Halber Beton, volle Leistung: So funktioniert die File-to-Factory-Methode
TU Wien entwickelt Stahlbetondecken mit bis zu 50 % weniger Beton. Möglich wird das durch Topologieoptimierung, CNC-Schalung und Roboterbewehrung.
Bei der Betonage von Geschossdecken wird ein großer Teil des Betons eines Gebäudes verbaut. Das TOPS-Projekt will den Materialbedarf durch digital optimierte Rippenstrukturen deutlich senken.
Foto: picture alliance / SZ Photo | Wolfgang Filser
Bis zu 60 % des Betons eines Gebäudes stecken in den Geschossdecken. Ein gewaltiger Hebel also, wenn es darum geht, Material und CO₂ beim Bauen einzusparen. Genau hier setzt ein aktuelles Forschungsprojekt der TU Wien an: Das Team entwickelt Stahlbetondecken, die im Vergleich zu massiven Flachdecken bis zu 50 % weniger Beton benötigen sollen. Möglich machen das optimierte Rippenstrukturen, CNC-gefertigte Schalungen und robotisch produzierte Bewehrungen.
Materialsparende Betondecken sind zwar keine neue Erfindung – Rippen- und Kassettendecken gibt es seit Jahrzehnten. Doch ihr entscheidender Nachteil lag bisher immer in der Herstellung: Je komplexer die Form, desto aufwendiger und teurer werden Schalung und Bewehrung. Was rechnerisch Material spart, scheitert auf der Baustelle schlicht an den Kosten.
Das Forschungsprojekt TOPS („Topologieoptimierte Stahlbetondecken mit digitaler Schalung und Bewehrung“) will diesen Zielkonflikt nun lösen. Neben der TU Wien beteiligen sich die DataB GmbH und die Schweizer Mesh AG an dem Projekt, das noch bis 2027 läuft.
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Beton nur dort, wo er statisch gebraucht wird
Konventionelle Flachdecken besitzen meist über große Bereiche die gleiche Dicke – das vereinfacht Planung und Herstellung enorm. Aus statischer Sicht ist diese gleichmäßige Materialverteilung jedoch reine Verschwendung. Die Kräfte konzentrieren sich je nach Spannweite, Belastung und Stützenanordnung in bestimmten Bereichen. Andere Zonen tragen kaum zum Lastabtrag bei. Genau dort lässt sich Beton einsparen.
Bei der Topologieoptimierung gibt der Algorithmus deshalb keine klassische Deckenform vor. Er erhält den verfügbaren Bauraum, die Lasten, die Auflager sowie weitere Randbedingungen – und berechnet anschließend, wo Material nötig ist und wo Hohlräume entstehen können.
Das Ergebnis: unregelmäßige Rippenstrukturen, deren Verlauf sich präzise am Kraftfluss orientiert. In stark beanspruchten Bereichen bleibt mehr Material stehen, weniger belastete Zonen werden ausgedünnt. Was auf dem Bildschirm elegant aussieht, stellt die Produktion allerdings vor enorme Herausforderungen.
Komplexe Geometrien scheitern oft an der Schalung
Eine massive Flachdecke erfordert eine vergleichsweise einfache Schalung. Bei einer topologieoptimierten Decke entstehen dagegen unterschiedlich verlaufende Rippen, Verzweigungen und Aussparungen. Eine solche Form von Hand zu zimmern, wäre unbezahlbar.
TOPS setzt deshalb konsequent auf CNC-Technik: Die DataB GmbH fertigte die Schalungen für die Demonstratoren direkt aus den digitalen Geometriedaten. Computergesteuerte Maschinen fräsen das Schalungsmaterial exakt nach den berechneten Konturen.
Damit entfällt ein großer Teil der manuellen Übertragung zwischen Planung und Produktion. Ändert sich die Geometrie im digitalen Modell, lassen sich daraus direkt neue Maschinendaten anpassen. Diese direkte Verbindung beschreibt der Begriff „File-to-Factory“: Die Planungsdatei dient nicht mehr nur als Zeichnung, sondern steuert unmittelbar die Fertigung.
Roboter schweißen die Bewehrung
Mit der Schalung allein ist es jedoch nicht getan. Beton nimmt zwar hohe Druckkräfte auf, ist bei Zugbeanspruchung aber schwach – er braucht eine Bewehrung aus Stahl. Während sich diese bei einer Flachdecke als regelmäßiges Raster verlegen lässt, erfordern die unregelmäßigen Rippen einer topologieoptimierten Decke eine deutlich komplexere Anordnung.
Im TOPS-Projekt übernimmt die Mesh AG diesen Part: Das Unternehmen entwickelt Roboteranlagen, die Bewehrungsstäbe greifen, positionieren, biegen und miteinander verbinden. Die Bewegungsabläufe entstehen direkt aus dem digitalen Bauteilmodell.
Die Herausforderung: Die Bewehrung muss nicht nur statisch funktionieren, sondern so geplant sein, dass der Roboter sie auch tatsächlich fertigen kann. Sehr dichte Knotenpunkte oder ungünstige Stabverläufe blockieren die automatisierte Herstellung. Planung und Produktion müssen also Hand in Hand gehen – die rechnerisch leichteste Struktur ist nicht automatisch die beste Lösung.
Dass die Robotik bereit für die Praxis ist, zeigt MESH bereits beim Bau des zweiten Gotthard-Straßentunnels: Dort fertigt das Unternehmen automatisiert Bewehrungskörbe für Betonfertigteile. Ob sich die Technik ebenso wirtschaftlich auf Geschossdecken übertragen lässt, soll das TOPS-Projekt zeigen.
Zwei Demonstratoren im Belastungstest, doch Details fehlen noch
Das Projektteam hat mittlerweile zwei großformatige Deckendemonstratoren hergestellt (Schalung CNC-gestützt, Bewehrung robotisch) und unter Last geprüft. Nach Angaben der TU Wien wurden dabei unter anderem Tragfähigkeit und Durchbiegung untersucht, um zu bestätigen, dass sich der Betonanteil ohne Leistungseinbußen reduzieren lässt.
Allerdings gibt es einen Haken: Detaillierte Messwerte sind bislang nicht öffentlich verfügbar. Kennwerte zu Spannweite, Betonfestigkeit, Bewehrungsmenge, Prüflast oder der gemessenen Durchbiegung fehlen ebenso wie die genaue Ausführung der konventionellen Vergleichsdecke.
Die genannte Einsparung von bis zu 50 % lässt sich daher nicht pauschal auf jede Decke übertragen – sie bezieht sich auf den projektspezifischen Vergleich mit massiven Flachdecken. Wie viel Material tatsächlich eingespart werden kann, bleibt stark abhängig von Lasten, Stützenraster und Spannweite. Auch beim CO₂-Fußabdruck wird ein Einsparpotenzial von bis zu 50 Prozent genannt, eine vollständige Ökobilanz unter Berücksichtigung von Schalungsaufwand, Maschinenstunden und Transport steht bislang noch aus.
Spannender Ansatz für Serienbauten
Besonders interessant könnte das Verfahren für Gebäude mit größeren Spannweiten und wiederkehrenden Grundrissen sein – etwa im Büro- und Gewerbebau oder bei Einkaufszentren.
Werden dort viele baugleiche oder ähnliche Deckenelemente benötigt, verteilen sich die fixen Kosten für Berechnung, Programmierung und Schalungsfertigung rasch auf hohe Stückzahlen. Genau bei solchen seriellen Geometrien spielt die automatisierte Fertigung ihre eigentlichen Stärken aus.
