Der architektonische Inkubator

Der Name klingt etwas kompliziert: „livMatS Biomimetic Shell @ FIT“. Hinter dieser Bezeichnung verbirgt sich ein Pavillon, der in Holzleichtbauweise an der Technischen Fakultät der Universität Freiburg errichtet wurde. Das Gebäude wurde nach bionischen Prinzipien entworfen und robotisch gebaut. An dem Forschungsbau sind der Exzellenzcluster Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) der Universität Stuttgart und Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg federführend beteiligt.

Neue Ansätze für das Bauen

Mit dem völlig neuartigen Pavillon in Holzleichtbauweise, der Ende Juli 2023 der Öffentlichkeit präsentiert wurde, wollen die Wissenschafter:innen neue Materialien und Bauweisen erforschen und einem Praxistest unterziehen. Doch bei der Planung und Umsetzung des im Norden Freiburgs angesiedelten Gebäudes geht es um mehr als nur um neue Baustoffe und modernes Design.

Mensch und Maschine arbeiten bei der „livMatS Biomimetic Shell“ auf eine ganz neue Weise zusammen. Akteure aus unterschiedlichen Disziplinen kooperieren in einer digital gestützten Prozesskette, die Aufgaben werden zielgerichtet verteilt. Diese Form der Mensch-Maschine-Interaktion ermöglicht eine effektive, digital-handwerkliche Herstellung komplexer Bauteile mit einem hohen Maß an Präzision.

Für Jan Knippers vom Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) liegt der Schlüssel für eine derartige Konstruktion und Arbeitsweise dann auch in der Digitalisierung der Planung und Fertigung.

Planung am Computer, Produktion mit Robotern

Alle Planungen basieren auf computerisierten Methoden, Roboter unterstützten die Menschen bei der Fertigung der Bauteile sowie dem Zusammensetzen der einzelnen Elemente. Die enge Verknüpfung von menschlicher und maschineller Arbeit führt im Vergleich zu konventionellen Holzbauweisen zu einer deutlichen Ressourcenersparnis.

Nachhaltige Materialien und eine effiziente Bauweise sind die obersten Ziele des Gemeinschaftsprojekts der Universitäten Stuttgart und Freiburg. Denn: „Nachhaltigkeit in der Baubranche umzusetzen, ist eine große Herausforderung. Es ist zum Teil schon schwer genug, auf umweltfreundliche Materialien umzustellen“, lassen sich die Ausgangsthesen des Forschungs-Teams zusammenfassen.

Da gerade der Holzbau in den vergangenen zehn Jahren als Ersatz für die CO₂-intensiven Baustoffe Stahl und Beton stark an Bedeutung gewonnen hat, wurde Holz als Basismaterial für das Forschungsprojekt gewählt. Generell sollten bei der Umsetzung der „Biomimetic Shell“ möglichst nachhaltige Holzwerkstoffe verwendet werden.

Hohles Holz

Der fertige Pavillon besteht im Wesentlichen aus 127 Hohlkassetten aus Holz. Jede einzelne von ihnen weist eine individuelle Form und unterschiedliche Maße auf. Eine Vorgabe bestand darin, so wenig Verschnitt wie möglich zu produzieren. Durch den integrativen Einsatz digitaler Technologien konnten die einzelnen Hohlkassetten abgeleitet aus der Gesamtgeometrie entworfen und schließlich in den Werkshallen der beteiligten Holzbaufirma vorgefertigt werden.

Durch die Hohlräume konnte der Materialverbrauch für die Gebäudehülle und deren Gewicht massiv reduziert werden. Allerdings ging diese Material- und Gewichtsreduktion gegenüber dem konventionellen Holzbau nicht zu Lasten der Qualität des Pavillons. Auch die Statik durfte nicht unter der Spar-Konstruktion leiden. Diese Rahmenbedingungen führten schließlich zur schalenförmigen Konstruktion.

In Kombination mit der statisch günstigen Schalenform stehen insbesondere die Hohlkassetten dafür, wie auch im Holzbau neue Ansätze zur Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit umgesetzt werden können. Denn eines der Forschungsziele ist es, den ökologischen Fußabdruck von Bauwerken über den gesamten Lebenszyklus hinweg massiv zu reduzieren.

Weniger Material, mehr Ökologie

Eine detaillierte Lebenszyklusanalyse zeigt dann auch, dass der Materialeinsatz bei dem nunmehrigen Gebäude um mehr als 50 Prozent und das Erderwärmungspotenzial um nahezu 63 Prozent im Vergleich zu einem konventionellen Holzbau reduziert sind. Außerdem ist die gesamte Holzsegmentschalenkonstruktion so konzipiert, dass sie einfach zerlegt werden kann, somit rückbau- und wiederverwendbar ist und auch ihre Bestandteile sortenrein trennbar bleiben.

