ein roboter für den holzbau

Technik Forstpavillon, Schwäbisch Gmünd (D)
EIN ROBOTER FÜR DEN HOLZBAU
Der Forstpavillon an der Landesgartenschau Schwäbisch
Es ist ein Demonstrationsbau, der neue Methoden der digi-
Gmünd (D) ist als Demonstrationsbau das erste Gebäude, des-
talen Planung und eben der robotischen Fertigung von Holz-
sen Schalentragwerk aus Buchenplatten vollständig robo-
leichtbau-Konstruktionen erforscht und vorstellt.
tisch gefertigt wurde.
REDAKTION Uwe Guntern FOTOS Universität Stuttgart
Im Rahmen des Verbundforschungsprojekts
Landesgartenschau Schwäbisch Gmünd 2014.
einher. Aus der Natur lassen sich daher oft
«Robotik im Holzbau» wurde der Forstpavil-
Holz ist eines der ältesten Baumaterialien der
wirksame Prinzipien ableiten, die in die
lon an der Universität Stuttgart konzipiert und
Menschheit. Die robotische Fertigung, in Ver-
Gestaltung technischer Systeme übertragen
in Kooperation mit Müllerblaustein Holzbau
bindung mit computerbasierten Entwurfs-,
werden können. Dieses bionische Vorgehen
GmbH,
Schwäbisch
Simulations- und Messverfahren, eröffnet
besteht im Falle des Forstpavillons in der
Gmünd 2014 GmbH, Landesbetrieb Forst
dem Material neue Anwendungsmöglichkeiten.
Ableitung einer segmentierten Schalenkons-
Baden-Württemberg und KUKA Roboter GmbH
So können aus der regional verfügbaren und
truktion und ihrer Verbindungsdetails aus
realisiert. Das Forschungsprojekt soll neue
nachwachsenden Ressource Holz besonders
dem Plattenskelett von Seeigeln. Die aus Kal-
Wege aufzeigen, wie durch die Verknüpfung
leistungsfähige, effiziente Konstruktionen
ziumkarbonat bestehenden individuellen Plat-
computerbasierter Entwurfs-, Simulations-
entstehen. Der Forstpavillon steht für eine
ten des Skeletts bilden durch ihre spezifische
und Fertigungsverfahren besonders leis-
solche Innovation im Holzbau, die sich in fünf
Anordnung eine besonders stabile und effizi-
tungsfähige und ressourcenschonende Kon-
wesentlichen Aspekten zeigt:
ente Schalenkonstruktion. Die charakteristi-
Landesgartenschau
struktionen aus der regional verfügbaren und
sche Ausbildung der Plattenränder zeigt dabei
nachwachsenden Ressource Holz möglich
Bionischer Leichtbau
werden. Bei dem Demonstrationsbau kommt
Im Vergleich zu technischen Konstruktionen
und als biologisches Vorbild für die Verbin-
erstmals ein robotisch gefertigtes Leichtbau-
besitzen natürliche Konstruktionen in der
dung von Plattenkonstruktionen dienen.
system aus Buchenfurnier-Sperrholzplatten
Tier- und Pflanzenwelt in der Regel wesent-
zur Anwendung, das vom Institut für Compu-
lich komplexere Formen und Strukturen. Die-
terbasiertes Entwerfen, dem Institut für Trag-
ses «Mehr » an Form ist häufig der Grund für
Computerbasierter
Entwurf und Simulation
konstruktionen und Konstruktives Entwerfen
ihre besondere Leistungsfähigkeit und Mate-
Die komplexe Plattenstruktur des Forstpavil-
und dem Institut für Ingenieurgeodäsie ent-
rialeffizienz und geht mit einem «Weniger »
lons wird erst durch computerbasierte Ent-
wickelt wurde. Der Forstpavillon war Teil der
an Materialeinsatz und Ressourcenverbrauch
wurfs- und Simulationsverfahren möglich.
Extrusionen, welche die Platten verzahnen
Diese erlauben es, bionische Konstruktionsformen zu modellieren und zu simulieren. Das
im Rahmen dieses Forschungsprojekts entwickelte Entwurfswerkzeug bietet die Möglichkeit, von Beginn an Materialeigenschaften
und Herstellungsbedingungen in die Planung
zu integrieren. Die Platten werden dabei nicht
einzeln gezeichnet oder modelliert, sondern
sie finden in einem digitalen Simulations- und
Optimierungsprozess ihre Lage, Grösse und
Form in Übereinstimmung mit den Möglichkeiten der robotischen Fertigung von selbst.
Robotische Fertigung
Die durchgehend computerbasierte Planung
erlaubt die digitale Fertigung aller Bauteile
der Holzkonstruktion — von der Herstellung
der 243 unterschiedlichen Platten bis zum
Zuschnitt der Dämmung, der wasserführenden Schicht und der Deckschicht aus Lärchenplatten. Grösste Herausforderung und Innovation stellt dabei die Fertigung der 7600
geometrisch unterschiedlichen Zin ken-
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Die durchgehend computerbasierte Planung erlaubt die digitale Fertigung aller Bauteile der Holzkonstruktion — von der Herstellung der
243 unterschiedlichen Platten bis zum Zuschnitt der Dämmung, der wasserführenden Schicht und der Deckschicht aus Lärchenplatten.
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Die Schalen besitzen eine Materialstärke von lediglich 50 mm.
Die Holzplattenbauweise ist eine leistungsfähige, ressourcenschonende Schalenkonstruktion.
