Digitalisering: renaissance in de houtbouw en de architect aan de knoppen

Welke recente gebouwen of paviljoens zijn in uw ogen wegwijzend als het gaat om digitaal ontwerpen, engineering en bouwen?   

In de paviljoens van het ICD en het ITKE op de Bundesgartenschau (BUGA) in Heilbronn hebben we flinke stappen gezet, net als in de deUrbachTower. In het houtpaviljoen op de BUGA zit de vooruitgang in de vrije overspanning van dertig meter, die bovendien is gerealiseerd in een systeem met veel verschillend gevormde houten componenten. Ook bijzonder was, dat we bij de assemblage twee tegenover elkaar geplaatste robots hebben laten samenwerken. In de houtbouw is dat innovatief.     

Bij het vezelpaviljoen schuilt de innovatie in de grote overspanning en in de integratie met een EFTE-membraam. Vooruitstrevend is daarnaast het gebruik van staafvormige bouwdelen met een ongehoorde draagkracht. De individuele elementen wegen zestig tot zeventig kilo. Die kunnen over de asrichting lasten dragen van twintig ton. De kracht van de BUGA-paviljoens is bovendien dat we een stap richting bouwpraktijk hebben gezet, door industriepartners aan het project te binden. En beide paviljoens voldoen aan alle Duitse bouwregelgeving. Ook dat is voor ons vakgebied een ferme stap richting de praktijk. 

 Bij de UrbachTower hebben we voor het eerst een techniek toegepast die we hebben ontwikkeld met de ETH Zürich en een Zwitserse houtfirma. De veertien meter hoge toren bestaat uit gekromde bouwdelen die als verticale strepen de huid van de toren vormen. De componenten werden ontworpen en geproduceerd als platte houten elementen die tijdens een standaard industrieel droogproces autonoom transformeerden tot gekromde delen. Die zelfkrommende eigenschap werd digitaal 'aangeleerd'.  

Wat zijn de voordelen van digitaal ontwerpen?  

Er zijn om te beginnen heel veel uiteenlopende digitale methodes om te ontwerpen, te engineeren en te bouwen: generatief modelleren, agentgebaseerd modelleren (ABM), Finite Element Analysis (FEA), genetische algoritmes (GA). CNC is een digitale methode, net als de industriële inzet van robots, mobiele robots, robots die coöpereren met mensen. Het spectrum is breed. In zijn algemeenheid geldt dat ontwerpers die al digitaal werken economisch voordeel ondervinden omdat ze sneller werken én kunnen inspelen op veranderingen tijdens het ontwerpproces. Daarnaast is een integratieve planning mogelijk: ontwerpveranderingen worden onmiddellijk doorgezet in engineering en bouwplanning. Daaruit ontstaan gebouwen die beter presteren als het gaat om grondstoffenreductie en op gebied van energiegebruik.  

Voor architecten geldt bovendien: bij digitaal ontwerpen geeft men niet alleen het eindproduct vorm, het uiteindelijke artefact, maar ook het hele proces dat daaraan voorafgaat. De architect kan zelf werken met het materiaal waarin hij bouwt. De aansturing ligt in zijn handen. Dat betekent: meer controle. De architect zit meer aan de knoppen. Nadeel is dat sommige digitale systemen een steile leercurve vereisen. De beschikbaarheid op de architectenbureaus is soms een probleem. Die kennis druppelt de komende jaren langzaam via opleidingen als de onze de ontwerppraktijk in. Daarnaast ligt er een grens bij dat wat simuleerbaar en geometrisch beschrijfbaar is: digitaal ontwerpen geeft niet automatisch antwoorden op het gebied van esthetiek en Raumgestaltung.  

Wat zijn de belangrijkste vraagstukken binnen uw vakgebied?  

Bij de omgang met grondstoffen speelt digitaal ontwerpen een belangrijke rol. Daarnaast is er het vraagstuk van de exploratie van het ontwerp versus de optimalisering. Hoe kunnen digitale methodes die zoektocht ondersteunen? Bijvoorbeeld met AI, of op het gebied van de productie bij digitaal prefabriceren, bij de assemblage, als het gaat om cyberfysieke systemen, robotica op de bouwplaats en de coöperatie van mens en robot. Op het ICD onderzoeken we de mogelijkheden van digitaal ontwerpen van prefab in hout, de ontwikkeliling van echte digitale bouwsystemen en de mogelijkheden van zelfvormend hout. Daarnaast kijken we hier naar Formfindung en analyse in vezelversterkte polymeren (FRP), de ontwikkeling van FRP bouwsystemen, naar ABM, GA, machine learning en distributedrobotics. 

Bezorgt de digitalisering nieuwe materialen een kans – of oude materialen nieuwe kansen? 

In de houtbouw is sprake van een heuse renaissance als gevolg van digitaal ontwerpen. Niet alleen als het gaat om CO2-reductie en de efficiënte omgang met grondstoffen. De zelfkrommende platen uit de Urbachtoren werden als vlakke vormen gesneden – dat bespaart materiaal en afval. Digitale methodes hebben hier echt relevantie – alleen al in de aansturing van de machines die op de timmerfabriek gebruikt worden. Ook bij vezels helpen digitale methodes op gebied van duurzaamheid en herbruikbaarheid, of het nu om carbon gaat of glas, een natuurlijke vezel of een hars. Bij beton wordt eveneens veel onderzoek gedaan naar computergestuurd design. Bijvoorbeeld naar de mogelijkheid om in plafonds en wanden holle delen toe te passen die specifiek worden ontworpen naar de last die ze individueel afdragen – vergelijkbaar met het BUGA-vezelpaviljoen.  

Hans Vermeulen van DUS Architects beweert dat het digitale proces de komende jaren richting personalisering en contextualisering gaat. Mee eens? 

Daar kan ik me alleen maar bij aansluiten. Al zou ik het woord personalisering vervangen door individualisering, omdat het hier ook gaat over de individualiteit van de bouwdelen en het begrip niet alleen betrekking heeft op de eindgebruiker die precies krijgt wat hij vraagt. Contextualisering leidt tot een differentiatie van bouwdeelgeometrieën, een fenomeen dat men ook in de natuur goed kan waarnemen; ook in skeletten en schalen maakt de natuur gebruik van last-adaptief ontwerpen, functioneel en individueel, toegesneden op de specifieke situatie.  

Levert de digitalisering een bijdrage aan actuele vraagstukken in bouw en architectuur?  

Ja. Kijk gewoon maar eens naar de veranderingen die volgens de VN de komende dertig jaar op ons afkomen. De schellen vallen je van de ogen. De rasante verstedelijking en bevolkingsgroei draaien eropuit dat we in 2050 voor 2,6 miljard mensen nieuwe huisvesting, werkplekken en infra moeten realiseren. In Duitsland haalt de traditionele bouw maar de helft van de jaarlijks verlangde 400.000 nieuwe woningen en aanverwante commerciële en publieke gebouwen. De productiviteit van de bouw stagneert al sinds de jaren negentig en er zijn issues op gebied van budget en planning. Wij pakken deze thema's op in een Excellence Cluster "IntegrativeComputational Design and Construction for Architecture". Daarbij onderzoeken we met een interdisciplinair team het potentieel van digitaal ontwerpen, productie en engineering voor deze vraagstukken. Doel: game changing innovaties bereiken in de bouwsector – door langlopend, interdisciplinair onderzoek, met sociologen, kunstwetenschappers, architectuurhistorici, wiskundigen en anderen. Dat is uniek. Wereldwijd wordt momenteel alleen ook aan de ETH Zürich op deze manier onderzoek gedaan.”