El Pabellón Híbrido de Lino demuestra la aplicación de un innovador sistema de construcción híbrido de madera y fibra natural como alternativa a las técnicas de construcción convencionales. Desarrollado por el clúster de excelencia «Integrative Computational Design and Construction for Architecture» (IntCDC) de la Universidad de Stuttgart, el pabellón se diseñó como espacio central de exposición para la muestra hortícola Landesgartenschau 2024, a orillas del río Argen, en Wangen im Allgäu (Alemania).
El sistema híbrido combina madera contralaminada (CLT) y fibra de lino enrollada robóticamente para crear un edificio eficiente en el uso de los recursos, fabricado con materiales regionales y de origen biológico. Además, el diseño del pabellón tiene una clara conexión local: el lino se procesaba originalmente en una hilandería histórica al oeste de la ciudad de Wangen (la hilandería ha sido renovada como parte del Landesgartenschau).
Primera estructura híbrida que combina CLT y fibra de lino
El Pabellón Híbrido de Lino, un espacio de exposición permanente, consta de una estructura de cubierta ondulada y una fachada circular de vidrio que ofrece vistas en todas direcciones. En el núcleo del pabellón, un jardín climático sirve de patio interior y facilita la ventilación cruzada y la refrigeración. El forjado del edificio, activado geotérmicamente, está hecho de hormigón reciclado y cemento bajo en carbono, lo que garantiza el confort interior durante todo el año.
La cubierta tridimensional es sin duda el elemento más destacado del pabellón. Fabricada con filamentos de lino sin alma, es la primera estructura híbrida que combina placas de madera laminada con cuerpos de fibra natural. La forma ondulada de la cubierta está formada por veinte componentes híbridos que se alternan con placas de madera normales, cubriendo un espacio de exposición de 380 metros cuadrados. «El objetivo de este novedoso sistema de construcción híbrido es lograr un espacio expansivo sin columnas y reducir al mínimo el uso de materiales, aprovechando así la sinergia entre la madera y los compuestos de fibras naturales», afirma IntCDC.
IntCDC ha desarrollado un sistema que sigue los principios de la construcción circular, garantizando que los materiales puedan separarse, clasificarse, reutilizarse y/o reciclarse.
El uso de métodos computacionales integradores (algoritmos informáticos y simulaciones) en el diseño del pabellón garantiza la perfecta asimilación de la información de especialistas de diversas disciplinas, contribuyendo así a conectar la investigación y la industria. «Este planteamiento abarca no sólo el diseño de los componentes híbridos de fibra y madera, sino que también considera las interfaces con elementos de construcción convencionales como la fachada y el tejado, teniendo en cuenta sus requisitos geométricos y constructivos interconectados», afirma IntCDC. Un planteamiento de diseño flexible e iterativo permitió realizar ajustes en cada fase: el diseño, la fabricación y la construcción del pabellón se completaron en sólo doce meses. «En el espíritu de la transferencia de conocimientos bidireccional entre la investigación de vanguardia y las empresas de construcción, el edificio también muestra cómo la arquitectura altamente innovadora puede ser construida por pequeñas empresas regionales y artesanos cualificados», añade IntCDC. Con un diseño computacional integrador y una prefabricación precisa, el techo del pabellón se montó in situ en ocho días.
Un sistema de construcción híbrido que utiliza fibras naturales
El híbrido de fibra de lino y madera maximiza las cualidades especializadas de ambos materiales, creando componentes de construcción ligeros, prácticos y óptimos. «El objetivo de los componentes híbridos es conseguir una estructura tipo viga simplemente apoyada con una altura estructural variable», explica IntCDC. "El cuerpo de fibra forma una superficie inferior que soporta principalmente cargas de tracción, mientras que el panel de madera gestiona las fuerzas de compresión y constituye la superficie para el cerramiento del tejado. Juntos proporcionan la resistencia y rigidez necesarias para soportar las elevadas cargas de nieve en las estribaciones de los Alpes."
El diseño del cuerpo de fibra comprende una serie de capas de fibra de lino natural enrolladas secuencialmente. IntCDC lo explica: "La capa primaria de espina dorsal se alinea con la dirección de la viga, actuando como cordón inferior en el centro del vano. La capa de abanico dispersa gradualmente las cargas hacia los soportes de los bordes, mientras que las capas de celosía visualmente dominantes crean una malla de fibra uniforme para lograr la integridad estructural requerida. Dos capas adicionales de refuerzo en las esquinas mejoran la interacción de las fibras y proporcionan un refuerzo adicional en zonas estructuralmente críticas."
