Výstavní „Lesní pavilon“ (Forstpavillon) vybudovaný pro výstavu Landesgartenschau 2014 ve Švábském Gmündu je experimentální stavbou, která prezentuje možnosti současného počítačově zpracovávaného designu a automatizované robotické výroby prvků pro lehké dřevěné konstrukce. Konstrukci organicky tvarovaného objektu tvoří samonosná „skořápka“ z desek z bukové překližky.
Pavilon vznikl jako součást projektu stuttgartské univerzity zaměřeného na využití robotiky v přípravě dřevěných konstrukcí. Na projektování se podílel ústav počítačového designu (Institut für Computerbasiertes Entwerfen, prof. Achim Menges), ústav stavebních konstrukcí a navrhování konstrukcí (Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen, prof. Jan Knippers) a ústav inženýrské geodézie (Institut für Ingenieurgeodäsie, prof. Volker Schwieger) a realizován byl spolupráci s firmami Müllerblaustein Holzbau GmbH, Landesgartenschau Schwäbisch Gmünd 2014 GmbH a KUKA Robotics GmbH. Objekt byl součástí přehlídky Landes-gartenschau, která se koná jednou za dva roky v některém z německých měst a hostil expozici Správy lesů Bádenska-Würtemberska (ForstBW). Na financování projektu se podílela Evropská unie a stát Bádensko-Württembersko.
Budova je první svého druhu, její konstrukce je sestavena z roboticky vyrobených, prefabrikovaných desek z bukové překližky. Nově vyvinutá dřevěná konstrukce není pouze příkladem zajímavého architektonického konceptu, ale lze na ní ilustrovat také možnosti efektivní výstavby s ohledem na minimalizaci materiálu, který navíc v maximální míře využívá lokálních obnovitelných surovin.
Nosná konstrukce z desek má tloušťku pouhých 50 mm. To vše bylo možné dosáhnout díky využití integrovaného počítačového designu, výpočtů a simulací a počítačem řízené výroby.
Dřevo je jedním z tradičních stavebních materiálů, avšak moderní projekční a výrobní postupy významně posouvají možnosti jeho využití. Následujících pět bodů shrnuje, co je největším technickým přínosem nového pavilonu.
Lehká konstrukce inspirovaná přírodou
V posledních letech se začíná dostávat do povědomí disciplína nazývaná biomimicry, tedy napodobování přírody, využití „know-how“, technologií a přístupů, které se běžně vyskytují v přírodě, a jejich uplatnění v technice. Nejznámějším příkladem je okopírování lotosového efektu povrchů k dosažení samočisticích vlastností materiálů. V případě Forstpavillonu se jednalo o napodobení biologických struktur. Příroda dokáže „budovat konstrukce“ mimořádně efektivně s využitím minimálního množství materiálu. Škála tvarů a designů je přitom neuvěřitelně pestrá. Některé z těchto morfologických postupů mohou být inspirací i pro architekturu a stavebnictví a při stavbě pavilonu se uplatnil princip skořepiny z jednotlivých „destiček“. Podobný „konstrukční systém“ z jednotlivých prvků používá skořápka mořských ježků, v našem případě plochého druhu známého pod názvem sea dollar rodu Clypeasteroida. Schránky tohoto živočicha jsou tvořeny destičkami z uhličitanu vápenatého spojenými mikroskopickými „zámkovými spoji“.
Počítačově zpracovaný design a simulace
Vyprojektování Forstpavillonu bylo možné díky pokročilým počítačovým postupům navrhování a simulování chování konstrukce. Tyto postupy umožnily vytvoření, ověření a optimalizaci organického tvaru objektu. Zároveň přitom byly vyvinuty nové počítačové nástroje, které umožňují implementování materiálových charakteristik a výrobních parametrů přímo do procesu navrhování konstrukce. Díly nebyly projektovány jednotlivě, manuálně, ale jako součást procesu simulace a optimalizace a automatizovaného vytváření finálních tvarů desek, které již zahrnovalo nastavení parametrů pro automatizovanou výrobu i s přihlédnutím k jejím limitům.
