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シュトゥットガルト大学のキャンパスに設置された〈ITECHリサーチパビリオン2024(ITECH Research Pavilion 2024)〉は、木材と天然繊維を組み合わせることで、木材だけに依存しない自然素材ハイブリッド構造を提案するパビリオンです。
シュトゥットガルト大学のコンピュテーショナルデザイン・建設研究所(ICD)と建築構造デザイン研究所(ITKE)による、これまでに開発した一連のパビリオンを基にしたプロジェクトです。
注目ポイント
- 「持続可能な建築材料の多様化」と「資源の最適活用と廃棄物削減」
- 木材の枯渇や供給不安定化を考慮した、成長が早く環境負荷が低い繊維植物の活用
- 木材の圧縮強度と天然繊維の引張能力を活かした設計・製造アプローチ
- コンピュテーショナルデザインとロボティック・ファブリケーションを活用
- デュアル・ロボティック・ファブリケーション により、繊維の均一な巻き付けを実現
- 細い木材が繊維を固定する仮設フレームとしてだけでなく、構造の一部として機能
- 機械的接合を最小化し、取り外しや再利用を考慮したジョイント
(以下、ICDから提供されたプレスキットのテキストの抄訳)
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〈ITECHリサーチパビリオン2024〉は、木材と天然繊維を組み合わせた構造システムを特徴とする、バイオベースのハイブリッド建築への革新的なアプローチを紹介しており、両素材の補完的な特性から生まれる建築上の可能性を探求している。
木材のもつ圧縮強度と形状の柔軟性は、天然繊維の引張能力と汎用性と戦略的に統合することで、軽量かつ高性能なハイブリッド構造の設計と製造における新たな方向性を可能にしている。
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このプロジェクトには、各素材の固有の特性を最大限に活用するため、新しいコンピュテーショナルデザイン手法とマルチ・ロボティック・ファブリケーションプロセスの共同設計を採用している。
木材と繊維のハイブリッドアプローチは、素材的なイノベーションの限界を押し広げるだけでなく、建設における建設にプラスの影響を与える実践への再生可能な道筋も提供する。
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この研究は、シュトゥットガルト大学のコンピュテーショナルデザイン・建設研究所(ICD)と建築構造デザイン研究所(ITKE)がこれまでに開発した一連のパビリオンを基にしている。
〈ITECHリサーチパビリオン2024〉は、シュトゥットガルト大学の卓越研究クラスター「IntCDC(Integrative Computational Design and Construction for Architecture)」のITECH修士課程の学生と研究者が設計・製作したプロジェクトである。
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環境危機と資源枯渇という状況の中、建築家は自身のデザインが環境に与える影響を軽減するだけでなく、自然環境の回復と改善を助けるための、より包括的なアプローチを目指さなければならない。
合成素材やエネルギー集約型の製造から、再生可能な資源やより効率的な製造方法への移行は不可欠である。一方で、この移行は生物多様性への潜在的な悪影響や生態系のバランスを崩すことを防ぐため、単一の天然素材への依存を避けるべきである。
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木材は長年にわたり基本的な建築資材であり、近年では、その優れた炭素貯蔵能力と建築によるCO2排出量を削減する役割から、業界で再び脚光を浴びている。
特にヨーロッパの建築業界では木材の需要が高まっており、地元での木材供給量を大幅に増やす必要があるが、一方で気候変動、世界的な気温上昇、害虫の蔓延などの要因により、近年では木材生産が不安定化している。
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天然素材の入手可能性や成長期間の長さのばらつきを考慮すると、建築におけるバイオベースの素材システムの多様化が必要であることは明らかである。
針葉樹が産業利用に適したサイズに育つには30年から60年を要するのに対し、繊維植物はわずか120日ほどで大量に栽培することができる。その成長サイクルの速さと土地の有効利用という点から、繊維植物はバイオ素材をベースとした建築文化のさらなる発展に有望な素材であると言える。
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繊維ポリマー複合材(FPC)における研究では、合成繊維を使用した高性能かつ軽量な構造物の製造能力が実証されている。また近年では、天然繊維ポリマー複合材(NFPC)が耐荷重構造を形成する可能性も示されている。
亜麻繊維は、中央ヨーロッパで採取され、他の天然繊維よりも環境への影響が少なく、機械的特性に優れている。このプロジェクトでは亜麻繊維ポリマー複合材を木材と組み合わせることで、これらの素材をハイブリッドシステムに統合する利点を示し、天然資源の利用の多様化を目指している。
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石油由来のポリマーに代わるより環境にやさしい素材を模索する中で、このプロジェクトでは、この規模では初めて部分的にバイオベースの樹脂を使用した。
適切なマトリックスシステムの広範な調査の結果、バイオベースの材料を56%含むエポキシ樹脂が選ばれた。このステップは、建築規模で完全なバイオベースの天然繊維ポリマー複合材を構築するための前進を意味する。
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ハイブリッドシステムは、ITECH修士課程プログラムで実施された、木材と天然繊維ポリマー複合材の組み合わせから生じる形態的な可能性に関する研究の成果である。両方の素材を統合し、その形状、製造、構造上の潜在能力を大規模な建築要素材の設計に活用するシステムコンセプトの開発を目指している。
