ICD/ITKE - Universität Stuttgart Forschungspavillon 2010

Achim Menges, Jan Knippers
ICD/ITKE - Universität Stuttgart
Forschungspavillon 2010
Adress: Keplerstr. 17, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany
Area: 85qm
© achimmenges.net
Desiree Heusl, Julia Obermüller
ID1, 3. Semester, WS2011

Von Mitte Oktober 2009 bis Ende Juni 2010 entstand an der Universität Stuttgart ein innovatives Projekt
durch die Zusammenarbeit zweier Institute. Das Institut für Computertechnisches Entwerfen (ICD)
unter der Leitung Achim Menges und das Institut für Tragkonstruktionen und konstruktives Entwerfen
(ITKE), geleitet von Jan Knippers, entwickelten einen temporären Pavillon aus Holz. Dieser wurde
dann im Juli 2010 am Campus der Universität realisiert. Das Spannende an dieser Arbeit ist, dass das
Objekt eine Darbietung dessen ist, wie weit die Entwicklung parametrischer, computerbasierender
Simulations- und Produktionsprozesse bereits fortgeschritten ist.
1 2 3
4
5
Prof. Achim Menges ist Architekt und Leiter des ICD mit besonderem
Fokus auf computerbasierendem Gestalten und parametrischer Form-
generierung. Darüber hinaus ist er Gastprofessor an der Graduate School of
Design in Havard sowie Gastprofessor für den Aufbaustudiengang Emergent
Technologies and Design an der Architectural Association in London.
Er ist 1975 geboren und und hat selbst an der Technischen Universität
Darmstadt und an der Architectural Association School of Architecture
studiert, wo er 2002 mit dem AA Honours Diploma für das jahrgangsbeste
Projekt seinen Abschluss machte.
Prof. Jan Knippers ist 1962 in Düsseldorf geboren und seit 2000 an der
Universität Stuttgart leitender Professor des Instituts für Tragkonstruktionen
und konstruktives Entwerfen, welches sich der Erforschung und Ent-
wicklung hocheffizienter Tragwerke widmet. Besonderer Wert wird dabei
auf neuartige Baumaterialien wie Biopolymere, Textilien und Folien gelegt.
Knippers studierte Bauingenieurwesen an der TU Berlin, wo er auch promovierte.
Aus der Zusammenarbeit der Wissenschaftler und Studierenden der beiden Institute entstand eine
Forschungsarbeit, die die Projektteilnehmer auf die innovativen und sich ständig weiterentwickelnden,
computerbasierenden Entwurfsmethoden vorbereiten sollte. Die Realisierung des Pavillons diente der
Demonstration von Möglichkeiten, die ein materialgesteuerter, auf digitale Werte gestützter architektonischer
Entwurfsprozess bietet. All das vor dem Hintergrund parametrischer CAD-Modellierung,
FEM-Simulation oder CNC-gesteuerter Fertigungsprozesse zu evaluieren.

Hierbei verschmelzen die Phasen des Entwurfs, der bautechnischen Experimente, der Planung und der
Konstruktion, was eine technische, organisatorische und intellektuelle Herausforderung darstellt. Ein
Prozess von weitreichendem gestalterischen, räumlichen, konstruktiven und ökologischen Potenzial.
Bei diesem Forschungsbau bezieht die Tragstruktur ihre Leistungsfähigkeit aus der geometrischen Differenzierung
und die Formgebung äußerst dünner Holzstreifen mit hoher Elastizität. Dabei wurde eine
Kopplungstechnik entwickelt, bei der es besonders auf die Aufteilung zug- und biege-banspruchter
Segmente ankommt. Hierbei hält jedes Zugsegment das benachbarte Biegesegment auf Spannung
in Form. Dieses System führt zu einer außergewöhnlichen Tragfähigkeit des Gesamtkonstrukts und
ermöglicht es, den Pavillon mit seinen 10m Durchmesser und 5m Höhe aus nur 6,5mm starken Birken-
sperrholzlamellen zu fertigen.
MATERIAL
Holz unterscheidet sich von den meisten Baumaterialien dadurch, dass es ein natürlich gewachsenes,
biologisches Gewebe ist, das als heterogene, anisotrope und hierarchische Struktur zugleich wächst.
Heute wird der organische Charakter des Holzes wieder als wesentlicher Vorteil gewürdigt. Zugleich
wird Holz aufgrund der Heterogenität des Materials von Architekten und Ingenieuren mit problematischen
Einschränkungen betrachtet. Das liegt daran, dass die meisten computergesteuerten Entwürfe
in der Architektur das komplexe Verhalten des Holzes nicht integrieren und somit nutzen können.
Aktuelle Entwicklungen im Computerdesign ermöglichen jedoch einen anderen Umgang mit diesem
Material. Die innewohnenden Eigenschaften des Holzes werden als Vorteil erkannt und von Anfang an
in den Designprozess integriert. Der Forschungspavillion wurde mit diesen Prinzipien erbaut.
TRAGWERK
6 7 8
Die komplexe Tragstruktur des Forschungspavillions bildet ein Strukturleichtbau, der sich vor allem
durch die Formgebung des Materials realisieren ließ. Die dünnen Sperrholzstreifen erhielten ihre
Steifigkeit durch starke Biegespannungen und das koppeln mit anderen Elementen. Die entstandene,
sogenannte “biegeaktive” Tragwerksform wurde durch den Einsatz von nur 6,5 mm dünnen
Holzstreifen äußerst leicht und gleichzeitig sehr steif. Das wurde beim Forschungspavillion durch das

