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Digitaler Holzbau

Woran forschen Sie gerade?

Richard Dank, Oliver David Krieg, Achim Menges, Stefan Kaufmann, Christopher Rob
Erschienen in
Zuschnitt 53: Digitaler Holzbau
März 2014, Seite 22f.

Technische Universität Graz, Institut für Architektur und Medien


Einer der beiden Lehr- und Forschungsschwerpunkte des Instituts für Architektur und Medien (iam) der TU Graz ist die digitale Fabrikation, die Abbildung und Umsetzung einer nahtlosen Prozesskette von der Gestaltung bis zur Fertigung. Dabei geht es um den Aufbau eines zentralen parametrischen Entwurfsmodells, aus welchem schlussendlich alle Visualisierungen, Pläne, Daten und die Files für die Maschinen generiert werden. Ziel ist es, bereits die ersten Konzeptionen mithilfe algorithmischer Herangehensweisen kohärent zu beschreiben. Diese digitale Abbildung der Designidee führt dann direkt zum 1:1-Objekt. Dies lässt nicht nur viel mehr Spielraum in der digitalen Formgebung – vor allem von nicht standardisierten Strukturen –, sondern ermöglicht auch die Kontrolle über alle Konstruktions- und Bauphasen eines Projekts.

Der Schwerpunkt der iam-Forschungsprojekte liegt derzeit einerseits auf der geometrisch korrekten Planarisierung doppelt gekrümmter Flächen – die Annäherung an nicht ebene Flächen durch ebene Elemente – und des inhärenten Potenzials dieser Herangehensweise für Bauwerke aus Brettsperrholz. Andererseits wird eine datenbankgestützte Softwareplattform entwickelt, in der Expertenwissen aus den unterschiedlichsten Disziplinen zusammengeführt wird und Simulationen und Optimierungen für z. B. digital produzierte Holzkonstruktionen möglich werden.

In unseren Master Design Studios wiederum versuchen wir diese dem Computer inhärente Methode – der Entwurf eines Prozesses und nicht des Ergebnisses – angehenden Architekten näherzubringen. Dies erfolgt immer in Kooperation mit Partnern aus der Wirtschaft. Im Wintersemester 2012/13 haben wir einen Kronleuchter allein aus Holz gefertigt: mit Hochleistungsleds, Olivenfurnier und verschiedenen Sperrhölzern, unter dem Einsatz von Lasercuttern, Fräsen und einem Roboter, entworfen und geplant mit parametrischen Programmiertools und gesteuert mit selbst entwickelten Open-Source-Applikationen.
www.iam.tugraz.at/studio/w12

Richard Dank
geboren 1975 in Graz, Architekt, Partner der Architekturkollaboratur 0704,
Universitätsassistent am Institut für Architektur und Medien,
www.richdank.com

Universität Stuttgart, Institut für Computerbasiertes Entwerfen


Die Wechselwirkungen zwischen Material, Maschine und dem architektonischen Entwurf wurden bisher selten untersucht und erfordern ein Umdenken in der Architektur und dem Bauwesen. Vor allem in digitalen Herstellungsprozessen ist derzeit eine Verlagerung von prozessspezifischen CNC-Maschinen zu wesentlich flexibleren und vielfältiger einsetzbaren Maschinen zu beobachten. Mit der Einführung von Industrierobotern erweitern sich die Möglichkeiten der digitalen Fertigung sowie deren Einfluss auf den Entwurfsprozess erheblich. Basierend auf integrativen digitalen Entwurfs- und Herstellungsprozessen verfolgt das Projekt »HygroSkin: Meteorosensitive Pavilion« zwei Ziele. Zum einen wird die Möglichkeit untersucht, durch digitale Fabrikation eine neuartige, selbstregulierende architektonische Hülle zu entwickeln. Zum anderen wird erforscht, wie man das elastische Selbstformungsverhalten dünner Sperrholzplatten mit der Exaktheit robotischer Fertigung kombinieren kann, um hoch präzise, materialeffiziente und zugleich komplex geformte Bauteile herzustellen.

Das materialspezifische Quellen und Schwinden von Holz abhängig vom Feuchtegehalt wurde für die Entwicklung einer wetterfühligen Fassade genutzt, die ohne Hilfe von zusätzlicher Mechanik oder externer Energie auf Änderungen in der relativen Luftfeuchtigkeit reagieren kann. Bei Sonnenschein und geringer relativer Luftfeuchte sind die selbstregulierenden Elemente weit geöffnet. Zieht jedoch Regen auf, was unweigerlich mit der Erhöhung der relativen Luftfeuchte verbunden ist, schließen sie sich selbsttätig. Diese adaptiven Öffnungen sind in robotisch vorgefertigte Holzleichtbau-Module eingebettet und können in Reaktion auf klimatische Veränderungen den Öffnungsgrad der Fassade anpassen. Die Module wurden in Sandwich-Bauweise gefertigt und erreichen durch die elastische Biegung ihrer Furniersperrholz-Paneele eine hohe Stabilität. Ihre für die modulare Bauweise erforderliche hohe geometrische Präzision wird durch das robotische Herstellungsverfahren gewährleistet.
http://icd.uni-stuttgart.de

Oliver David Krieg
wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Computerbasiertes Entwerfen, Universität Stuttgart. Er promoviert über die architektonischen Potenziale robotischer Fertigung im Holzbau.

