Pabellón de fibra de lino biomimético LivMatS abre al público: hito arquitectónico sostenible

Completado y abierto al público, el pabellón livMatS, una estructura biomimética ubicada en el Jardín Botánico de la Universidad de Friburgo (Alemania), se dice que ofrece una alternativa viable y eficiente en recursos a los métodos de construcción convencionales y por lo tanto representa un paso importante hacia la sostenibilidad en la arquitectura. Además, constituye lo que su equipo de proyecto afirma es el primer edificio con una estructura portante hecha enteramente de fibra de lino bobinada robóticamente, un material naturalmente renovable, biodegradable y regionalmente disponible en Europa Central.

Habilitado por una novedosa combinación de materiales naturales y tecnologías digitales avanzadas, este pabellón surge de la colaboración exitosa de un equipo interdisciplinario de arquitectos e ingenieros del programa máster ITECH en el Clúster de Excelencia "Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)" en la Universidad de Stuttgart (Alemania) y biólogos del Clúster de Excelencia "Living, Adaptive and Energy-autonomous Material Systems (livMatS)" en la Universidad de Friburgo (Alemania).

Según el equipo, el pabellón bio-inspirado muestra cómo novedosos procesos de co-diseño que tienen en cuenta concurrentemente requisitos geométricos, materiales, estructurales, de producción, ambientales y estéticos, junto con técnicas avanzadas de fabricación robótica aplicadas a materiales naturales, son capaces de generar una arquitectura que es, al mismo tiempo, ecológica y expresiva. La apariencia superficial distintiva e intrincada de los elementos estructurales de lino es evocadora tanto de ejemplos vernáculos de enrejado como de sistemas biológicos.

Durante los próximos cinco años, el pabellón livMatS servirá como aula al aire libre en la Universidad de Friburgo, especialmente para aquellos en la Universidad de Friburgo, que usan el Jardín Botánico dentro del concepto de "aprender de la naturaleza en la naturaleza" como sitio de investigación y enseñanza. Los científicos también presentarán su trabajo allí al público en visitas guiadas o talleres.

Materiales de fibra natural, biomimética

En los últimos dos años, un equipo de arquitectos e ingenieros en el Institute for Computational Design and Construction (ICD) y el Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE), Universidad de Stuttgart, han investigado el potencial de usar fibras naturales como material de construcción, creyendo que presentan una alternativa prometedora y sostenible a las fibras producidas sintéticamente. Han encontrado con el pabellón livMatS que, además de ofrecer el potencial de reducir la huella ambiental del edificio y proporcionar un material renovable para la industria de la construcción, las fibras de lino son comparables en sus propiedades mecánicas a los rovings de fibra de vidrio, proporcionando rigidez similar por peso, pero con una energía incorporada mucho menor.

Además, la estructura continúa la colaboración de investigación de larga data para determinar cómo los principios de la biología — como los sistemas de soporte de carga — pueden transferirse de la naturaleza a la arquitectura. El pabellón livMatS fue inspirado por el cactus saguaro (Carnegia gigantea) y el cactus chumbera (Opuntia sp.), que se caracterizan por su estructura de madera. El cactus saguaro tiene un núcleo de madera cilíndrico que es hueco por dentro y por lo tanto particularmente ligero. Consiste en una estructura de madera en forma de red, que da al esqueleto estabilidad adicional y se forma como resultado del entrelazamiento de sus elementos de madera individuales. El tejido de los brotes laterales aplanados del cactus chumbera también está entretejido con haces de fibra de madera en forma de red, que están dispuestos en capas e interconectados. Como resultado, el tejido del cactus chumbera se caracteriza por una capacidad de carga particularmente alta. Al abstraer estas estructuras de red, los científicos pudieron transferir las propiedades mecánicas de las estructuras de fibra entrelazadas a los elementos estructurales ligeros del pabellón.

Diseño y fabricación integrativos

El proyecto se expande en más de 10 años de investigación en construcción con fibra. La investigación previa se centró en el uso de compuestos de fibra producidos sintéticamente en construcción, como fibras de vidrio y carbono, en combinación con métodos avanzados de diseño computacional, simulación y fabricación. El pabellón livMatS extiende esta investigación hacia un método de construcción más sostenible con fibras naturales de lino e investiga el uso de estas fibras naturales en una aplicación a gran escala.

Los elementos de construcción portantes se producen con un proceso de bobinado de filamentos sin núcleo desarrollado por el equipo del proyecto. En este enfoque de fabricación aditiva (AM), un robot coloca precisamente haces de fibra en un marco de bobinado. Esto permite supuestamente la calibración dirigida y articulación arquitectónica de la orientación, alineación y densidad de las fibras para ajustarse exactamente a los requisitos estructurales en el componente, como en su inspiración biológica. Según los investigadores, la forma del componente predefinida solo emerge a través de la interacción de las fibras dentro del marco de bobinado, eliminando la necesidad de un molde o núcleo adicional. Además, este método de fabricación no produce residuos ni recortes. Además, el mismo marco de bobinado modular puede usarse para todos los elementos geométricamente variables. Esto conduce a una excelente eficiencia de material cuando se mide contra materiales de construcción convencionales y resulta en una alta capacidad de carga.