このプロジェクトでは、空間的な外皮を創り出す屋根の要素として木材の体積特性が利用されている。木材は加工が容易であるため、パネルの縁を切削して繊維との接続部として利用することができる。
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従来のコアレスフィラメントワインディング成形では、仮設の鉄骨フレームに取り付けられたアンカーの周りに繊維が巻き付けられるが、このプロジェクトでは木材がフレームの機能を果たしている。また、木材は一時的に使用されるだけでなく、構造の不可欠な一部として残る。
これにより製造工程では木材が繊維を支え、硬化後は両素材が組み合わさって構造の空間的安定性を確保するのである。この革新的なアプローチにより、木材の役割は従来の構造機能を超えて拡大し、プレファブリケーションの効率性が高まり、生産廃棄物が削減される。
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構造的には、このシステムは木材の圧縮強度と繊維の引張強度を組み合わせ、システム全体の材料分布と幾何学的配置を決定する。
木材と繊維の最終的な空間構成は、力の分布を明確にし、2つの材料の絶え間ない相互作用を示している。これにより、構造性能を最適化し、両材料の潜在能力を最大限に引き出す相乗効果が生まれる。
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このシステムは、柱と屋根板という2つの構成要素に分かれて展開されており、構造が垂直方向にも水平方向にも拡張できるようになっている。
柱では、木材の支柱群を放射状に配置して形成され、木材は圧縮ロッドとして、繊維は引張ケーブルおよび外部ブレースとして機能し、構造的な冗長性と安定性を確保している。
屋根板は、木製プレートの下に固定した木材の支柱群と、繊維のコードとメッシュを組み合わせて構成されている。このシステムにより、木製プレートと支柱が主に圧縮力を受け、繊維コードは引張力を受けるため、構造の効率性と耐荷重性が最大限に高まっている。
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接続部は、取り外し可能なジョイントや埋め込みジョイントにより機械的な接合を削減し、各コンポーネント間の分解が容易になるよう設計されている。
木製プレートはクロスねじ込み式のラップジョイントで接続され、繊維の端部はボルトジョイントにより現場で接続された。
個々のコンポーネントでは、木材支柱の端に加工された溝を組み合わせるフィンガージョイントにより、繊維と木材の接続を最適化している。このアプローチにより、正確な接続が可能になると同時に、コンポーネントの再利用性も確保される。
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統合的な共同設計プロセスにより、開発されたコンセプトを反復的なデジタルワークフローに統合する。
この設計プロセスでは、初期の全体的な形状決定プロセスから導き出された幾何学と、詳細な繊維構成、接続部の設計、ロボティック・ファブリケーションの要件、組み立て順序を組み合わせている。
その結果、デジタル設計プロセスにより各素材の構造、製造、設計の潜在能力を最大限に活用し、複雑かつ高性能な建築を実現する、最適化された計画、製造、建設プロセス用の製造ファイルを作成することが可能になる。
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この10年間で、コアレスフィラメントワインディングの研究は大幅に進歩しており、軽量繊維構造の製造方法として高い堅牢性と柔軟性を発揮することが実証されている。このような構造の空間設計は、マルチロボットプロセスを使用することで拡大でき、幾何学、複雑性、繊維の相互作用の面で新たな可能性が生まれる。
これまでのプロジェクトでは、ロボティック・ファブリケーションの適用範囲の拡大や、鉄骨フレームの対向面のサポートなど、さまざまな目的で共同ロボットシステムが研究されてきた。
このプロジェクトではマルチロボットによる共同作業により、埋め込みフレームとして木材を使用するという課題に取り組んだ。
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柱の要素において、細い木材の支柱を繊維のフレームとして使用しているが、張力が不均一にかかると繊維が破断する可能性がある。この課題を克服するため、2台のロボットによる巻き付けセットアップを採用し、両方のロボットが同時に同じ支柱の反対側を巻き付けるようにした。
この戦略は、すべての支柱の両側に巻き付けが完了し、繊維によって均一に固定されるまでの初期の巻き付け層で主に使用されている。このプロジェクトは、実物大の構造物を製造する際に並列フィラメント巻き付けセットアップを初めて使用した事例である。
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この連携製造セットアップは、2つの産業用ロボットアームで構成されており、そのうちの1つは直線軸に沿って移動し、もう1つは静止した状態を保つ。双方のロボットの動作は、構造を支える外部軸と同期しており、2つの巻き取りがシンクロして行われるよう調整されている。
ロボットの経路計画を最適化するために、特殊な素材とそれらの接続を考慮した特別な方法が開発された。
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天井の各要素の形状が単純であることと、支柱がパネルの片側のみに固定されていることから、5つの天井の各要素の製造には単一のロボットシステムが使用された。
製造はすべて、シュトゥットガルトのヴァンゲンにあるICDのコンピューテーショナル・コンストラクション・ラボ(CCL)で行われた。各柱要素の巻き上げ工程は約14時間、天井要素は平均8時間を要した。巻き上げ工程の後、各部材は特注の焼き戻し炉で硬化された。
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〈ITECHリサーチパビリオン2024〉は、バイオベースのハイブリッド・システムの建築における可能性を実証するために開発された。このパビリオンは、天然繊維ポリマー複合材と木材の特性を活かした、非常に高性能で再生可能なハイブリッド・システムを実現している。
