Architektur: Bio-inspirierte, klimareaktive Materialien aus dem 3D-Drucker

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Biologische Systeme mit begrenzten Ressourcen begegnen den Anforderungen der Umwelt, indem sie komplexe und mehrschichtig strukturierte Bauweisen verwenden. Die Natur setzt auf die Organisation strukturierter Materialien und Differenzierungsstrategien, um miteinander konkurrierende Leistungskriterien zu erfüllen. Die Zapfen von Pflanzen besitzen zum Beispiel die Fähigkeit, sich an ihre Umwelt anzupassen. Sie reagieren auf die äußeren atmosphärischen Bedingungen mit beträchtlichen Änderungen der Form. Anders als konventionell konstruierte Systeme, die auf diskreten funktionalen Komponenten wie Sensoren, Aktoren und Reglern aufbauen, verlassen sich biologische Systeme auf ausdifferenzierte Materialien und strukturierte Materialsysteme, die zugleich Sensor, Aktor und Regler sind.

Frühere Forschungen über biomimetisch reagierende Oberflächenstrukturen am Institut für Computerbasiertes Entwerfen der Universität Stuttgart haben den Transfer dieser biologischen Prinzipien auf die Architektur untersucht, basierend auf einem Furnier, das auf wechselnde Luftfeuchtigkeit reagiert. Dies hat zur Entwicklung der HygroScope-Installation am Pariser Centre Pompidou im Jahre 2012 und der ersten architektonischen Umsetzung für den HygroSkin Pavillion, FRAC Centre, Orleans 2013, geführt. Die neuen Forschungen sollen diese Entwicklungen durch den Einsatz von additiven Fertigungstechnologien vorantreiben, um sich mit den Herausforderungen des Designs auf der Materialebene zu befassen.

Die Arbeit konzentriert sich darauf, die Eigenschaften  hygroskopischer Komponenten des 3D-gedruckten Materialsystems nutzbar zu machen, indem eine Formänderung als Reaktion auf die Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit angeregt wird. Berechnungstools kommen zum Einsatz, um die komplexe Interaktion zwischen verschiedenen programmierbaren und funktionellen Parametern der Materiastruktur darzustellen. Das resultierende bio-inspirierte, programmierbare Materialsystem aus dem 3D-Drucker verkörpert die Fähigkeit, Veränderungen des Mikroklimas zu erspüren und darauf zu reagieren, und das alles innerhalb des Materials selbst. Derartige Systeme bieten auf diese Weise ein neuartiges Konzept für wirklich programmierbare, auf die Umwelt reagierende, architektonische Lösungen.

Bild: Die bisher entwickelte HygroSkin-Öffnung auf der Grundlage von Furnier-Verbundelementen (rechts) als auf das Wetter ansprechende architektonische Haut am HygroSkin-Pavillion (links), die bei hohen relativen Luftfeuchte geschlossen (rechts oben) und bei niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit offen ist (unten rechts ) © ICD Universität Stuttgart

Literatur:

Correa, D., Krieg, O., Menges, A., Reichert, S., Rinderspacher, K.: 2013, HygroSkin: A prototype project for the development of a constructional and climate responsive architectural system based on the elastic and hygroscopic properties of wood, in: Beesley, P., Khan, O., Stacey, M. (Eds.), Proceedings of the 33rd Annual Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture (ACADIA) – Adaptive Architecture, Waterloo/Buffalo/Nottingham, pp. 33-42. (ISBN 978-1-926724-22-5)

Reichert, S., Menges, A., Correa, D.: 2014, Meteorosensitive Architecture: Biomimetic Building Skins Based on Materially Embedded and Hygroscopically Enabled Responsiveness, CAD Journal, Elsevier, June 2014, DOI: 10.1016/j.cad.2014.02.010 (ISSN 0010-4485)

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