In Zukunft leichter

Ansicht der Textilfassade FiberSKIN beim D1244, Stuttgart
Foto: Moon-Young Jeong, ILEK

Der Leichtbau strebt per definitionem einen sparsamen Umgang mit Ressourcen an. Er kann dadurch einen wichtigen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit im Bauwesen leisten. Künftig geht es aber nicht nur darum, die Masse der verwendeten Materialien zu reduzieren. Es gilt auch, deren gesamten ökologischen Fußabdruck über den gesamten Nutzungszyklus zu minimieren. Dies wird am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart als „Erweiterter Leichtbau“ bezeichnet. Dabei wird hinterfragt, welche Umweltschädigungen und (graue) Emissionen jeweils mit den verwendeten Materialien beziehungsweise konstruktiven Lösungen verbunden sind – und wie die verbauten Ressourcen wiederverwendet oder in technische oder biologische Kreisläufe zurückgeführt werden können. Kreislauffähiges Bauen ist von daher ein wichtiger Bestandteil des Erweiterten Leichtbaus und eine Säule der interdisziplinären Forschung und Lehre am ILEK.

Zwei aktuelle Versuchsbauten zeigen exemplarisch, wie dieser Ansatz verfolgt und umgesetzt wird. Das Institut setzt dabei nicht auf einen bestimmten Werkstoff oder auf eine bestimmte Technologie. Maßgebend ist vielmehr das Ziel, den ökologischen Fußabdruck der gebauten Umwelt drastisch zu reduzieren. Eine solche Haltung hilft, etablierte Abschottungen zu brechen und Innovation voranzutreiben. Am ILEK wird diese Herangehensweise auch mit Studierenden der Architektur- und Bauingenieurfakultät in den Entwürfen erprobt. Die Planer:innen der Zukunft sollen so für die anstehende Transformation des Bauwesens vorbereitet werden. Aus diesem Grund werden im Anschluss auch Entwurfsarbeiten vorgestellt, die am ILEK betreut werden.

Ansicht des Mockups des Marinaressa Coral Tree
Foto: Daria Kovaleva, ILEK

Adaptive Hüllen und Strukturen

Die Rückbaubarkeit und Rezyklierbarkeit von Komponenten und Materialien ist eine essenzielle Eigenschaft des Demonstrator-Hochhauses D1244 an der Universität Stuttgart. Das 36,5 m hohe Experimentalgebäude wurde im Jahr 2021 in Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1244 „Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen“ fertiggestellt (s. DBZ Heft 01 | 2022). Die Entwurfsidee war es hierbei, ein multifunktionales, additives und flexibles Bauwerk zu erstellen, bei dem neu entwickelte Bauteile auf dem Gebiet der adaptiven Hüllen und Strukturen getestet werden können. Es geht beim D1244 aber nicht nur darum, ­innovative Technologie zu entwickeln und zu validieren. Es soll auch aufgezeigt werden, wie bei einem Gebäude Komponenten ohne Erzeugung von Abfall ausgetauscht werden können. Die gewonnenen Erfahrungen könnten als Muster für ressourceneffiziente Modernisierungen dienen und die Anpassungsfähigkeit der Bauwerke auch jenseits adaptiver Tragwerke und Fassaden erhöhen.

Dieser Ansatz wird zurzeit an der Fassade des Erdgeschosses verifiziert. Die temporäre Fassade aus einem rezyklierten, PVC-beschichteten Polyestergewebe wurde im Februar 2023 abgebaut. Hier wurde eine neu entwickelte, öffenbare Fassade eingebaut. Die ebenfalls neu entwickelte Textilfassade FiberSKIN basiert auf der Idee des fließenden Übergangs zwischen dem Gebäude­inneren und der äußeren Umgebung. Die schleier­artigen Faserpaneele aus vollständig recycelbaren Glas- und Basaltfasern schützen das adaptive Tragwerk von D1244 und machen es gleichzeitig sichtbar. Die Fasern wurden als Gelege nach einem parametrischen Design von Lucio Blandini zusammen mit Moon-Young Jeong von der Firma i-Mesh aus Italien computergesteuert verlegt.