パビリオンの全体的なデザインは3本脚のキャノピーで構成されており、耐荷重能力は自重の1.5倍に耐えるように設計されており、風荷重も1.5倍となっており、浮揚力と水平力の双方を考慮している。
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最終的な形状は、木材の最適な木目方向と必要なスパンを考慮して決定された。その結果、3つの柱、2つの2方向スパン、3つの1方向スパンの屋根板となった。
これらのコンポーネントは、ハイブリッドシステムの断面全体に効果的に力を伝達し、造工程の制限に従い、雨水排水を促進するために最大10度の角度で交差する。
製造後、CCLラボでパビリオンの実物大の試験組み立てが行われ、構造を上下逆さまにして製造公差が確認された。このプロセスにより、現場に輸送する前に取り外し可能なファイバー・ステッチを巻き付けることも可能となった。
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パビリオンは大学キャンパスの庭園に設置されており、面積は45m²、重量は966kg、主梁は5mと7.5mとなっている。亜麻繊維を合計41.5km、42mmの厚さの3層針葉樹材プレートを1.75m³、広葉樹材の支柱を0.096m³使用した。
組み立て作業では、部材を持ち上げるためにミニ・スパイダー・クレーンを使用し、垂直方向の作業範囲を確保するために伸縮式の足場が用いられた。主要構造は2日間で組み立てられ、屋根の防水シートと基礎の完成にはさらに1週間を要した。
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このパビリオンのユニークなハイブリッド・システムは、素材の複雑な相互作用を展開している。このシステムは、空間における両素材の戦略的な配置によって実現した、繊維構造のための拡張された幾何学的空間を探求している。
それは従来の形状や構造の概念を覆し、斬新でありながらも確かな素材と建築の体験をもたらす。
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研究のデモンストレーターとして、このパビリオンは、木材の強度と天然繊維を統合した構造システムという、新しいバイオマテリアル文化への一歩を象徴している。
この研究では、2つの素材の補完的な特性を活用することで、持続可能な建築ソリューションの実現と、バイオベースのハイブリッド建築のデザインの可能性の拡大を目指している。
以下、ICDのリリース(英文)です。
ITECH Research Pavilion 2024
Stuttgart, GermanyThe ITECH Research Pavilion 2024 presents an innovative approach to bio-based hybrid architecture, featuring a first-of-its-kind system that combines timber and natural fibres. The novel process explores the architectural possibilities that arise from the complementary characteristics of both materials. In this context, timber’s compressive strength and shape flexibility are strategically integrated with natural fibres’ tensile abilities and versatility, enabling new directions in the design and fabrication of lightweight and performative hybrid structures. The project introduces the co-design of new computational design methods and multi-robot fabrication processes tailored to leverage the inherent characteristics of each material. The proposed timber-fibre hybrid approach not only pushes the boundaries of material innovation but also offers a regenerative pathway towards climate-positive practices in construction. The research builds upon a series of successful pavilions developed at the Institute for Computational Design and Construction (ICD) and the Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE) at the University of Stuttgart. The project was designed and fabricated by students and researchers from the ITECH master’s program at the Cluster of Excellence “Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC)” at the University of Stuttgart.
Regenerative Timber-Fibre Hybrid