elastische Verformen der Tragelemente erreicht. 40 Bogenpaare aus 10 Meter langen Sperrholzstreifen
wurden aneinandergereiht und miteinander gekoppelt. Jedes Paar bestand aus einem Element, dass
den Zug aufnimmt, und einem Element, dass die Biegung aufnimmt, wodurch ein stabiler Bogen
entstehen konnte. Eingespannt wurden sie in einen inneren und einen äußeren Ring aus senkrechten
Spanten, diese widerum steckten in Holzwannen, die mit Kies gefüllt wurden und als Widerlager
dienten. Durch die geringe Stärke des Materials waren geringe Biegeradien möglich. Der große Vorteil
bei biegeaktiven Tragwerken ist, dass man komplexe Bauformen und Oberflächen aus planen, geraden
Bauteilen formen kann.
FORMFINDUNG
Die Form der Bauteile und Biegelinien wurden beim Forschungspavillion sowohl mit parametrischen
digitalen Modellen, als auch experimentell ermittelt. Die Materialwerte von Birkensperrholz, wie das
Biegeverhalten, mussten genau ermittelt werden, um etwa die möglichen Radien und auch den Spannungsabbau
von Sperrholz zu ermitteln. Weiters war es wichtig, das Potenzial des Materials optimal
auszunutzen, aber auch einen gestalterisch überzeugenden Entwurf zu finden.
Auf dieser Grundlage wurde eine Methode zur numerischen Formfindung in einem Finite-Elemente-
Methode-Programm (FEM) entwickelt. Aus den gewonnenen Daten wurde ein computerbasiertes
Informationsmodell generiert. Alle relevanten Parameter zu Material und Form wurden darin eingebettet.
Durch die FEM-Simualtion konnte das Biege- und Tragverhalten des Forschungspavillions
genau berechnet werden.
9

CODE
10 11
Das Informationsmodell stellte ein Computerscript dar, welches für die Erstellung der im Laufe des
Planungsprozesses benötigten Dateien diente. Deren Inhalt war vom jeweiligen Verwendungszweck
abhängig. Für Designentscheidungen dienten 3D-Geometriemodelle, für die Formfindung und
die Geometrie der Zuschnitte dienten 2D-Zeichnungen. Alle Änderungen wurden direkt im Code
vorgenommen und somit alle 2D- und 3D-Daten laufend aktualisiert.
Die Entwürfe waren aufgrund der Integration von materialspezifischen Eigenschaften von Beginn an
materialgetreue, digitale Machbarkeitsstudien.
13
12

