“Non cambierai mai le cose combattendo la realtà esistente. Per cambiare qualcosa, costruisci un modello nuovo che renda la realtà obsoleta”. Con queste parole Richard Buckminster Fuller nella prima metà del secolo scorso motivava la sfida alla ricerca di nuove frontiere dell’innovazione per risolvere le questioni sociali, culturali e tecnologiche caratteristiche di una società moderna in forte crescita. Ed è proprio questo pensiero non convenzionale che ha animato i ricercatori dell’ETH di Zurigo, da diversi anni interessati allo sviluppo della fabbricazione digitale in campo edile, verso un approccio pionieristico sfociato nella recente costruzione dell’Arch_Tec_Lab, il nuovo edificio dell’Istituto di Tecnologie dell’Architettura (ITA) del Dipartimento di Architettura all’interno del campus Hönggerberg. In questo progetto, destinato a diventare una pietra miliare per la fabbricazione digitale in architettura, l’integrazione di metodi di produzione robotica, all’avanguardia con le più avanzate tecniche di progettazione computazionale, hanno aperto la porta a nuove opportunità per accelerare i processi di costruzione, contribuendo a risolvere problemi complessi riorganizzandoli sulla base di innovativi modelli strutturali e nuovi linguaggi architettonici. La progettazione e il processo di costruzione sono stati sviluppati contemporaneamente fin dalle prime fasi, tramite una collaborazione multidisciplinare tra le squadre di progettazione che, grazie all’utilizzo di strumenti di fabbricazione digitale, sono state capaci di dare origine a una struttura di elevata complessità geometrica, liberata dai canonici vincoli di standardizzazione e ripetizione. L’Arch_Tec_Lab è strutturato su tre piani fuori terra e serve simultaneamente sia come edificio per uffici, con il primo piano a doppia altezza e il secondo piano distribuito sul perimetro, sia come laboratorio al piano terra, destinato a ospitare il National Centre of Competence for Research (NCCR) in Digital Fabrication dove l’ETH ha il ruolo di università leader, rinforzando la già efficace cooperazione tra l’istituto elvetico e l’industria. L’edificio pone le sue basi su un parcheggio interrato esistente, al ne di impattare il meno possibile sul suolo naturale, mantenendo gli spazi verdi attorno al campus.
La forma regolare del perimetro è pertanto dettata dalla struttura esistente, la quale si contrappone, con un dualismo marcato, alla forma ondulata a doppia curvatura della copertura, elemento caratterizzante dell’edificio, interamente generata tramite progettazione parametrica.
La struttura portante e i principali elementi tecnici sono volutamente lasciati a vista, al ne di garantire una facile lettura tecnologica dell’edificio senza creare vincoli ma, al contrario, sfruttandone le potenzialità come elementi di generazione spaziale. Il relazionarsi con strutture esistenti ha comportato la necessità di ridurre al minimo i carichi permanenti. Per questo motivo, è stata studiata una tecnologia costruttiva leggera capace di garantire una densità media dell’edificio di 240 kg/m3, quasi la metà rispetto a un edificio standard. Tra i materiali costruttivi tradizionali, il legno vanta un ottimo rapporto rigidità massa, rendendolo uno dei materiali più adatti per questo genere di installazioni assieme all’acciaio. Di conseguenza, il legno è stato utilizzato per la struttura della copertura, supportato da uno scheletro principale di acciaio formato da 12 colonne binate privo di pareti divisorie, collegate tra loro da travi Vierendeel. L’obiettivo principale del progetto è quello di utilizzare elementi semplici che possono essere prodotti e assemblati rapidamente con minimo sforzo all’interno di un processo sequenziale completamente automatizzato, basato su tecniche robotizzate che permettono di generare forme complesse con elementi standard. Questo modello di generazione tridimensionale ha richiesto lo sviluppo di un software personalizzato specifico e un’automazione computazionale con algoritmi personalizzati per la gestione di dati complessi e dei dettagli delle connessioni. Uno sforzo considerevole è stato fatto per ridurre il consumo di energia primaria, grazie all’adozione di tecnologie climatiche a “zero emissioni”, derivanti da ricerche condotte negli ultimi anni all’interno dell’ETH, che hanno portato a uno sfruttamento del 30% in più degli spazi di lavoro grazie all’ottimizzazione dei volumi tecnici per la distribuzione impiantistica.
