Das Nest – Next Evolution in Sustainable Building Technologies – auf dem Campus der Empa in Dübendorf will die Lücke zwischen Entwicklung und Markt schliessen. In verschiedenen thematischen Units bietet es Plattformen, in denen Innovationen weiterentwickelt werden können, bevor sie den Gesetzen des Markts unterworfen werden.

Die dreistöckige Unit DFAB House wartet als Pilotprojekt «Digital Fabrication» der ETH Zürich und des Swiss National Centre of Competence in Research (NCCR) mit neuartigen Ansätzen rund um das Thema Bau und Materialisierung auf. Das im letzten Februar eröffnete DFAB House ist das erste bewohnte Gebäude der Welt, das digital geplant und mithilfe von Robotern und 3-D-Druckern auch weitgehend digital gebaut wurde.

Jenseits der heutigen baulichen Standards

Schon ein kurzer Blick ins unterste, aus Beton bestehende Geschoss macht deutlich: Das DFAB House befindet sich weit jenseits der heutigen baulichen Standards. Wo in Überbauungen rechte Winkel und strikte Geradlinigkeit vorherrschen, bietet das Betongeschoss geschwungene Linien, Aushöhlungen, hochpräzise Unregelmässigkeiten. Um so etwas konstruieren und gleichzeitig die gesetzlichen Bestimmungen einhalten zu können, muss man traditionelle Herangehens- und Bauweisen radikal überdenken. Eine der Hauptüberlegungen dabei war es, den Materialeinsatz zu optimieren.

Im Grund werde heute nämlich viel mehr Material verbaut, als nötig wäre, sagt Projektleiter Konrad Graser von der ETH Zürich. Wie es anders geht, zeigen etwa die Betonpfosten der Glasfassade. Sie wurden mit einem Verfahren namens Smart Dynamic Casting hergestellt. «Hierbei wird keine komplette Schalung für den Pfosten gebaut und ausgegossen», erklärt der Architekt. Vielmehr gibt es eine Gleitschalung von nur etwa vierzig Zentimetern Höhe, die in einem automatisierten Verfahren kontinuierlich mit Beton ausgegossen und in der Vertikalen bewegt wird. Das sieht dann aus, als würde die Betonstruktur wachsen. Der Vorteil: Mit derselben Schalung sind unzählige verschiedene Strukturen realisierbar.

Streben mithilfe von Algorithmen berechnet

Schaut man genau hin, merkt man, dass jeder Betonpfosten anders ist als seine Nachbarn. «Das ist eine direkte Folge der Kräfte, die auf jede einzelne Strebe wirken», erklärt Graser. Diese wurden mithilfe von Algorithmen berechnet, daraus wurde dann die Form der einzelnen Streben abgeleitet. Graser: «Hier geht es um Materialoptimierung. Es wäre Verschwendung, massige Elemente zu bauen, wenn kaum Kräfte darauf wirken.»

Materialoptimiert ist auch die wellenförmige Betonwand, die als tragender Raumteiler fungiert. Sie wurde in einem Verfahren namens Mesh Mould gebaut – einem völlig neuen Schalungsansatz. Zuerst wurde nach einem digital erstellten Modell eine Gitterstruktur gebaut. Diese wurde mit einem Spezialbeton gefüllt und anschliessend die Wand mit einer weiteren dünnen Schicht Beton überzogen. «Die Schalung bleibt also in der Wand und übernimmt die Armierungsfunktion», sagt Graser. Auf diese Weise lassen sich komplexe Formen ohne überflüssigen Materialaufwand realisieren. «Unter statischen Gesichtspunkten könnte die Wand sogar noch dünner als die jetzigen zwölf Zentimeter sein.»

Die Decke des Betongeschosses erinnert ein wenig an ein Kunstwerk von H. R. Giger.

Gebaut wurde die Gitterstruktur von einer weiteren Innovation: dem «In situ Fabricator». Der Roboter ist in der Lage, Baupläne hochpräzis umzusetzen. Durch eine eingebaute Sensorik kann er sich selbstständig positionieren und unvorhergesehene Umstände auf der Baustelle melden.

Die tragende Decke des Betongeschosses namens Smart Slab erinnert ein wenig an ein Kunstwerk von H. R. Giger. Auch sie besteht aus vorgefertigten Leichtbau-Betonelementen, die an der Baustelle nur noch zusammengebaut werden mussten. «Sie ist in gewisser Weise die Lösung des Dilemmas zwischen dem klassisch kubischen Volumen des Gesamtgebäudes und den atypischen Elementen wie der Wand», so Graser. Dadurch wirken Kräfte, die eine herkömmliche Deckenkonstruktion nicht ohne weiteres bewältigen könnte.

Die Lösung liegt im 3-D-Druck, dank dem das «Skelett» der Decke genau so hergestellt werden kann, wie es statisch notwendig ist. Das spart Material und lässt den Einbau von Hohlräumen für Leitungen und Installationen von Anfang an zu.

Geometrisch völlig freie Formen

Die anderen beiden Geschosse des DFAB House bestehen aus vorgefertigten Holzbaumodulen – eigentlich nichts Neues. «Doch», widerspricht Graser, «es handelt sich dabei um den ersten robotisch zusammengebauten Holzbau der Welt.»

Beim Projekt Spatial Timber Assemblies wurden die kompletten Module computergestützt entworfen. Anschliessend übernahmen zwei Roboter den Aufbau.«Auch hier wurden Position, Form und Masse der Einzelteile genau so konstruiert, wie es die darauf wirkenden Kräfte verlangen», erklärt der Architekt. Dadurch kann die tragende Holzstruktur – anders als normale Holzrahmentragwerke – auch Horizontallasten verarbeiten.

Als direkte Folge dieser Spatial Timer Assemblies wurde eine Fassade entwickelt, die ebenfalls material- und funktionsoptimiert ist. Die so entstandene Leichtbaufassade besteht aus zwei dünnen Membranen. So lassen sich geometrisch völlig freie Formen generieren. Das Ganze ist zwar bis zu einem gewissen Grad flexibel, aber dennoch stabil und vor allem lichtdurchlässig. Auf die Bemerkung, dass man seinen Rembrandt nicht an der Membran aufhängen könne, meint Graser: «Das Gebäude ist zum Glück so ästhetisch, dass man den gar nicht braucht.»

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