Hybrid-Flachs Pavillon, Wangen/Allgäu

Jedes Projekt, jedes gebaute Haus hat eine Vorgeschichte, man könnte auch sagen: Erfahrungsgeschichte. Insbesondere liegt die Verknüpfung Erfahrungsgeschichte/Hausprojekt naturgemäß bei den Forschungsbauten, die in der Regel eine Sache und verschiedene Aspekte des Bauens vorantreiben und weiterentwickeln.

Da überrascht es nicht, wenn der Hybrid-Flachs Pavillon in Wangen Vorläuferbauten hat, die – auch das ist wohl dem Forschungsaspekt geschuldet – häufig auf Sondergeländen, wie denen von Bundes- oder Landesgartenschauen, realisiert werden, oder auch mal im Kontext internationaler Architekturausstellungen. Vorläuferprojekte des Hybrid-Flachs Pavillons sind das „Maison Fibre“ in Venedig, der „BUGA Faser Pavillon 2019“ aus Glas- und Carbonfasern in Heilbronn oder auch der „livMatS Pavillon“ im Botanischen Garten der Universität Freiburg.

Die Erfahrungs- und Entwicklungsschritte scheinen klar: Schalentragwerke mit verschiedenen Materialien und Vorfertigungstechnologien sollen ressourcenschonende Fertigungs- und (Leicht-) Bauweisen demonstrieren, deren hoher, digital entwickelter und gesteuerter Vorfertigungsgrad zudem noch die Kosten reduziert; bei Massenfertigung, versteht sich, denn die Einzelbauten sind, wie wohl jeder weiterweisende Prototyp, unter Marktbedingungen nicht finanzierbar. Oder wie Achim Menges im Gespräch vor Ort sagt: „Noch sind die Kos­ten hoch! Aber wir unterscheiden hier schon zwischen ökonomischen und ökologischen Kosten. Der Pavillon war am Ende günstiger als wir dachten, ist aber immer noch teurer als konventionelle Bauweisen, was in der Natur der Sache liegt!“

Auf nach Wangen

Dass die Vielzahl der schon geleisteten Arbeiten auch dazu dienen kann, positive Aufmerksamkeit zu wecken, ist ein nicht zu vernachlässigender Umstand. Karl-Eugen Ebertshäuser, einer der Geschäftsführer längst vergangener Landesgartenschauen (LGS) und auch bei der in Wangen mit dabei, kannte den Holzpavillon der Stuttgarter Forschungsinstitute ICD (Prof. Achim Menges) und ITKE (Prof. Jan Knippers) auf der LGS Schwäbisch Gmünd 2014, ebenso den Urbach-Turm der Remstal Gartenschau 2019. Nun wünschte sich der erfahrene Gartenschau-Geschäftsführer für Wangen ebenfalls einen Turm. Für mehr Schönheit und Aussicht, leicht oberhalb des Ausstellungsgeländes positioniert, Blick bis zu den Alpen. Und weil man ins Gespräch kam, tauchte mit einem Mal der Flachs auf. Ein Naturmaterial, das in Wangen auf eine lange Geschichte zurückblicken kann. Die auf dem Gelände der LGS sanierten und umgebauten Bestandsbauten der 1992 endgültig geschlossenen Baumwollspinnerei, -weberei und -färberei ERBA sind Zeugen einer Textilindustrie, die ihre Wurzeln in der Region hatte. Heute stehen andere Nutzpflanzen auf den Äckern, vielleicht aber bieten die Äcker demnächst Bilder aus der Vergangenheit als Zukunftsblick?

Hybrid-Flachs Tragwerk

Hieran anknüpfend und weil noch ein zentraler, „multifunktionaler“ Ausstellungs- und Veranstaltungspavillon fehlte, wurde der Hybrid-Flachs Pavillon beauftragt, eines von rund 80 Projekten der LGS Wangen. Der Pavillon, am südlichen Gartenschaugelände gelegen, wurde als Holz-Naturfaser-Hybridkonstruktion realisiert, digital entworfen und entwickelt vom Exzellenzcluster „Integratives Computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur“ (IntCDC) an der Universität Stuttgart, in dem die beiden vorgenannten Forschungsinstitute und weitere Partner interdisziplinär zusammenarbeiten.