Las fibras naturales y su variabilidad biológica también han presentado a los investigadores nuevos desafíos, particularmente con respecto a los flujos de trabajo de diseño computacional y fabricación robótica, así como al control de la máquina. Estos flujos de trabajo de co-diseño se desarrollaron inicialmente para materiales sintéticos y por lo tanto homogéneos y ahora requirieron ser adaptados a las propiedades del material de las fibras de lino. Este ajuste del modelo de diseño computacional integrativo permitió que las propiedades heterogéneas del material informaran el diseño y planificación de los componentes individuales así como la estructura general. Las propiedades mecánicas específicas de las fibras naturales también requirieron la reconfiguración del proceso de fabricación robótica.

El pabellón livMatS está cubierto con una piel de policarbonato impermeable, que no solo proporciona refugio meteorológico sino que también protege las fibras de la radiación UV directa, y la humedad de la lluvia o nieve.

Demostrador integrado para construcción sostenible

La estructura portante del pabellón livMatS consiste en 15 componentes de fibra de lino, prefabricados robóticamente exclusivamente a partir de fibras naturales continuas hiladas, así como un elemento de tapón fibroso en la parte superior de la estructura. Los elementos varían en longitud total de 4,50 a 5,50 metros y pesan solo 105 kilogramos en promedio. La estructura de fibra completa pesa aproximadamente 1,5 toneladas mientras cubre un área de 46 metros cuadrados. El diseño final cumple con el código de construcción alemán y los requisitos de permiso estructural relacionados y conjunto de combinaciones de carga incluyendo cargas de viento y nieve.

Los desarrollos de investigación relacionados con el proceso computacional, la fabricación robótica así como el nuevo sistema de materiales fue desarrollado por un equipo interdisciplinario de estudiantes ITECH e investigadores de ICD/ITKE en la Universidad de Stuttgart y fue validado por la fabricación de una primera serie de prototipos de los componentes de fibra natural. Los datos de producción se generaron luego y se pasaron al socio industrial del proyecto FibR GmbH (Stuttgart, Alemania) para la producción de los 15 componentes estructurales.

El proyecto continúa una serie de demostradores experimentales y altamente innovadores diseñados y realizados por el equipo interdisciplinario de investigadores y estudiantes en ICD/ITKE Universidad de Stuttgart. También fortalece aún más la ya exitosa colaboración entre el Clúster de Excelencia livMatS en la Universidad de Friburgo y el Clúster de Excelencia IntCDC en la Universidad de Stuttgart. IntCDC tiene como objetivo repensar el diseño y la construcción a través de tecnologías digitales para abordar los desafíos ecológicos, económicos y socioculturales que enfrenta el entorno construido. La visión de livMatS es combinar naturaleza y tecnología para desarrollar tecnologías ambientales y energéticas de vanguardia. Por su propia naturaleza, el pabellón ofrece puntos de contacto para destacar similitudes y diferencias entre materiales biológicos y técnicos y mostrar las posibilidades que la bioinspiración ofrece, por ejemplo en arquitectura pero también en otras áreas de tecnología.

Desarrollo científico:

• Marta Gil Pérez, Serban Bodea, Niccolò Dambrosio, Bas Rongen, Christoph Zechmeister
• Gestión de proyecto: Katja Rinderspacher, Marta Gil Pérez, Monika Göbel

Desarrollo de concepto, desarrollo de sistema, prototipado:

• 2018-2020: Talal Ammouri, Vanessa Costalonga Martins, Sacha Joseph Cutajar, Edith Anahi Gonzalez San Martin, Yanan Guo, James Hayward, Silvana Herrera, Jeongwoo Jang, Nicolas Kubail Kalousdian, Simon Jacob Lut, Eda Özdemir, Gabriel Rihaczek, Anke Kristina Schramm, Lasath Ryan Siriwardena, Vaia Tsiokou, Christo van der Hoven, Shu Chuan Yao
• 2018-2019: Karen Andrea Antorveza Paez, Okan Basnak, Guillaume Caussarieu, Zhetao Dong, Kurt Drachenberg, Roxana Firorella Guillen Hurtado, Ridvan Kahraman, Dilara Karademir, Laura Kiesewetter, Grzegorz Łochnicki, Francesco Milano, Yue Qi, Hooman Salyani, Nasim Sehat, Tim Stark, Zi Jie, Jake Tan, Irina Voineag

Desarrollo de fachada:

• Tim Stark
• Con apoyo de: Okan Basnak, Yanan Guo, Axel Körner
• Asistencia estudiantil: Matthew Johnson, Daniel Locatelli, Francesca Maisto, Mahdieh Hadian Rasanani, Lorin Samija, Anand Shah, Lena Strobel, Max Zorn