Studierendenentwurf Min Mod House: Eine leichte Bambuskostruktion erlaubt die Nutzung eines  Restgrundstücks in einem Stuttgarter Hinterhof
Illustration: Bento, Ghidini, Karafotias, Oswald

Bewegliches Gewebe

Das Flächengebilde, das aus mehreren Lagen von parallel verlaufenden Fäden besteht, ermöglicht die freie Anordnung von Fasern: Dadurch entstehen sehr leichte Paneele, die entsprechend einfach zu bewegen sind. Die Fassade an der Südostseite kann so, dank eines Doppelschiebemechanismus der Firma Hörmann KG, wie ein Vorhang komplett geöffnet werden. Hier findet sich künftig der neue Eingang zum Erdgeschoss. Die Unterkonstruktion wurde mit Unterstützung der Firma Trumpf Werkzeugmaschinen als Blechkonstruktion realisiert. Eine umfassende Testreihe mit mehr als 20 000 Zyklen diente dazu, kritische Punkte hinsichtlich Ausführung, Mechanik und Details zu identifizieren. In der geöffneten Position werden die zwei je 5,2 m breiten beweglichen Paneele hinter den zwei fest installierten Paneelen an der südwestlichen und nordöstlichen Seite positioniert. Während der Bewegung überlagern sich die Muster an den drei Seiten und erzeugen so spannende optische Effekte.

Die Muster der fixen und beweglichen Paneele unterscheiden sich leicht voneinander, auch aufgrund der verschiedenen Funktionen der einzelnen Paneele. Die parametrische Variation der zugrundeliegenden geometrischen Grundregel ist aber klar erkennbar und führt zu einem einheitlichen Bild. Die Integration von Design und strukturellen bzw. maschinenbaulichen Themen bei FiberSKIN ist ein gutes Beispiel für die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Bereichen Architektur, Bauingenieurwesen und Maschinenbau. Hierfür war die Kooperation zwischen ILEK und IKTD (Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design) unter der Leitung von Prof. Kreimeyer im Rahmen des SFB1244 maßgebend.

Studierendenentwurf Min Mod House: Bei Umzug der Bambuskonstruktion ist auch eine horizontale Anordnung der Wohnboxen denkbar
Illustration: Bento, Ghidini, Karafotias, Oswald

Beitrag zur Biennale

Ein weiterer Demonstrator des ILEK beschäftigt sich mit dem nachhaltigen Einsatz von mineralischen Werkstoffen. Der „Marinaressa Coral Tree“ zeigt, wie der gewichtsoptimierte Übergang zwischen horizontalen Deckenelementen und einer vertikalen Stütze aussehen kann, wenn das Material gezielt dort eingesetzt wird, wo die Kräfte hauptsächlich wirken. Das Objekt wurde von Daria Kovaleva und Lucio Blandini entworfen. Er besteht aus 4 Deckensegmenten, einem Kapitell und vier sehr schlanken Säulen. Er ist zurzeit in der Fertigung und wird ab Ende Mai 2023 auf der Biennale in Venedig präsentiert; ein 1 : 3 Mock-up wurde bereits gefertigt und auf dem Universitätsgelände in Stuttgart-Vaihingen aufgestellt.

Um die Geometrie der 3 m hohen und 3 m breiten porösen Struktur zu gestalten, werden Methoden zur Topologieoptimierung verwendet und weiterentwickelt. Für die Fertigung wird eine 3D-Druck-Technologie eingesetzt, die zusammen mit dem Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart unter Leitung von Prof. Verl entwickelt wurde. Eine Besonderheit stellt die Herstellung von abfallfreien Schalungen komplexer Geometrie dar. Die Schalung aus Sand und wasserlöslichem Bindemittel wird 3D-gedruckt und anschließend mit Mörtel ausgegossen. Nach dessen Aushärtung wird die Sandschalung mit Wasser ausgespült und das Material erneut verwendet.

Die baumartige Konstruktion hat durch ihre vielen Streben eine deutliche größere Außenfläche als eine äquivalente massive Struktur. Durch die Karbonatisierung des Betons kann dadurch mehr C0₂ über die Zeit gebunden und in Kalziumkarbonat verwandelt werden. Der Demonstrator soll außerdem zeigen, welche ästhetischen Qualitäten eine so filigrane Konstruktion haben kann und welche spannenden Lichtspiele daraus entstehen. Letztendlich kann bei solchen Prototypen nicht mehr zwischen Forschung, Engineering und Design unterschieden werden: Alle drei Disziplinen gehen Hand in Hand.

