Neue Entwurfsansätze für ein zirkuläres Bauen

Historische Beispiele: Polonceaubinder (li.) und Zollingerdach
Grafik: FH Erfurt

Die Baubranche zählt in Deutschland zu einem der größten Abfallverursacher. Laut Statistischem Bundesamt sind im Jahr 2018 in diesem Sektor nahezu 55 % an Bau- und Abbruchabfällen entstanden. Das entspricht einer Gesamtmenge von 417 Mio. t Abfall. Diese Dimension verdeutlicht den enormen Ressourcenverbrauch, der in dieser Branche besteht. Den größten Anteil machen dabei die mineralischen Abfälle aus, die zu 90 % wiederverwertet werden. Beim Umgang mit Bauabfällen muss jedoch zwischen zwei Arten der Wiedernutzung unterschieden werden: dem Wiederverwerten, was einem sogenannten Down­cycling entspricht, bei dem ehemals hochwertige Materialien nur minderwertiger wiederverwendet werden, zum Beispiel als Verfüllmaterial im Straßenbau, und dem Recycling, das ein tatsächliches Wiederverwenden des ursprünglich eingebauten Materials oder Bauteils im Sinne einer Kreislaufwirtschaft darstellt.

Mock-up
Foto: FH Erfurt

Das Recycling von Baumaterial erfolgt in der Branche bisher noch in viel zu geringem Umfang. Grund dafür sind häufig Materialverbindungen, die beim Abriss eines Gebäudes nicht mehr oder nur unter hohem ökonomischem Aufwand in sortenreine Materialströme rückgeführt werden können. Gleichzeitig lässt sich eine Ressourcenknappheit beobachten, der sich Industriezweige weltweit ausgesetzt sehen und die gerade auch den Bausektor betrifft, sodass selbst mineralische Baustoffe wie Sand zu einer schwindenden Ressource geworden sind. Die Problematik der Ressourcenverknappung steht dabei in direktem Zusammenhang mit dem Klimaschutz, denn neben dem Verbrauch von Ressourcen wird bei der Herstellung von Baumaterialien Energie aufgewendet, was klimaschädliche Treibhausgase verur­sacht. Alles, was dabei von der Herstellung bis zum Rückbau an Energie für ein Bauteil benötigt wird, bezeichnet man als Graue Energie.

Material Systematisieren: Bauschutt-Datenbank
Foto: FH Erfurt

Trotz schwindender Ressourcen und der Anforderungen des Klimaschutzes steht die umfassende Wiederverwendung von Baustoffen zum Zwecke neuer Konstruktionen und Gebäude noch am Anfang. Auch aufgrund einer Vielzahl von Fragen, die sich dabei ganz neu stellen, hat sich diese Praxis noch nicht umfassend durchgesetzt. So gilt es zum Beispiel, die Eigenschaften von gebrauchten Materialien, die vor langer Zeit eingebaut wurden, herauszufinden und nachzuweisen sowie zu klären, wer die Gewährleistung beim Wiedereinbau übernimmt. Neben rechtlichen und materialspezifischen Fragen ist die Wiederverwendung von Materialien aber auch eine Frage der Baukultur und der Frage, inwiefern Bau­herr:innen und Gesellschaft bereit sind, ihr Verständnis von einem „neuen“ Bauwerk zu überdenken bzw. sich auf eine Architektur einzulassen, die ihren architektonischen Ausdruck vornehmlich über Prinzipien der Wiederverwendung, Reparatur und des Zusammensetzens ursprünglich anderweitig genutzter Bauteile generiert.

