混合亚麻展亭是Landesgartenschau场地上的一座中心展览建筑，坐落在最近焕然一新的Argen河蜿蜒的河岸上。该展馆展示了斯图加特大学 “建筑一体化计算设计与施工”（IntCDC）小组开发的一种新型木材与天然纤维混合的建筑系统，作为传统建筑方法的替代方案。这种独特的混合系统将薄型交叉层压木材（CLT) 与机器人缠绕的亚麻纤维体结合在一起，创造出一种新颖的、资源节约型的建筑结构，这种建筑结构由当地的生物材料制成，与当地有着明显的联系。亚麻在历史上曾是当地纺织业的加工材料，其旧纺纱厂作为Landesgartenschau的一部分进行了翻新。展馆缓缓起伏的屋顶、环形的平面布局以及位于中央的气候花园，营造出一个与周围景观完美融合的展览空间。由可回收混凝土制成的地热激活的楼板为这座永久性建筑提供了全年舒适的使用环境。
▽项目鸟瞰©Roland Halbe
一座展示生物材料建设方法的永久展示建筑
坐落于Landesgartenschau的郁郁葱葱的草地上，混合亚麻展亭提供了一块位于中央的展览空间。它的设计特征在于缓缓起伏的屋顶和环形的草皮立面，邀请游客们从各个方向进入令人惊艳的室内空间。全玻璃的外立面提供了全景视野，将室内与室外的景观完美融合。为了回应邻近的Argen河的节奏，缓缓起伏的屋顶创造了一种连续且独特的空间，提供了一种连接朝内和朝外的立面的深度。建筑的核心是一座气候花园，作为一个向内的庭院来提供自然通风和降温。和由回收混凝土和低碳水泥制成的地热激活楼板一起，这确保了在不使用太多设备的情况下，室内环境全年处于较为舒适的状态。
▽场地区位©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽向内的庭院©Roland Halbe
展亭的屋顶由首个由交叉层压木材和亚麻纤维混合的结构组成，其中的亚麻纤维使通过无芯亚麻长丝缠绕生产的天然纤维体。20混合纤维结构和常规的木板交替使用，组成了特殊的波浪般的起伏屋顶，笼罩在占地380.0m²的展览空间之上。这一新颖的混合建筑系统的目的在于实现大跨度的无柱空间，同时尽可能少的使用材料，以此来发挥木材和天然纤维结构之间的协作。基于高精度的预加工和高完成度的算法设计过程，天花板上的44个组件在场地上仅耗费8天搭建完成。
▽结构轴测©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽屋顶结构©Roland Halbe
建筑的设计利用了综合性的计算机算法来融合从不同领域的专家们产出的成果，在研究和产业之间架起桥梁。这种方法不仅包括对纤维-木材混合结构的设计，也包括对传统建筑元素如立面和屋顶的接口的设计，考虑了它们连接的几何和结构需求。这一方法有助于灵活的迭代设计过程，使所有相关学科都能在发展的每一阶段灵活的调整和优化。因而，项目的设计，生产和施工仅耗费了12个月，展示了这一综合性联合设计手法的高效率。本着前沿研究和施工公司之间的双向的知识交流的精神，项目也展示了地区性的小制造公司和技艺高超的工匠们是如何建造高度创新的建筑的。
▽施工过程©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽屋顶结构©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
运用自然纤维的新型混合建筑
纤维-木材混合系统利用了木材和自然纤维的独特品质，形成了一个高性能的轻型高效建筑结构。采用亚麻纤维成分加固薄木构件，有利于施工行业对快速生长资源的运用，从而更有效地利用当地的木材储备来满足对木材的大量需求。该建造系统开发的目的是按照可再生建筑的原则，通过对构件进行分离，实现未来的材料再利用或回收。混合材料的目的是实现高度可变的简单支撑的梁式结构。纤维体形成的底面主要承受拉力荷载，而木板则承受压力，并构成屋顶围护结构的表面。它们共同提供了必要的强度和刚度，以承载阿尔卑斯山脚下的高雪负荷。
▽屋顶构成©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽构件组成, elements composition©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽屋顶结构©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
通过研究和技术的发展，不断的从建筑要求，结构分析，制造限制和材料特质中不断获得反馈信息，对纤维体的设计不断完善。它由多个依次缠绕的亚麻纤维层组成。主脊梁层与横梁方向一致，在跨度中心起着底部绳索的作用。扇形的面层逐渐将力传导向边缘的支撑，而视觉上占主导地位的网格层则形成均匀的纤维网，以达到所需的结构完整性。两处额外的角落强化层加强了纤维之间的互相作用，在结构较为薄弱的区域提供额外的支撑。
▽受力分析©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽屋顶结构©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
简单支撑的纤维-木材混合材料覆盖了直线距离约8.6米的跨度。精心放置的120mm厚的正交层积木板（CLT）构成了建筑的主要框架和缓缓起伏的屋顶。木板使用五轴机床制造，包括一系列用于木材-纤维-面板连接的通孔，以及不断改变角度以配合纤维连接不同方向的倒角边缘。亚麻纤维体通过螺钉固定在每两块 CLT 板的下方，组成混合材料。通过全尺寸的荷载测试，校准了有限元模型和对材料系统的结构完整性的确认。
▽亚麻纤维固定过程©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽屋顶结构©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
从机器原型设计到工业纤维缠绕成型
在纤维元素的发展和生产过程使用的去芯纤维缠绕成型技术，可以根据特定的结构，建筑和材料要求，有选择的沉淀材料。对比传统的纤维材料制造过程，这种材料不需要对表面进行打磨，因为成型的框架是和纤维元素一起设计的，所以最终成型的纤维元素体在缠绕成型的过程中是所有纤维段相互作用的平衡状态。该项目要求对无芯纤维成型过程的进一步调整，来适应自然亚麻纤维材料系统和混合材料中纤维体的独特几何构成。
▽制造过程©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽夜景©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
因为采用了正曲率的表面，该纤维几何体呈现出与以往不同的几何形态。一般来说，正曲率表面智能通过模具来制作，但该组件同时采用了正高斯和负高斯曲率区域。为了实现这一目标，缠绕成型框架包含一个“脊柱”，可使部件在其纵向上具有正曲率，在横截面上具有负曲率、结构深度和曲率半径，同时提供必要的结构，使框架能够自我支撑。围绕框架一圈的锚点是根据几何表面的法线特别定位的，以维持纤维方向的一致性并且将力从木材传导到纤维束上，这对于混合结构的有效性来说极为重要。