Die Konstruktion, die, so Jan Knippers nachdrücklich, „ wir als Hybrid und nicht als Verbundtragwerk bezeichnen“ kombiniert schlanke Bretter (BSH, 120 mm) mit robotisch gewickelten Flachsfaserkörpern, die als netzartig gewickelte Unterzüge die statisch erforderliche Dicke der Holzplatten um ca. 2/3 reduziert. Auf meine Frage, ob es nicht noch dünner hätte werden können, kommt ein klares Nein: Das Holz muss den Dachaufbau aufnehmen, muss begehbar sein und ausreichend Dicke für die Verankerung der Schrauben vorhalten.

Abgedichtet wird das geschwungene Dach mittels einer ­EPDM-Dachfolie, die nicht wie üblich flächig verklebt, sondern geheftet wurde und damit, wie beinahe alle Bauteile, reversibel ist und einsatzfähig bleibt für andere Dachflächen. Die auffällige, radial geordnete Holzbalkenlage auf dem Dach ist vor allem gestalterisch gedacht und hat keine statische Funktion.

Am Ende eines langen Entwicklungsweges erscheint das Tragwerk sehr einfach: Der Faserkörper bildet eine Fläche, die hauptsächlich Zuglasten trägt, während die Holzplatte Druckkräfte aufnimmt und die Oberfläche für Raumabschluss und Dachaufbau bildet. Im hybriden Verbund bieten beide die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit, um auch die hohen Schneelasten zu tragen (gerechnet mit maximal 360 kg/m²), die hier am Alpenrand erwartbar sind.

Der Weg zur Ausformulierung des schließlich aufmontierten Faserkörpers geschah durch einen kontinuierlichen Abgleich von architektonischen Anforderungen, statischer Analyse und, ganz wesentlich, den Einschränkungen aus der Fertigung und den Materialeigenschaften. Die Fertigung des letzten Prototypen im universitären Labor mit einem Mehrachs-Roboter dauerte rund drei Tage, die Fertigung der eingebauten Elemente in einem Industrieunternehmen, das Faserverbundbauteile unter anderem für die Raumfahrt produziert, etwa sieben Stunden. Dieses Unternehmen, die HA-CO Carbon GmbH in Wallerstein, als Partner zu finden, war bereits eine Leistung, die aus dem integralen und prozesshaften Entwickeln solcherart Lösungen resultiert. Gefertigt wurde auf einer für die ungewöhnliche Aufgabe schlicht neu konfigurierten 5-Achs-Faserwickelmaschine.

Produktentwicklung Faserkörper

Der Faserkörper, der im Pavillonraum zum Anfassen verleitet, wie Projektleiterin Monika Göbel anmerkte, besteht aus mehreren sequenziell gewickelten Flachsfaserlagen. Die primäre Faserstruktur, die sogenannte “Spine” wirkt als zentraler Unterzug von innen nach außen. Eine Fächerlage verteilt die Las­ten gleichmäßig auf die Stützen, während die optisch dominierenden Gitternetzschichten aus deutlich dünneren Faserlagen ein gleichmäßiges Netz bilden, um die erforderliche strukturelle Integrität zu erreichen. Zwei zusätzliche Eckverstärkungslagen verbessern die Faserinteraktion und bieten zusätzliche Verstärkung in strukturell kritischen Bereichen.

Die Faser-Holz-Hybridelemente überbrücken rund 8,6 m zwischen den Stahlstützen der Außen- und Innenfassade. Die radial angeordneten, trapezoiden, 120 mm dicken kreuzverleimten Holzplatten erzeugen die wellenförmige Dachfläche. „Die Welle ist gestalterisch motiviert, unterstützt aber auch die statische Schalentragwirkung der Dachfläche“, so Monika Göbel. Die Holzplatten wurden mit einer 5-Achs-Abbundmaschine hergestellt und enthalten eine Reihe von Aussparungen für die Verbindungen zwischen Holz, Faser und Fassade sowie abgeschrägte Kanten, die kontinuierlich ihren Winkel ändern, um den variierenden Orientierungen der Faserverbindungen zu entsprechen. Die Flachsfaserkörper werden mit Schrauben unter jeder zweiten CLT-Platte befestigt. Statische Belastungstests dienten zur Kalibrierung der Finite-Elemente-Modelle und zur Überprüfung der Tragfähigkeit des Bausystems.