FERTIGUNGSTECHNIK
Im Gegensatz zu den monatelangen Arbeiten an Simulations- und Entwurfsprozessen, sowie an der
Entwicklung des Fertigungsprozesses, konnte die Fertigung aller Bauteile und der zeitgleich abgelaufene
Aufbau in nur drei Wochen abgewickelt werden. Zum Einsatz kam dabei die an der Universität
neu aufgestellte robotische Fertigungsanlage (RoboLab). Durch diese Maschine konnte der Pavillon
mit seinen 500 unterschiedlichen Einzelteilen direkt im Haus hergestellt werden. Dies passierte mit
äußerster Präzision nach den Tragwerksparametern der Studenten ohne der Mithilfe externer Firmen.
14 14 14
14
Digital wurde ein Informationsmodell für die unterschiedlichen, biege-aktiven Teile geschrieben
und dieses, zusammen mit den Daten aus der FEM-Simulation, zu Codes für die Maschine zusammengefasst.
Dadurch konnte ein nahtloser Übergang zwischen Entwurf, statischer Planung und den
Randbedingungen geschaffen werden, welcher von Beginn an in die Gestalt des Fertigungsprozesses
einfloss. Dies ermöglichte eine enorme Präzision in den Details, schloss aber eine effiziente Logistik
und praktikable Produktionsplanung nicht aus. Immerhin wurde auf Grund des straffen Zeitplans darauf
geachtet, dass die unterschiedlichen Teile alle ohne kompliziertem Werkzeug- oder Maschinenwechsel,
dafür mit nur einem ø20mm Fräskopf hergestellt werden konnten. Diese Phase des Fräsens
beinhaltete die Freilegung der Bauteilkontur, die Fertigung der Kopplungsstellen in ihren Winkeln,
sowie die halbverdeckten Verzinkungen. Außerdem wurden dabei schon die Markierungen für die
Sicherungsschrauben gesetzt. Dadurch wurden alle für den Aufbau des Pavillons wichtigen Informationen
direkt in die Bauteile eingeprägt und es bedurfte keiner komplexen Anleitung mehr.
Für die Herstellung wurden 150 Birkensperrholzplatten mit den Maßen 2950 x 700 x 65mm verwendet.
Aus diesen wurden dann 400 Bogensegmente erstellt, welche alle unterschiedlich waren und
dann anschließend zu 80 Streifen mit biszu 10 m länge zusammengefügt wurden.
15
16

* Das ICD erklärt: “Die Streifen werden robotisch als plane Elemente gefertigt und schließlich
miteinander verkoppelt, sodass sie der Länge nach elastisch gebogene und unter Eigenspannung
versetzte Abschnitte ergeben. Die Kraft, die sich in den gebogenen Zonen der Streifen
aufgefangen wird, steigert die Tragfähigkeit des Systems erheblich.”
All diese Elemente wurden idealerweise so konzipiert, dass sie leicht und klein genug waren, um von
Personen durch das Universitätsgebäude zur Aufbaustelle getragen zu werden.
Für die Studenten und Institutsleiter stellt das erfolgreich abgeschlossene Projekt einen Anstoß dar,
diese neue Art der Entwurfsentwicklung weiterhin mehr in die Architekturarbeiten einzubeziehen.
Diese Verbindung des computertechnischen Entwerfens und Planens mit dem Prozess der Fertigung
und die Rückbesinnung auf den Architekten als Bauenden, werden wohl für die Zukunft eine immer
größere Rolle spielen.
* Zitat übernommen aus: M. Fleischmann, S. Schleicher, J. Lienhardt (2010): Forschungspavillon ICD/ITKE – Universität Stuttgart,
ARCHPlus Verlag Aachen
17

QUELLENANGABEN
Websites
http://www.archplus.net/home/news/
http://www.flickr.com/photos/bcmng/5033571182/
http://www.lignum.ch/de/news/lignum_journal/news_detail/
http://www.mas.caad.arch.ethz.ch/mas1011/?p=753
http://icd.uni-stuttgart.de/
http://achimmenges.net
Publikationen
Knippers, J., Menges, A. : 2011, ICD/ITKE Research Pavilion 2010, in Jodido, P., Temporary Architecture Now, Taschen,
Cologne, pp. 206-211. (ISBN: 978-3836523288)
Knippers, J., Menges, A. : 2011, Pabellon ICD/ITKE, Arquitectura Viva, No. 137, pp. 24-27. (ISSN: 0214-1256)
Knipper, J., Menges, A. : 2011, ICD/ITKE Research Pavilion 2010, A+U: Timber Innovation, 07/2011 No.490, pp. 10-15
Hensel, M., Menges, A. (eds.): 2008, Form Follows Performance: Zur Wechselwirkung von Material, Struktur, Umwelt,
ArchPlus No. 188, ArchPlus Verlag, Aachen. (ISSN: 05873452)
Hartmann, G.: 2010, Futuristische Leichtigkeit, Mikado – Unternehmermagazin fuer Holzbau, No.09 / 2010, pp. 10.
(ISSN: 0944 5749)
BILDNACHWEIS
1 archplus.net – archcampus
2 achimmenges.net
3 achimmenges.net
4 achimmenges.net
5 itke.uni-stuttgart.de
6 achimmenges.net
7 icd.uni-stuttgart.de
8 achimmenges.net
9 archplus.net – archcampus
10 archplus.net – archcampus
11 archplus.net – archcampus
12 icd.uni-stuttgart.de
13 archplus.net – archcampus
14 archplus.net – archcampus
15 achimmenges.net
16 achimmenges.net
17 archplus.net – archcampus
Desiree Heusl, Julia Obermüller
ID1, 3. Semester, WS2011