Knotenvarianten (von links nach rechts): Clip, Cube, Sphere, Plug, Gumball, Link
Grafik: FH Erfurt

1.1 Wiederverwendung und materialsparende Konstruktionen in der Baugeschichte

Jahrhundertelang galt das, was wir heute als Recycling bezeichnen als selbstverständlicher Erhalt wertvoller Ressourcen. Keine Handwerker:in oder Baumeister:in wäre auf die Idee gekommen, Materialien oder Bauteile, die sich bereits in Verwendung befanden, bei Bedarf nicht wieder zu reparieren und wiederzuverwenden. Dieses Prinzip war lange Zeit den ökonomischen Bedingungen geschuldet, nach denen der Abbau von Ressourcen und die Herstellung von Bauteilen stets mit großem Aufwand verbunden waren. In der Architekturgeschichte lassen sich unzählige Beispiele finden, in denen Baumaterial als kostbare Ressource wiederverwendet wurde. So dienten Bauten aus der römischen Antike wie das Kolosseum nach dem Untergang des römischen Reiches bereits den Menschen im Mittelalter und in der Renaissance als Steinbrüche zum Bau eigener Gebäude. Dieses jahrhundertealte Prinzip der Wiederverwendung verlor erst mit der Industrialisierung und der Erschließung der ersten scheinbar unerschöpflichen fossilen Energieträger an Bedeutung, die wiederum den Antrieb für neue Erfindungen auf dem Gebiet des Maschinenbaus gaben. Damit wurde eine Entwicklung in Gang gesetzt, die die Materialkosten im Vergleich zu den Arbeitskosten günstiger werden ließ, was letztlich auf Kosten der Umwelt und der endlichen Ressourcen unseres Planeten ging. Dennoch gab es auch im 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts herausragende Ingenieur:innen, die die Sparsamkeit zu einer Prämisse in ihrer Konstruktion erhoben. So entwickelte Camille Polonceau (1813–1859) im Auftrag der damaligen französischen Eisenbahngesellschaft ein äußerst materialsparendes Trägersystem für Güterschuppen, den sogenannten Polonceaubinder (1837). Der Binder besteht aus zwei unterspannten Trägern, die im First gelenkig miteinander verbunden sind und mittels eines Zugbandes kurzgeschlossen werden. Durch die konsequente Trennung in Zug und Druckelemente stellt die Konstruktion eine sehr materialsparende und filigrane Bauart für weit gespannte Hallendächer dar. Eine ganz andere Art einer ebenfalls sehr materialsparenden Dachkonstruktion ist die Zollingerdach-Konstruktion (1921) von Friedrich Reinhart Baltasar Zollinger (1880–1945). Sie macht sich das Prinzip eines Hebelstabwerks zunutze. Ihre in Rauten aufgelöste Gitterstruktur besteht jeweils aus einer durchlaufenden Holzlamelle und zwei mittig anstoßenden Lamellen, die mittels eines Schraubbolzens zusammengefügt werden. Durch ihre tonnenähnliche Gesamtform stellt sie eine formaktive Struktur dar, die durch die Verwendung von relativ kurzen Holzbohlen mit geringem Trägerquerschnitt eine filigrane und dabei sehr ästhetische Konstruktion ermög­licht. Die genannten Tragstrukturen sind zwei Beispiele von vielen anderen historischen Konstruktionen, die uns bis heute ein Vorbild für materialsparendes Entwerfen sein könnten, – die aber,  abgesehen von ihrem historischen Erhalt bei Bestandsbauten oder für repräsentative Konstruktionen, nur sehr selten eine Rolle bei neu errichteten Bauwerken spielen. Im standardisierten Industriebau gilt bis heute die ökonomische Prämisse, dass die Arbeitskosten die Materialkosten schlagen. Dies führt dazu, dass Konstruktionen mit massiven Querschnitten in der Regel gegenüber filigraneren Konstruktionen vorgezogen werden, bei denen der Querschnitt je nach Verlauf der Kräfte materialsparend aufgelöst wird.

