekannt. Ein Umdenken im Entwerfen und Konstruieren sowie neue digitale Materialmodelle zur genaueren Vorhersage ermöglichen es uns nun, dieses feuchtigkeitsbedingte Quellen und Schwinden zu nutzen, um spezifische Selbstformungsprozesse in immer größeren Dimensionen zu planen und zu realisieren.

Selbstformende Fertigung im Gebäudemaßstab

Die bahnbrechende Entwicklung der großflächigen Selbstformung stellt einen Paradigmenwechsel im Holzbau dar. Statt aufwändiger und energieintensiver mechanischer Umformprozesse, die schwere Maschinen erfordern, verformt sich der Werkstoff hier ganz von selbst. Diese Formänderung wird nur durch das charakteristische Schwinden des Holzes bei abnehmendem Feuchtigkeitsgehalt verursacht. Die gebogenen Komponenten der Turmstruktur aus Brettsperrholz (BSPH / CLT) werden als flache Paneele geplant und hergestellt, die sich während des Trocknens autonom in vorausberechnete, gekrümmte Formen biegen. Die 5,0 m x 1,2 m großen Bilayer aus Fichtenholz werden mit hoher Holzfeuchte und spezifischem Schichtaufbau hergestellt und in einem industriell standardisierten Trocknungsverfahren getrocknet.  Beim Herausnehmen aus der Trockenkammer sind die Elemente präzise gekrümmt. Diese werden anschließend miteinander überlappend laminiert, um die Geometrie zu fixieren, und bilden so größere, formstabile, gekrümmte Brettsperrholz-Komponenten. Materialspezifische, computergestützte mechanische Modelle wurden entwickelt, um sowohl die Materialanordnung zu planen und als auch die Materialanordnung zu optimieren, die zur Herstellung verschiedener Krümmungstypen und Radien mit der notwendigen Genauigkeit erforderlich ist. Die Technologie der selbstformenden Fertigung von Massivholzplatten und die einfache und schnelle Anpassungsfähigkeit des Verfahrens an unterschiedliche Krümmungsradien eröffnet neue und unerwartete architektonische Möglichkeiten für dünne Schalenstrukturen unter Verwendung des nachhaltigen, erneuerbaren und regional verfügbaren Baumaterials Holz. Der Urbach Turm ist die weltweit erste Umsetzung dieser Technologie für tragende Holzbauteile im Gebäudemaßstab.

Nachhaltige Massivholzkonstruktion und funktionale Holzverkleidung

Die selbstformenden Komponenten bestehen vollständig aus regional bezogenen Fichtenholzbrettern aus der Schweiz. Die einzelnen Bauteile weisen eine Länge von bis zu 15 m auf, mit einem Radius von 2,40 m und einer Bauteildicke von nur 90 mm. Die Komponenten sind aus Halbzylinderrohlingen 5-achsig CNC-gefräst und zu Baugruppen aus drei Komponenten einschließlich Wassersperre und externer Holzverkleidung für den Transport vormontiert. Mit präziser, vorausberechneter Krümmung und optimaler Faserausrichtung aus dem Herstellungsprozess wird jede Komponente in nur 90 Minuten Maschinenzeit geschnitten und bearbeitet. Auf der Außenseite wird eine maßgefertigte Fassade aus geschnittenem Brettschichtholzträgern aus Lärche aufgebracht. Dies umfasst ebenfalls die Anwendung einer transparenten, dauerhaften inorganischen Beschichtung, die das Holz vor UV-Strahlung und Pilzbefall schützt. Anstatt zu reißen und unter Witterungseinflüssen silbergrau zu werden, erhält das Lärchenholz mit der Zeit eine gleichmäßige weiße Farbe. Die gesamte Prozesskette, vom Schneiden der regionalen Stämme im Sägewerk über die Herstellung der selbstformenden Platten, den Trocknungsprozess bis hin zur Endbearbeitung und Vormontage, erfolgt innerhalb derselben Unternehmensgruppe und am gleichen Standort. Dies ermöglicht nicht nur eine nachhaltige und innovative Produktion, sondern zeigt auch, wie sich die selbstformende Fertigung nahtlos in bestehende industrielle Holzverarbeitungs- und Fertigungsabläufe integrieren lässt.

