Robotisch gefertigter Holzbau als Modell für ressourceneffizientes Bauen
Wissenschaftler*innen der Universität Freiburg und Stuttgart
forschen an dem Pavillon „livMatS Biomimetic Shell @ FIT“ zu neuen
Ansätzen für nachhaltiges Bauen.
• Für den Pavillon in Holzleichtbauweise kamen neue computerbasierte
Planungsmethoden, robotische Fertigungs- und Bauprozesse sowie neue Formen
der Mensch-Maschine-Interaktion zum Einsatz, die eine deutliche
Ressourcenersparnis im Vergleich zum konventionellen Holzbau ermöglichen.
• Eine thermisch aktivierte Bodenplatte aus Recyclingbeton wärmt und
kühlt den Bau, das Gebäudeklima wird zudem durch ein bioinspiriertes
Beschattungssystem reguliert, das auf Veränderungen der Temperatur und
Luftfeuchtigkeit reagiert.
Das Bauwesen steht vor der großen Herausforderung, angesichts wachsender
Bevölkerungszahlen weniger Ressourcen zu verbrauchen und auf nachhaltige
Materialien umzustellen. Wissenschaftler*innen der Universitäten Stuttgart
und Freiburg werden künftig disziplinenübergreifend neue Ansätze für ein
Bauen der Zukunft entwickeln. In einem gemeinsamen Projekt haben die
Forscher*innen einen Pavillon in Holzleichtbauweise an der Technischen
Fakultät der Universität Freiburg errichtet, an dem sie modellhaft neue
Materialien und Bauweisen erproben und erforschen. Für den Bau der
„livMatS Biomimetic Shell @ FIT“ haben Wissenschaftler*innen neue
computerbasierte Planungsmethoden, robotische Fertigungs- und Bauprozesse
sowie neue Formen der Mensch-Maschine-Interaktion eingesetzt, die eine
deutliche Ressourcenersparnis im Vergleich zum konventionellen Holzbau
ermöglichen. Der Pavillon, der nach bionischen Prinzipien konzipiert
wurde, ist in einer Kooperation der Exzellenzcluster Integrative
Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) der
Universität Stuttgart und Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials
Systems (livMatS) der Universität Freiburg entstanden.
Nachhaltige Holzwerkstoffe und optimierte Herstellung
Der Holzbau hat in den letzten zehn Jahren stark an Bedeutung als Ersatz
für die CO2-intensiven Baustoffe Stahl und Beton gewonnen. Die „livMatS
Biomimetic Shell @ FIT“ besteht aus Hohlkassetten aus Holz, wodurch sich
der Materialverbrauch für die Gebäudehülle und ihr Gewicht minimieren
lassen. Eine detaillierte Lebenszyklusanalyse zeigt, dass der
Materialeinsatz bei dem Bau um mehr als 50 Prozent und das
Erderwärmungspotenzial um nahezu 63 Prozent im Vergleich zu einem
konventionellen Holzbau reduziert sind. „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“, sagt Prof. Achim Menges vom
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 gesamte Baustruktur ist so
konzipiert, dass sie einfach zerlegt werden kann, wiederverwendbar ist und
ihre Bestandteile sortenrein trennbar bleiben.
Bioinspiration: Das modular aufgebaute Skelett des Seeigels
Der modulare Aufbau und die Formgebung basieren auf den Bauprinzipien des
Skeletts von Seeigeln. Es besteht aus einzeln angeordneten Platten und ist
hierdurch besonders leicht und stabil. Bei natürlichen Konstruktionen ist
der sorgfältige Umgang mit knappen Ressourcen ein entscheidender Vorteil
in der Evolution. „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“ sagt Prof. Jan
Knippers vom Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen
(ITKE) und stellvertretender Sprecher des Exzellenzclusters IntCDC der
Universität Stuttgart.
Fertigung und Montage durch Bauroboter
Die Bauteile wurden von einer neuentwickelten, transportablen
Roboterplattform durch den Kooperationspartner müllerblaustein
HolzBauWerke GmbH gefertigt. Dabei wurden manuelle Teilmontageschritte von
Sonderbauteilen wie Leuchtmitteln und Akustikelementen mithilfe von
Augmented Reality integriert. „Diese Form der Mensch-Maschine-Interaktion
im Fabrikationsprozess ermöglicht eine effektive, digital-handwerkliche
Herstellung komplexer Bauteile mit einem hohen Maß an Präzision“, sagt
Menges. Für die „livMatS Biomimetic Shell @ FIT“ kamen zudem erstmals
automatisierte Spinnenkräne in einer realen Baustellensituation zum
Einsatz. Die Kräne sind mit Vakuumgreifern ausgestattet, die Bauteile
aufnehmen, sie automatisch an der entsprechenden Einbauposition platzieren
und in Position halten, bis diese von einem weiteren Kran verschraubt
werden. „Damit diese Bauroboter präzise arbeiten, haben wir ein
automatisiertes Netz aus Echtzeit-Tachymetern entwickelt, die ihre
Position bestimmen“, sagt Menges.
Ein auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit reagierendes Verschattungssystem
schützt das Innere vor Sonne
„Unser Ziel ist, den Pavillon energieneutral zu betreiben“, sagt Prof. Dr.
Jürgen Rühe vom Institut für Mikrosystemtechnik und Mitglied des
Sprecherteams des Exzellenzclusters livMatS der Universität Freiburg. Der
Bau ist mit einer thermisch aktivierten Bodenplatte aus Recyclingbeton
ausgestattet, die diesen auf der Basis von geothermischen Quellen wärmt
und kühlt. Ein wetterresponsives Verschattungssystem aus biobasierten, 4D-
gedruckten Materialien an einem Oberlicht reguliert das Gebäudeklima,
indem es das Innere im Sommer vor hohen Wärmelasten abschirmt und im
Winter Sonneneinstrahlung zulässt. „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“, sagt Prof. Dr. Thomas
Speck, Direktor des Botanischen Gartens und Mitglied des Sprecherteams des
Exzellenzclusters livMatS der Universität Freiburg. Das „Solar Gate“, das
sich passiv an die Sonnenbedingungen anpasst, basiert auf einem
biomimetischen Prinzip nach dem Vorbild von Kiefernzapfen, die sich
feuchtigkeitsgesteuert öffnen und schließen. „Wir werden künftig auch an
weiteren Lösungen forschen, wie wir Gebäudefassaden so ausgestalten
können, dass sie sich an wechselnde Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel
die Temperatur anpassen. So können wir ein angenehmes Raumklima schaffen
und einen CO2-neutralen Betrieb des Gebäudes ermöglichen“, sagt Rühe.
Eine detaillierte Projektbeschreibung und ein Medienpaket finden Sie unter
folgender Adresse:
https://www.intcdc.uni-stuttga