Automatizovaná robotická výroba
Nejpodstatnější pro celou stavbu bylo dodržení nepřerušeného řetězce od nadefinování geometrie přes výpočty po počítačem řízenou výrobu. Výsledkem bylo 243 geometricky odlišných překližkových desek, které tvoří základní konstrukci, a stejně tak příprava tepelné izolace, hydroizolace a opláštění. Největší výzvou a zároveň novinkou byla příprava a výroba 7600 individuálních zámkových spojů desek, které jsou klíčové pro stabilitu objektu. Tyto spoje jsou viditelné v interiéru. Připomínají spoje na skořápce zmíněného mořského ježka a je možné je efektivně vyrobit pomocí sedmiosého robotického obráběcího stroje. Široký rozsah pohybů a obratnost robota je v tomto případě nutností. Bez toho by nebylo možné výrobu takto komplexních a zároveň velmi různorodých prvků zvládnout. Po zvládnutí přípravného procesu už není výroba sama o sobě komplikovaná a všechny desky byly hotovy během tří týdnů.
Přesnost
Ve srovnání s konvenčními postupy projektování umožnila nově vyvinutá technologie výroby mnohem větší přesnost. K tomu je ovšem nezbytné špičkové strojní vybavení s laserovými snímači, které umožňuje pracovat s přesností menší než milimetr. Dosažená rozměrová přesnost překližkových desek (střední kvadratická odchylka v ploše) 0,86 mm je ve srovnání s tradičními dřevěnými konstrukcemi mimořádná. Rozměrová stabilita bukové překližky je v tomto případě výhodou. Přesnost je o to podstatnější, že desková konstrukce tvoří skořepinu a zároveň interiérovou pohledovou plochu. Na druhou stranu, pro takovéto druhy konstrukcí je maximální přesnost nezbytností. Dokončená budova bude pravidelně prostorově zaměřována a bude hodnoceno její chování v delším časovém horizontu.
Inovativní dřevěná konstrukce
Pavilon ve Švábském Gmündu je první budovou, jejíž nosná konstrukce sestává z roboticky vyrobených překližkových desek. Stejně jako u organických struktur, které byly inspirací, tvoří deskový systém konstrukci a obálku zároveň. Zatížení, které působí na hranách desek je účinně přeneseno zámkovými spoji. Konstrukce tak může mít tloušťku pouhých 50 mm. Zvolený materiál má vynikající mechanické vlastnosti a hodí se pro lehké konstrukce. Navíc je místní, což je pozitivní z hlediska ekologie.
Plášť objektu má rozměr 245 m² a rozměry jsou zhruba 17x11x6 m. Zastavěná plocha budovy je 125 m² a obestavěný objem je 605 m³. Využití tenkostěnné konstrukce znamenalo, že pro stavbu bylo potřeba pouhých 12 m³ bukové překližky, navíc téměř všechny odřezky byly využity na výrobu podlahy. Sestavení „puzzle“ z desek křížem spojovaných vruty a instalace izolačních vrstev a vnějšího pláště trvaly jen čtyři týdny.
Geometrie pavilonu definuje dva vnitřní prostory: vstupní prostor a hlavní výstavní prostor. Oba mají tvar kupole sestavené z konvexních polygonálních desek. Dělicí prostor je tvořen jakýmsi sedlem sestaveným z konkávních polygonálních desek. Návštěvník vstupuje nižší částí a je veden přes dělicí prostor do hlavního, šest metrů vysokého sálu s velkou prosklenou stěnou, kterou se otevírá prohled do okolní krajiny. Interiér není charakterizován jen svým tvarem, ale hlavně povrchem dřevěných desek a jejich spoji. Geometrický přechod mezi konvexním a konkávním tvarem daným deskami zdůrazňuje prostorové uspořádání. Konstrukční princip inspirovaný přírodou zůstává viditelný a je součástí architektonického výrazu objektu.
Nosná skořepina z překližkových desek byla opatřena 35mm tepelněizolační vrstvou z dřevovláknitých desek a hydroizolací z pružné EDPM fólie. Vnější opláštění tvoří desky z třívrstvé modřínové překližky
Vývoj, projektování a výstavba „Lesního pavilonu“ je nejen ukázkou špičkové technologie a pokročilých postupů při navrhování konstrukcí a jejich výrobě, ale naznačuje také jednu z ekologických a šetrných cest pro moderní výstavbu.
ONDŘEJ MIKA
s využitím textu Univerzity Stuttgart [1]
foto www.wikipedia.org (1); James Nebelsick, Universität Tübingen (2); ICD/ITKE/IIGS Universität Stuttgart (3–20)
Literatura:
1) SCHWINN, Tobias, Andrea MAYER-GRENU: Forstpavillon: Robotisch gefertigte Holzschalenkonstruktion [on-line]. Dostupné z http://www.uni-stuttgart.de/hkom/presseservice/pressemitteilungen/2014/pm20_landesgartenschau_de.pdf.
2) http://en.wikipedia.org/wiki/Sand_dollar.