Dünnschalige hochleistungsfähige Holzkonstruktion

Der Urbachturm besteht aus 12 gekrümmten Bauteilen aus Brettsperrholz. Die Tragkonstruktion des Turms weist eine Dicke von 90 mm auf und ist über 14 Meter hoch, was zu einem Spannweiten-Dicken-Verhältnis von ca. 160:1 führt. Die Krümmung ermöglicht eine sehr schlanke und leichte Turmstruktur von nur 38 kg pro Quadratmeter Turmoberfläche. Im montierten Zustand wirkt der Turm durch seine ausdrucksvolle gekrümmte Geometrie statisch als flächenaktive Struktur. Die Verbindung der Leichtbauelemente erfolgt durch kreuzweise angeordnete Vollgewindeschrauben, deren Anordnung und spezifischer Winkel im gesamten Bauwerk in Bezug auf ihre statische Ausnutzung optimiert ist, wobei eine durchgehende Verbindung entlang der Naht für einen homogenen Lastabtrag sorgt. Die vorgefertigten Baugruppen des Turms, die jeweils aus drei gekrümmten Bauteilen bestehen, wurden von einem Team von vier Handwerkern ohne aufwändige Gerüste und Schalungen an einem einzigen Arbeitstag montiert und durch ein transparentes Dach abgeschlossen. Die Struktur zeigt die Möglichkeiten einer effizienten, ökonomischen, ökologischen und ausdrucksstarken Holzarchitektur, die an der Schnittstelle von Meisterhandwerk, digitaler Innovation und wissenschaftlicher Forschung entsteht.

Der Urbachturm ist eine von 16 Stationen, die von einigen der renommiertesten deutschen Architekten für die Remstal Gartenschau 2019 entworfen wurden. Die Stationen sind kleine, dauerhafte Gebäude, die an die traditionellen weißen Kapellen erinnern, die auf den Feldern und Weinbergen entlang des malerischen Remstals verteilt sind. Der 14 Meter hohe Turm liegt an einem weithin sichtbaren Hang in der Mitte des Tales und ist ein markantes Wahrzeichen, das Blickbeziehungen mit mehreren Stationen herstellt. Es bietet einen Ort des Schutzes, der inneren Reflexion und zugleich des weit schweifenden Ausblicks, indem es eine beeindruckende Aussicht offenbart und die Landschaft rahmt. Die markante Form des Turms ist ein wahrhaft zeitgenössischer architektonischer Ausdruck des traditionellen Baumaterials Holz. Es zelebriert die natürlichen Eigenschaften des selbstgeformten Holzes in seiner elegant gewundenen Form. Die konkave Krümmung der Elemente führt auf der Außenseite des Turms zu klaren Linien und markanten Oberflächen, die durch direktes Tageslicht und die Aufhellung der Lärchenbekleidung im Laufe der Zeit noch verstärkt werden. Im Gegensatz dazu erzeugt die konvexe Krümmung im Inneren ein unerwartetes, visuelles und haptisches Materialerlebnis, da die Holzstruktur fast weich und textilartig wirkt. Der Eindruck der sanft geschwungenen Oberflächen wird durch das von oben durch das transparente Dach einfallende, indirekte Licht noch intensiviert. Gegenüber dem Eingang öffnet sich die schlanke Hülle aus Holz wie ein Vorhang und rückt so das Remstal in den Mittelpunkt.

PROJEKTTEAM

ICD – Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung, Universität Stuttgart
Prof. Achim Menges, Dylan Wood
Architektonischer Entwurf und Planung
Selbstformende gekrümmte Holzelemente Forschung und Entwicklung

ITKE – Institut für Tragkonstruktionen und konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart
Prof. Jan Knippers, Lotte Aldinger, Simon Bechert
Tragwerksentwurf und Planung

Forschungs- und Industriepartner:
Angewandte Holzforschung, Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt),
Schweiz & Holzbasierte Materialien, ETH Zürich (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich), Schweiz
Dr. Markus Rüggeberg, Philippe Grönquist, Prof. Ingo Burgert
Selbstformende gekrümmte Holzelemente Forschung und Entwicklung (PI)

Industriepartner:
Blumer-Lehmann AG, Gossau, Schweiz
Katharina Lehmann, David Riggenbach
Holzbau Herstellung und Ausführung
Selbstformende gekrümmte Holzelemente Forschung und Entwicklung

PROJEKTUNTERSTÜTZUNG

Gemeinde Urbach

Remstal Gartenschau 2019 GmbH

Deutsche Bundesstiftung Umwelt
Planungs-, Fertigungs- und Auslegungsmethoden für die Anwendung gekrümmter Holzbauteile für hochtragfähige und ressourceneffiziente Holzbauweisen: Projekt Turm Urbach, Remstal Gartenschau