In the context of environmental crisis and resource depletion, architects must not only strive to mitigate the impacts of their designs but also aim for more holistic approaches that help restore and improve the natural environment. Transitioning from synthetic materials and energy-intensive manufacturing to renewable resources and more efficient fabrication methods is essential. However, this transition should avoid dependence on a single natural material to prevent potential harm to biodiversity and disruption of ecological balance.
Timber has been a fundamental construction material for centuries and has recently resurged in the industry due to its exceptional carbon storage potential and its role in reducing the carbon footprint of building construction. The increasing demand for timber, particularly in the European construction sector, requires a substantial increase in local wood harvests, while factors such as climate change, rising global temperatures, and pest infestations have adversely destabilised timber production in recent years. The growth speed and inherent variability in the supply of naturally grown materials underscores the need for a diversified use of biomaterial systems within the building industry. While typical softwood requires 30-60 years to reach a harvestable cross-section suitable for industrial use, fibre crops can be grown in significant quantities within approximately 120 days. Fibre crops’ rapid growth cycle and land efficiency position them as strong candidates to support a broad biomaterial building culture.
Research on fibre-polymer composites (FPC) has successfully demonstrated its ability to form highly performative, lightweight structures with synthetic fibres. In recent years, research has also shown the potential of natural-fibre polymer composites (NFPC) to form load-bearing structures. Flax fibres, locally sourced in central Europe, exhibit a lower environmental impact and superior mechanical properties to other natural fibres. By combining flax fibre-polymer composite with timber, this project showcases the benefits of integrating these materials into a hybrid system, aiming to diversify the use of natural resources.
In an effort to identify more environmentally friendly substitutes for petroleum-based polymers, a partially bio-based resin was employed for the first time in a project of this scale. An epoxy resin containing 56% bio-based material was chosen after an extensive investigation of suitable matrix systems. This step represents progress towards building on an architectural scale with a fully bio-based NFPC.Co-design of a Performative Hybrid System
The hybrid system is a result of an in-depth investigation conducted in the ITECH Master program of the morphological possibilities arising from the combination of timber and NFPC. The system concept integrates both materials, considering their formal, fabrication, and structural opportunities to form large-scale building elements.
