リブマッツ・バイオミメティック・フラックスファイバーパビリオン公開─持続可能な建築のマイルストーン

完成し一般公開されている「リブマッツ・パビリオン」は、フライブルク大学植物園（ドイツ）にあるバイオミメティック構造物で、従来の建設方法に代わる実行可能で資源効率の良い代替案を提供し、建築における持続可能性への重要な一歩を示しています。さらに、プロジェクトチームによると、ロボット巻き取りフラックスファイバーのみで作られた耐荷重構造を持つ世界初の建物であり、中央ヨーロッパで自然に再生可能、生分解性、地域調達可能な材料です。

自然材料と先進デジタル技術の新たな組み合わせにより実現したこのパビリオンは、シュトゥットガルト大学（ドイツ）の「建築のための統合的計算設計と建設（IntCDC）」卓越クラスターのITECH修士プログラムの建築家・エンジニアチームと、フライブルク大学（ドイツ）の「生きた、適応的でエネルギー自律的な材料システム（livMatS）」卓越クラスターの生物学者チームによる学際的協力の成果です。

チームによると、バイオインスパイアード・パビリオンは、幾何学的、材料的、構造的、生産的、環境的、美的要件を同時に考慮する新しい共同設計プロセスと、自然材料に適用された先進ロボット製造技術が、生態学的かつ表現力豊かな建築を同時に生み出せることを示しています。構造フラックス要素の特徴的で複雑な表面外観は、格子細工の民俗例と生物学的システムの両方を想起させます。

今後5年間、「リブマッツ・パビリオン」はフライブルク大学の屋外講義室として、特に植物園を「自然の中で自然から学ぶ」コンセプトで研究・教育サイトとして利用している人々に活用されます。科学者たちはガイドツアーやワークショップで成果を一般公開します。

 

天然繊維材料、バイオミメティクス

過去2年間、シュトゥットガルト大学の計算設計・建設研究所（ICD）と建築構造・構造設計研究所（ITKE）の建築家・エンジニアチームは、天然繊維を建築材料として使用する可能性を調査し、合成繊維に代わる有望で持続可能な代替案になると信じてきました。リブマッツ・パビリオンで、天然繊維が建物の環境フットプリント削減と建設業界への再生可能材料提供の可能性を秘めているだけでなく、ガラス繊維ロービングと比較可能な機械的特性を持ち、単位重量あたりの剛性が同等ながら、埋蔵エネルギーがはるかに低いことが判明しました。

さらに、この構造物は、生物学の原理（耐荷重システムなど）を自然から建築へ転用する長年の研究協力を継続しています。リブマッツ・パビリオンは、サグアロサボテン（Carnegia gigantea）とウチワサボテン（Opuntia sp.）に着想を得ており、これらは木質構造が特徴です。サグアロサボテンは中空の円筒形木質コアを持ち、特に軽量です。個々の木質要素の相互成長の結果として形成される網目状木質構造を持ち、骨格に追加の安定性を与えます。ウチワサボテンの平らな側枝の組織も、層状に配列し相互接続された網目状木質繊維束で編み込まれています。その結果、ウチワサボテン組織は特に高い耐荷重能力を特徴とします。これらのネットワーク構造を抽象化することで、科学者たちは架橋繊維構造の機械的特性をパビリオンの軽量構造要素に転用しました。

 

統合的設計と製造

このプロジェクトは、繊維建設における10年以上の研究を拡張しています。従来の研究は、ガラス・カーボンファイバーなど合成繊維複合材を先進計算設計・シミュレーション・製造手法と組み合わせた建設利用に焦点を当てていました。リブマッツ・パビリオンは、天然フラックスファイバーを用いた大規模応用を調査し、より持続可能な建設方法へと研究を拡張します。

耐荷重建築要素は、プロジェクトチームが開発したコアレス・フィラメントワインディングプロセスで製造されます。この付加製造（AM）アプローチでは、ロボットが巻き取りフレーム上に繊維束を精密に配置します。これにより、繊維の配向、アライメント、密度を、生物学的着想と同様に、コンポーネントの構造要件に正確に適合させる対象的な較正と建築的明確化が可能になると報告されています。研究者たちによると、事前定義されたコンポーネント形状は、巻き取りフレーム内での繊維間相互作用を通じてのみ出現し、追加の金型やコアが不要になります。さらに、同じモジュラー巻き取りフレームをすべての幾何学的に異なる要素に使用できます。これは従来建築材料と比較した優れた材料効率と高い耐荷重能力につながります。

