La salle d’exposition Landesgartenschau est un prototype architectural et une vitrine des développements actuels en matière de conception informatique et de fabrication robotique pour la construction légère en bois. Financé par l’Union européenne et le Land de Bade-Wurtemberg, ce bâtiment est le premier dont la structure principale est entièrement constituée de plaques de contreplaqué de hêtre préfabriquées par des robots. La nouvelle construction en bois n’offre pas seulement des possibilités architecturales innovantes, elle est également très efficace en termes de ressources, la structure des plaques porteuses ayant une épaisseur de 50 mm seulement. Cela a été rendu possible grâce à l’intégration des méthodes de conception, de simulation, de fabrication et d’arpentage par ordinateur.

Le hall d’exposition Landesgartenschau a été conçu à l’université de Stuttgart dans le cadre du projet de recherche « Robotique dans la construction en bois » et réalisé en collaboration avec Müllerblaustein Holzbau GmbH, Landesgartenschau Schwäbisch Gmünd 2014 GmbH, l’administration forestière du Bade-Wurtemberg (ForstBW) et KUKA Robotics GmbH. Le projet démontre les nouvelles possibilités qui découlent de l’intégration de méthodes de conception, de simulation et de fabrication informatiques pour des constructions performantes et économes en ressources, réalisées à partir du bois, ressource renouvelable et disponible localement. Le bâtiment présente un système de construction innovant de plaques de bois légères fabriquées par des robots, en contreplaqué de hêtre. Ce système a été mis au point à l’Institute for Computational Design (ICD, Prof. Achim Menges), à l’Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE, Prof.

Jan Knippers) et de l’Institut d’ingénierie géodésique (IIGS, Prof. Volker Schwieger) et réalisé en collaboration avec Müllerblaustein Holzbau GmbH. Le bâtiment fait partie de la Landesgartenschau bisannuelle, où il accueille une exposition de ForstBW. Le projet a été partiellement financé par le Fonds européen de développement régional (FEDER) et « Forst und Holz » Baden- Württemberg ainsi que par les partenaires du projet.

Le bois est l’un des plus anciens matériaux de construction connus de l’humanité. Mais l’avènement de nouveaux procédés de fabrication robotisés, associés à des méthodes informatiques de conception, de simulation et d’arpentage, offre des possibilités de conception et des champs d’application entièrement nouveaux. Ils constituent la base de constructions particulièrement performantes et efficaces réalisées à partir du bois, ressource renouvelable et disponible localement. Les cinq aspects principaux suivants soulignent le caractère innovant du projet :

Conception légère biomimétique : Par rapport aux constructions artificielles, les constructions biologiques naturelles présentent un degré de différenciation morphologique nettement plus élevé. Cette différenciation de la forme et de la structure est un aspect clé de leur performance et de l’efficacité des ressources, permettant d’obtenir « moins de matière » grâce à « plus de matière ». Pour cette raison, les principes de la morphologie constructive peuvent souvent être transférés dans la conception d’applications techniques, notamment l’architecture et la construction. Dans le contexte du hall d’exposition de la Landesgartenschau, les coquilles en plaques naturelles sont particulièrement intéressantes, car elles constituent un système de construction performant composé d’éléments individuels. Le squelette des oursins est un système modulaire de ce type, composé de plaques de carbonate de calcium reliées par des saillies microscopiques qui s’emboîtent le long des bords des plaques et qui sont très similaires aux articulations des doigts fabriquées par l’homme.

Conception et simulation par ordinateur : Le développement de la structure complexe des plaques du hall d’exposition est rendu possible grâce à des méthodes avancées de conception et de simulation par ordinateur. Celles-ci permettent de générer, de simuler et d’optimiser les principes de construction biomimétique en architecture. L’outil de conception informatique développé dans le cadre de ce projet de recherche offre la possibilité d’inclure les caractéristiques des matériaux et les paramètres de fabrication dans le processus de conception. Plutôt que de dessiner chaque plaque manuellement, l’espace de conception de la plaque est incorporé dans un processus de simulation et d’optimisation pour la recherche automatique de formes, qui inclut les paramètres et les contraintes de la fabrication robotique.

la fabrication robotique : L’accent est mis sur la chaîne numérique cohérente, de la génération de la géométrie à l’analyse structurelle et à la fabrication numérique. Cela comprend la fabrication robotisée des 243 plaques de contreplaqué de hêtre géométriquement différenciées pour la structure primaire, ainsi que la préfabrication numérique de l’isolation, de l’étanchéité et du revêtement. L’un des défis et des innovations les plus importants est la fabrication robotisée des 7 600 joints à entures multiples qui, grâce à leur connexion par emboîtement, sont la principale raison de la stabilité structurelle du bâtiment. Toujours visibles à l’intérieur du bâtiment, les jointures ressemblent aux connexions microscopiques du dollar de sable et ne peuvent être produites efficacement qu’avec une configuration de fabrication robotique à sept axes. La flexibilité cinématique du robot industriel est une condition essentielle pour la production de géométries aussi complexes et individuelles. Par conséquent, le fait qu’à l’instar du squelette de la plaque du dollar des sables, toutes les plaques de contreplaqué soient géométriquement uniques ne pose aucune difficulté supplémentaire. La préfabrication des éléments de la coque en plaques n’a nécessité que 3 semaines.