3D-Scan Mauerwerksfragment und Überarbeitung als NURBS-Geometrie
Foto: FH Erfurt

1.2 Entwurfsansatz ausgehend vom vorgefundenen Material

Mit der Frage, wie das Wiederverwerten (Downcycling) von Bauschutt zugunsten eines Recy­clings und Rückführens des Materials in den Bauzyklus verhindert werden kann, beschäftigten sich fünf Studierende und zwei Lehrende in einem Mas­terstudio an der Fachhochschule Erfurt. Damit stießen sie einen Prozess an, der vom vorgefundenen Fragment bis zum Bau eines Pavillons im Maßstab 1 : 1 führte. Ziel am Ende des Semesters war es, ein Mock-up aus Bauschutt und 3D-gedruckten Verbindungselementen zu realisieren. Startpunkt war die Suche nach Bauschutt möglichst in nächster Nähe zur Hochschule. Dabei galt alles, was in aufgelassenen Brachen und Ablagestellen freigegeben war, als potenzielle Materialressource. Die Herangehensweise unterschied sich damit von einem üblichen Entwurfsstudio, da am Anfang kein Entwurf erarbeitet, sondern direkt mit dem potenziellen Baumaterial begonnen wurde. Dies veränderte nicht nur die gewohnte Entwurfsmethodik, sondern auch den Blick der Studierenden auf die Stadt und ihre potenziellen Ressourcen, die oftmals unentdeckt im Stadtraum vorhanden sind. So entstand eine Sammlung aus den unterschiedlichsten Fragmenten, zum Beispiel Metallprofilen, Backsteinen und Hochlochziegeln bis hin zu Fensterrahmen. Diese Sammlung diente als Grundlage für eine Datenbank, in der die wesentlichen Informationen (Fundort, Bild etc.) zu jedem Bauteil hinterlegt werden konnten und das Bauteil nach Materialität und geometrischen Oberbegriffen (zum Beispiel Stein, Stab, Platte) klassifiziert wurde. Zusätzlich wurde in der Datenbank jedem Fragment sein digitaler Zwilling zugeordnet. Dazu wurde jedes gefundene Element 3D-gescannt und als NURBS (Non-uniform rational B-Splines)-Geometrie abgespeichert. Die Datenbank bildete die Grundlage für alle weiteren Experimente.

Mock-up Zeichnungen, Aufsicht und Ansicht
Grafik: FH Erfurt

1.3 Entwicklung von Fügungssystemen

Bei der Wiederverwendung von Bauteilen lassen sich grundsätzlich zwei Prinzipien unterscheiden: das funktionsgleiche Prinzip, bei dem die gebrauchten Materialien auf die nahezu gleiche Art wiedereingesetzt werden, und das interpretative Prinzip, bei dem das Material oder Bauteil auf eine Art eingesetzt wird, für die es ursprünglich nicht vorgesehen war. Diese Interpretation vergrößert die Einsatzmöglichkeiten enorm, erfordert aber eine intensive Auseinandersetzung mit Fügung und Konstruktion. In der Umsetzung des Mock-ups wurden letztlich beide Prinzipien untersucht.

Ausgehend von den gescannten 3D-Fragmenten wurden zuerst mögliche Fügungstechniken untersucht. Jede Lösung musste dabei folgenden Fragen gerecht werden:

– Wie kann an die unterschiedlichen Material- oberflächen und Geometrien der Fragmente angeschlossen werden?

– Wie können die Druck-, Zug- und Biegekräfte aufgenommen werden?

– Wie können die unterschiedlichen Winkel der Bauteile unter Berücksichtigung der gewünschten Globalgeometrie in einer Fügung geometrisch zusammengeführt werden?

Insgesamt wurden sechs Lösungen (Clip, Cube, Sphere, Plug, Gumball, Link) erarbeitet, welche die an sie gestellten Anforderungen unterschiedlich gut erfüllten. Da der größte Anteil der Bauschuttsammlung aus Mauerwerksresten mit ­Aussparungen bestand, wurde der „Link“ als erfolgversprechendste Lösung ausgewählt. Er sieht individuelle Verbindungen vor (kein Knotenpunkt gleicht dem anderen) und kann so auf die unterschiedlichsten Geometrien der Fragmente und Anschlusswinkel eingehen. Diese Art von Verbinder basiert auf einem verstärkten Mittelbereich, von dem mindestens zwei Arme ausgehen. Die jeweiligen Enden münden in den Öffnungen der Fragmente. Die Links werden dabei ca. 5 cm tief in den Löchern versenkt und bilden an der Kante eine Wulst zur Fixierung aus. Zwischen den Steckern wird eine formstabile Verbindung erstellt.

