Roboter fertigt Gebäude aus Naturfasern

Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen am Bau steckt noch in den Kinderschuhen. Wie hier die Zukunft aussehen könnte, zeigt ein Projekt der Universitäten Freiburg und Stuttgart. Durch Verarbeitung von Naturstoffen mit digitalen Technologien entstand eine einzigartige bioinspirierte Architektur.

Flachs ist ein fast in Vergessenheit geratener Naturstoff. Nun wurde er von Studierenden der Universitäten Freiburg und Stuttgart neu entdeckt – für den Bau. Dabei wickelten Roboter die tragende Struktur eines Pavillons aus Flachsfasern. Der „livMatS Pavillon“ im Botanischen Garten der Universität Freiburg entstand als Modell für eine nachhaltige, ressourceneffiziente Alternative zu konventionellen Bauweisen.

Flachs ist im Gegensatz zu Glas- oder Kohlenstofffasern regional verfügbar, er wächst auf unseren Feldern. Seine Fasern sind biologisch abbaubar – ideal für die Entwicklung ressourcenschonender Alternativen in der Bauindustrie. Punkten kann die Pflanze zudem im Bereich Leichtbau, wodurch sich auch der ökologische Fußabdruck der Gebäude deutlich verringert.

Integratives computerbasiertes Design und robotische Fertigung

„Faserverbundwerkstoffe weisen ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf“, erklärt Jan Knippers, Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) und Co-Sprecher des Exzellenzclusters Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) der Universität Stuttgart. „Diese Eigenschaft bietet eine ausgezeichnete Basis für die Entwicklung innovativer, materialeffizienter Leichtbaustrukturen.“

„Im Hinblick auf das computerbasierte Design, die Arbeitsabläufe der robotischen Fertigung sowie die Maschinensteuerung, stellten die Naturfasern und ihre biologische Variabilität uns Forschende vor neue Herausforderungen“, sagt Achim Menges vom Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und Sprecher des Exzellenzclusters IntCDC der Universität Stuttgart. Das liegt daran, dass viele Prozesse auf künstliche Materialien ausgelegt sind. Nun übertragen die Forschenden sie auf die Materialeigenschaften natürlicher Flachsfasern.

Die Natur als Vorbild genommen

Bei der Entwicklung des Pavillons ließen sich die Forschenden von der Natur inspirieren. Die netzförmige Anordnung der Naturfasern und die kernlose Wicklung der Bauteile hatten den Saguaro-Kaktus (Carnegia gigantea) und den Feigenkaktus (Opuntia sp.) zum Vorbild. Der Saguaro-Kaktus verfügt über ein zylinderförmiges Skelett, das innen hohl und dadurch besonders leicht ist. Es besteht aus einer netzartigen Holzstruktur, die dem Skelett zusätzlich eine besondere Stabilität verleiht.

„Diese Struktur entsteht, indem die einzelnen Elemente miteinander verwachsen“, erläutert Thomas Speck, Direktor des Botanischen Gartens und Mitglied des Sprecherteams des Exzellenzclusters Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Universität Freiburg. „Das Gewebe der abgeflachten Seitentriebe des Feigenkaktus durchziehen ebenfalls vernetzte Holzfaserbündel, die in Schichten angeordnet und miteinander verbunden sind. Hierdurch zeichnet sich auch das Gewebe des Feigenkaktus durch eine besonders hohe Belastbarkeit aus.“ Diese Netzstrukturen der biologischen Vorbilder übertrugen die Wissenschaftler auf die Leichtbautragelemente des Pavillons.

Details zur Konstruktion

Die tragende Struktur des Pavillons besteht aus 15 Flachsfaserelementen, die ausschließlich aus Naturfasern in einem kernlosen Faserwickelprozess robotisch vorgefertigt wurden. Ein Faserschlussstein bildet den Mittelpunkt der Struktur. Das charakteristische, filigrane Oberflächenbild der einzelnen Elemente des Bauwerks erinnert sowohl an traditionelle Fachwerkkonstruktionen als auch an die biologischen Vorbildstrukturen.

Die einzelnen Elemente variieren in ihrer Gesamtlänge zwischen 4,5 m und 5,5 m und wiegen im Durchschnitt nur 105 kg. Die gesamte Faserkonstruktion bringt bei einer Gesamtfläche von 46 m² gerade einmal 1,5 t auf die Waage.