Innosuisse – Schweizerische Agentur für Innovationsförderung
Smart, Innovative Manufacturing of Curved Wooden Components for Architecture with Complex Geometry

Carlisle Construction Materials GmbH

Scanntronik Mugrauer GmbH

PROJEKTDATEN

Abmessungen
14,20 m hohe Holzkonstruktion
4,0 m Radius unten, 3,0 m Radius oben, 1,6 m Radius Mitte
Brettsperrholz aus Fichte mit einem 10-30-10-30-30-10 Schichtaufbau
Holzfassade aus Lärche mit Titanoxid-Oberflächenbehandlung
5-Achs-CNC-gefräste Komponenten
12 einzelne vorgefertigte Komponenten, vormontiert in Bauteilgruppen aus drei Komponenten
Kreuzweise angeordnete Vollgewindeschrauben als Verbindungsdetail mit Montageblöcken aus Holz
8 Sensoren zur Überwachung des internen WMC der Struktur
Bausystem
Gekrümmte, flächenaktive Turmstruktur; selbstgeformtes, gekrümmtes Brettsperrholz (CLT) aus Fichte mit einem 10 -30-10-30-30-10 Schichtaufbau, Lärchenfassade aus geschnittenen Brettschichtholzträgern mit Titanoxid-UV-Schutz-Oberflächenbehandlung, kaltgebogenes Dach aus Polycarbonat mit Unterkonstruktion aus Stahl.

BUGA Faserpavillon

Eingebettet in die wellenförmige Landschaft der Bundesgartenschau bietet der BUGA Faserpavillon seinen Besuchern ein einzigartiges architektonisches Erlebnis und einen Blick in die Zukunft des Bauens. Der Pavillon ist das Resultat langjähriger bionischer Forschung des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und des Instituts für Tragkonstruktion und konstruktives Entwerfen (ITKE) an der Universität Stuttgart. Das Gebäude zeigt, wie das Zusammenführen von modernsten Computertechnologien und Konstruktionsprinzipien aus der Natur die Entwicklung eines gänzlich neuartigen Bausystems ermöglicht. Die tragende Struktur des Pavillons besteht ausschließlich aus Faserverbundwerkstoffen und wird in einem robotergestützten Fertigungsprozess hergestellt. Diese weltweit einzigartige Struktur ist nicht nur hocheffizient und außergewöhnlich leicht, sondern sie ermöglicht gleichzeitig auch einen unverwechselbaren architektonischen Ausdruck und ein außergewöhnliches Raumerlebnis.

Neuartiges, von der Natur inspiriertes Faserverbundbausystem

In der Biologie bestehen die meisten tragenden Strukturen aus Fasern, wie zum Beispiel Zellulose, Chitin oder Kollagen, und einer stützenden Matrix, welche die Fasern in Position hält. Sowohl die erstaunliche Leistungsfähigkeit als auch die Ressourceneffizienz biologischer Strukturen ergeben sich aus eben diesem Fasersystem. Orientierung, Ausrichtung und Dichte der Fasern sind präzise abgestimmt und lokal ausdifferenziert, so dass nur dort Material platziert wird, wo es tatsächlich benötigt wird. Mit dem BUGA Faserpavillon wird dieses biologische Prinzip auf die Architektur übertragen. Die verwendeten Verbundwerkstoffe aus Glas- und Kohlefaser sind für solch einen Ansatz ideal geeignet. Das Projekt baut auf der langjährigen bionischen Forschung des Instituts für computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und des Instituts für Tragkonstruktion und konstruktives Entwerfen (ITKE) in diesem Bereich auf. Es zeigt, wie die interdisziplinäre Erforschung biologischer Prinzipien in Verbindung mit digitalen Technologien zu einem neuartigen und genuin digitalen Faserverbundbausystem führen kann. Noch vor wenigen Jahren wäre es unmöglich gewesen, einen Pavillon dieser Art zu planen oder zu bauen.