Méthodes d’arpentage avancées : Par rapport aux méthodes de préfabrication conventionnelles, la technique de fabrication développée permet une précision bien supérieure. L’assurance de la qualité de toutes les plaques fabriquées individuellement représente donc un défi de taille et nécessite un laser de poursuite capable de balayer dans une plage submillimétrique. En outre, le bâtiment fini sera scanné à plusieurs reprises en trois dimensions afin d’analyser le comportement à long terme de la structure. À ce stade, il était déjà possible de conclure que l’écart quadratique moyen dans le plan de la plaque de contreplaqué, qui est une mesure de la précision de fabrication, n’est que de 0,86 mm. Par rapport aux tolérances de la construction en bois conventionnelle, il s’agit d’une valeur exceptionnellement faible, surtout si l’on considère que la structure en plaques construit à la fois une coque et une surface intérieure finie. En fin de compte, cette précision est une condition nécessaire pour des géométries d’assemblage performantes dans la construction en bois.

Une construction en bois innovante : Le hall d’exposition de la Landesgartenschau est le premier bâtiment dont la structure primaire est constituée de plaques de contreplaqué de hêtre fabriquées par des robots. À l’instar de l’intégration fonctionnelle de nombreux systèmes biologiques, le système de plaques forme à la fois la structure et l’enveloppe du bâtiment. Les charges structurelles qui se produisent autour des bords de la plaque sont transférées efficacement par les joints à entures multiples fabriqués par des robots. Ce nouveau type de construction en bois permet au bâtiment d’être constitué de plaques de contreplaqué de seulement 50 mm d’épaisseur. L’utilisation du hêtre disponible localement est non seulement conforme aux futures stratégies de sylviculture en Europe centrale, mais elle est également particulièrement adaptée aux constructions légères en bois en raison des excellentes caractéristiques mécaniques du matériau.

Avec une enveloppe de 245 m2 et des dimensions d’environ 17 x, 11 x 6 m (56 x 36 x 20 ft), le bâtiment offre une surface au sol de 125 m2 (1560 sq ft) et un volume brut de 605 m3. La structure porteuse très mince n’a nécessité que 12 m3 de contreplaqué de hêtre. De plus, la quasi-totalité des chutes produites pendant la fabrication a été réutilisée comme parquet. Après la fabrication robotisée de la structure primaire et la préfabrication numérique de toutes les autres couches du bâtiment telles que l’isolation, l’étanchéité et le revêtement, le bâtiment a été installé sur le site en seulement quatre semaines.

Le hall d’exposition de la Landesgartenschau est organisé en deux zones spatiales individuelles qui se différencient par la géométrie globale du bâtiment : l’espace d’entrée et l’espace d’exposition principal. Dans les deux zones, la structure des plaques est en forme de dôme et se compose de plaques polygonales convexes. Un espace intermédiaire ou zone de transition est défini par une contraction spatiale en forme de selle où la coque est constituée de plaques polygonales concaves. Les visiteurs entrent dans le bâtiment par la partie inférieure de la coquille et sont guidés à travers le léger rétrécissement de la structure jusqu’à l’espace principal de 6 mètres de haut avec sa grande façade vitrée s’ouvrant sur le paysage environnant. L’intérieur est caractérisé non seulement par sa géométrie globale, mais surtout par les plaques de contreplaqué et leurs assemblages par entures multiples visibles. Le gradient géométrique entre les plaques polygonales convexes et concaves souligne l’arrangement spatial. Les principes de construction dérivés de la différenciation géométrique des systèmes biologiques restent visibles et font partie de l’expérience architecturale.
Le développement, la fabrication et la construction du hall d’exposition de la Landesgartenschau démontrent que la fabrication robotisée, associée à des méthodes de conception, de simulation et d’arpentage informatiques, permet aux architectes, aux ingénieurs en structure et aux fabricants de bois de travailler de manière interdisciplinaire et axée sur les matériaux et la fabrication. Cela conduit non seulement à des constructions en bois économes en ressources, mais aussi à une architecture nouvelle et expressive.

gInformations sur le projet :

• Architectes : ICD/ITKE/IIGS Université de Stuttgart
• Emplacement : Université de Stuttgart, Keplerstraße 7, 70174 Stuttgart, Allemagne
• Équipe de conception : A. Menges, Tobias Schwinn, Oliver David Krieg, J. Knippers, Jian-Min Li, Volker Schwieger, Annette Schmitt, Reinhold Müller, Benjamin Eisele, Alois Buchstab, Frank Zimmermann, Sebastian Schreiber, Frauke Brieger, Karl-Eugen Ebertshäuser, Sabine Rieger
• Année du projet : 2014
• Photographies : James Nebelsick, Roland Halbe
• Nom du projet : Salle d’exposition du Landesgartenschau