ll LivMatS Biomimetic Shell, realizzato nel 2023 presso il Centro Fit per i materiali interattivi e le tecnologie bioispirate di Friburgo, in collaborazione con gli istituti Icd e Itke dell’Università di Stoccarda, si configura come esempio emblematico di soluzione adattiva e biomimetica sia per le caratteristiche morfologiche che per quelle funzionali.
Lo studio delle strategie adattive della natura, l’utilizzo di materiali naturali e intelligenti, la progettazione mediante tecniche computazionali e la produzione additiva, insieme alla prefabbricazione robotica diventano strumenti fondamentali per un cambio di paradigma nature-inspired.
Morfologicamente, il guscio biomimetico LivMatS assume la forma di due conchiglie, di altezze differenti, nella cui intersezione si sviluppa un ampio lucernario al cui interno è disposto un interessante sistema di schermatura adattiva biomimetica autoattivante stampata in 4D, capace di regolare autonomamente la radiazione solare incidente. Il guscio è caratterizzato da una struttura in legno segmentato che copre una superficie di 200 m2 e una luce di 16 metri, con soli 27 kg/m3 di peso, composto da 127 cassette cave, diverse per dimensioni e forme poligonali, collegate tra loro mediante giunti a viti incrociate.
Per ridurre al minimo il consumo di materiale e il peso della struttura, ogni cassetta di legno è costituita da due piastre di abete rosso, ciascuna di tre strati, separate e unite da un cordolo di travi di bordo, che formano una cassa cava poligonale.
Le travi di bordo creano uno spessore significativo alle estremità di ciascun elemento poligonale, garantendo un’elevata rigidità a flessione. L’intera struttura è completata da un sistema a Led per l’illuminazione interna e da diversi strati funzionali, tra cui isolante acustico, barriera al vapore, lamina in Epdm e un rivestimento all’estradosso in triplo strato in larice.
Elementi di schermatura adattivi
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Digitalizzazione del progetto e del cantiere
Data la diversità morfologica e dimensionale dei singoli elementi poligonali che costituiscono il guscio biomimetico, non è stato possibile utilizzare una tecnica di progettazione e costruzione consolidata, ma è stato necessario un approccio di co-design basato su tecniche innovative come la progettazione computazionale e l’assemblaggio robotizzato.
Infatti, la produzione simultanea di 4 poligoni a cassetta è avvenuta mediante una piattaforma robotizzata a 7 assi, lunga 12 metri. L’assemblaggio, invece, attraverso una gru robotizzata che preleva i componenti con una pinza e li regge fino al posizionamento e al fissaggio, tramite una piattaforma a ragno dotata di un attuatore a vite, mediante viti a giunti incrociati.
La prefabbricazione robotica favorisce un assemblaggio automatico dei diversi segmenti in legno, che, come un grande puzzle tridimensionale, si incastrano tra loro con un livello di precisione sub-millimetrico. Tali metodi migliorano la precisione, riducono gli sprechi e ottimizzano l’utilizzo dei materiali.
Vista esterna del livMatS Biomimetic Shell
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Ispirazione biomimetica
Il collegamento dei vari elementi poligonali segue le caratteristiche anatomico-morfologiche dello scheletro piatto del riccio di mare, studiato da diversi anni dai centri Icd e Itke dell’Università di Stoccarda, per la realizzazione di pioneristici esempi di padiglioni biomimetici.
Microscopicamente, lo scheletro piatto del riccio di mare è caratterizzato da un sistema modulare e differenziato di lastre in carbonato di calcio collegate tra loro, lungo i bordi, mediante incastri microscopici. Se, fino ad ora, il biomimetismo è emerso per le sue caratteristiche morfologico-strutturali e per la riduzione dei consumi di materiale, proprio come avviene in natura, il progetto del LivMats Shell costituisce anche un esempio di biomimetismo dinamico funzionale e adattivo.
Il concetto di adattività in edilizia, in particolare di involucri edilizi adattivi al clima, è abbastanza recente ed è utilizzato per indicare la capacità dei componenti dell’involucro di modificare le proprie caratteristiche e performance, al variare delle condizioni ambientali esterne, secondo dei tempi di risposta per fornire specifiche funzioni correlate al benessere degli occupanti.
Produzione additiva e dinamismo adattivo
Nell’intercapedine del lucernaio, individuato dalle differenze di altezze dei due gusci che definiscono la morfologia del padiglione, è posizionato un sistema di schermatura adattivo e biomimetico denominato “Solar Gate”, composto da 424 elementi dinamici ombreggianti, stampato in 4D mediante le più recenti tecniche di produzione additiva.
