Institut počítačového designu (Institut für Computerbasiertes Entwerfen – ICD) a Institut stavebních konstrukcí a navrhování (Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen – ITKE) Stuttgartské univerzity dokončily nový experimentální pavilon, který navázal na předchozí vývoj konstrukcí inspirovaných přírodními strukturami a do stavby netradičně zapojil robotizované postupy z textilního průmyslu. Poprvé tak byly tyto technologie využity pro „sešívání“ dřevěných prvků v měřítku stavby.
Nový pavilon navazuje na předchozí výzkumy a experimenty. O předchozím podobném projektu – Forstpavillonu ve Švábském Gmündu – jsme psali v Materiálech pro stavbu 8/2014. Stuttgartská univerzita prakticky zkoumá nové možnosti využití potenciálu počítačového navrhování, simulace a počítačem řízené výroby. Tým, který se na uskutečnění projektu podílel, sestával z architektů, projektantů, počítačových expertů, ale také z biologů a paleontologů. Podobně jako v případě Forstpavillonu se totiž konstrukce inspirovala postupy, které používá příroda. Příroda je bohatým zdrojem fascinujících technologií a vynálezů a jejich „průmyslovému“ napodobování se věnuje obor označovaný jako biomimicry (od anglického mimic – napodobovat).
Inspirace
Experimentální pavilon je založen na dvou krocích – výzkumu a napodobení morfologické struktury skořápky mořských ježků, v tomto případě plochého druhu známého pod názvem sand dollar rodu Clypeasteroida, a využití postupů pro spojování materiálů v textilním průmyslu pro stavební konstrukci, lapidárně řečeno sešívání prvků stavby. Byla vyvinuta technologie, pomocí níž se podařilo vyrobit pružné a ohebné dvouvrstvé prvky z bukové překližky. Sešití prvků pak umožnilo vytvořit extrémně lehké, ale pevné konstrukce.
Předchozí studium mořských ježků Clypeasteroida už vedly k využití struktury destiček, z nichž je tvořena jejich skořápka, pro Forstpavillon. Technici ze Stuttgartské univerzity a přírodovědci z univerzity v Tubingenu dále zkoumali stavbu schránky mořských ježků také na základě snímků z elektronového mikroskopu. Tento výzkum odhalil, že kromě geometrie jednotlivých destiček skořápky, která se uplatnila už u Forst-pavillonu, je zajímavá i jejich dvouvrstvá „konstrukce“ a rozdíly ve struktuře materiálu. Kalcitové destičky některých druhů ježků jsou kromě „zámkových spojů“ spojeny vláknitými prvky. To vedlo k úvaze, že tyto vláknité spoje pomáhají k udržení celistvosti a pevnosti skořápky během růstu živočicha a při jejím vystavení silám působícím v jeho životním prostředí.
Analogie ve stavební konstrukci a výroba komponentů
Za základě těchto biologických principů a materiálových charakteristik byla navržena tenká dvouvrstvá struktura z bukového dřeva. Jednotlivé lepené prvky se skládají z tenkých proužků. Je využito anizotropie dřeva a tyto proužky jsou lepeny tak, že předem vypočtenou orientací vláken a tloušťkou materiálu je dosaženo požadované variabilní ohybové tuhosti prvku, díky níž pak byly formovány do potřebných tvarů s různými poloměry ohybu. K tomuto formování byl využit průmyslový robot, který prvky naohýbal a fixoval. Následně pak byly prvky obšity průmyslovým šicím strojem. Pro tenkostěnné lepené překližkové prvky jsou tyto „krejčovské“ spoje vhodné. Větší celoplošná spojení vyžadují buď vyšší tlak, nebo složitější formu k jeho udržení při laminování.
Sešití zajistí spojení vrstev individuálně naohýbaných lepených překližkových prvků a chrání je před delaminací. Průmyslový robot byl využit jednak k sestavení a naohývání materiálu, které tvoří jeden prvek, a jednak k zajištění sestavených segmentů v požadovaném tvaru, v němž pak byly hrany obšity stacionárním průmyslovým šicím strojem.
I o pohyb a umístení prvku v šicím stroji se staral robot, který prvek spojoval. K obšití byla použita membrána z polyesterových vláken potažená PVC. Robot a šicí stroj jsou ovládany pomocí speciálního softwaru. To zajistí, že při prošívání nedojde k nežádoucím pohybům.
Tímto způsobem bylo vyrobeno 151 prvků, každý s individuální geometrií, z nichž po kompletaci vznikla tuhá struktura skořápky zakřivená ve dvou směrech.
Spoje prvků jsou navrženy pro přenesení normálových a smykových sil. Pro druhé uvedené slouží „zámkové spoje“ na okrajích dílců, k vypořádání se s prvními byly vymyšleny „tkaničky“, které přenesly síly mezi prvky a mají obdobnou funkci jako vláknité struktury ve skořápkách ježků.
Dokončený pavilon
Pavilon se skládá ze 151 segmentů vyrobených průmyslovým sešitím, každý z nich má individuální tvar. Prvky mají od 0,5 do 1,5 m v průměru. Jejich specifický tvar a materiálové složení byly vypočteny pomocí speciálního softwaru, aby splnily geometrické nároky. Díky „krejčovským“ spojům a „šněrování“ vyvinutým pro tento projekt bylo možné obejít se bez jakýchkoliv kovových spojovacích prvků.
Celá konstrukce váží 780 kg, půdorysná plocha pavilonu je 85 m² a rozpětí 9,3 m. Při započtení poměru tloušťky materiálu a rozpětí průměrně 1/1000 vychází konstrukční zatížení pouhých 7,85 kg/m².
Design vychází z podmínek umístění na konkrétním místě v kampusu univerzity. Pavilon je polootevřený prostor a navazuje na přilehlou piazzetu. Jeho konstrukční princip je možné dále rozvíjet a tvarově uzpůsobovat. Prostorové konstrukce v tomto směru výrazně rozšiřují možnosti jednovrstvých skořepin, a to jak technicky, tak designově. Pavilon je ukázkou dalších možností spojení výpočetních metod navrhování a moderní robotiky pro výrobu netradičních konstrukcí a také příkladem interdisciplinární spolupráce při využití inspirací a nápadů, které nám nabízí příroda.
ONDŘEJ MIKA s využitím podkladů Univerzity Stuttgart
foto ICD/ITKE, Universität Stuttgart
