Открыт для публики биомиметический павильон из льняного волокна LivMatS — веха устойчивой архитектуры

Завершенный и открытый для публики, LivMatS Pavilion, биомиметическая структура, расположенная в Ботаническом саду Университета Фрайбурга (Германия), как говорится, предлагает жизнеспособную, ресурсоэффективную альтернативу обычным методам строительства и поэтому представляет важный шаг к устойчивости в архитектуре. Кроме того, он составляет то, что его проектная команда заявляет, является первым зданием с несущей структурой, полностью сделанной из роботизированно-намотанного льняного волокна, натурально возобновляемого, биоразлагаемого и регионально доступного материала в Центральной Европе.

Натуральные волокнистые материалы, биомиметика

Обеспеченный новой комбинацией натуральных материалов и передовых цифровых технологий, этот павильон исходит из успешного сотрудничества междисциплинарной команды архитекторов и инженеров программы магистратуры ITECH в Кластере совершенства «Интегративное вычислительное проектирование и строительство для архитектуры (IntCDC)» в Университете Штутгарта (Германия) и биологов из Кластера совершенства «Живые, адаптивные и энергоавтономные материальные системы (livMatS)» в Университете Фрайбурга (Германия).

По словам команды, биовдохновленный павильон демонстрирует, как новые процессы совместного проектирования, учитывающие одновременно геометрические, материальные, структурные, производственные, экологические и эстетические требования, вместе с передовыми роботизированными техниками производства, примененными к натуральным материалам, способны генерировать архитектуру, которая одновременно экологична и выразительна. Отличительная, сложная поверхностная внешность структурных льняных элементов напоминает как народные примеры решетчатых работ, так и биологические системы.

В ближайшие пять лет LivMatS Pavilion будет служить открытой лекционной аудиторией в Университете Фрайбурга, особенно для тех, кто использует Ботанический сад в концепции «учение от природы в природе» как исследовательское и учебное место. Ученые также будут представлять свою работу там публике в экскурсиях или мастер-классах.

Механические свойства льна

За последние два года команда архитекторов и инженеров в Институте вычислительного проектирования и строительства (ICD) и Институте несущих конструкций и конструктивного проектирования (ITKE), Университет Штутгарта, исследовала потенциал использования натуральных волокон как строительного материала, веря, что они представляют многообещающую и устойчивую альтернативу синтетически произведенным волокнам. Они обнаружили с павильоном LivMatS, что, помимо предложения потенциала снижения экологического следа здания и предоставления возобновляемого материала для строительной отрасли, льняные волокна сопоставимы в своих механических свойствах с стекловолокнистыми прядями, обеспечивая похожую жесткость на вес, но с намного более низкой вложенной энергией.

Вдохновение кактусами

Далее, структура продолжает долгосрочное исследовательское сотрудничество для определения того, как биологические принципы — такие как несущие системы — могут быть перенесены из природы в архитектуру. Павильон LivMatS был вдохновлен сагуаровым кактусом (Carnegia gigantea) и кактусом опунция (Opuntia sp.), которые характеризуются своей древесной структурой. Сагуаровый кактус имеет цилиндрический древесный сердечник, который полый внутри и таким образом особенно легкий. Он состоит из сетевой древесной структуры, которая дает скелету дополнительную стабильность и формируется в результате перерастания его индивидуальных древесных элементов. Ткань сплющенных боковых побегов кактуса опунция также переплетена сетевыми пучками древесных волокон, которые расположены в слоях и взаимосвязаны. В результате ткань кактуса опунция характеризуется особенно высокой несущей способностью. Абстрагируя эти сетевые структуры, ученые смогли перенести механические свойства переплетенных волокнистых структур на легкие структурные элементы павильона.

