MIT-Ingenieure bauen tragende Strukturen mit Baumgabeln anstelle von Stahlknoten

Ausrangierte Baumgabeln könnten tragende Knoten in Architekturpro-jekten ersetzen, indem eine von Forschern des Massachusetts Institute
of Technology entwickelte Konstruktionstechnik verwendet wird.

Das System kombiniert generatives Design und Roboterfertigung, damit Baumgabeln – die Holzstücke, an denen sich ein Stamm oder Ast in zwei Teile teilt – als Y-förmige Knoten verwendet werden können, die gerade Bauelemente verbinden. Der von der Forschungsgruppe Digital Structures am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelte fünfstufige Ansatz wurde bereits verwendet, um eine Demonstrationsstruktur auf dem Campus der Universität zu installieren, wobei derzeit ein größerer Pavillon in Arbeit ist. Die Forscher glauben, dass ihr System die Umweltauswirkungen des Bauens verringern könnte, indem es einen Ersatz für hochfeste, aber emissionsintensive Neumaterialien wie Stahl bietet, die normalerweise zur Bildung von Strukturbauteilen benötigt werden.

Im Vergleich dazu sind Baumgabeln nicht nur natürlich und nachwachsend, sondern auch ein aufgearbeitetes Abfallprodukt aus der Holzindustrie, die nur die geraden Abschnitte von Bäumen verwendet, um Möbel und Baumaterialien herzustellen.

In fünf Schritten zur perfekten Konstruktion

Caitlin Mueller, assoziierte Professorin im Building Technology-Programm am MIT und Leiterin der Forschungsgruppe Digital Structures, beschreibt das Vorgehen so: „Wenn Sie eine Baumgabel nehmen und sie in der Mitte durchschneiden, sehen Sie ein unglaubliches Netzwerk von Fasern, die sich verflechten, um diese oft dreidi-mensionalen Lastübertragungspunkte in einem Baum zu schaffen. Wir fangen an, dasselbe mit 3D-Druck zu tun, aber wir sind in Bezug auf komplexe Faserorien-tierung und -geometrie noch lange nicht so weit wie die Natur.“ Der erste Schritt in dem von Mueller und ihrem Team für digitale Strukturen entwickelten fünfstufigen Arbeitsablauf besteht darin, eine Auswahl von Baumgabeln in einer digitalen Bibliothek zu katalogisieren. Dies erfolgt durch 3D-Scannen und wurde im Projekt von Dr. Amtsberg mit einem preiswerten 3D-Scanner durchgeführt. Diese Scans erfassen die relative Geometrie und Ausrichtung der Äste, die die innere Faserorientierung einer Gabelung und damit ihre Stärke bestimmen. Der zweite Schritt verteilt die Baumgabeln mithilfe von einer entwickelten Software auf einem gegebenen architek-tonischen Design und nutzt Algorithmen, die bewerten, wie gut die Form einer bestimmten Y-förmigen Baumgabel mit einem bestimmten Knoten übereinstimmt, und dann die Gesamtverteilung der Baumgabeln anpassen, um das Inventar so effizient wie möglich zu nutzen. Die Übereinstimmungen können farblich dargestellt werden (grün = hohe Übereinstimmung, rot = geringe Übereinstimmung).

Im dritten (optionalen) Schritt können Designer mit der Form der Struktur spielen, da sie wissen, dass der für den Anpassungsprozess verwendete Algorithmus die optimale Baumgabelverteilung neu berechnet, während sie fortfahren.

Software optimiert automatisch Designs für den besten "Matching Score"

Die Software ermöglicht es Designern aber auch, diese Designs mit ihren eigenen Präferenzen zu überschreiben. Die Designs werden hier vom Entwerfer gewählt und erstellt. Sobald das Design abgeschlossen ist, besteht der vierte Schritt darin, die Baumgabeln so minimal und schnell wie möglich zu schneiden, um die Rinde abzustreifen und den Knoten in die zugewiesene Position der Tragstruktur einzupassen, die effiziente Nutzung des Materials, nicht aber gegen eine zeitaufwändige Fabrikation der Knoten einzutauschen. Auch diese Phase ist automatisiert, wobei ein Algorithmus die Codeanweisungen generiert und im Fall der Demostruktur Roboter im Autodesk Technology Center Boston das Holz schneiden. Im letzten und einzigen Low-Tech-Schritt wird die Struktur "wie ein Kinderspielzeugset" manuell zusammengebaut, wobei jede Baumgabel beschriftet ist, um eine einfache Montage zu ermöglichen. Aber auch für diesem Schritt können durch die Neuentwicklungen im Bereich der Augmented Reality, Lösungen für eine digital unterstützte Montage angedacht werden.  Mueller glaubt, dass dieses System Architekten, genau wie bei aktuellen computergestützten Entwurfsprozessen, letztlich ermöglichen könnte, neue Formen zu erforschen. Holz ist zu einer immer beliebteren Wahl geworden, da die Architektur- und Bauindustrie versucht, ihre verkörperten Kohlenstoffemissionen aus Materialien und Konstruktionen zu reduzieren.

Ein ausgewachsener Baum entzieht der Atmosphäre im Laufe eines Jahres schätzungsweise 22 Kilogramm CO2, was bedeutet, dass das Material CO2-negativ ist, solange es verantwortungsvoll bezogen und verwendet wird. Eines der zentralen Probleme, die es zu lösen gilt, um das nachhaltige Potenzial von Holz auszuschöpfen, ist die große Menge an ungenutztem Verschnitt, der von der Holzindustrie produziert wird, sowie Fragen bezüglich Transport und Verarbeitung.

Hier versucht dieses neue Konstruktionsverfahren zu helfen.

 

Forschungsprojekt am MIT: PI Prof. Caitlin Mueller, Ltg. Dr. Felix Amtsberg,
Yijiang Huang, Kevin Moreno Gata, Daniel J. M. Marshall

Fotos: Felix Amtsberg, Kevin Moreno Gata