Der kernlose Faserwickelprozess, der bei der Entwicklung und Produktion der Faserelemente verwendet wird, ermöglicht einen angepassten Materialauftrag, der durch die spezifischen Anforderungen von Statik, Architektur und Material gesteuert wird. Dass das sehr theoretisch ist, mussten die Entwickler in zahlreichen Fehlversuchen anerkennen. Am Ende war der Wickelkopf im Labor „mit elaborierter Sensorik vollgepackt“, so Achim Menges. „Wegen der großen Prozesskräfte sind uns die Flachsfasern anfangs häufig schon beim Wickeln gerissen. Für den Prototypen haben wir einen eigenen Wickelkopf entworfen, der u. a. die Faservorspannung misst und die Faserintegrität monitort.“ Diese Vorgehensweise, die auf eine spezifische Problematik konkrete Antworten liefert, ist den Forschern „vielleicht der Schlüssel zu einer neuen Qualitätssicherung, die die Prüfrichtlinien dann anders definiert.“ Weil hier aber nicht genug geforscht wird, „arbeiten wir“, so ­Achim Menges weiter, „bei biogenen Materialien – zumal bei den im Bauen relativ neuartigen – mit teils signifikanten Aufschlägen und erzeugen erhebliche Redundanzen. Normen und Standards folgen der Haltung: Wir packen lieber mehr drauf, dann hält es schon!“

Normalerweise sind positive Krümmungen nur durch eine zusätzliche Form herstellbar. Dennoch beinhaltet das Flachsfaser­element sowohl Bereiche positiver als auch negativer ­Gaußscher Krümmung. Um dies zu erreichen, enthält der ­speziell designte Wickelrahmen eine Spine, ein Rückgrat, ­welche die positive Krümmung des Bauteils in seiner Längsrichtung sowie negative Krümmung, strukturelle Tiefe und Krümmungsradius in seinem Querschnitt ermöglicht, während es gleichzeitig die notwendige Struktur für den selbsttragenden Rahmen darstellt. Die Wickelankerpunkte um den Umfang des Rahmens wurden jeweils basierend auf der Normalen der Oberfläche orientiert, um eine konsistente Faserrichtung zu gewährleisten und Kräfte ordnungsgemäß von Holz in die Faserbündel zu übertragen: eine Anforderung, die für die Leis­tungsfähigkeit der Hybridkomponente von entscheidender Bedeutung ist.

Unter Verwendung dieses maßgefertigten Rahmens wurden Geometrie, Faser­strukturen und Herstellungsprozesse an der Universität Stuttgart durch eine Reihe von Prototypen entwickelt, getestet und von einer 7-Achs-Roboteranlage mit einem spezifisch hierfür entwickelten Endeffektor gefertigt. Nach Abschluss der Prototypenphase einschließlich der statischen Versuche wurde der finalisierte Entwurf an den Industriepartner übergeben, um die Serienproduktion mit einer industriellen 5-Achs-Faserwickelmaschine durchzuführen. Die Fertigungsplanung wurde direkt in den computerbasierten Entwurfsprozess integriert und eine speziell entwickelte Software wandelte die geometrischen Daten des Faserelements in einen ausführbaren Maschinencode um, wodurch der Prozess vom Entwurf zur Fertigung optimiert und die Lücke zwischen Forschung und Industrie überbrückt wurde.