LA FABBRICA DIGITALE DELLA COPERTURA SEQUENZIALE DEL LEGNO
Con una superficie totale di 2.300 m2, la struttura a forma libera della copertura conta circa 50.000 elementi di legno di pino Classe C24 di 50 mm di spessore, progettati con modelli di fabbricazione digitale e assemblati con sistema di automazione robotizzato. La superficie apparentemente continua e ondulata è quindi costituita da 168 tralicci preassemblati, 120 con archi regolari di 14,7 m di lunghezza e 48 di 2 m, tutti con una larghezza di 1,15 m. Ogni traliccio è costituito da 23 strati di listelli di legno, impilati insieme in maniera alternata. La logica di stratificazione scaturisce dalla forma di base di trave reticolare composta da briglie parallele ed elementi diagonali di collegamento. Perché le briglie siano continue, le lamelle superiori e inferiori sono disposte in pacchetti a catena a tre strati, in contrapposizione agli elementi diagonali che possono essere alloggiati in singoli strati. Questa configurazione tipologica presenta una grande flessibilità, consentendo un’ampia variazione delle forme e delle curvature dei tralicci. All’esterno, essi formano una superficie continua su cui possono essere installati direttamente gli strati protettivi per l’isolamento termico e la tenuta all’aria e all’acqua, senza necessità di elementi secondari che richiederebbero notevoli sforzi per via della doppia curvatura. Al contempo, la struttura risulta abbastanza trasparente per far penetrare la luce naturale attraverso i lucernari integrati nello spessore dei tralicci. Dall’interno, le briglie inferiori creano un soffitto architettonicamente vivace con porosità favorevole all’acustica interna, nonché uno spazio ad alta densità spaziale che consente una perfetta integrazione dei vari sottosistemi impiantistici senza soluzione di continuità. Al fine di garantire un totale controllo delle operazioni di montaggio, i giunti strutturali per la realizzazione dei tralicci sono stati realizzati con un sistema completamente automatizzato. La tecnica più competitiva si è rivelata la connessione meccanica chiodata, che permette di raggiungere elevati valori di duttilità prima del collasso. I chiodi, infatti, sono progettati per deformarsi prima del raggiungimento del limite di rottura elastico del legno, che porterebbe a un collasso fragile senza capacità di ridistribuzione degli sforzi. Tuttavia, l’uso di tali connessioni ha richiesto il superamento di alcuni ostacoli, quali il rischio di fessurazione, tipico dei materiali fibrosi, legato al rispetto delle distanze dai bordi e degli interspazi tra i connettori. Queste distanze dipendono dal diametro del perno, dalla direzione del carico e della direzione della venatura del legno e possono essere interpretate come zone ellittiche di rispetto centrate attorno all’asse del chiodo. Poiché ogni chiodo collega due elementi di legno, occorre non solo evitare di occupare la medesima posizione di quelli disposti nello strato sottostante, ma anche variare l’orientamento dell’ellisse a seconda della direzione della fibratura di entrambi gli strati.
SISTEMA "ZERO EMISSION LOWEX" PER UN'ELEVATA EFFICIENZA ENERGETICA A ZERO EMISSIONI
L’Arch_Tec_Lab, come gli altri edifici del Campus, è collegato alla rete locale di “anergia” (bassa energia), costituita da un circuito termico di distribuzione ad anello collegato a sottostazioni impiantistiche. Il sistema si basa sullo sfruttamento dell’energia termica del suolo. Durante l’estate, il calore in eccesso può essere ceduto agli altri edifici o stoccato nel terreno che, tramite la propria inerzia, viene caricato con l’apporto di 200 sonde geotermiche. Viceversa, nel periodo invernale, il calore immagazzinato viene recuperato per soddisfare il bisogno di riscaldamento dei locali. Un prerequisito fondamentale per questo sistema ad alta efficienza è la riduzione del gradiente termico tra la sorgente e il luogo da alimentare. Ciò è stato ottenuto combinando un sistema di riscaldamento a pavimento, con temperatura di emissione intorno ai 28 °C, con l’impianto geotermico capace di garantire una temperatura costante tutto l’anno intorno ai 22 °C. In estate, la griglia ad anergia può essere utilizzata per il raffrescamento diretto sfruttando come deposito termico la massa di calcestruzzo stoccata negli 80 cm del solaio del parcheggio sottostante. Il ricambio d’aria viene garantito da apposite unità di ventilazione decentralizzate su ciascun lato dell’edificio. L’aria viene aspirata attraverso la facciata e trattata, prima di essere convogliata nel pavimento tramite un’apposita cavità e immessa nelle aree di lavoro attraverso griglie di ventilazione. Grazie al numero elevato di prese d’aria a pavimento, è possibile mantenere basse velocità di emissione, garantendo un’ottima qualità dell’aria, mentre l’aria calda esausta viene espulsa attraverso l’apertura automatica dei lucernari in copertura.
Scheda progetto
Architectural design: Arch-Tec-Lab AG
Wooden roof design: Gramazio Kohler Architects, Arch-Tec-Lab, Lüchinger + Meyer Bauingenieure, SJB Kempter Fitze, Frauenfeld, ROB Technologies
Client: ETH Zurich Building and Constructions Infrastructure Division
Construction project: 2015 - 2016
Built gross surface: 2.300 m2
Localizzazione: Zurich, Switzerland
Progetto copertura di legno: Gramazio Kohler Architects, Arch-Tec-Lab, Lüchinger + Meyer Bauingenieure, SJB Kempter Fitze, Frauenfeld, ROB Technologies
Fabbricazione robotica: Gramazio Kohler Architects, Güdel, ABB Schweiz, Nikon
Coordinazione BIM: Arch-Tec-Lab
Gestione costi: Takt Baumanagement
Consulenza strutture: Joseph Schwartz, Lüchinger + Meyer Bauingenieure, Andrea Frangi
Progetto impianti meccanici: Hansjürg Leibundgut, Amstein + Walthert
Progetto impianti elettrici: Mosimann & Partner Automazione dell’edificio/
Building automation: Jobst Willers Engineering
Progetto facciate: Emmer Pfenninger Partner
Fisica tecnica: Jan Charmeliet, Bakus Bauphysik und Akustik
Acustica: Empa Abteilung Akustik, Bakus Bauphysik und Akustik
Committente: ETH Zurich Building and Constructions Infrastructure Division
Anno di progettazione: 2010
Imprese: Arch-Tec-Lab, ERNE AG Holzbau, SJB Kempter Fitze
Photos: Andrea Diglas, Gramazio Kohler Research