Timber’s volumetric nature is explored as roof plates, providing enclosure, while their easy workability enables the milling of the plate’s edges to become an interface with the fibres. In the traditional coreless filament winding process, the fibres are placed around mechanical anchors fixed on a temporary structure, known as a frame, generally made of steel. In this case, the timber itself replaces the temporary steel frame, becoming an embedded frame for the fibres. During the fabrication process, the timber supports the fibres, and once they are cured, both materials work together, becoming mutually supportive and essential in maintaining the structure’s spatial integrity. This approach extends the timber’s functionality beyond its traditional structural role, improves off-site fabrication efficiency, and minimises manufacturing waste.
Structurally, timber’s capacity to deal with compression is paired with fibre’s tensile strength, informing the material allocation and the geometrical arrangement throughout the system. The final spatial arrangement between timber and fibre illustrates the distribution of forces in a constant interplay of material interdependence and collaboration.
The developed system unfolds as two component types: columns and roof plates, enabling the structure to expand vertically and horizontally. The columns are formed by placing groups of timber struts in a radial spatial arrangement, where timber acts as compression rods and fibres as tension cables and external bracing, ensuring structural redundancy and stability. The roof plates are composed of a set of timber struts fixed under a timber plate, a fibre cord, and a fibre mesh. The system allows the timber plate and struts to be primarily under compression and the bottom fibre cord under tension.
Connections are designed to facilitate disassembly between components, enabled by detachable joints and the reduction of mechanical connections through embedded joints. Cross-screwed lap joints connect the timber plates, while fibre stitches enable on-site connections between fibre edges through bolted joints. Within each component, embedded connections at the end of the struts and on the finger joints facilitate the interface between fibre and timber.
The integrated co-design process synthesises the developed concepts into an iterative digital workflow. This workflow incorporates the geometry resulting from an initial global form-finding process with detailed fibre syntax, connection design, and considerations from robotic fabrication constraints and assembly logic. Ultimately, the digital workflow generates fabrication files from a streamlined design-to-assembly process, leveraging the individual materials’ structural, fabrication, and construction potentials to create a complex, high-performance morphology.Dual Robotic Fabrication
Over the past decade, research on Coreless Filament Winding (CFW) has progressed significantly, demonstrating a high degree of robustness and flexibility as a fabrication method for lightweight fibre structures. The design space of such structures can be expanded by multi-robot CFW setups, which offer new opportunities in geometry, complexity, and fibre interaction. Previous projects have explored collaborative robotic setups for various purposes, including extending the robotic fabrication envelope and supporting opposing sides of a steel frame.
This project employs a multi-robot collaboration to address the challenge of using timber as an embedded frame. Specifically in the columns, slender timber struts are used as a frame for the fibres, which could break if tension is applied unevenly. A dual robot winding setup is employed to tackle this challenge, ensuring that both robots wind simultaneously on opposite sides of the same strut. This strategy is primarily used for the initial layers until all struts are wound on both sides and secured evenly by the fibres. This project represents the first use of a parallel winding setup to fabricate a full-scale structure.
The collaborative setup includes two industrial robotic arms, one on a linear track and the other stationary. The motions of both robots were coordinated with the external axis supporting the structure, allowing dual winding to occur synchronously, resembling a choreographed performance. Specialised tools were developed to optimise the path planning considering the specific types of material interface. Due to the simpler geometry of the roof plate components and the fact that struts were fixed on one side of the plates, a single robotic winding setup was used for the fabrication of all five roof plates. The entire production occurred at ICD’s Computational Construction Lab (CCL) in Wangen, Stuttgart. Each column required approximately 14 hours to be wound, while the plates took an average of 8 hours each. Following each winding session, the components were cured in a customised oven.Integrative Hybrid Demonstrator
The ITECH Pavilion 2024 was developed to demonstrate the potential of bio-based hybrid systems in architecture. It leverages the qualities of natural fibre composites and timber to create a highly performative and regenerative hybrid system.