Studierendenentwurf FlexHaus: Abfallmaterial aus der Baustelleneinrichtung von Stuttgart 21 findet bei diesem Enwturf eine neue Verwendung in der Konstruktion von Wohnraum
Illustration. Dimitrova, Helmer, Nemukhin

Obwohl die beiden Versuchsbauten auf den ers­ten Blick sehr unterschiedlich aussehen, verfolgen beide das Ziel, nicht nur die Materialmenge (klassischer Leichtbau), sondern auch den ökologischen Fußabdruck des Bauwerks stark zu reduzieren (erweiterter Leichtbau). Dieses Ziel ist insbesondere für die Bereiche Tragwerk und Fassade relevant, da hier die meisten Ressourcen verwendet werden und der meiste Abfall anfällt. Die Definition der Geometrie bzw. des Musters ist in beiden Fällen deutlich komplexer als bei herkömmlichen Systemen; durch die Verwendung von digital basierten Planungs- und Fertigungsmethoden ist dies aber kein Hindernis mehr. Beide Prototypen zeigen zudem, dass eine interdisziplinäre Zusammenarbeit den Weg für neue nachhaltige Ansätze mit ganz besonderen architektonischen Qualitäten frei macht.

Lehre

In den am ILEK angebotenen Entwurfsarbeiten wird mit konkreten Zielsetzungen, Verortungen und Materialien gearbeitet, um Zusammenhänge erkennen und neue Lösungen in einem konkreten Rahmen erproben zu können. Wie dies im Einzelnen aussieht, soll im Folgenden anhand eines Beispiels aufgezeigt werden:

Zielvorgabe: Es herrscht Wohnraummangel in Städten, Bauland ist rar. Neuflächenversiegelungen sind aus Umweltgründen weitestgehend zu vermeiden. Ein möglicher Lösungsansatz für das Problem ist die Nachverdichtung in bestehenden Stadtstrukturen: Wie kann so gebaut werden, dass gewachsene Stadtstrukturen nicht zerstört, sondern ihnen ein Mehrwert hinzugefügt wird? Wie viel graue Energie steckt in vorhandenen Gebäuden? Wie kann material- und bauteilsparend auf neue Umstände reagiert werden?

Verortung: Stuttgart-Bad Cannstatt – eine urbane Gegend, in der es noch lebendiges Hinterhofgewerbe gibt. Zehn Studierende begeben sich auf die Suche nach Kleinstgrundstücken. Ziel ist es, dort Potenziale für Nachverdichtung zu entdecken: Lücken, Höfe, Schuppen, Dächer, die an-, um- und weitergebaut werden können, um eine behutsame und stadtstrukturerhaltende Nachverdichtung einzuleiten.

Materialien: In Gruppen wird mit unterschiedlichen Materialien wie z. B. Holz, Stahl oder Bambus experimentiert. Es werden Systeme entwickelt, die sich aus möglichst einfachen Standardelementen zusammensetzen. Diese müssen Modifikationen, Erweiterungen oder den Rück- und Wiederaufbau an anderer Stelle ermöglichen. Aufgabe ist es, die Material- und Systemlebensdauer von Bauteilen maximal auszureizen und gleichzeitig einem hohen architektonischen Anspruch gerecht zu werden. Hierfür werden neue Verbindungen, Anschlüsse und Details entwickelt. Im Prozess stellt sich immer wieder die Frage: Wie realistisch ist die Wiederverwendung von Bauteilen tatsächlich? Wie können bereits jetzt Bestandsbauteile sinnvoll wiederverwendet werden und wie kann man diese Praxis künftig vereinfachen?

Das Experiment: Prämisse ist, dass nach der Hälfte des Semesters die Grundstücke reihum getauscht werden. Nun muss sich jedes System neu beweisen. Kann es sich den veränderten Anforderungen, dem neuen Umfeld anpassen? Haben die Bauteile und die entwickelten Verbindungen das Potenzial, in einem Umbau­szenario erweitert oder in einem Umzugs­szenario rück- und an anderer Stelle wieder aufgebaut zu werden?

Studierendenentwurf FlexHaus: Das Wohngebäude fügt sich ebenfalls in eine örtliche Baulücke
Illustration. Dimitrova, Helmer, Nemukhin

Studierendenentwurf FlexHaus: Das Wohngebäude fügt sich ebenfalls in eine örtliche Baulücke

Illustration. Dimitrova, Helmer, Nemukhin

Wohnboxen im Babusrahmen

Um den Anforderungen gerecht werden zu können, müssen Studierende neben dem Entwerfen schon im Studium lernen, eine eigene Haltung zu entwickeln und den eigenen Standpunkt immer wieder kritisch zu hinterfragen. Die Absicht dabei ist, dass sich die Studierenden beim Entwerfen und Konstruieren den großen Fragen unserer Zeit stellen. Auch Forschende und Lehrende lernen in solchen Iterationsschleifen. Der studentische Entwurf kann auch für sie als Medium dienen, ergebnisoffen mit Herausforderungen zu experimentieren und exemplarische Lösungsansätze zu untersuchen.