„Das materialeffiziente Prinzip der Hohlkassette haben wir bereits beim ‚BUGA Holzpavillon 2019‘, den wir bei der Bundesgartenschau in Heilbronn 2019 präsentiert haben, in einem temporären, offenen Bauwerk angewendet“, berichtet Achim Menges, Professor am Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und Sprecher des Exzellenzclusters IntCDC der Universität Stuttgart. „Wir haben dieses Prinzip für ein dauerhaftes, geschlossenes Gebäude mit ganzjähriger Nutzung weiterentwickelt. Die Holzbauweise haben wir dahingehend optimiert, dass wir nachhaltigere Holzwerkstoffe nutzen und die Bauteile so angepasst haben, dass bei der robotischen Herstellung so wenig Verschnitt wie möglich entsteht.“

Die BUGA (Bundesgartenschau) fand 2019 in Heilbronn statt.

Natur als Vorbild für effizienten Holzbau

Als Vorbild für ihre Konstruktion, den modularen Aufbau und die Form diente den Wissenschafterinnen und Wissenschaftern das Skelett eines Seeigels. Es besteht aus einzeln angeordneten Platten, wodurch es besonders leicht und stabil ist. Solche Skelettplattenverbünde von Meereslebewesen stellen ein kaum noch stärker optimierbares Tragwerk dar. Dieses Prinzip haben die Forscher:innen daher auf den Pavillon übertragen. Natürlichen Formen und „Bauplänen der Natur“ stehen vielfach idealtypisch für den sorgfältige Umgang mit dem oft begrenzt vorhandenen Material.

Formal handelt es sich bei der Konstruktion um eine tragende Schale mit robotisch vorgefertigten Hohlkassettensegmenten aus einer Fichtendreischichtplatte und Fichtenrandbalken. Die Elemente bestehen aus einer äußeren und inneren Decklage, die aus Dreischichtplatten mit Holzfaserweichplatten zwischen umlaufenden Randbalken aus Brettschichtholz geformt wurden.

Hohlräume reduzieren Materialaufwand

Auf eine Verzahnung der Skelettplatten wurde aus Zeitgründen verzichtet. Eine Fräsung hätte nicht nur vergleichsweise lange gedauert, sondern auch den Energie- und Materialverbrauch deutlich erhöht. Der Abbund der Elemente wurde schließlich von einer robotergeführten Kreissäge erledig. Die Passgenauigkeit lag dabei dennoch im Bereich von Submillimetern.

In die Holzkonstruktion ist eine Dampfsperre integriert. Die Vorsatzschale aus Lärchendreischichtplatten wiederum wurde mit einer Holzfaserdämmung und einer EPDM-Abdichtung (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk) ausgestattet. Die einzelnen Hohlkassetten wurden über Kreuzverschraubungen aneinander gefügt.

Hergestellt wurden die einzelnen Kassetten-Elemente und Bauteile vom Projektpartner Müllerblaustein HolzBauWerke mit einer transportablen Roboterplattform. Dabei wurden manuelle Teilmontageschritte von Sonderbauteilen wie beispielsweise Leuchtmitteln, Akustikelementen, integrierte Dämmung, Fassadenanschlüssen und Grifflöchern mithilfe von Augmented Reality integriert. Auch der Grundgedanke von ressourceneffizienten, maßgeschneiderten Bauteilen sowie der digitalen Planung und Fertigung wurde dabei konsequent fortgesetzt.

Automatisierte Montage für cyber-physikalisches Bauen

Das Herzstück der Vorfertigung ist eine neuentwickelte, transportable Sieben-Achs-Roboterplattform, die eine nahtlose Integration in den Produktionsprozess bei Müllerblaustein innerhalb weniger Stunden zulässt. Die zwölf Meter lange Robotereinheit ermöglicht die gleichzeitige Fertigung von vier Bauteilen mit einer Länge von bis zu 3,5 Metern.

„Diese Form der Mensch-Maschine-Interaktion im Fabrikationsprozess ermöglicht eine effektive, digital-handwerkliche Herstellung komplexer Bauteile mit einem hohen Maß an Präzision“, sagt Projekt-Koordinator Menges. Denn um bei einem derart aufwändigen Schalenbauwerk eine reibungslose Montage zu gewährleisten, spielt die Qualitätssicherung eine große Rolle.