Logistik und Aufbau Mock-up
Foto: FH Erfurt

Einzelne Steine waren allerdings so beschädigt, dass eine Fügung durch die Verbinder nicht immer möglich war und eine Reparatur notwendig wurde. Um diese Steine dennoch verwenden zu können, wurden die jeweiligen Bruchkanten im 3D-Modell definiert und mittels Prothesen aufgefüllt, die als Gitterstruktur ebenfalls 3D-gedruckt wurden. Dadurch wurde die Form der Ziegel soweit wiederhergestellt, dass sie in den Konstruktionsverband integriert werden konnten.

1.4 Umsetzung des Mock-ups aus Mauerfragmenten

Die Links bilden das eigentliche Herzstück des Projekts. Ihre Entwicklung ermöglichte es, Ziegel nicht nur zu stapeln, sondern auch in frei definierbaren Formen einzusetzen. Für die globale Form wurde die Kuppel gewählt, die zur Hälfte realisiert wurde, da der Standort für das Mock-up eine größere Dimension nicht zuließ. Die andere Hälfte der Kuppel wurde durch eine auf Rahmen gespannte Spiegelfolie simuliert, wodurch der Pavillon optisch komplettiert wird. Im unteren Bereich des Mock-ups sind die Steine nach einem vordefinierten Algorithmus unterschiedlich gestapelt. Sie bilden das Fundament, das nach oben hin mit der eigentlichen Konstruktion der Kuppel verschmilzt. Die Fundamente bestehen ebenfalls aus gefundenen Mauerwerksresten, die im Gegensatz zur Kuppel mehr oder weniger funk­tionsgleich zu ihrem ursprünglichen Verwendungszweck eingesetzt wurden. Insgesamt besteht das Mock-up aus 244 Steinen, von denen keiner dem anderen gleicht. Die Komplexität der Planung und Umsetzung des Mock-ups ergab sich sowohl aus den individuellen Fügungen der Steine als auch aus den ganz unterschiedlichen Steinfragmenten und sie konnte nur mit einer Software für algorithmische Modellierung umgesetzt werden. Dazu wurde neben der 3D-Scan-Software und der Software für die Erstellung der Datenbank vornehmlich mit dem Programm „Rhinoceros“ und Programmplugins wie „Grasshopper“ und „Wasp“ gearbeitet.

Detailansicht
Foto: FH Erfurt

Ziel des Masterstudios war es, anhand eines Mock-ups zu untersuchen, wie aus Mauerwerksfragmenten ein Experimentalbau entstehen kann. ­Dabei ging es nicht um den Anspruch, Anforderungen aus Normen, Fragen der Materialprüfung und viele andere Vorgaben, die es üblicherweise beim Bauen einzuhalten gilt, zu erfüllen, sondern die Sichtweise auf Bauabfall als möglichen Rohstoff für ein neues architektonisches Konzept zu verändern. Mit algorithmischen Entwurfs- und Modellierungsprogrammen erhalten Archi­tekt:innen Werkzeuge an die Hand, mit denen sie nicht nur extravagante Geometrien erzeugen, sondern auch ungleiche Geometrien wiederverwendbarer Bauteile und Restmaterialien in einen Planungsprozess kreativ einbinden und gestalterisch umsetzen können. Dabei helfen 3D-Druckverfahren, die Distanz zwischen Planer:innen und Ausführenden zu verringern, indem schnell und im Maßstab 1 : 1 Entwurfs- und Detaillösungen produziert und überprüft werden können. 

Autoren: Johannes Pellkofer (Foto) ist Dipl.-Ing. Architekt und besitzt einen Master in Business Administration. Er lehrt als Professor für Entwerfen, Baukonstruktion und Grundlagen der Gebäudetechnik an der Fachhochschule Erfurt. Neben seiner akademischen Tätigkeit arbeitet er als selbstständiger Architekt.
www.fh-erfurt.de
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Philipp Mecke ist Architekt in Berlin. Seit 2017 lehrt Philipp ­Mecke an verschiedenen Hochschulen und arbeitet mit verschiedenen natio­nalen und internationalen Partner:innen aus den Bereichen ­Architektur, Kultur und Technologie zusammen.
www.philipp-mecke.com
Foto: Privat