Descrição enviada pela equipe de projeto. O Pavilhão de Pesquisa ICD / ITKE 2014-15 demonstra o potencial arquitetônico de um novo método de construção inspirado na construção do ninho subaquático da aranha-de-água. Através de um novo processo de fabricação robótica, uma moldagem pneumática inicialmente flexível é gradualmente endurecida, reforçada com fibras de carbono internamente. O invólucro resultante da composição de fibra leve forma um pavilhão com qualidades arquitetônicas únicas que, ao mesmo tempo, é uma estrutura altamente eficiente em relação ao material.
O Instituto de Design Computacional (ICD) e o Instituto de Estruturas Prediais e Desenho Estrutural (ITKE) continuam a sua série de pavilhões de pesquisa com o novo Pavilhão de Pesquisa ICD / ITKE 2014-15 na Universidade de Stuttgart. Estes protótipos de construção exploram potenciais de aplicação de novos processos de design computacional, simulação e fabricação em arquitetura. O pavilhão foi desenvolvido na intersecção dos campos de pesquisa dos dois institutos e do ensino colaborativo no contexto do programa interdisciplinar e internacional ITECH MSc. Este protótipo é o resultado de um ano e meio de trabalho dos pesquisadores e estudantes de arquitetura, engenharia e ciências naturais.
O conceito do projeto é baseado no estudo dos processos de construção biológicos para estruturas reforçadas com fibra. Estes processos são relevantes para aplicações em arquitetura, visto que não necessitam de moldes complexos e são capazes de se adaptar às diferentes exigências das construções individuais. Os processos biológicos formam estruturas personalizadas reforçadas com fibras de maneira altamente eficaz em termos de material e funcionalmente integradas. Neste contexto, o processo de construção da teia da aranha-de-água (Agyroneda Aquatica) provou ser de particular interesse. Assim, o processo de construção de teia de aranhas-de-água foi examinado e os padrões básicos de comportamento e regras de design foram analisados, abstraídos e transferidos para um processo de fabricação tecnológica.
A aranha-de-água passa a maior parte de sua vida embaixo d'água, e para isso ela constrói uma bolha de ar reforçada para sobreviver. Primeiro, a aranha constrói uma folha de teia horizontal, em que a bolha de ar é colocada. O passo seguinte é reforçar sequencialmente a bolha de ar a partir do arranjo hierárquico de fibras internamente. O resultado é uma construção estável que pode resistir a esforços mecânicos, tais como mudança de correntes de água, para fornecer um habitat seguro e estável para a aranha. Este processo de produção natural mostra como estratégias de fabricação adaptativas podem ser utilizadas para criar eficientes estruturas de fibra reforçada.
Para a transferência desta sequência de formação biológica em uma aplicação na construção civil, foi desenvolvido um processo em que um robô industrial é colocado dentro de um envelope de membrana de ar feita de ETFE. Esta casca leve inflada é inicialmente suportada pela pressão do ar, embora, através do reforço do interior feito roboticamente com fibra de carbono, é gradualmente endurecida como uma estrutura monocoque autoportante. As fibras de carbono são aplicadas somente seletivamente onde são necessárias para o reforço estrutural, e a moldagem pneumática é utilizada simultaneamente como uma pele do edifício funcionalmente integrada. Isto resulta num processo de construção que utiliza eficientemente os recursos.
No início do processo de concepção e de construção, a geometria da casca e a localização do conjunto de fibras principais são geradas por um método computacional, que integra as restrições de fabricação e de simulação estrutural. A fim de determinar e ajustar os layouts das fibras, um método de design computacional baseado em agentes foi desenvolvido. Semelhante à aranha, um agente digital navega pela geometria da superfície da casca gerando uma proposta de caminho para a colocação de fibra pelo robô. O comportamento do agente é derivado de uma variedade de parâmetros de concepção inter-relacionados. Este processo de concepção computacional permite que o designer navegue e, simultaneamente, integre estes parâmetros de projeto em várias orientações e densidades das fibras performativas.
Correspondente à estratégia adaptativa de concepção computacional, um processo de fabricação robótica prototípica foi desenvolvida para reforço de fibra de carbono no interior de uma membrana flexível. A mudança na rigidez da moldagem pneumática e as flutuações resultantes na deformação durante o processo de colocação de fibra impõem um desafio particular para o controle do robô. A fim de adaptar-se a estes parâmetros durante o processo de produção, a posição atual e a força de contato é gravada através de um sistema de sensores embutidos e integrados no controle do robô em tempo real. O desenvolvimento de tal sistema cyber-físico permite feedback constante entre as condições reais de produção e a geração digital de códigos de controle do robô. Isso representa não apenas um desenvolvimento importante no contexto deste projeto, mas também oferece novas oportunidades para os processos de construção robóticos adaptativos.
O caráter prototípico do processo de fabricação exigiu o desenvolvimento personalizado de uma ferramenta de robô que permitisse a colocação de fibras de carbono baseada em dados de sensores integrados. O desenvolvimento técnico desta ferramenta tornou-se parte integrante do processo de concepção da arquitetura. Este processo também impôs desafios especiais para o sistema de material. ETFE foi identificado como um material adequado para a moldagem pneumática e como envelope integrado do edifício, uma vez que é um material de fachada durável e as suas propriedades mecânicas minimizam a deformação plástica durante a colocação da fibra.
Um grande nível de integração funcional é atingido através da utilização da película de ETFE como molde pneumático e envelope do edifício. Isso economiza o consumo de material em técnicas de moldagem convencionais, bem como evita uma instalação adicional de fachada. Um adesivo composto forneceu uma ligação adequada entre a película de ETFE e as fibras de carbono.
Durante a produção, nove mechas de fibras de carbono pré-impregnadas são colocadas em paralelo. Quarenta e cinco quilômetros de mecha de carbono foram lançadas a uma velocidade média de 0,6m/min em 5 km do percurso do robô. Este processo aditivo não apenas permite a colocação do material composto de fibra orientada pelas tensões, mas também minimiza o desperdício da construção associado a processos de construção tipicamente subtrativos. O Pavilhão de Pesquisa ICD / ITKE 2014-15 cobre uma área de cerca de 40m² e um volume interno de cerca de 130m³ com uma extensão de 7,5m e uma altura de 4,1m. O peso total da construção é de apenas 260kg, o que corresponde a um peso de 6,5kg/m².
O Pavilhão de Pesquisa ICD / ITKE 2014-15 serve como um demonstrador de técnicas avançadas de design computacional, simulação e fabricação e mostra o potencial inovador da pesquisa e ensino interdisciplinares. O edifício protótipo articula o personagem anisotrópico do material composto de fibra como uma qualidade arquitetônica e reflete os processos subjacentes em uma nova textura e estrutura. O resultado não é apenas uma construção que particularmente usa os materiais efetivamente, mas também uma demonstração de uma arquitetura inovadora e expressiva.
Nota: Este artigo foi originalmente publicado em Julho 15, 2016