The pavilion’s global design consists of a three-legged canopy expanding single and multi-way spans through a highly dematerialised structure. The structural capacity is engineered to withstand 1.5 times its self-weight, in conjunction with 1.5 times the wind load, accounting for both uplift and horizontal forces. The final geometry was discretised, considering timber’s optimal grain directions and the desired spans. This resulted in three column components, two two-way spanning, and three one-way spanning roof plates. These components effectively transfer forces through the cross-section of the hybrid system, adhere to the fabrication setup limitations, and converge at a maximum angle of ten degrees to facilitate rainwater drainage. After fabrication, a full-scale test assembly of the pavilion was conducted upside-down in the CCL lab to assess fabrication tolerances. This process also allowed for the winding of the detachable fibre stitches before shipping them to the site.
The pavilion is located at the University Campus’ Stadtgarten, covering an area of 45 square meters and weighing 966 kg. The main spans cover 5 and 7.5 meters. A total of 41.5 km of flax fibre rovings, 1.75 m³ of 42mm thick 3-layer softwood timber plates, and 0.096 m³ of hardwood struts were used. The assembly process used a mini spider crane to lift the components and a telescopic platform to support vertical construction reachability. The main structure was assembled in two days, with an additional week to complete the roof membrane and foundation.
Within a familiar architectural typology, the pavilion’s unique hybrid system unfolds as an intricate interplay of materials. The final system explores an expanded geometric space for fibre structures, made possible by the strategic arrangement of both materials in space. It defies conventional ideas of form and structure, resulting in a novel yet grounded material and architectural experience. As a research demonstrator, the pavilion represents a step toward a new biomaterial culture that integrates the strength of timber with natural fibres into a cohesive structural system. By leveraging the complementary properties of these two materials, the research aims to address sustainable construction solutions and expand the design possibilities of bio-based hybrids in architecture.Project Team
ITECH Pavilion 2024, Stuttgart, GermanyInstitute for Computational Design and Construction – ICD
Rebeca Duque Estrada, Fabian Kannenberg, Prof. Achim MengesInstitute of Building Structures and Structural Design – ITKE
Tzu-Ying Chen, Yanan Guo, Prof. Dr.-Ing. Jan KnippersConcept & System Development:
ITECH Class 2024: Kalaivanan Amudhan, Hamed Behmanesh, Clara Blum, Yağmur Bulut, Cornelius Carl, Paula Castel, Minghui Chen, Luisa Claus, Matthias Hornung, Che Chen Hu, Mohammad Mahdi Jafari, Simon Joller, Donghwi Kang, Arindam Katoch, Niki Kentroti, Rabih Koussa, Otto Lindstam, Luiza Longo, Samuel Losi, Laura Marsillo, Gonzalo Muñoz Guerrero, Kumaraguru Rangaraj Venkatachalam, Markus Renner, Seyedehgelareh Sanei, Jonathan Schill, Zahra Shakeri, Shirin Shevidi, Ceren Tüfek, Aysima Yavuz, Ali Zolfaghari.Robotic Fabrication:
ITECH Class 2024: Kalaivanan Amudhan, Hamed Behmanesh, Clara Blum, Yağmur Bulut, Cornelius Carl, Paula Castel, Luisa Claus, Che Chen Hu, Mohammad Mahdi Jafari, Simon Joller, Donghwi Kang, Niki Kentroti, Otto Lindstam, Luiza Longo, Samuel Losi, Laura Marsillo, Gonzalo Muñoz Guerrero, Kumaraguru Rangaraj Venkatachalam, Zahra Shakeri, Shirin Shevidi, Ceren Tüfek, Aysima Yavuz, Ali Zolfaghari.With support of:
Philip Duncan, Sven Hänzka, Harrison Hildebrandt, Renan Prandini, Michael Preisack, Michael Schneider, Katja Rinderspacher & Christoph Zechmeister
Student assistance: YuLun Chiu, Kai-Jie Kwang & Nicolas PousaSupported by:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), ARRTSM, Safilin, University of Stuttgart, Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture – IntCDC
シュトゥットガルト大学 ICD 公式サイト
https://www.icd.uni-stuttgart.de/projects/itech-research-pavilion-2024/