Integratives, computergestütztes Design und robotische Fertigung

Der Pavillon besteht aus mehr als 150.000 Metern räumlich angeordneter Glas- und Kohlestofffasern. Deren individuelle Orientierung sowie die Entwicklung der sich daraus ergebenden Laminate wäre mit einem herkömmlichen, linearen Planungsprozess und konventionellen Produktionstechnologien kaum umsetzbar gewesen. Dies führte zur Entwicklung eines neuartigen Co-Design-Ansatzes, bei dem die Anforderungen aus Architektur, Tragwerk und robotischer Fertigung in einem kontinuierlichen digitalen Prozess integriert wurden. Auf diese Weise können Dichte und Ausrichtung der Fasern in jedem Bauteil unter Berücksichtigung der Fertigungsbedingungen individuell abgestimmt, strukturell ausgelegt und architektonisch gegliedert werden. Die Bauteile werden in einem robotergestützten, kernlosen Faserwickelprozess hergestellt. Dieser neuartige Ansatz zur additiven Fertigung wurde an der Universität Stuttgart entwickelt. Faserstränge werden von einem Roboter frei zwischen zwei rotierenden Wickelgerüsten platziert. Dabei ergibt sich die definierte Form des Bauteils durch die Wechselwirkungen der Fasern, ohne dass ein Formenbau oder Kern zur Ablage erforderlich ist. Dies ermöglicht eine maßgeschneiderte Form und individuelle Faserlagen für jedes Bauteil ohne wirtschaftliche Nachteile gegenüber einer Serienfertigung gleicher Bauteile. Darüber hinaus entstehen keine Produktions- oder Materialabfälle. Bei der Herstellung entsteht ein Netz aus lichtdurchlässigen Glasfasern, auf dem schwarze Kohlenstofffasern genau dort platziert werden, wo sie statisch benötigt sind. Dies verleiht den hochbelastbaren Bauteilen ihr unverwechselbares architektonisches Erscheinungsbild. Die Serienproduktion der Elemente erfolgte durch den Industriepartner des Projekts, der FibR GmbH. Für die Herstellung jedes Tragelements sind rund 1.000 Metern Glas- sowie 1.600 Metern Kohlestofffasern erforderlich und werden durchschnittlich vier bis sechs Stunden benötigt.

Einzigartige Leichtbauweise und ausdrucksstarker architektonischer Raum

Der Pavillon umfasst eine Grundfläche von rund 400 m² und erreicht eine Spannweite von mehr als 23 Metern. Die primäre Tragkonstruktion besteht aus 60 maßgeschneiderten Faserverbundbauteilen. Mit 7,6 Kilogramm Konstruktionsgewicht der Faserverbundbauteile pro Quadratmeter ist die Struktur außergewöhnlich leicht, etwa fünfmal leichter als eine herkömmliche Stahlkonstruktion vergleichbarer Spannweite. Die tragende Faserverbundstruktur wird von einer transparenten, mechanisch vorgespannten ETFE-Membran umschlossen. Umfassende Prüfverfahren zur bauaufsichtlichen Zulassung der Konstruktion bestätigten, dass ein einzelnes Faserverbundbauteil bis zu 250 Kilonewton an Druckkräften aufnehmen kann. Dies entspricht etwa 25 Tonnen oder dem Gewicht von mehr als 15 Autos. Der Pavillon zeigt, wie ein integrativer Ansatz aus computergestützter Planung und robotischer Fertigung die Entwicklung neuartiger Faserverbundbausysteme ermöglicht, die den strengen deutschen Bauvorschriften entsprechen und gleichzeitig extrem leicht, effizient und architektonisch ausdrucksstark sind. Eingebettet in die wellenförmige Landschaft des Geländes der Bundesgartenschau übersetzt der Pavillon diese Innovation auf technischer Ebene in ein einzigartiges architektonisches Erlebnis. Die schwarzen Kohlestofffasern wickeln sich wie gespannte Muskeln um das lichtdurchlässige Glasfasergeflecht. Der daraus resultierende Kontrast wird durch die transparente Hülle des Pavillons zusätzlich betont. Dieser charakteristische, architektonische Ausdruck wird durch die zunehmende Dichte die Kohlefaserbündel vom Scheitel des Pavillons zu den schlankesten Komponenten am Fußpunkt noch verstärkt. Die dem Gebäude zugrundeliegenden Konstruktions- und Gestaltungsprinzipien bleiben auf nachvollziehbare und ausdrucksstarke Weise ablesbar, obgleich die Besucher eine derartige Struktur wahrscheinlich noch nie zuvor gesehen haben. Die ungewöhnliche, aber in hohem Maße ausdrucksstarke architektonische Erscheinung zeigt neue Wege des digitalen Bauens, die nicht länger eine Zukunftsvision bleiben, sondern bereits heute greifbare Realität sind.