▽“脊柱”结构©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽夜景©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
斯图加特大学使用这一定制的框架，通过配备定制末端执行器的六轴机械臂缠绕一系列原型，对几何形状、纤维模式和制造工艺进行了测试和改进。在原型完成和结构评估后，最终成果被交付给工业合作伙伴，使用五轴工业纤维缠绕机进行批量生产。制造规划直接集成到计算设计流程中，定制工具将纤维组件的几何数据转换为可执行的机器代码，从而简化了从设计到制造的工作流程，并成功缩小了研究与工业之间的差距。
▽生产过程©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
斯图加特大学作为 “建筑一体化计算设计与施工 “卓越研究群体的一部分，正在继续开展基于计算的生物混合建筑系统的研究。
▽夜景©Roland Halbe
▽屋顶平面©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽一层平面, ground floor plan©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽结构平面, structure plan©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽立面, elevation©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
▽剖面, section©ICD/ITKE/IntCDC of University of Stuttgart
PROJECT PARTNERS
Cluster of Excellence IntCDC – Integrative Computational Design and Construction for Architecture, University of Stuttgart
ICD Institute for Computational Design and Construction
Prof. Achim Menges, Rebeca Duque Estrada, Monika Göbel, Harrison Hildebrandt, Fabian Kannenberg, Christoph Schlopschnat, Christoph Zechmeister
ITKE Institute for Building Structures and Structural Design
Prof. Dr. Jan Knippers, Tzu-Ying Chen, Gregor Neubauer, Marta Gil Pérez, Valentin Wagner
with support of:
Daniel Bozo, Minghui Chen, Peter Ehvert, Alan Eskildsen, Alice Fleury, Sebastian Hügle, Niki Kentroti, Timo König, Laura Marsillo, Pascal Mindermann, Ivana Trifunovic, Weiqi Xie
Landesgartenschau Wangen im Allgäu 2024
Karl-Eugen Ebertshäuser, Hubert Meßmer
Stadt Wangen im Allgäu
HA-CO Carbon GmbH
Siegbert Pachner, Dr. Oliver Fischer, Danny Hummel
STERK abbundzentrum GmbH
Klaus Sterk, Franz Zodel, Simon Sterk
FoWaTec GmbH
Sebastian Forster
Biedenkapp Stahlbau GmbH
Stefan Weidle, Markus Reischmann, Frank Jahr
Harald Klein Erdbewegungen GmbH
Harald Klein
PROJECT COLLABORATIONS
Scientific Collaboration:
IntCDC Large Scale Construction Laboratory
Sebastian Esser, Sven Hänzka, Hendrik Köhler, Sergej Klassen
Further Consulting Engineers:
Belzner Holmes und Partner Light-Design
Dipl.-Ing. (FH) Thomas Hollubarsch, Victoria Coval
BiB Concept
Dipl.-Ing. Mathias Langhoff
Collins+Knieps Vermessungsingenieure
Frank Collins, Edgar Knieps
Moräne GmbH – Geotechnik Bohrtechnik
Luis Ulrich M.Sc.
Spektrum Bauphysik & Bauökologie
Dipl.-Ing. (FH) Markus Götzelmann
wbm Beratende Ingenieure
Dipl.-Ing. Dietmar Weber, Dipl.-Ing. (FH) Daniel Boneberg
lohrer.hochrein Landschaftsarchitekten DBLA
Building Approval:
Landesstelle für Bautechnik
Dr. Stefan Brendler, Dipl.-Ing. Steffen Schneider
Proof Engineer
Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Blaß, Dr.-Ing. Marcus Flaig
Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
Prof. Dr.-Ing. Thomas Ummenhofer, Dipl.-Ing. Jörg Schmied
MPA Materials Testing Institute, University of Stuttgart
Melissa Lücking M.Sc., Dipl.-Ing (FH) Frank Waibel
Construction Collaboration
ARGE- Leistungsbereich Wärmeversorgungs- und Mittelspannanlagen
Franz Miller OHG
Stauber + Steib GmbH
发表于 2024-6-28 10:15:16
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