Los componentes híbridos de fibra y madera cubren una luz de 8,6 metros entre soportes lineales. Las placas CLT de 120 milímetros de grosor conforman la estructura primaria y crean el aspecto ondulado de la cubierta. Los cuerpos de fibra de lino se fijan con tornillos debajo de cada segunda placa CLT, formando así los componentes híbridos.
Tendiendo puentes entre la investigación y la industria
En el desarrollo y la producción de los elementos de fibra se utilizó un proceso de bobinado de filamentos sin núcleo. El bobinado de filamentos sin núcleo se describe como «un método de fabricación que se basa en las propiedades mecánicas anisotrópicas de las fibras de dispersión libre enrolladas alrededor de soportes en el espacio para crear estructuras de soporte de carga eficientes sin necesidad de moldes ni matrices» (Bodea, 2023).La estructura de enrollado se diseña junto con el elemento de fibra: «El cuerpo de fibra final del elemento surge en el proceso de bobinado como el estado de equilibrio de todos los segmentos de fibra que interactúan», afirma IntCDC. Su forma geométrica única utiliza curvaturas superficiales positivas empleando áreas de curvatura gaussiana positiva y negativa.
Aquí, «el armazón de bobinado incluye una “espina dorsal” que permite la curvatura positiva del componente en su dirección longitudinal, así como la curvatura negativa, la profundidad estructural y el radio de curvatura en su sección transversal, todo ello proporcionando la estructura necesaria para que el armazón sea autoportante», explica IntCDC.
Las pruebas sobre la geometría, los patrones de fibra y los procesos de fabricación se llevaron a cabo en la Universidad de Stuttgart utilizando un brazo robótico de 6 ejes con un efector final personalizado (algo parecido a dotar al robot de una mano y dedos). Una vez completado, el diseño final se transfirió a un socio industrial para su producción en serie utilizando una máquina industrial de bobinado de filamentos de 5 ejes. «La planificación de la fabricación se integró directamente en el proceso de diseño computacional, agilizando el flujo de trabajo de diseño a fabricación y tendiendo un puente entre la investigación y la industria», afirma IntCDC.
El Profesor Achim Menges, Director del Cluster de Excelencia IntCDC, afirma: «El Pabellón Híbrido de Lino es el resultado de muchos años de investigación y demuestra cómo los materiales de base biológica y las estructuras bioinspiradas pueden abrir nuevas vías a la arquitectura regenerativa y expresiva.»
Project partners
Cluster of Excellence IntCDC – Integrative Computational Design and Construction for Architecture, University of Stuttgart
Institute for Computational Design and Construction (ICD): Prof. Achim Menges, Rebeca Duque Estrada, Monika Göbel, Harrison Hildebrandt, Fabian Kannenberg, Christoph Schlopschnat, and Christoph Zechmeister
Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE): Prof. Dr. Jan Knippers, Tzu-Ying Chen, Gregor Neubauer, Marta Gil Pérez, and Valentin Wagner
With support of: Daniel Bozo, Minghui Chen, Peter Ehvert, Alan Eskildsen, Alice Fleury, Sebastian Hügle, Niki Kentroti, Timo König, Laura Marsillo, Pascal Mindermann, Ivana Trifunovic, and Weiqi Xie
Landesgartenschau Wangen im Allgäu 2024 GmbH
Stadt Wangen im Allgäu
HA-CO Carbon GmbH: Siegbert Pachner, Dr. Oliver Fischer, and Danny Hummel
STERK abbundzentrum GmbH: Klaus Sterk, Franz Zodel, and Simon Sterk
FoWaTec GmbH: Sebastian Forster
Biedenkapp Stahlbau GmbH: Stefan Weidle, Markus Reischmann, and Frank Jahr
Harald Klein Erdbewegungen GmbH
Referencia:
Bodea, S. (2023) Upscaled, robotic coreless filament winding methods for lightweight building elements for architecture, OPUS: Universität Stuttgart. Disponible en:
http://dx.doi.org/10.18419/opus-13450 (Accessed: 29 May 2024).
