Ko-Entwurf eines Hybridtragwerks aus Naturfaser und Holz unter Verwendung von dual-robotischem, kernlosem Fadenwickeln

Mehr bauen mit weniger

Mit dem Wachstum der Städte benötigen wir weitaus mehr Gebäude – doch die heutige Bauweise verbraucht enorme Mengen Energie und Rohstoffe. Dieser Beitrag untersucht einen alternativen Weg: die Kombination von Holz und pflanzenbasierten Fasern zu einer neuen Art von Leichtbaukonstruktion, gefertigt mit Robotern, die darauf abzielt, weniger Ressourcen zu verwenden und trotzdem stabil und langlebig zu sein. Die Forschenden prüfen diese Idee, indem sie ein großmaßstäbliches Außenpavillon entwerfen und errichten, das zeigt, wie intelligentes Design und digitale Fertigung Architektur sowohl ressourcenschonender als auch visuell eindrucksvoll machen können.

Warum ein Umdenken bei Materialien wichtig ist

Beton, Stahl und herkömmliche Kunststoffe sind für einen großen Anteil der globalen CO2‑Emissionen verantwortlich. Holz wird häufig als umweltfreundlichere Alternative angeführt, weil Bäume beim Wachsen Kohlenstoff speichern. Wären aber die meisten Neubauten ausschließlich aus Holz, bräuchten wir deutlich mehr Forstplantagen, was Befürchtungen hinsichtlich Abholzung, Schädlingsbefall und Biodiversitätsverlust weckt. Gleichzeitig wächst das Interesse an Naturfasern wie Flachs, die in einer Vegetationsperiode wachsen und in der Verarbeitung weniger Energie benötigen als Metalle oder synthetische Fasern. Die Autorinnen und Autoren argumentieren, dass man sich nicht einseitig auf ein Material verlassen sollte, sondern mehrere erneuerbare Stoffe kombinieren sollte, sodass jedes dort eingesetzt wird, wo es seine Stärken ausspielt.

Eine neue Art von Hybridkonstruktion

Das Team entwickelt ein Tragwerk, das Holzplatten und -streben mit Bündeln aus Flachsfasern verbindet, die in ein teilweise biobasiertes Harz eingebettet sind. In diesem System übernimmt das Holz die Druck- und Schubkräfte, während das Fasergefüge Zug- und Dehnkräfte bewältigt. Ungewöhnlich ist, dass das Holz dabei eine Doppelrolle einnimmt: Statt nur als Tragwerk zu dienen, ersetzt es auch die sonst temporär eingesetzten Stahlformen, die üblicherweise zur Herstellung von Faserverbunden nötig sind. Die Fasern werden direkt um präzise gefräste Rillen und Taschen im Holz gewickelt, und nachdem das Harz ausgehärtet ist, bleiben Holz und Fasern als ein zusammenhängendes, wechselseitig abhängiges System verbunden. Dieser Ansatz reduziert Abfall und verwandelt einstiges Wegwerfwerkzeug in einen Teil des fertigen Gebäudes.

Roboter weben ein hölzernes Dach

Für die Fertigung des Pavillons greifen die Forschenden auf eine weiterentwickelte Variante der kernlosen Fadenwicklung zurück. Statt Fasern auf eine feste Form zu legen, werden sie zwischen Ankerpunkten gespannt, und die endgültige Form entsteht aus der Spannung der Stränge. Hier arbeiten zwei Industrieroboter synchron um einen gemeinsamen Holzrahmen. Jeder Roboter führt sein eigenes Flachsbündel durch ein Harzbad, und sie wickeln synchron von gegenüberliegenden Seiten der schlanken Holzstreben, sodass die Zugkräfte ausgeglichen bleiben und das Holz nicht rissig wird. Ein detaillierter digitaler Workflow verknüpft globale Formfindung, strukturelle Simulation, Gelenkgestaltung und Roboterpfadplanung, sodass Geometrie, Festigkeit und Herstellbarkeit sich gegenseitig beeinflussen.

Ein Pavillon als Prüfstand

Das Ergebnis ist ein Dach, das von drei Hybridpfeilern und fünf Dachelementen getragen wird und auf einem temporären Fundament in einem Campuspark aufgestellt ist. Schlanke Holzplatten von nur 42 Millimetern Dicke überspannen dank des verstärkenden Fasergeflechts darunter Spannweiten von bis zu 7,5 Metern. Strukturuntersuchungen zeigen, dass das Hybridsystem die Steifigkeit einer deutlich dickeren massiven Holzplatte erreichen kann, während das Gesamtgewicht der Tragstruktur nahezu halbiert wird. In den Säulen arbeiten einige Fasern in Zugrichtung wie Seile, während andere gemeinsam mit den Holzstreben Drucklasten teilen und so einen komplexen, aber effizienten Lastpfad erzeugen. Die Autorinnen und Autoren planen außerdem reversible Verbindungen zwischen den Bauteilen und entwickeln "Faserstiche", die benachbarte Faserkörper miteinander verbinden und es ermöglichen, den Pavillon vor Ort zusammenzubauen und später wieder auseinanderzunehmen.

Strukturen auseinandernehmen, nicht nur aufbauen

Nach der Nutzung wird der Pavillon sorgfältig demontiert, um zu prüfen, wie leicht Materialien rückgewonnen werden können. Mitarbeitende trennen die begrenzten Kontaktzonen, an denen Fasern auf Holz treffen, schneiden diese auf, entfernen Schrauben und separieren Platten, Streben und Fasergewebe. Die Holzteile werden in anderen Projekten wiederverwendet, während die Flachs‑Verbundreste für Versuche mit biobasierten Füllstoffen wie Myzel weiterverwendet werden. Das zeigt, dass die faser‑holz Verbindungen zwar dauerhaft erscheinen mögen, das System aber dennoch Demontage und zirkuläre Materialnutzung unterstützt. Die Studie macht auch die verbleibenden Hürden deutlich: Das Harz ist nur teilweise biobasiert, der Dual‑Robotik‑Prozess ist komplex, und das Feinabstimmen von Toleranzen und Wickelpfaden bleibt anspruchsvoll.

Was das für zukünftige Gebäude bedeutet

Vereinfacht gesagt zeigt der Pavillon, dass wir leichte, starke und ausdrucksstarke Bauwerke errichten können, indem verschiedene natürliche Materialien die Lasten teilen, statt auf eine einzelne, hochbelastbare Option zu setzen. Durch das Umwickeln von Holz mit Flachsfasern mittels koordinierter Roboter verbraucht das System insgesamt weniger Material, reduziert das Strukturgewicht und eröffnet neue architektonische Formen. Zwar sind weitere Forschungen zur Langzeitbeständigkeit, zum Brandschutz und zu vollständig erneuerbaren Harzen erforderlich, doch dieser hybride Ansatz weist in Richtung Gebäude, die waldschonender sind, weniger CO2 ausstoßen und sich leichter demontieren und wiederverwenden lassen. Er deutet auf eine Zukunft hin, in der Architektur weniger wie ein permanentes Objekt und mehr wie ein sorgsam montiertes – und wieder montierbares – Ökosystem erneuerbarer Bauteile funktioniert.

Zitation: Duque Estrada, R., Kannenberg, F., Chen, TY. et al. Co-design of a natural fiber-timber hybrid structural system using dual-robot coreless filament winding. Sci Rep 16, 8154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40584-6

Schlüsselwörter: biobasierte Architektur, hybride Holzbaukonstruktionen, Naturfaserverbunde, robotische Fertigung, leichtbau Pavillondesign