Fazit

Tatsächlich fällt es schwer, ein Fazit zu ziehen, spielen – und das erscheint auf den ersten Blick paradox – bei diesem Projekt doch sehr viele, nicht unbedingt untrennbar miteinander verbundene Dinge eine zentrale Rolle. Zunächst ist der Pavillon­ ein sehr gut gestalteter Raum, dessen zentrale Anforderung seitens der Bauherren, multifunktional zu sein, perfekt umgesetzt erscheint. Das Raumklima ist über die thermische Aktivierung der R-Betonbodenplatte grundsätzlich steuerbar. Feinjustieren kann man durch schlichtes Querlüften, u. a. mittels der zahlreichen Türen. Technik ist vorhanden, Wasser-, Stromanschluss, zwei kleine Nebenräume sind in der Eingangsbox integriert. Die WC-Einheit steht als Einzelbau gesondert vor der Tür. Der kleine Baum im Zentrum verschleiert den kompletten Durchblick, bringt Luftfeuchte und Kühlung im Sommer und steht – hoffentlich lange – für das auch Bionische, das sich in Planung und Ausführung des Pavillons ausdrückt.

Ein wesentlicher Aspekt ist ganz sicher die Demonstration dessen, was mit Naturmaterialien im Hochleistungsbauen möglich ist. So kommentieren Achim Menges und Jan Knippers den Vorwurf von Kollegen, sie machten ja nur noch experimentelle Pavillons auf Gartenschauen, dass man als Planender kaum mehr Resonanz für seine Arbeit finden könne als im Verlauf der Saison einer Gartenschau. Den Pavillon in Wangen hätten rund 1,2 Mio. Besucherinnen erlebt; es gibt mittlerweile eigene Seiten auf den Plattformen der sozialen Medien, Follower und Fans.

Ein weiterer Aspekt sei, dass man Planung und Ausführung, wenn sie prozesshaft und integral digital angelegt ist, beinahe auf allen Aufgabenfeldern derart optimieren kann, dass Herstellungsgeschwindigkeit und Bauausführung zu Material­effizienz und – bei größeren Stückzahlen – zu marktrelevanter Ökonomie führen.

Nicht zuletzt aber – über alle Kreislaufstrategien und architektonische Gestaltung hinaus, Achim Menges nennt Durchsichtigkeit, Vielschichtigkeit und Bewegtheit als planerische Ambition – ist der Forschungsansatz das Zentrale. Mit einer Unmenge gesammelter Erfahrungen im Projektprozess, validen Daten und neuen Wegen beispielsweise in der Programmierung, geht es nun weiter. Nicht die unmittelbare Skalierbarkeit des Projekts sei das Ziel, – ganz im Gegenteil sei die Vorstellung naiv, man könne einfach „direkt von experimental auf volle Skalierbarkeit“ gehen (Achim Menges) – sondern die Skalierbarkeit der entwickelten Methoden. Beide Forscher sind davon überzeugt, dass ohne diese Forschungsbauwerke keine Anwendung möglich sei. Jan Knippers: „Wir haben eine bauliche Anwendung, die viele neue Forschungsfragen auslösen kann … was bereits einen Wert an sich darstellt.“ Monika Göbel ist sicher, dass mit „anderen Fasern andere Anwendungen kommen und hier bald noch etwas ins Rollen kommt“, eine grundsätzlich neue Methodenentwicklung beispielsweise oder neue Fertigungsstrategien, lokal, energieeffizient auf der Baustelle, Stichwort „Feldfabrik“.

Ach ja, Erfahrungen sammeln heißt meist auch, zu lernen. So haben sich die beiden Professoren, der Architekt und der Inge­nieur, von der Carbonfaser verabschiedet, mit der sie zuletzt soviele aufregend neue Strukturen geschaffen haben. Schwer recyclebar, kaum weiterzuverwenden, zu hoher Verbrauch an fossilen Ressourcen. Auch wollen sie das erdölbasierte Harz, mit dem die Fasern hier noch getränkt sind, künftig auf pflanzenbasierte Harze umstellen. Ob wir dann am Ende der Forschung sind? Wohl kaum, aber noch sind die neuen Fragen nicht ausgelöst, die alten noch nicht zur Gänze beantwortet. So auch die, ob die Zulassung im Einzelfall für den Winterlastfall noch kommt, die Genehmigung für den Sommerlastfall liegt vor. Daumen drücken! ⇥Benedikt Kraft/DBZ