天然繊維とその生物学的変動性は、特に計算設計・ロボット製造ワークフロー、マシン制御に関して研究者たちに新たな課題を提示しました。これらの共同設計ワークフローは、当初は合成・均質材料向けに開発されましたが、フラックスファイバーの材料特性に適合させる必要がありました。この統合的計算設計モデルの調整により、不均質な材料特性が個々のコンポーネントおよび全体構造の設計・計画に反映されるようになりました。天然繊維の特定機械的特性は、ロボット製造プロセスの再構成も必要としました。

リブマッツ・パビリオンは防水ポリカーボネートスキンで覆われており、風雨避けとなるだけでなく、繊維を直接的な紫外線、雨や雪による湿気から保護します。

 

持続可能な建設のための統合実証機

リブマッツ・パビリオンの耐荷重構造は、連続紡績天然繊維からロボットでプレファブリケートされた15のフラックスファイバーコンポーネントと、構造物頂部の繊維キャップストーン要素で構成されます。要素の全長は4.50〜5.50メートル、平均重量はわずか105kgです。繊維構造全体は約1.5トンで、46平方メートルをカバーします。最終設計はドイツ建築基準法と関連構造許可要件、風荷重・雪荷重を含む荷重組み合わせセットに準拠しています。

計算プロセス、ロボット製造、新材料システムに関する研究開発は、シュトゥットガルト大学のITECH学生とICD/ITKE研究者たちによる学際的チームによって開発され、天然繊維コンポーネントの最初のプロトタイプシリーズ製造で検証されました。生産データはプロジェクトの産業パートナーであるフィブR社（ドイツ・シュトゥットガルト）に渡され、15構造コンポーネントの製造に使用されました。

このプロジェクトは、ICD/ITKEシュトゥットガルト大学の研究者・学生チームによって設計・実現された一連の成功した実験的・高度に革新的な建築実証機を継続するものです。また、フライブルク大学の卓越クラスター「livMatS」とシュトゥットガルト大学の卓越クラスター「IntCDC」のすでに成功している協力をさらに強化します。IntCDCはデジタル技術で設計と建設を再考し、建築環境が直面する生態学的・経済的・社会文化的課題に対処することを目指しています。livMatSのビジョンは、自然と技術を組み合わせて最先端の環境・エネルギー技術を開発することです。その性質上、パビリオンは生物学的・技術的材料の類似点と相違点を強調し、建築だけでなく他の技術分野にもバイオインスピレーションが提供する可能性を示す接点となります。

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科学的開発：

• マルタ・ギル・ペレス、セルバン・ボデア、ニコロ・ダンブロシオ、バス・ロンゲン、クリストフ・ツェヒマイスター
• プロジェクト管理：カトヤ・リンダースパッハー、マルタ・ギル・ペレス、モニカ・ゲーベル

コンセプト開発、システム開発、プロトタイピング：

• 2018-2020：タラール・アムーリ、ヴァネッサ・コスタロンガ・マルチンス、サシャ・ジョセフ・クタハル、イディス・アナヒ・ゴンザレス・サン・マルティン、ヤナン・グオ、ジェームズ・ヘイワード、シルバナ・エレーラ、チョン・ウー・ジャン、ニコラ・クバイル・カラウズディアン、サイモン・ジェイコブ・ルット、エダ・オズデミール、ガブリエル・リハチェク、アンケ・クリスティナ・シュラム、ラサス・ライアン・シリワルデナ、ヴァイア・ツィオコウ、クリスト・ヴァン・デル・ホーフェン、シュウ・チュアン・ヤオ
• 2018-2019：カレン・アンドレア・アントルベザ・パエズ、オカン・バスナク、ギヨーム・コッサリュー、ジェタオ・ドン、クルト・ドラッヘンベルグ、ロクサナ・フィロレラ・ギレン・ウルタド、リドヴァン・カフラマン、ディララ・カラデミル、ラウラ・キーゼベッター、グジェゴシュ・ウォフニッキ、フランチェスコ・ミラノ、ユエ・チー、フーマン・サリャニ、ナシム・セハット、ティム・スターク、ジ・ジエ、ジェイク・タン、イリナ・ヴォイネアグ

ファサード開発：

• ティム・スターク
• サポート：オカン・バスナク、ヤナン・グオ、アクセル・ケルナー
• 学生アシスタンス：マシュー・ジョンソン、ダニエル・ロカテッリ、フランチェスカ・マイスト、マディエ・ハディアン・ラサナニ、ロリン・サミハ、アナンド・シャー、レナ・ストロベル、マックス・ゾルン