Segmentierte Holzleichtbaukonstruktionen eignen sich aufgrund der hohen Präzision in der Vorfertigung und des geringen Bauteilgewichts für eine automatisierte Montage vor Ort.

Fertigung und Montage durch Bauroboter

Neben der Robotertechnik setzten die Forschenden beim Freiburger Pavillon erstmals auch automatisierte Spinnenkräne für einen realen Bau ein. Ein mit Vakuumgreifern bestückter Kran nahm die Bauteile auf und platzieren sie automatisch an der jeweiligen Einstelle. Dort hielt er die Elemente in Position, bis diese von einem zweiten, mit einem neuartigen Schraubeffektor ausgestatteten Spinnenkran verschraubt wurden. Dabei spielt zum einen die Präzision der von den Robotern ausgeführten Arbeitsschritte eine entscheidende Rolle, zum anderen die exakte Lokalisierung.

„Damit diese Bauroboter präzise arbeiten, haben wir ein automatisiertes Netz aus Echtzeit-Tachymetern entwickelt, die ihre Position bestimmen“, erklärt dazu Prof. Volker Schwieger vom Institut für Ingenieurgeodäsie (IIGS). Dieses Netz bestand aus vier Tachymetern, wobei jeweils zwei von ihnen die exakte Position eines der beiden Bauroboter bestimmten.

Für den Freiburger Pavillon wurde die Segmentschalenbauweise als hochdämmende Struktur für eine ganzjährige und dauerhafte Nutzung weiterentwickelt. Die unverwechselbare Form der Gebäudehülle ergibt sich aus der gezielten Verzweigung zweier Teilschalen unterschiedlicher Form und Größe. So entsteht ein sich öffnendes Oberlicht, welches bei konventionellen Schalenbauten nur selten zu finden ist. Im montierten Zustand wirkt die Holzschale durch ihre gekrümmte Geometrie als formaktives Flächentragwerk.

Der sogenannte „Forschungsdemonstrator“ überspannt bei einer Abmessung von 16,5 x 15,5 x 10 Metern eine Grundfläche von rund 200 Quadratmetern. Die Schalenfläche macht bei einer stützenfreien Spannweite von knapp 16 Metern 345 Quadratmeter aus. Das Flächengewicht beträgt 27 Kilogramm pro Quadratmeter. Gebäude mit ähnlichen Dimensionen in herkömmlicher Holzbauweise kommen eher auf einen doppelten Wert.

„Der Pavillon zeigt, wie eine lastangepasste und materialeffiziente Konstruktion auch unter den heutigen Bedingungen wirtschaftlich hergestellt werden kann. Der Schlüssel dazu ist die konsequente Digitalisierung von Planung und Fertigung“, resümiert Prof. Jan Knippers vom Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) sowie stellvertretender Sprecher des Exzellenzclusters IntCDC der Universität Stuttgart.

Um in der Bauphase mögliche Änderungen der Geometrie feststellen und so eine reibungslose Montage gewährleisten zu können, wurde der gesamte Fertigungsprozess analytisch begleitet. Dafür wurde mittels eines terrestrischen Laserscanners ein digitales Abbild ausgewählter Kassetten erzeugt, welches dann mit der Soll-Geometrie aus der Planung verglichen werden konnte. Diese Messungen wurden sowohl nach der Produktion, unmittelbar vor der Montage auf der Baustelle sowie nach dem Einbau durchgeführt. Außerdem wurde eine solche Aufnahme der fertigen Schale erstellt, um die Baugeometrie final zu evaluieren.

Dem generellen Mehraufwand in der Planung und bei der Ausführung stehen letztendlich ein geringerer Ressourcenverbrauch und ein deutlich reduzierter ökologischer Fußabdruck gegenüber.

Pavillon nutzt erneuerbare Energiequellen

Der Pavillon soll nach seiner Fertigstellung energieneutral betrieben werden. Eine thermisch aktivierte Bodenplatte aus Recyclingbeton, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen aus lokaler Geothermie arbeitet, wärmt und kühlt den Bau. Das Gebäudeklima wird zudem durch ein spezielles, bioinspiriertes Beschattungssystem reguliert, das sowohl auf die täglichen als auch auf die jahreszeitlichen Veränderungen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit reagiert. Dieses passiv wetterresponsive System basiert auf 4D-gedruckten Materialien und reguliert das Gebäudeklima, indem es den Innenraum im Sommer vor hohen Wärmelasten abschirmt und im Winter Sonneneinstrahlung zulässt.