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Technik Forstpavillon, Schwäbisch Gmünd (D)
verbindungen dar, die dem Pavillon Stabilität
gerade einmal 50 mm starken Buchenplatten
Der Besucher betritt das Gebäude durch den
verleihen und im Innenraum sichtbar bleiben.
besteht. Die Verwendung von regional verfüg-
niedrigeren Teil der Schale und wird durch die
Hier kommt der robotischen Fertigung eine
barem Buchenholz steht dabei nicht nur im
räumliche Einschnürung fliessend in den
Schlüsselrolle zu, da sie im Vergleich zu übli-
Einklang mit zukünftigen Beforstungsstra-
sechs Meter hohen Hauptraum geleitet, der
chen computergesteuerten Fertigungsmetho-
tegien in Mitteleuropa, sondern eignet sich
sich durch die grosse Glasfassade zur Land-
den einen wesentlich höheren Freiheitsgrad
aufgrund der hervorragenden mechanischen
schaft hin weit öffnet. Besonders präsent ist
bietet : Die Verbindungen, die in mikrosko-
Eigenschaften auch für einen ressourcen-
im Innenraum das Muster der sichtbaren und
pisch kleinem Massstab auch der Seeigel
schonenden Holzleichtbau. Mit einer Schalen-
weitgehend unbehandelten, tragenden
nutzt, lassen sich nur mit einer sie ben ach-
fläche von 245 m² und äusseren Abmessun-
Bu chen holzkonstruktion mit ihren charak-
sigen Roboteranlage effizient umsetzen. Wie
gen von etwa 17 x 11 x 6 m (L x B x H) bietet der
teristischen Zinkenverbindungen. Durch den
beim Seeigel spielt es dabei keine Rolle, dass
Forstpavillon eine Nutzfläche von etwa
geometrisch bedingten Übergang von konvex-
alle Platten Einzelstücke sind. Die gesamte
125 m² und ein Raumvolumen von 605 m³. Die
zu konkav-polygonen Platten wird der räum-
Vorfertigungszeit des Schalentragwerks
gesamte, sehr dünne Schale konnte aus
liche Wechsel akzentuiert. Die Logik der Kons-
betrug lediglich drei Wochen.
gerade einmal 12 m³ Holz hergestellt werden.
truktion, die sich gemäss biologischem Vorbild
Die eingesetzten Holzressourcen wurden fast
aus der Differenzierung der Plattenform und
Innovative Messverfahren
vollständig verwendet, da der Verschnitt der
Zinkenverbindung ableitet, bleibt im Innen-
Die durchgehende computerbasierte Planung
Plattenferti gung zu einem Buchenparkett-
raum sicht- und erlebbar.
und Fertigung ermöglicht eine im Vergleich zu
fussboden weiterverarbeitet wurde. Aufgrund
Die Realisierung des Forstpavillons zeigt auf,
bestehenden Verfahren sehr hohe Präzision.
der durchgehend digitalen Planung und Vor-
dass es die robotische Herstellung in Wech-
Die Qualitätskontrolle der individuellen robo-
fertigung konnte das gesamte Gebäude in
selwirkung mit computerbasierten Entwurfs-,
tisch gefertigten Platten stellt daher eine
lediglich vier Wochen errichtet werden. Das
Simulations- und Messverfahren Architekten,
besondere Herausforderung dar und erfordert
Innere des Forstpavillons ist in zwei räumliche
Ingenieuren und Holzbauern ermöglicht, von
eine hoch präzise messtechnische Erfassung
Bereiche gegliedert : einen Eingangsbereich
Beginn an interdisziplinär, herstellungs- und
durch im Submillimeterbereich agierende
und den Ausstellungsbereich. In beiden Berei-
materialorientiert zu arbeiten. Dabei entste-
Lasertracker. Zusätzlich kommen dreidimen-
chen ist die Schale kuppelförmig ausgebildet
hen nicht nur leistungsfähige und ressour-
sionale Laserscanner zur mehrfachen Vermes-
und besteht aus konvex-polygonen Platten.
censchonende Holzbau-Konstruktionen,
sung des gesamten Bauwerks zum Einsatz, die
Dazwischen befindet sich eine sattelförmige
gleichzeitig entsteht auch eine neuartige,
eine Analyse des Langzeitverhaltens ermög-
Einschnürung aus konkav-polygonen Platten.
ausdrucksstarke Architektur.
■
lichen. So konnte aufgezeigt werden, dass die
mittlere quadratische Abweichung der Bauteile in der Bauteilebene, die ein Mass für die
Genauigkeit der Fertigung darstellt, lediglich
0,86 mm beträgt. Im Vergleich zu den sonst im
Bauwesen üblichen Toleranzen ist dies ein
ausserordentlich guter Wert, vor allem auch
im Hinblick darauf, dass es sich bei der
Buchenholzschale gleichzeitig um «Rohbau »
und fertige Oberfläche im Innenraum handelt.
Neuartige Holzkonstruktion
Der Forstpavillon ist die erste robotisch gefertigte Schalenkonstruktion aus Buchenholzplatten. Im Sinne funktionaler Integration,
einem Grundprinzip biologischer Struk turen,
sind diese Platten zugleich Tragwerk und
Gebäudehülle. Die Verbindungskräfte, die an
den Plattenrändern auftreten, können durch
die robotisch gefräste Zinkenverbindung
besonders gut aufgenommen werden. So entsteht eine besonders leistungsfähige Holzkonstruktion, deren tra gen de Schicht aus
Der Pavillon nach der Fertigstellung.
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