Bauen im Großformat: Das Arch_Tec_Lab als Testumgebung für roboterbasierte Fabrikation in der Architektur

Von Zach Mortice
- 11. Okt 2016 - 6 min-LEKTÜRE
Das Robotic Fabrication Laboratory des Arch_Tec_Lab in Zürich. Mit freundlicher Genehmigung von Andrea Diglas/ITA/Arch_Tec_Lab

Seit über 50 Jahren versprechen uns Wissenschaftler, Führungskräfte und sogar Filmproduzenten, dass Roboter unsere Zukunft sind – und zwar in allen Bereichen. Diese Prophezeiungen scheinen sich insbesondere in den Branchen Architektur, Ingenieur- und Bauwesen zu bewahrheiten. Wenn es allerdings um die roboterbasierte Fabrikation in der Architektur geht, sind die Forscher des Arch_Tec_Lab in Zürich der Konkurrenz weit voraus.

Die neue Einrichtung an der ETH Zürich (kurz für Eidgenössische Technische Hochschule Zürich), die im vergangenen Monat eröffnet wurde, beherbergt unter anderem das Robotic Fabrication Laboratory (RFL). Der Schwerpunkt der Forschungsplattform liegt zwar auf Architektur, doch bei den Endprodukten und Prototypen, die aus der gewaltigen Fertigungshalle rollen werden, sind weit mehr als nur maßstabsgetreue Anlagen und Bauten für den Architekturbereich.

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Nordwestansicht des Arch_Tec_Lab mit Robotic Fabrication Laboratory. Mit freundlicher Genehmigung von Andrea Diglas/ITA/Arch_Tec_Lab.

Wie das? Ganz einfach: Das Arch_Tec_Lab spezialisiert sich auf die Realisation von roboterbasierten Fertigungsprozessen, mit denen die Forschungseinrichtung zu einer Geburtsstätte für neue Konzepte in der Architektur werden könnte – und entwickelt auch die dafür erforderlichen Bauweisen und Bautechnologien.

Im selben Gebäude befindet sich außerdem das Institut für Technologie in der Architektur (ITA) und der schweizerische Nationale Forschungsschwerpunkt (NFS) Digitale Fabrikation, eine nationale Forschungsinitiative mit Beteiligung von Professoren und Forschenden des ITA sowie von Experten aus anderen Instituten und Universitäten der gesamten Schweiz.

Der NFS Digitale Fabrikation wurde mit der Aufgabe betraut, in den Bereichen Berechnung, Montagesysteme und Materialien – mit dem Schwerpunkt automatisierte digitale Fertigung – zu forschen und dadurch Architektur und Konstruktion zu innovieren.

Das RFL befindet sich im ersten Stock des Arch_Tec_Lab und setzt in der Architekturforschung völlig neue Maßstäbe. Mit einer Fläche von knapp 46 x 17 Metern und einer Höhe (6 Meter), die auch die Montage mehrgeschossiger Bauten erlaubt, ist es im Grunde genommen eine riesige Testumgebung für roboterbasierte Fertigungsverfahren.

„Im Umfeld von Architektur und Bauwesen ist dies die weltweit fortschrittlichste und größte Halle“, so Russell Loveridge, Geschäftsführer des NFS Digitale Fabrikation.

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Das Portalsystem mit Industrierobotern im Robotic Fabrication Laboratory.
Mit freundlicher Genehmigung von Andrea Diglas/ITA/Arch_Tec_Lab.

Im RFL hängen vier Knickarmroboter von der Decke, die an zwei unabhängigen Portalen installiert sind, wodurch die gesamte Werkhalle für großmaßstäbliche Experimente genutzt werden kann. Der Bewegungsradius der deckenmontierten Roboter reicht von der Hallendecke bis zum Boden; sie können Konstruktionselemente platzieren und befestigen, Baumaterialien handhaben oder fertige Prototypen vermessen. Vergleichbare Robotersysteme dieser Größenordnung werden ansonsten nur in der Raumfahrt und im Schiffbau eingesetzt.

In die Werkhalle führen vier Tore, die sogar für Transportfahrzeuge groß genug sind – die einzige Obergrenze für die Größe von Projekten stellen also die Abmessungen des Gebäudes dar. „Beim Betreten der Werkhalle fühlt man sich wie in einer vollkommen leeren Werkstatt“: So beschreibt es Matthias Kohler, Professor für Architektur und Digitale Fabrikation an der ETH Zürich und Leiter des NFS Digitale Fabrikation. „Was man im Lab tun möchte, wird in keiner Weise durch die Räumlichkeit beeinflusst.“

Kohler bezeichnet das RFL als „Zukunftsfabrik“. Im diametralen Gegensatz zum Ideal der fordistischen Fließbandfertigung, wie sie im 20. Jahrhundert vorherrschte, verspricht diese Einrichtung unendliche Möglichkeiten maßgeschneiderter Lösungen und absoluten Gestaltungsspielraum in der Fabrikation. Dank der Robotik-Anlage mit ihren 40 Rotationsachsen können Bauelemente, Materialien und Werkzeuge überall im Raum aufgenommen und platziert werden. Durch die Zusammenarbeit zwischen koordinierten Robotern wird die Fabrikation zu einem vollständig dreidimensionalen Prozess, bei dem Elemente in komplexen Matrizen montiert werden können, statt sie gemäß einem 2D-Pfad zu „schichten“.