Als 4D-Druck wird jener Prozess bezeichnet, durch den sich ein 3D-gedrucktes Objekt unter dem Einfluss von externer Energiezufuhr wie Temperatur, Licht oder anderen Umweltfaktoren in eine andere Struktur verwandelt.

Wetterresponsive Fassaden und Komfortstrategie

Wieder fanden die Forschenden ein Vorbild in der Natur: Das sogenannte „Solar Gate“ ist als großflächiges, nach Süden ausgerichtetes Oberlicht in die Holzschale integriert und passt sich nach dem Prinzip von Kiefernzapfen, die sich feuchtigkeitsabhängig öffnen und schließen, automatisch an die Sonneneinstrahlung an. Das gesamte „Solar Gate“ ist rund zehn Quadratmeter groß, Herzstück sind 424 sich selbstformende Beschattungselemente, die aus einem Mix von natürlichen und künstlichen Polymeren bestehen. Im 4D-Druckverfahren wurden sie unter Berücksichtigung der Umwelt- und Standortbedingungen so programmiert, dass sie ganzjährig den Energiefluss steuern, ohne dass dafür irgendeine Betriebsenergie benötigt wird.

„In Zeiten des Klimawandels und der dadurch verursachten zunehmenden Hitzebelastung werden effiziente und wartungsarme Verschattungssysteme wie das in der ‚livMatS Biomimetic Shell @ FIT‘ verwirklichte ‚Solar Gate‘ immer wichtiger“, erklärt Prof. Thomas Speck, Mitglied des Sprecherteams des Exzellenzclusters livMatS an der Uni Freiburg und Direktor des Botanischen Gartens.

Die Bodenplatte, das „Solar Gate“ sowie die mit einer Holzweichfaserdämmung bestückte Gebäudehülle sorgen nicht nur ganzjährig für komfortable Raumtemperaturen, sondern auch für eine minimal dimensionierte Haustechnik. Diese so weit wie möglich reduzierte technische Ausstattung bildete ebenfalls bereits in der Planungsphase eine der Vorgaben.

Daher wurden auch der Standort und die Ausrichtung des Gebäudes auf dem Grundstück so gewählt, dass die umliegenden Gebäude an Wintertagen wenig bis gar keinen Schatten auf den Pavillon werfen.

Die „livMatS Biomimetic Shell“ soll nicht nur ein Gebäude mit Signalwirkung sein, sondern auch als architektonischer Inkubator für das Entwickeln innovativer, disziplinübergreifender Forschungsideen sowie als eine Erweiterung des Freiburger Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien dienen. Es soll ein Ort des freien Denkens sein und ist auch deswegen als Solitär auf dem Campus angeordnet. Dank seiner großzügigen und öffenbaren Fassade soll sich der zukunftsweisende Forschungsbau aber dennoch harmonisch in den umliegenden Campus eingliedern sowie für einen fließenden Übergang in die daran angrenzende Landschaft sorgen.

Folgeprojekt in Stuttgart

Die Universität Stuttgart setzt die bisher aus dem Forschungs-Pavillon gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen bereits beim Neubau eines Gebäudes mit einer Laborfläche von 3.000 Quadratmetern um. Dieses Gebäude wird eine rund 3.700 Quadratmeter große Dachfläche aus Hohlkassetten zieren.

Zum Pavillon in Freiburg gibt es eine eigene Projekt-Website.

Beteiligte Institute und Projektpartner

Cluster of Excellence IntCDC – Integrative Computational Design and Construction for Architecture, Universität Stuttgart

ICD Architectural Computing, Institute for Computational Design and Construction

ITKE Institute for Building Structures and Structural Design

Cluster of Excellence LivMatS – Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems, Albert-Ludwigs-Universitat Freiburg

Müllerblaustein HolzBauWerke GmbH

ISYS Institute for System Dynamics

IIGS Institute for Engineering Geodesy

IABP Institute for Acoustics and Building Physics

erdrich wodtke Planungsgesellschaft mbh

Transsolar Klima Engineering GmbH

Bauphysik 5

BEC GmbH

Belzner Holmes Light-Design

MPA University of Stuttgart

DFG German Research Foundation

Text: Albert Sachs
Fotos: ICD/ITKE/IntCDC Universität Stuttgart, Roland Halbe
Fotos: ICD/ITKE/IntCDC Universität Stuttgart, Conné van d’Grachten
Illustration: ICD/ITKE/IntCDC Universität Stuttgart
Illustration: Universität Freiburg