Tragwerke zwishen Blumen

Zwei robotisch produzierte Pavillons auf der Bundesgartenschau Heilbronn

Industrie 4.0 ist in aller Munde, in der Baubranche tut man sich aber nach wie vor schwer mit der Digitalisierung der Prozesse. Die beiden Institute ICD und ITKE der Universität Stuttgart hingegen arbeiten seit Jahren an neuen, digital basierenden Fertigungsmethoden. Den aktuellen Stand zeigen zwei Pavillons auf der Bundesgartenschau in Heilbronn.

Text: Armin Scharf

Die aktuelle Bundesgartenschau in Heilbronn ist nur auf den ersten Blick eine der üblichen, sich selbst genügenden Blumenidyllen. Im Kern geht es auf den ehemaligen Industriebrachen am Neckar darum, wie es um die Urbanität der Zukunft bestellt ist. Und so wird ein großer Teil des Buga-Geländes nach der großen Schau zu einem neuen Stadtquartier umgebaut (s. db 6/2019, S. 14). Allerdings werden dann auch zwei temporäre Bauwerke verschwunden sein, die derzeit nahe beieinander im Grün stehen und leider etwas unter Wert präsentiert werden. Denn das, was sich da aus Holz und Fasermaterial manifestiert, zeigt eine Zukunft des Bauens, in der digitale Prozessketten, bionische Prinzipien, Leichtbau und Ressourcenreduktion den Ton angeben.

Die beiden Pavillons, eigentlich dreidimensionale gewölbte Tragwerke, sind die jüngsten Experimental-Projekte der beiden an der Universität Stuttgart angesiedelten Institute ICD und ITKE. Wobei das dem Faserpavillon zugrunde liegende Verfahren gerade das akademische Forschungsbiotop verlässt und in einer eigenen Ausgründung namens FibR gedeiht.

Plattenprinzip des Seeigels

Bereits vor fünf Jahren zeigten die Stuttgarter Institute im Rahmen der Landesgartenschau in Schwäbisch Gmünd eine hölzerne, frei tragende Schale, die mit Roboterhilfe entstand. Der sogenannte Forstpavillon (s. db 9/2014, S. 78) ist der Vorläufer des jetzigen, weit größeren Holzpavillons in Heilbronn. Aber nicht nur die Größe – die Spannweite beträgt das Dreifache, nämlich
30 m –, auch die Konstruktion unterscheidet sich wesentlich vom kleineren Vorläufer. Sie ist auf minimalen Materialeinsatz getrimmt – die Relation aus Holzmenge je überbautem m² sollte identisch zum Forstpavillon sein, nämlich 38 kg/m2 – und besteht daher aus hohlen Kassetten, die nebenbei für geringes Gewicht sorgen. Auf der anderen Seite besteht der Buga-Pavillon aus achtmal mehr Elementen: Insgesamt 376 Kassetten aus Fichtenfurnierschichtholz bilden das doppelt gekrümmte Tragwerk. Kassetten, die sich zwar gleichen, aber nie identisch sind. Dies alles war nur mittels einer geschlossenen digitalen Fertigungskette realisierbar, beginnend beim CAD-basierten Entwurf bis zur roboterisierten Fertigung. Wobei Gestaltung, Konstruktion und Fertigung nicht linear aufeinander folgten, sondern mit optimierenden Rückkoppelungen arbeiteten. Dieses von den Stuttgarter Instituten Co-Design genannte integrierte Verfahren ermöglichte nicht nur eine kurze Planungs- und Bauzeit von insgesamt 13 Monaten, sondern auch die geforderte Präzision.

Die Produktion erfolgte dabei vollautomatisiert: Zwei 14-achsige Industrieroboter auf einer transportablen Plattform fertigten alle Kassetten, verklebten die Randbalken mit den beiden dünnen und vorformatierten Deckplatten, nicht ohne die Einzelteile für den Trocknungsvorgang mit Buchennägeln zu sichern. Abschließend frästen die Roboter in jede Kassette die jeweils notwendigen Keilzinkenverbindungen und Öffnungen. Interessant dabei ist, dass die 2 Mio. Zeilen Code für die Robotersteuerung direkt aus dem computerbasierten Modell des Pavillons erzeugt wurden.

Am Ende waren allerdings wieder manuelle Fertigkeiten gefragt: Zwei Handwerker montierten die Kassetten mit Bolzen in lediglich zehn Tagen im freien Vorbau. Auf diese Schale folgt eine EPDM-Folie zur Herstellung der Wasserdichtigkeit, die Außenhaut bilden unbehandelte, ebenfalls polygonale Platten aus unbehandelten Lärchenholz-Dreischichtplatten. Die Kassettenbauweise lässt sich daher nur im Innern der Schale ablesen.

Fasern statt Flächen

In unmittelbarer Nachbarschaft zur hölzernen Schale spannt sich ein weiterer Pavillon auf, mit 23 m Spannweite etwas kleiner, aber mindestens genauso aufregend. Nicht die transparente ETFE-Membran macht den Pavillon so bemerkenswert, sondern das, was sich unter der Folie befindet: Fasern. Rund 150 km Glas- und Kohlefasern verbinden sich mithilfe von Harz zu einem extrem filigranen, lastoptimierten Tragwerk aus 60 Einzelelementen. Form, Faserdichte und -verlauf sowie die Verteilung der Glas- und Carbonfasern unterscheiden sich von Element zu Element. Auch dieser Bau folgt dem Ansatz des Co-Designs. Die Produktion übernahm das 2017 gegründete Unternehmen FibR, quasi ein Spin-off des ICD, wo das Verfahren in mehrjähriger Forschungsarbeit entwickelt wurde.