L’obiettivo principale è, infatti, proprio quello di schermare dall’eccessiva radiazione solare quando necessario: limitare il calore in ingresso nella stagione estiva e favorire i guadagni termici nella stagione invernale.
Il Solar Gate, si basa sul principio biomimetico dell’apertura e chiusura della pigna, una ricerca sviluppata da diversi anni dalle Università di Stoccarda e Friburgo. Tale soluzione favorisce la regolazione automatica del clima all’interno del padiglione, sfruttando le caratteristiche della struttura anisotropa dei materiali igroscopici a base biologica, prodotti tramite un processo di produzione additiva 4D, che implica la curvatura di ciascun elemento in maniera autonoma, regolandosi e adattandosi alle variazioni dei cicli stagionali e giornalieri, e quindi rispondendo passivamente, senza utilizzo di energia aggiuntiva, agli stimoli esterni.
La stampa 4D dona un valore aggiunto rispetto ai materiali stampati in 3D caratterizzati da forme statiche. Questa tecnica conferisce al materiale il dinamismo adattivo favorendo la modifica della forma, del colore, o del movimento del materiale, sotto trigger esterni, con intervalli temporali definiti. La stampa 4D favorisce dunque, lo sviluppo di materiali intelligenti, in grado di rispondere e adattarsi passivamente agli stimoli esterni, quali luce, temperature o acqua, senza utilizzo di energia aggiunta.
Prefabbricazione robotica
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Circolarità e riduzione dell’impatto ambientale
Le sfide ambientali contemporanee implicano la necessità di azioni di adattamento e mitigazione per orientare la progettazione e la riqualificazione dell’ambiente costruito nella direzione della sostenibilità e della neutralità climatica.
Integrando principi biomimetici e tecniche di costruzione avanzate, la progettazione e realizzazione del LivMatS Biomimetic Shell ha evidenziato riduzioni significative del consumo di materiale e, di conseguenza, dell’impronta di carbonio.
L’analisi del ciclo di vita indica una diminuzione del 50% nel consumo di materiale e un potenziale di riscaldamento globale inferiore del 63% ri- spetto alle tradizionali costruzioni in legno. Queste cifre evidenziano i vantaggi ambientali derivanti dall’adozione di approcci innovativi nella progettazione e costruzione degli edifici.
Anche l’utilizzo di componenti modulari si allinea ai concetti di facile smontaggio per un successivo riutilizzo e riassemblaggio, favorendo l’approccio dell’edilizia circolare, riducendo l’esaurimento delle risorse e la produzione dei rifiuti.
Biomimetismo un paradigma promettente
La natura, da sempre maestra per architetti e ingegneri, continua a suggerire azioni di adattamento da emulare, tramite la disciplina biomimetica che, ispirandosi ai principi funzionali degli organismi naturali, si configura come un nuovo paradigma per indirizzare la progettazione architettonica e tecnologica verso soluzioni che limitano l’impronta di carbonio e capaci di adattarsi passivamente agli stimoli ambientali esterni.
L’adozione di scelte progettuali che imitino alcuni aspetti del mondo biologico è da considerarsi un valido contributo per definire soluzioni architettoniche e strutturali in piena armonia con il contesto circostante, dirigendosi verso un’architettura sostenibile.
L’utilizzo di materiali intelligenti adattivi, realizzati mediante tecniche di produzione additiva, insieme con i processi progettuali computazionali e di prefabbricazione robotica agevolano enormemente le fasi ideative e produttive, rispetto alle tecniche tradizionali, riducono i tempi di realizzazione e minimizzano gli scarti e l’impatto ambientale.
Il padiglione LivMatS costituisce un esempio tangibile di come la biomimetica, attraverso l’imitazione dei processi naturali e l’impiego delle più avanzate tecnologie edilizie, può favorire un cambiamento trasformativo nel settore dell’edilizia, ritenuto responsabile di una elevata aliquota di inquinanti emessi in atmosfera, creando soluzioni poco energivore e a basso impatto ambientale.
Allo stesso tempo, l’approccio biomimetico sottolinea l’importanza della collaborazione interdisciplinare e dell’innovazione nell’affrontare le sfide ambientali contemporanee nell’ambiente costruito.
di Francesco Sommese
LA SCHEDA
- Opera: LivMatS Biomimetic Shell Anno: 2023
- Luogo: Friburgo, Germania Superficie: 200 m3
- Luce: 16 m
- Peso: 27 kg/m3
- Materiale: 127 cassette poligonali; 424 elementi dinamici ombreggianti
- Lca: riduzione del 50% del consumo di materiale rispetto alle costruzioni in legno tradizionali; < 65% rispetto alle costruzioni in legno tradizionali