Интегративный дизайн и фабрикация

Проект расширяет более 10 лет исследований в волокнистом строительстве. Предыдущие исследования фокусировались на использовании синтетически произведенных композитов в строительстве, таких как стекловолокно и углеродное волокно, в сочетании с передовыми вычислительными проектированием, моделированием и методами фабрикации. Павильон LivMatS расширяет это исследование в сторону более устойчивого метода строительства с натуральными льняными волокнами и исследует использование этих натуральных волокон в крупномасштабном применении.

Несущие строительные элементы производятся безъядерным процессом намотки нити, разработанным проектной командой. В этом аддитивном производственном (AM) подходе робот точно размещает волокнистые пучки на намотной раме. Это, как сообщается, позволяет целевую калибровку и архитектурную артикуляцию ориентации, выравнивания и плотности волокон для точного соответствия структурным требованиям в компоненте, как в его биологическом вдохновении. По словам исследователей, предопределенная форма компонента возникает только через взаимодействие волокон внутри намотной рамы, устраняя необходимость в дополнительной форме или сердцевине. Кроме того, этот метод фабрикации не производит никаких отходов или обрезков. Более того, та же модульная намотная рама может использоваться для всех геометрически варьирующихся элементов. Это приводит к отличной материальной эффективности по сравнению с обычными строительными материалами и результату в высокой несущей способности.

Вызов натуральных волокон

Натуральные волокна и их биологическая изменчивость также представили исследователям новые вызовы, особенно в отношении вычислительного проектирования и роботизированных производственных рабочих процессов, а также машинного управления. Эти процессы совместного проектирования изначально были разработаны для синтетических и таким образом однородных материалов и теперь требовались к адаптации к материальным свойствам льняных волокон. Эта корректировка интегративной вычислительной модели проектирования позволила гетерогенным материальным свойствам информировать проектирование и планирование индивидуальных компонентов, а также общей структуры. Специфические механические свойства натуральных волокон также потребовали перенастройки роботизированного производственного процесса.

Павильон LivMatS покрыт водонепроницаемой поликарбонатной кожей, которая не только обеспечивает укрытие от погоды, но и защищает волокна от прямого УФ-излучения и влаги от дождя или снега.

Интегрированный демонстратор устойчивого строительства

Несущая структура павильона LivMatS состоит из 15 льняных компонентов, роботизированно-префабрированных исключительно из непредельных пряденых натуральных волокон, а также волокнистого капитального элемента на вершине структуры. Элементы варьируются в общей длине от 4,50 до 5,50 метров и весят в среднем только 105 килограммов. Вся волокнистая структура весит примерно 1,5 тонны, покрывая площадь 46 квадратных метров. Финальный дизайн соответствует немецкому строительному кодексу и связанным требованиям структурного разрешения и набору комбинаций нагрузок, включая ветровые и снеговые нагрузки.

Исследовательские разработки, относящиеся к вычислительному процессу, роботизированной фабрикации, а также новой материальной системе, были разработаны междисциплинарной командой студентов ITECH и исследователей ICD/ITKE в Университете Штутгарта и были валидированы фабрикацией первого ряда прототипов натурально-волокнистых компонентов. Производственные данные были затем сгенерированы и переданы промышленному партнеру проекта FibR GmbH (Штутгарт, Германия) для производства 15 структурных компонентов.

Проект продолжает серию успешных экспериментальных и высокоинновационных демонстраторов зданий, спроектированных и реализованных междисциплинарной командой исследователей и студентов в ICD/ITKE Университета Штутгарта. Он также дополнительно укрепляет уже успешное сотрудничество между Кластером совершенства livMatS в Университете Фрайбурга и Кластером совершенства IntCDC в Университете Штутгарта. IntCDC нацелен на переосмысление дизайна и строительства через цифровые технологии для решения экологических, экономических и социокультурных вызовов, стоящих перед строительной средой. Видение livMatS — объединить природу и технологии для разработки передовой экологических и энергетических технологий. По своей природе, павильон предлагает точки контакта для выделения сходств и различий между биологическими и техническими материалами и для демонстрации возможностей, которые биовдохновение предлагает, например, в архитектуре, но также и в других областях технологий.