Ressourcen sparen: Roboter baut Holzhaus

Nachhaltigkeit in der Baubranche umzusetzen, ist eine große Herausforderung. Es ist zum Teil schon schwer genug, auf umweltfreundliche Materialien umzustellen. Zudem muss das Bauen an sich effizienter werden. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der Universitäten Stuttgart und Freiburg haben es sich daher zum Ziel gesetzt, ganz neue Ansätze für das Bauen der Zukunft zu entwickeln. In einem gemeinsamen Projekt hat das Team einen Pavillon in Holzleichtbauweise an der Technischen Fakultät der Universität Freiburg errichtet, an dem die Forschenden beispielhaft neue Materialien und Bauweisen einem Praxistest unterziehen. Jetzt steht der Pavillon „livMatS Biomimetic Shell @ FIT“.

Ressourcen sparen beim Bau

Es handelt sich dabei um einen Pavillon, der nach bionischen Prinzipien entworfen wurde. Dafür haben die Exzellenzcluster Integrative Computational Design and Construction for Architecture (IntCDC) der Universität Stuttgart und Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) der Universität Freiburg eng zusammengearbeitet.

Denn natürlich ging es um weit mehr als nur um ein modernes Design: Computerbasierte Planungsmethoden wurden eingesetzt, und Roboter unterstützten bei der Fertigung der Bauteile sowie dem Zusammensetzen der Elemente.  Grundsätzlich arbeiteten Mensch und Maschine eng zusammen, was im Ergebnis auf eine deutliche Ressourcenersparnis hinauslief, im Vergleich zu konventionellen Holzbauweisen.

Klimaneutrales und schnelles Bauen mit Holz

Weniger Material durch Hohlräume beim Holzbau

Der Pavillon besteht im Wesentlichen aus Hohlkassetten aus Holz. Die Hohlräume haben sich als eine gute Möglichkeit herausgestellt, den Materialverbrauch für die Gebäudehülle zu senken. Das heißt aber nicht, dass der Pavillon deswegen ein „Leichtgewicht“ in Bezug auf die Qualität wäre. „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 Achim Menges, Professor am 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.“

Anders gesagt: Die gesamte Baustruktur ist so aufgebaut, dass sie in wenigen Schritten zerlegt werden kann. Dabei lassen sich die Bestandteile sortenrein und wiederverwenden oder recyceln.

Natur als Vorbild für effiziente Holzbauweise

Als Vorbild diente den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen das Skelett eines Seeigels. Es besteht aus einzeln angeordneten Platten und ist hierdurch besonders leicht und stabil. Dieses Prinzip hat das Team auf den Pavillon übertragen. Es reicht natürlich nicht, Material zu sparen, trotzdem muss die Statik stimmen. Für Jan Knippers vom Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) liegt der Schlüssel dafür in der Digitalisierung der Planung und Fertigung.

Praktisch sieht das folgendermaßen aus: Der Kooperationspartner müllerblaustein HolzBauWerke GmbH hat die Bauteile mit einer innovativen transportablen Roboterplattform 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.

Außerdem setzten die Forschenden für die „livMatS Biomimetic Shell @ FIT“ erstmals automatisierte Spinnenkräne in einer realen Baustellensituation ein. Die Kräne haben Vakuumgreifer, die Bauteile aufnehmen, sie automatisch an der entsprechenden Einbauposition platzieren und in Position halten, bis diese von einem weiteren Kran verschraubt werden. Menges erklärt: „Damit diese Bauroboter präzise arbeiten, haben wir ein automatisiertes Netz aus Echtzeit-Tachymetern entwickelt, die ihre Position bestimmen.“

Pavillon nutzt erneuerbare Energiequellen

Jetzt soll der Pavillon auch energieneutral betrieben werden. Im Inneren liegt beispielsweise eine thermisch aktivierte Bodenplatte aus Recyclingbeton. Sie nutzt geothermische Quellen, um die Temperatur im Pavillon zu verändern. Ein spezielles Verschattungssystem aus biobasierten, 4D-gedruckten Materialien trägt dazu bei, das Gebäudeklima zu regulieren, indem es das Innere im Sommer vor hohen Wärmelasten abschirmt und im Winter Sonneneinstrahlung zulässt.

Das „Solar Gate“ passt sich automatisch an die Sonnenbedingungen an. Wieder fanden die Forschenden ein Vorbild in der Natur: Kiefernzapfen, die sich feuchtigkeitsgesteuert öffnen und schließen. Es ist also alles da. Der Mensch muss nur lernen, die komplexen Prinzipien der Natur auf seine Bauwerke zu übertragen.

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