Pavillon biomimétique lin LivMatS ouvert au public — Jalon architectural durable

Terminé et ouvert au public, le pavillon livMatS, une structure biomimétique située au Jardin Botanique de l'Université de Fribourg (Allemagne), offre reportedly une alternative viable et efficiente en ressources aux méthodes construction conventionnelles et représente donc une étape importante vers la durabilité en architecture. De plus, il constitue ce que son équipe projet revendique comme le premier bâtiment avec structure porteuse entièrement faite de fibres lin robotiquement enroulées, un matériau naturellement renouvelable, biodégradable et régionalement disponible en Europe centrale.

Matériaux fibres naturelles, biomimétisme

Permis par une combinaison novatrice de matériaux naturels et technologies numériques avancées, ce pavillon découle de la collaboration réussie d'une équipe interdisciplinaire d'architectes et ingénieurs du programme master ITECH au Cluster d'Excellence « Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) » à l'Université de Stuttgart (Allemagne) et biologistes du Cluster d'Excellence « Living, Adaptive and Energy-autonomous Material Systems (livMatS) » à l'Université de Fribourg (Allemagne).

Selon l'équipe, le pavillon bio-inspiré montre comment de nouveaux processus co-design qui prennent en compte simultanément exigences géométriques, matériaux, structurelles, productionnelles, environnementales et esthétiques, ensemble avec techniques fabrication robotique avancées appliquées matériaux naturels, sont capables de générer une architecture à la fois écologique et expressive. L'apparence surface distinctive, complexe des éléments structurels lin est évocatrice tant d'exemples vernaculaires de treillis que de systèmes biologiques.

Pour les cinq prochaines années, le pavillon livMatS servira de salle de cours extérieur à l'Université de Fribourg, surtout pour ceux à l'Université de Fribourg, qui utilisent le Jardin Botanique dans le concept « apprendre de la nature dans la nature » comme site recherche et enseignement. Scientifiques y présenteront aussi leur travail au public en visites guidées ou ateliers.

Fibres lin : rigidité comparable verre, énergie grise bien inférieure

Au cours des deux dernières années, une équipe d'architectes et ingénieurs à l'Institute for Computational Design and Construction (ICD) et Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE), Université de Stuttgart, a investigué le potentiel d'utilisation fibres naturelles comme matériau construction, croyant qu'elles présentent une alternative prometteuse et durable aux fibres synthétiques. Ils ont trouvé avec le pavillon livMatS que, en plus d'offrir potentiel réduction empreinte environnementale bâtiment et fournir matériau renouvelable pour construction, les fibres lin sont comparables en propriétés mécaniques aux rovings fibres verre, fournissant rigidité par poids similaire, mais avec énergie incarnée bien plus faible.

Inspiration cactus saguaro et figuier de Barbarie

Encore, la structure continue la collaboration recherche long-terme pour déterminer comment les principes biologie — comme systèmes portants — peuvent être transférés nature vers architecture. Le pavillon livMatS s'inspire du cactus saguaro (Carnegia gigantea) et figuier de Barbarie (Opuntia sp.), caractérisés par leur structure bois. Le saguaro a un cœur bois cylindrique creux inside et donc particulièrement léger. Il consiste en structure bois en filet, donnant squelette stabilité additionnelle, formée par entrecroissance éléments bois individuels. Le tissu pousses latérales aplaties figuier Barbarie est aussi entrelacé avec faisceaux fibres bois en filet, disposés en couches et interconnectés. En résultat, le tissu figuier Barbarie est caractérisé par capacité portante particulièrement haute. En abstrayant ces structures réseau, les scientifiques ont pu transférer les propriétés mécaniques des structures fibres entrecroisées aux éléments structurels légers du pavillon.

Design et fabrication intégratifs : enroulement filamentaire sans âme

Le projet étend plus de 10 ans recherche construction fibres. Recherche précédente focalisée sur fibres composites synthétiques en construction, comme verre et carbone, en combinaison design computationnel avancé, simulation et méthodes fabrication. Le pavillon livMatS étend cette recherche vers méthode construction plus durable avec fibres lin naturelles et investigue utilisation ces fibres naturelles en application grande échelle.

Les éléments porteurs bâtiment sont produits avec un processus enroulement filamentaire sans âme développé par l'équipe projet. Dans cette approche fabrication additive (AM), un robot place précisément faisceaux fibres sur cadre enroulement. Cela permet reportedly calibrage ciblé et articulation architecturale de l'orientation, alignement et densité fibres pour correspondre exactement exigences structurelles dans le composant, comme dans son inspiration biologique. Selon chercheurs, forme composant pré-définie n'émerge que par interaction fibres dans cadre enroulement, éliminant besoin moule ou âme additionnel. De plus, même cadre enroulement modulaire peut être utilisé pour tous éléments géométriquement variables. Cela mène à excellente efficacité matériaux mesurée contre matériaux construction conventionnels et résulte en haute capacité portante.

Fibres naturelles et leur variabilité biologique ont aussi présenté nouveaux défis aux chercheurs, particulièrement pour design computationnel et flux fabrication robotique, ainsi que commande machine. Ces flux co-design étaient initialement développés pour matériaux synthétiques et donc homogènes et maintenant requis adaptation aux propriétés matériaux fibres lin. Cet ajustement du modèle design computationnel intégratif a permis aux propriétés matériaux hétérogènes d'informer design et planification composants individuels aussi bien que structure globale. Propriétés mécaniques spécifiques fibres naturelles ont aussi requis reconfiguration processus fabrication robotique.

Le pavillon livMatS est couvert d'une peau polycarbonate étanche, qui non seulement fournit abri météo mais protège aussi fibres rayonnement UV direct, et humidité pluie ou neige.

Démonstrateur intégré construction durable

La structure porteuse du pavillon livMatS consiste en 15 composants fibres lin, préfabriqués robotiquement exclusivement à partir fibres naturelles filées continues, ainsi qu'un élément faîtier fibreux au sommet structure. Éléments varient longueur globale 4,50 à 5,50 m et pèsent seulement 105 kg en moyenne. Structure fibres entière pèse environ 1,5 tonnes pour 46 m² surface. Design final conforme code construction allemand et exigences permis structurels et combinaisons charges incluant vent et neige.

Les développements recherche relatifs processus computationnel, fabrication robotique et nouveau système matériaux développés par équipe interdisciplinaire étudiants ITECH et chercheurs ICD/ITKE Université Stuttgart et validés par fabrication première série prototypes composants fibres naturelles. Données production alors générées et passées au partenaire industriel FibR GmbH (Stuttgart, Allemagne) pour production 15 composants structurels.

Le projet continue série démonstrateurs bâtiment expérimentaux hautement innovants conçus et réalisés par équipe interdisciplinaire chercheurs et étudiants ICD/ITKE Université Stuttgart. Il renforce aussi collaboration déjà réussie entre Cluster Excellence livMatS Université Fribourg et Cluster Excellence IntCDC Université Stuttgart. IntCDC vise repenser design et construction via technologies digitales pour adresser défis écologiques, économiques et socioculturels environnement bâti. Vision livMatS est combiner nature et technologie pour développer technologies environnementales et énergétiques pointe. Par sa nature même, pavillon offre points contact pour souligner similarités et différences entre matériaux biologiques et techniques et montrer possibilités bioinspiration, par exemple architecture mais aussi autres domaines technologie.