Achim Menges
Architekt und Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen an der
Universität Stuttgart

Technische Universität München, Institut für Architekturinformatik

Digitale Werkzeuge haben im Bauwesen im Laufe der letzten beiden Dekaden nahezu alle analogen Planungs- und Kommunikationsprozesse substituiert. Trotzdem sind Planungsprozesse heute weithin durch Insellösungen geprägt. Jeder an der Planung Beteiligte erstellt dabei in der Regel sein eigenes »Modell«. Wir beschäftigen uns am Institut für Architekturinformatik der TU München mit der Entwicklung digitaler Werkzeuge, die helfen, komplexe Tragwerke effizienter realisieren zu können. Mit der von uns entwickelten Software Beaver schließen wir die digitale Kette zwischen parametrischem Modell und digitaler Fertigung von Holzwerkstoffen. Mit einem Knopfdruck können Hunderte Bauteile aus dem parametrischen Modell direkt auf die CNC-Maschine exportiert werden. Das ermöglicht auch ausführenden Firmen bereits in der Angebotsphase, Materialverbrauch und Fertigungskosten ohne großen Aufwand zu kalkulieren.

Während digitale Fertigungsmaschinen Konstruktionen aus großen Stückzahlen individueller Bauteile realisierbar machen, wächst analog der Aufwand bei der Montage. Montageoptimierte Fügungsdetails können durch CNC-Maschinen analog zu klassischen Zimmermannsverbindungen in das Bauteil integriert werden. Im Projekt Wave haben wir ein montageoptimiertes System für Gitterrostkonstruktionen entwickelt. Parametrische Planung und automatisierte Fertigung ermöglichen die effiziente Produktion von über tausend individuellen Bauteilen.

In zwei weiteren Projekten erforschen wir die Materialoptimierung durch digitale Planung, automatisierte Bearbeitung und ­aktives Biegen von Furnierschichtholz. Wir können die Folgen von Konstruktionsentscheidungen während des Entwurfsprozesses früh visualisieren durch Integration von Entwurfsparametern, wenn wir in der ­Lage sind, Konstruktionen in einem System­basierten Modell abzubilden. Durch die Implementierung ­numerischer Formfindungsmethoden kann darüber hinaus die Optimierung nach komplexen Zielfunktionen erfolgen.
www.ai.ar.tum.de

Stefan Kaufmann
geboren 1974, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Architekturinformatik an der Fakultät für Architektur der TU München. Er promoviert derzeit zum Thema »Untersuchung computergestützter Planungs und Fertigungsmethoden für komplexe Holztragwerke«.

École polytechnique fédérale de Lausanne, Institut für Holzbau

Das Institut für Holzbau (ibois) an der École polytechnique fédérale de Lausanne (epfl) untersucht im Rahmen verschiedener aktueller Forschungsprojekte architektonische und strukturelle Anwendungen von Holzwerkstoffplatten für die Herstellung komplexer Fertigteilgeometrien. Ein kürzlich im Tessin errichteter Pavillon zeigt eine neuartige Schalenkonstruktion aus gekrümmtem Brettsperrholz. Die »gefaltete« Form dieser experimentellen Konstruktion entstand durch die Verbindung von entgegengesetzt gekrümmten Platten. Diese »abwickelbare« Faltgeometrie ermöglicht zum einen eine Herstellung der Teile praktisch ohne Verschnitt, zum anderen hält die entgegengesetzte Faltung Querkräften stand, die normalerweise dazu neigen, diese Krümmungen einzuebnen. Dank seiner besonderen Form erreicht der Pavillon eine Spannweite von 13,5 Metern bei einer einheitlichen Stärke von nur 77 mm. Die Verbindung der gekrümmten Brettsperrholzplatten wurde durch den Einsatz von integrierten, mithilfe eines Industrieroboters gefrästen Holzverbindungen ermöglicht. So wurden die Platten ohne den Einsatz von Metallverbindern – alleine mit Schwalbenschwanzverbindungen – passgenau miteinander verbunden.

Hierfür entwickelten Mitarbeiter des ibois »digitale Werkzeuge«, die sowohl die Geometrie der Plattenverbindungen als auch den Maschinencode für die Fertigung automatisch erzeugen. Mithilfe solcher parametrischer Werkzeuge können integrierte Verbindungen für gekrümmte Brettsperrholzplatten mit beliebigen Winkeln und Radien rasch erzeugt und auch gefertigt werden. Der in Mendrisio im Tessin errichtete Pavillon stellt nur eine von vielen denkbaren Anwendungen dar. Als Bestandteil des eidgenössischen nationalen Forschungsschwerpunktes (nfs) »Digitale Fabrikation« erforscht das ibois gemeinsam mit weiteren Instituten der epf Lausanne, der eth Zürich und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (empa) neue Technologien im Holzbau. Das vorrangige Ziel besteht darin, die digitale Fertigung in Zukunft zum hauptsächlichen Werkzeug für die Baubranche zu machen und zugleich die Umweltauswirkungen der Bau- und Fertigungsprozesse auf nationaler und globaler Ebene substanziell zu verbessern.
http://ibois.epfl.ch

Christopher Robeller
Architekt und Doktorand am ibois. war gemeinsam mit Sina Nabil Projektleiter des Mendrisio-Pavillons

Marielle Savoyat
Architektin und wissenschaftliche Assistentin am IBOIS

Fotos:

© TU Graz; ICD, Universität Stuttgart; TU München; IBOIS, EPFL Lausanne/Fred Hatt

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