Zwei ausgewählte Entwürfe zeigen die Vielfalt der Lösungsmöglichkeiten. Für einen Hinterhof entwickelte eine Entwurfsgruppe das „Min Mod House“, eine vertikale Konstruktion aus Bambus, in die sich vorfabrizierte Wohnboxen einhängen lassen. Die Fenster stammen aus einem rückgebauten Bestandsgebäude; sie sind zweischichtig als Kastensystem angeordnet, um den Wärmedurchgang zu minimieren. Im Umzugsszenario wird deutlich, dass die Konstruktion einfach modifiziert werden kann und in horizontaler Anordnung auch als Aufstockung auf einem Dach funktioniert. Ein anderer Entwurf, das FlexHaus, zeigt, wie alltägliche Bauteile wiederverwendet werden können. Fast die komplette Konstruktion setzt sich aus wiederverwendeten Stahlträgern und Gittern der Baustelleneinrichtung der Baustelle von Stuttgart 21 zusammen. Die Studierenden entwickelten hierfür einen neuen Verbindungsknoten, der vielfältige Anschlussmöglichkeiten und damit eine einfache Anpassung der Tragstruktur zulässt.

Mit jedem Semester und jeder neuen Bauaufgabe müssen die Umstände und Maßnahmen neu verhandelt werden; weitergetragen werden Schlüsselerkenntnisse und übergreifende Zusammenhänge. Diese münden oft in neuen Fragestellungen.  Was haben wir gelernt? Können wir es uns noch leisten, Flächen neu zu versiegeln? Der Beruf der Architekt:in ist im Wandel. Der Fokus rückt zunehmend vom Neubauen hin zum Bauen im und mit dem Bestand. Wie können wir bestehende Strukturen umnutzen, erweitern, ausbauen und aufstocken? Wie können wir gewährleisten, dass – falls neu gebaut wird – die Gebäude in Zukunft modifizierbar sind und Bauteile dauerhaft wiederverwendbar bleiben?

Zusammenfassung

Die hier vorgestellten Arbeiten aus Forschung und Lehre zeigen, wie das ILEK kreislaufgerechtes Bauen als einen Bestandteil des (erweiterten) Leichtbaus interpretiert. Die materialübergreifende und technologieoffene Reduktion des gesamten ökologischen Fußabdrucks von Materialien und Konstruktionen über deren gesamten Nutzungszyklus eröffnet eine Vielfalt an möglichen Ansätzen und Lösungen. Wir sind der festen Überzeugung, dass nur ein Bündel an Maßnahmen helfen kann, die erforderliche Transformation des Bauwesens in den nächsten 25 Jahren zu ermöglichen. Hier ist die Rolle der Planer:innen zentral, da je nach Ort und Aufgabenstellung die am besten passende Lösung mit Kreativität, Mut und Innovationsgeist definiert werden muss. Der Schlüssel zum Erfolg liegt daher in der (Aus-) Bildung der kommenden Generation, da sie eine zentrale Rolle in diesem Prozess spielen wird. Parallel werden Methoden und Technologien in der Forschung entwickelt und validiert, welche die Werkzeuge für das Planen und Bauen von morgen sein sollen.

Wir brauchen aber nicht nur radikale neue Lösungsansätze; es lohnt sich auch, den Blick auf ein einfacheres, ressourcenschonendes (Um-) Bauen zu richten. Gebäude können nur dann Teil eines Kreislaufs werden, wenn ihre Räume, Bauteile und Materialien rekonfiguriert, repariert, zerlegt und umgenutzt werden können. Die Verantwortung für die resultierende Transformation tragen aber nicht nur die Planer:innen. Wir müssen den Schulterschluss mit allen Beteiligten, also auch der Politik und der Industrie suchen. Eine bessere Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Akteur:innen kann nur dann erfolgen, wenn mehr Bewusstsein für die verschiedenen Zusammenhänge, für die langfristigen Auswirkungen der Entscheidungen beim Planen und Bauen sowie mehr Bereitschaft zur Innovation vorhanden ist. Fest steht: Wir müssen handeln, und zwar jetzt.

Autor: Lucio Blandini, Leiter des ILEK der Universität Stuttgart, sowie Vorstand und Partner der Werner Sobek AG
Foto: Rene Müller

Autor: Sebastian Hammerling ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am ILEK
Foto: privat

Autorin: Daria Kovaleva ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am ILEK
Foto: privat

Autorin: Hannah Schürmann ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am ILEK und Projektleiterin von D1244
Foto: Florian Reimann