Zu den Forschungsinitiativen im Lab wird z. B. das Projekt Rock Print Jamming von Gramazio Kohler Research (in Zusammenarbeit mit Skylar Tibbits vom MIT) gehören. Weitere künftige Projekte sollen erforschen, wie komplexe Betonstrukturen sich ohne den Einsatz von Schalungen herstellen lassen, wodurch Kostensenkungen erzielt und Bauabfälle vermieden würden. Darüber hinaus forscht Matthias Kohler daran, kleinteilige Holzelemente mittels roboterbasierter Fabrikation zu größeren Strukturelementen zu montieren – ein Projekt, das am Gebäude des Arch_Tec_Lab selbst bereits in die Praxis umgesetzt wurde.

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Matthias Kohler (links) und Fabio Gramazio, über ihnen das digital projektierte und von Robotern gefertigte Dach des Arch_Tec_Lab. Mit freundlicher Genehmigung von Gramazio Kohler Research.

Beim Entwurf der Dachkonstruktion, die selbstverständlich auch in roboterbasierter Fabrikation entstanden ist, erlaubten sich Kohler und sein Geschäftspartner Fabio Gramazio eine gekonnte Anspielung auf das übergeordnete Ziel des RFL: 48.000 Holzelemente wurden von einer automatischen Kreissäge ausgesägt und von einer eigens dafür gebauten Robotik-Anlage zu einem ungleichmäßig wellenförmigen Dach montiert. Aufgrund des minimalistischen, an das Bauhaus angelehnten Stils des Arch_Tec_Lab-Gebäudes bilden die Holzbinder von Gramazio und Kohler das eindrucksvollste Gestaltungselement des Bauwerks. Sie haben den Namen „Das sequentielle Dach“ erhalten und verbinden die umweltfreundliche Kohlenstoffabsorption des Naturmaterials Holz mit innovativen Fertigungsverfahren.

Das Universum der digitalen Fabrikation in der Architektur spaltet sich im Wesentlichen in zwei Lager: Industrieroboter und 3D-Drucker. Der NFS Digitale Fabrikation möchte Verfahren finden, bei denen sich diese Technologien ergänzen, statt miteinander in Konkurrenz zu stehen.

„Beide Wege haben ihre Einschränkungen und ihre potentiellen Vorteile“, so Kohler. „Die Grenzlinie zwischen ihnen verschwimmt langsam.“ So installieren Planer z. B. 3D-Drucker auf Roboterarmen, die als Portalsystem gestaltet sind. In Anbetracht der Größe und der Flexibilität des RFL bietet es sich als perfekter Ort an, um neue Möglichkeiten der Verbindung unterschiedlicher Technologien zu finden.

Obwohl das RFL bei großen Hardware-Anwendungen augenscheinlich den größten Wettbewerbsvorteil bieten kann, wird das Team des Labs auch zur Steuerungssoftware und den Programmen forschen, die den großen Anlagen Leben einhauchen.

Einen Anwendungsbereich für diese Art der Forschung sieht Kohler in der Entwicklung intuitiverer Steuerungssysteme, um die Anwendererfahrung und die Motivation der Nutzer zum Programmieren von Robotern zu verbessern. Andere Forschungsbereiche befassen sich mit der Integration des industriellen Internets der Dinge: Hochmoderne Sensortechnik vermisst räumliche, chemische und sogar taktile Eingangsgrößen wie z. B. in Manipulatoren, mittels derer Roboter unterschiedliche Baumaterialien erfassen und in Echtzeit darauf reagieren können.

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Das Arch_Tec_Lab-Gebäude mit dem sequentiellen Dach. Mit freundlicher Genehmigung von Andrea Diglas/ITA/Arch_Tec_Lab.

Ein Projekt, das sich gerade in der Entwicklungsphase befindet, versetzt Roboter in die Lage, gefundene und unregelmäßig geformte Objekte zu scannen, um daraus dann Strukturen mit vorgegebenen Formen zu berechnen und zu bauen. Bei diesen „Findlingen“ könnte es sich um Gestein, Bauschutt oder Geröll handeln, „dessen Form man erst kennt, wenn man sie eigenhändig ertastet hat“, erläutert Kohler.

Seit Jahrzehnten werden Industrieroboter eingesetzt, um aus winzigen Komponenten Computerchips oder Autos zusammenzusetzen. Nun können uns die großformatigen Experimente im RFL durch die Entstehung größerer und komplexerer Gebäude aus maßgefertigten Elementen eine ganz neue Ebene der Reife und Komplexität in der Architektur erschließen.

Wie Kohler und Loveridge verraten, ist es für sie unglaublich spannend, im Lab so groß bauen zu können. Im nächsten Jahr werden sie diese enorme Möglichkeit nutzen und ein mehrgeschossiges Gebäude errichten – ein neues Wohnmodul für das NEST-Gebäude der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa).

„Unser Ziel ist es, in roboterbasierter Fabrikation ein Modul mit der Größe eines normalen Zweigeschossers zu bauen“, so Loveridge. „Roboter dieser Größenordnung sind bislang nicht für die Architekturforschung genutzt worden, wir verfügen also plötzlich über ganz neue Möglichkeiten bei Größe, Maßstab, der Komplexität der synchronen Interaktion mehrerer Roboter und der Interaktion von Mensch und Maschine.“

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