Der BUGA Faserpavillon liegt zentral auf der Sommerinsel der Bundesgartenschau 2019 und beherbergt die Ausstellung „Zukunftskarussell“. Die Eröffnung findet am 17. April 2019 durch den Ministerpräsidenten des Landes Baden-Württemberg statt. Die Forschung an neuartigen Faserverbundbauweisen wird im Rahmen des neuen Exzellenzclusters „Integrative Computational Design and Construction for Architecture“ an der Universität Stuttgart weiter vertieft.

Projektpartner

ICD – Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung, Universität Stuttgart
Prof. Achim Menges, Serban Bodea, Niccolo Dambrosio, Monika Göbel, Christoph Zechmeister

ITKE – Institut für Tragkonstruktioen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart
Prof. Jan Knippers, Valentin Koslowski, Marta Gil Pérez, Bas Rongen

Mit Unterstützung von:
Rasha Alshami, Karen Andrea Antorvaeza Paez, Cornelius Carl, Sophie Collier, Brad Elsbury, James Hayward, Marc Hägele, You-Wen Ji, Ridvan Kahraman, Laura Kiesewetter, Xun Li, Grzegorz Lochnicki, Francesco Milano, Seyed Mobin Moussavi, Marie Razzhivina, Sanoop Sibi, Zi Jie Tan, Naomi Kris Tashiro, Babasola Thomas, Vaia Tsokiou, Sabine Vecvagare, Shu Chuan Yao

FibR GmbH, Stuttgart
Moritz Dörstelmann, Ondrej Kyjanek, Philipp Essers, Philipp Gülke

Mit Unterstützung von:
Leonard Balas, Robert Besinger, Elaine Bonavia, Yen-Cheng Lu

Bundesgartenschau Heilbronn 2019 GmbH
Hanspeter Faas, Oliver Toellner

Project videoproduktion

Photography
Roland Halbe

Camera
swabian studio GmbH

Cut
amplify design GmbH

Music
Soundtaxi GmbH

Projektgenehmigungsverfahren

Landesstelle für Bautechnik
Dr. Stefan Brendler, Dipl.-Ing. Steffen Schneider

Prüfingenieur
Dipl.-Ing. Achim Bechert, Dipl.-Ing. Florian Roos

DITF Deutsches Institut für Textil- und Faserforschung
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser, Pascal Mindermann

Projektförderung
Land Baden-Württemberg
Universität Stuttgart
Baden-Württemberg Stiftung
GETTYLAB
Forschungsinitiative Zukunft Bau

Pfeifer GmbH
Ewo GmbH
Fischer Group

PROJEKTDATEN

Abmessungen
23m Durchmesser, Nutzfläche ca. 400m², Flächengewicht der tragenden Faserverbundstruktur ca. 7,6kg/m²

Konstruktion
60 tragende, robotisch gefertigte Glas- und Kohlefaserverbundbauteile aus insgesamt 150.000m Glas- und Karbonfasern, transparente, mechanisch vorgespannte ETFE Membran

Forstpavillon

Holzschale aus robotisch vorgefertigten ebenen  Segmenten aus 5 cm dicken Buchensperrholz.

Fertigstellung:
2014

Standort:
Schwäbisch Gmünd

Beteiligte:
ICD – Institute for Computational Design and Construction, Universität Stuttgart
Prof. Achim Menges, Tobias Schwinn, Oliver David Krieg

ITKE – Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Universität Stuttgart
Prof. Jan Knippers, Jian-Min Li

IIGS – Institut für Ingenieurgeodäsie, Universität Stuttgart
Prof. Volker Schwieger, Annette Schmitt

Müllerblaustein Holzbau GmbH
Reinhold Müller, Benjamin Eiseie

Bilder:
ICD/ITKE/IIGS Universität Stuttgart

Convention Center

Messe und Tagungszentrum in Kigali, der Hauptstadt Ruandas. Die Kuppel hat eine Spannweite von etwa 40m und ist mit einer ETFE Folie eingedeckt.

Bauherr:
Ultimate Concepts Ltd., Kigali, Ruanda

Fertigstellung:
2016

Standort:
Kigali, Ruanda

Architektur:
Spacial Solutions International, München

Tragwerk:
Knippers Helbig Advanced Engineering
Pascal Damon, Matthias Oppe, Florian Scheible

Bilder:
Palladium Photodesign, Burg + Schuh, Emmanuel Kwizera