Forschungspavillon aus Sperrholzstreifen in Stuttgart

»Material ist teuer, Geometrie ist billig«

Am Rande des Stuttgarter Uni-Campus‘ haben im Sommersemester Studenten und Betreuer der Institute für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) und für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (itke) einen temporären Forschungspavillon aus elastisch gebogenen Sperrholzstreifen entwickelt und realisiert. Der komplexe kleine Bau zeigt, wie computerbasierte Entwurfs-, Simulations- und Produktionsprozesse die Architektur voranbringen können.

Text: Christoph Gunßer, Fotos: Achim Menges, Andrea Lautenschlager, Simon Schleicher, Julian Lienhard

Sprayer haben ein gutes Gespür für Qualität. Auf dem Gelände der Universität Stuttgart im Stadtgarten, im Schatten der beiden Kollegiengebäude K1 und K2, ist normalerweise nichts vor ihren Graffiti sicher. Den neuen, in nur drei Wochen geflochtenen Pavillon aber lassen sie in Ruhe.
Es ist tatsächlich eine neue Art zu bauen, näher an der Natur als die klobigen Strukturen ringsum: »Material ist teuer, Geometrie ist billig«, das lehre uns die Natur, sagt Christopher Robeller, der beim ICD die konstruktive Leitung des Projekts innehatte. Seit Roboter die Fertigung auch komplexester Formen rasch und präzise übernehmen könnten, falle die menschliche Arbeitskraft fast nicht mehr ins Gewicht. Ihre Kosten vor allem hätten in den letzten Jahrzehnten oft verhindert, dass komplexe Formen gebaut oder auch nur gedacht wurden. Aufgabe der Studierenden war es daher, über der vorhandenen betonierten Sitzlandschaft einen Pavillon von etwa 10 m Außendurchmesser zu errichten: Sperrholz, materialgerecht auf Biegung beansprucht, sollte als Baustoff, Rechner und Modell als Entwurfswerkzeug dienen.
Leicht aber tragfähig
»Der Computer ist nicht das Zeichenbrett des 21. Jahrhunderts«, betont Robeller. »Wir benutzen ihn zum Rechnen.« Formvorstellungen der Studenten sollten daher rasch am Rechner überprüft werden. Pate standen nicht Bilder, nicht einmal bionische Vorbilder wie Quallen wurden herangezogen. Materialversuche und vollmaßstäbliche Modelle wurden durch Finite Elemente-Modelle überprüft und ergänzt. So ließ sich auch das komplexe Tragverhalten der Gesamtstruktur simulieren. Kleinere Modelle, etwa in Papier (der entwickelte Pavillon erinnert entfernt an einen Lampenschirm), hätten wenig Sinn, da sich Toleranzen leicht addierten und trügerische Sicherheiten erzeugten.
Die rechnerische Simulation von Tragwerk und Materialverhalten stand im Vordergrund. Es galt, die Logik des Materials – 6, 5 mm dünnes Birkensperrholz – für die Simulation der Lastfälle (Windlasten, aber auch Kriechverhalten bei Nässe) in Algorithmen zu übersetzen. Die daraus hervorgegangene Tragstruktur bezieht ihre Leistungsfähigkeit aus der geometrischen Differenzierung der extrem dünnen und weichen Holzstreifen.
Konkret: Verzahnt man die dünnen Streifen ineinander, so entsteht ein Flechtwerk aus abwechselnd zug- und biegebeanspruchten Bauteilen, das trotz seiner Leichtigkeit sehr tragfähig ist. Die Eigenspannung der gebogenen Streifen stabilisiert die Konstruktion. Dabei galt es allerdings, Knicklinien »Sollbruchstellen« an den Verzahnungsstellen zu vermeiden. Also wurde der Rechner zu dieser Knick-Logik »befragt«. Die berechneten Verteilungsmodi sollen ein Knicken verhindern. Unterstützend wurden an diesen Punkten kleine massive Keile eingefügt.
Zentral für Planung und Ausführung war das digitale Informationsmodell, das die Integration verschiedener Entwurfsparameter ermöglichte. Planung, statische Berechnung und Herstellung wurden miteinander verbunden, so dass eine direkte Umsetzung möglich wurde.
Das zur Weiterbearbeitung ausgewählte Team aus drei Studenten machte sich schließlich mit fünf Helfern an den Bau des torusförmigen Objekts. Der fakultätseigene Roboter wurde mit den Daten der Modellierung gefüttert und fräste die über 500 Teile des Bausatzes innerhalb einer Woche. Auch Wissenschaftler des Instituts trugen Entwicklungen zum Konzept bei. So machte die Größe der Bauaufgabe es unmöglich, die Bauteile an einem Stück aus der Werkstatt an den Bauplatz zu bringen. Es musste eine Form der Zerlegung gefunden werden, die ein kraftschlüssiges Zusammenfügen vor Ort zuließ. Christopher Robeller erfand eine extrem flache Zapfenverbindung, welche die innenseitig verlaufenden Zugglieder des Tragwerks wirksam koppelt.
Zur Gründung des Bauwerks dienen lediglich kiesgefüllte Kästen, in denen die Fußpunkte exakt vermessen und gesetzt wurden. Ein innerer und äußerer Befestigungskranz sowie Randträger aus 9 mm dickem Sperrholz verankern hier die nach und nach montierten, sichtbar verschraubten Streifen. Wenige spindeldürre Stützen heben mit Hilfe eines weiteren 9 mm-Randträgers den südlichen Rand des Gehäuses an, so dass ein fragil, aber einladend wirkender Unterschlupf entsteht.
Sollten einzelne Tragelemente versagen – beim Einbau in der trockenen Sommerzeit kam es zum Bruch biegebeanspruchter Teile – , sei die Stabilität des Ganzen noch lange nicht in Gefahr, meint Christopher Robeller. Ende Juli anläßlich des Sommerfestes der Architekturfakultät eingeweiht, hat der Pavillon den Alltagsbetrieb indes noch vor sich. Zunächst sollen die tatsächlichen Maße ermittelt und mit den Simulationsdaten verglichen werden und anschließend die alterungs- und witterungsbedingten Belastungsänderungen beobachtet und aufgezeichnet werden. Zur Dauer des von Sponsoren weitgehend finanzierten Experiments mag man sich noch nicht festlegen. Das aus fünf wetterfest verleimten Schichten bestehende Birkensperrholz wurde vor dem Einbau lasiert, und es ist dafür gesorgt, dass die Konstruktion nach Niederschlägen rasch trocknet. So könnte das Projekt auch den Winter überdauern.•
Beteiligte: Wissenschaftliche Leitung: Institut für Computerbasiertes Entwerfen, Prof. Achim Menges: Moritz Fleischmann, Christopher Robeller, Karola Dierichs, http://icd.uni-stuttgart.de Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, Prof. Jan Knippers: Simon Schleicher, Julian Lienhard, Diana D’Souza, www.itke.uni-stuttgart.de Studentische Konzeption und Umsetzung: Andreas Eisenhardt, Manuel Vollrath, Kristine Wächter mit Thomas Irowetz, Oliver David Krieg, Ádmir Mahmutovic, Peter Meschendörfer, Leopold Möhler, Michael Pelzer, Konrad Zerbe Verwendete Software: Rhinoceros, www.itke.uni-stuttgart.de; SOFiSTiK, www.itke.uni-stuttgart.de; hyperMILL, www.itke.uni-stuttgart.de; Robomove, www.itke.uni-stuttgart.de