Wickeln statt Laminieren

Sprung in die Fertigung bei FibR: In einer Fabrikhalle unweit von Stuttgart zieht ein Mehrachs-Industrieroboter unermüdlich schnurähnliche Faser-Rowings zwischen zwei Endstücken hin und her. Diese Endstücke aus Stahl bilden zugleich die Schnittstellen für die spätere Montage der einzelnen Tragelemente und die Verbindung zu den klassischen Beton-Fundamenten. Das Verfahren ist faszinierend: Die Rowings kommen von der Spule, laufen durch ein Harzbad und gelangen dann direkt zum Wickelkopf des Roboters. Der führt den Faserstrang zunächst um den zugehörigen Fixierungsbolzen des einen Endstücks, fixiert ihn dort und zieht ihn dann zum Gegenbolzen am anderen Endstück, um ihn erneut zu fixieren. Entsprechend der spezifischen statischen Anforderungen folgt auf gleiche Weise die partielle Verstärkung mit Carbonfaser-Rowings. All das, so Moritz Dörstelmann, einer der beiden Geschäftsführer von FibR, lasse sich nicht nur mit Glas- und Carbonfasern, sondern auch mit Natur- oder Basaltfasern machen. Farbe wiederum kommt ins Spiel, wenn die Harzmatrix durchgefärbt wird.

Fertig gewickelt, fährt das Bauteil samt Endstücken und Distanzrohr in die eigens konzipierte Ofenkammer, wo die Harzmatrix aushärtet. Erst dann kann das Distanzrohr entfernt werden. Das Harz besteht aus drei Komponenten, dem Epoxidharz plus Härter sowie einem zusätzlichen Härter, der verhindert, dass Elemente unter Hitzeeinfluss erweichen. Für UV-Beständigkeit des transparenten Harzes sorgt ein UV-Stabilisatoradditiv.

Vorspannung als Formgeber

Während beim Laminieren, also dem weitgehend noch manuellen Einlegen von Fasermatten in Negativformen, durch den Zuschnitt erhebliche Materialabfälle entstehen, arbeitet das hier angewandte Verfahren nahezu verschnittfrei. Die eigentliche Form des Bauteils wird nicht durch ein Werkzeug bestimmt, sondern durch die Überlagerung der Rowings und deren Vorspannung. Zudem werden die aus bis zu 3 000 Einzelfasern bestehenden Rowings so gezogen, dass sie sich nur dort verdichten, wo statische Notwendigkeit besteht. Der automatisch generierte Robotercode definiert dabei nach statischen und geometrischen Vorgaben, in welcher Reihenfolge welche Fixierungspunkte an den Endstücken angefahren werden.

Leicht und doch belastbar

Mit einem Konstruktionsgewicht von 7,6 kg/m² Grundfläche ist das Tragwerk extrem leicht und zugleich hoch belastbar. Zerstörende Bauteiltests ergaben, dass ein knapp 6 m langes Bauteil mit nur 70 kg Gewicht Druckkräfte bis 250 kN, also 25 t, aufnimmt. Damit könne es das 350-Fache seines Eigengewichts tragen, so Dörstelmann. Die Bauteile erhielten eine Z. i. E., das Bauwerk selbst hat alle erforderlichen Genehmigungsverfahren für eine Versammlungsstätte erfolgreich durchlaufen.

Die Entwicklung geht indessen weiter: »Wir arbeiten an UV-basierten Aushärtungsverfahren und an der Integration von Sensoren und anderen Funktionalitäten«, erläutert Dörstelmann. Beispielsweise für selbsttragende Fassadenpaneele, deren Verschattungsgrad durch die aktive Verschiebung zweier übereinanderliegender Wickelebenen veränderbar ist. Fassadenaufhängungen, Pflanzenintegration oder akustische Elemente seien ebenso machbar. Auch den Interior-Bereich hat Dörstelmann im Blick, etwa Raumtrenner oder Tisch-Unterbauten.

Technologietransfer

Und wie kommt die Technologie zu den Architekten? »Wir können beratend dabei sein oder auch ganze Leistungsphasen übernehmen«, sagt Dörstelmann, der sich seit sieben Jahren auf die Themen Software und Robotik fokussiert. Die erste Variante wäre: Planer und Gestalter kommen mit ihren Ideen oder Vorstellungen zu FibR. Die zweite Variante nutzt das Workshop-Format, bei dem die Wechselwirkungen der einzelnen Parameter ausgelotet, diskutiert und schließlich in einem Konzept fixiert werden. Die dritte Option, die noch auf der Agenda des Start-ups steht, basiert auf digitalen Tools, die Planern ermöglichen, eigene Entwürfe und Experimente durchzuspielen. Das erste Modell findet derzeit Anwendung bei der Entwicklung neuer Möbel mit Materialherstellern und Industriepartnern. Und auch Architektur-Leichtbaulösungen befinden sich in Arbeit.


Bauherr: Bundesgartenschau Heilbronn 2019
Entwicklung: Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung ICD, Universität Stuttgart, icd.uni-stuttgart.de;
Institut für Tragkonstruktion und konstruktives Entwerfen ITKE, Universität Stuttgart, itke.uni-stuttgart.de
Ausführung Faserpavillon: FibR, fibr.tech
Ausführung Holzpavillon: Müllerblaustein
Bauwerke GmbH, muellerblaustein.de;
BEC GmbH, Reutlingen, b-e-c.de


Armin Scharf

Studium Farbe (Chemie) an der FH Druck in Stuttgart. Anschließend Redakteur und bis 1996 Chefredakteur der Fachzeitschrift Malerblatt; seit 1997 freier Fachautor für Technologie-Innovationen und Farbdesign. 2009-18 Online-Magazin zwomp.de zu aktuellem Industriedesign. Entwicklung publizistischer Formate und Design-Vermittlung.