Descripción enviada por el equipo del proyecto. El Pabellón de Investigación ICD / ITKE 2014-15 demuestra el potencial arquitectónico de un método de construcción nuevo, inspirado en la construcción del nido bajo el agua de la araña de agua. A través de un nuevo procedimiento robótico de fabricación de un encofrado neumático inicialmente flexible, se hizo gradualmente rígido mediante el refuerzo con fibras de carbono desde el interior. La cáscara ligera de material compuesto de fibra resultante forma un pabellón con cualidades arquitectónicas únicas, mientras que al mismo tiempo es una estructura altamente eficiente en términos materiales.
El Instituto de Diseño Computacional (ICD) y el Instituto de Estructuras de la Edificación y Diseño Estructural (ITKE) continúan su serie de pabellones de investigación con el nuevo ICD / ITKE Pabellón de Investigación 2014-15 en la Universidad de Stuttgart. Estos prototipos de construcción exploran los potenciales de aplicación de nuevos procesos computacionales de diseño, simulación y fabricación en la arquitectura. El pabellón fue desarrollado en la intersección de los campos de investigación de los dos institutos y su enseñanza colaborativa en el marco del programa de Maestría en Ciencias ITECH interdisciplinaria e internacional. Este proyecto prototípico es el resultado de un año y medio de desarrollo por investigadores y estudiantes de arquitectura, ingeniería y ciencias naturales.
El concepto de diseño se basa en el estudio de procesos biológicos de construcción para estructuras reforzadas con fibras. Estos procesos son relevantes para aplicaciones en arquitectura, ya que no requieren encofrado complejo y son capaces de adaptarse a las diferentes demandas de las construcciones individuales. Los procesos biológicos forman estructuras reforzadas con fibras de una manera altamente eficaz de material y funcionalmente integrada. En este sentido, el proceso de construcción de la red de la araña de agua (Agyroneda Aquatica), resultó ser de particular interés. Por lo tanto, se examinó el proceso de construcción de redes de arañas de agua y los patrones de comportamiento y reglas de diseño subyacentes fueron analizados, abstraídos y transferidos a un proceso tecnológico de fabricación.
La araña de agua pasa la mayor parte de su vida bajo el agua, para lo cual construye una burbuja de aire reforzada para sobrevivir. En primer lugar, la araña construye una red horizontal, bajo la cual se coloca la burbuja de aire. En una etapa adicional la burbuja de aire se refuerza de forma secuencial mediante el establecimiento de una disposición jerárquica de fibras desde dentro. El resultado es una construcción estable que pueda soportar tensiones mecánicas, tales como corrientes de agua cambiantes, para proporcionar un hábitat seguro y estable para la araña. Este proceso de producción natural muestra cómo las estrategias de fabricación de adaptación puede ser utilizadas para crear estructuras reforzadas con fibras eficientes.
Para la transferencia de esta secuencia de formación biológica a una aplicación de construcción de edificios, se desarrolló un proceso en el que un robot industrial se coloca dentro de una envolvente de membrana hecha de ETFE. Esta cáscara suave inflada se apoya inicialmente por presión de aire, sin embargo, al reforzar robóticamente el interior con fibra de carbono, se rigidiza gradualmente en una estructura monocasco autoportante. Las fibras de carbono solo se aplican selectivamente donde se requieren para el refuerzo estructural, y el encofrado neumático se utiliza simultáneamente como una envolvente funcionalmente integrada. Esto resulta en un proceso de construcción eficiente con los recursos.
Al comienzo del proceso de diseño y construcción, la geometría de cáscara y principales lugares de fibras son generados por un método computacional de hallazgo de forma, que integra las limitaciones de fabricación y de simulación estructural. Con el fin de determinar y ajustar los diseños de fibra, se ha desarrollado un método de diseño computacional basado en el agente. Similar a la araña, un agente digital navega la geometría de la superficie de la cáscara generando una trayectoria de robot propuesta para la colocación de fibras. El comportamiento del agente se deriva de una variedad de parámetros de diseño interrelacionados. Este proceso de diseño computacional permite al diseñador navegar y simultáneamente integrar estos parámetros de diseño en varias orientaciones y densidades de las fibras performativas.
En correspondencia con la estrategia de diseño computacional adaptativa, un proceso de fabricación robótico prototípico fue desarrollado para reforzar la fibra de carbono en el interior de una membrana flexible. La rigidez cambiante del encofrado neumático y las fluctuaciones resultantes en la deformación durante el proceso de colocación de fibras plantean un desafío particular para el control del robot. Con el fin de adaptarse a estos parámetros durante el proceso de producción, la posición y la fuerza de contacto se registra a través de un sistema de sensores embebidos e integrados en el control del robot en tiempo real. El desarrollo de un sistema cibernético físico permite la retroalimentación constante entre las condiciones reales de producción y la generación digital de códigos de control del robot. Esto representa no sólo un importante desarrollo en el contexto de este proyecto, pero más en general ofrece nuevas oportunidades para los procesos de construcción robóticos adaptativos.
El carácter prototípico del proceso de fabricación requiere el desarrollo de una herramienta de robot hecha a medida que permite la colocación de fibras de carbono sobre la base de datos de los sensores integrados. El desarrollo técnico de esta herramienta se convirtió en una parte integral del proceso de diseño arquitectónico. Este proceso también plantea retos especiales para el sistema material. ETFE se identificó como un material adecuado para el encofrado neumático y la envolvente integrada, ya que es un material durable de fachada y sus propiedades mecánicas minimizan la deformación plástica durante la colocación de la fibra.
Un alto grado de integración funcional se logra mediante el uso de la película de ETFE como encofrado neumático y
envolvente. Esto ahorra el consumo de material de técnicas de encofrado convencionales, así como una instalación adicional de fachada. Un adhesivo compuesto proporciona un vínculo adecuado entre la película de ETFE y las fibras de carbono. Durante la producción nueve mechas de fibra de carbono pre-impregnado se colocan en paralelo. 45 kilometros de mecha de carbono se colocaron a una velocidad media de 0,6 metros por minuto a 5 kilometros de la trayectoria del robot. Este proceso aditivo no sólo permite la colocación del material compuesto de fibra, sino que también minimiza los residuos de construcción asociada con los procesos de construcción típicamente sustractivos. El Pabellón de Investigación ICD / ITKE 2014-15 tiene una superficie de unos 40m2 y un volumen interno de aproximadamente 130m3 con una luz de 7,5 m y una altura de 4.1m. El peso total de la construcción es sólo 260kg, que corresponde a un peso de 6,5 kg / m2.
El Pabellón de Investigación ICD / ITKE 2014-15 sirve como un demostrador del diseño computacional avanzado, simulación y técnicas de fabricación y muestra el potencial innovador de la investigación y la enseñanza interdisciplinaria. El edificio prototípico articula el carácter anisotrópico del material compuesto de fibra como una calidad arquitectónica y refleja los procesos subyacentes en una textura y estructura nueva. El resultado no es sólo una construcción especialmente de eficiencia material, sino también un manifiesto arquitectónico innovador y expresivo.
