Wenig Holz, kein Leim und auch keine zusätzlichen Stützen? Das geht, zeigen Architekten der Universität Stuttgart. Sie konstruieren ihre Bauwerke nach biologischen Prinzipien – und lassen dann Roboter die Bauteile zurechtsägen.
Stuttgart - Ein Hummer lässt sich in dem Gebilde selbst mit viel Fantasie nicht erkennen. Acht Meter Durchmesser hat der Pavillon, den Architekten der Universität Stuttgart errichtet haben und der von dem Schalentier inspiriert sein soll. 30 Kilometer Glas- und Kohlenstofffasern wurden dafür von einem Roboterarm um einige Metallstreben gewickelt. Den Forschern und Studenten vom Institut für Computerbasiertes Entwerfen (ICD) und dem Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) ging es allerdings gar nicht darum, die Gestalt des Meerestieres nachzubilden, sondern das Konstruktionsprinzip von dessen äußerem Panzer zu erproben. Denn obwohl die Hummerhaut nur aus einem Material besteht, zeigt sie unterschiedliche Festigkeiten: Je nachdem, wie die Fasern verlaufen, ist der Panzer mal weicher, mal härter. Auf die gleiche Weise wurden auch die Fasern um den Pavillon gewickelt.
„Es ist eine extrem dünne Haut“, sagt der ICD-Leiter Achim Menges. „Insgesamt wurden nur 300 Kilogramm Fasern verwendet. Trotzdem steht der Pavillon stabil, ohne dass eine weitere tragende Struktur nötig wäre.“ Es ist bereits der dritte Forschungspavillon, den die Forscher innerhalb von drei Jahren errichtet haben. Die beiden ersten Pavillons bestanden aus Holz. Allen drei Projekten gemeinsam ist jedoch, dass die Herstellung mit Robotern von Anfang an mitgedacht wurde.
Die Holzteile werden nur zusammengesteckt
Die Konsequenzen solcher neuen Designkonzepte diskutierten Menges und seine Mitarbeiter kürzlich in Wien auf der Rob-Arch, der ersten wissenschaftlichen Konferenz zum Einsatz von Robotern in Architektur, Kunst und Design. Menges verwies dabei auf die theoretische Morphologie, ein Teilgebiet der Biologie, das der Frage nachgeht, warum sich aus der Fülle der möglichen Körperformen von Lebewesen im Lauf der Evolution nur einige wenige tatsächlich herausgebildet haben. Übertragen auf architektonische Entwürfe bedeute das, sich beim Entwurf eines Bauwerks an „gestalterischen Möglichkeitsräumen“ zu orientieren und diese systematisch einzuschränken.
So erkundeten die Forscher am ICD und ITKE beim Holzpavillon aus dem Jahr 2011 in einem mehrstufigen Prozess zunächst, welche Kombinationen von Holzplatten überhaupt geometrisch möglich wären. Die dafür entscheidenden Parameter waren die Größe der einzelnen Platten, der Winkel, unter dem sie mit den benachbarten Platten verbunden sind, und der Winkel, mit dem die Kanten der vier-, fünf-, sechs- und siebeneckigen Bauelemente zueinander stehen. Jedes der 855 Bauteile war ein Unikat und sollte mit den anderen nur durch Steckverbindungen zusammengehalten werden – ohne Hilfsmittel wie Leim.
Noch ist es aufwendig, die Roboter zu steuern
Mehr als 100.000 Steckverbindungen mussten aus den Kanten der Holzplatten herausgefräst werden, für jedes Bauteil in anderen Winkeln, je nach Position innerhalb des Pavillons. Das ging nur mit einem Roboterarm, der die digitalen Konstruktionsdaten direkt in Bewegungen des Fräswerkzeugs übersetzte. Der Arm selbst hatte sechs Achsen, die Holzplatte war auf einer Drehscheibe als siebter Achse montiert. Der Bewegungsradius dieser Konfiguration schränkte die Möglichkeiten für die Gestaltung des Pavillons weiter ein.
Obwohl das Sperrholz nur 6,5 Millimeter dick war und alle Teile zusammengesteckt, stand der Pavillon stabil. Eine effiziente Bauweise: zwei Kubikmeter Holz reichten aus, um 200 Kubikmeter Raum zu schaffen. Die Pavillons, die nur für ein paar Monate stehen bleiben, gäben einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die der nächsten Generation von Architekten zur Verfügung stünden, sagt Menges. Bevor sich diese Ansätze außerhalb von Forschungsinstituten sichtbar niederschlagen, muss sich aber wohl erst noch die Bedienung der Roboter vereinfachen. Bislang müssen Architekten die erforderliche Software noch weitgehend selbst schreiben.