Haustech 6-2017

Formenfreiheit dank digitalem Bauen mit Beton

Der Bauroboter «In situ Fabricator» kommt derzeit im Nest an der Empa in Dübendorf erstmals in der Praxis zum Einsatz. (Bild: Empa)
Sandra Aeberhard /

Mit der preisgekrönten Technologie Mesh Mould haben Forscher des Digital Fabrication Lab der ETH Zürich neue Massstäbe in Sachen Betonkonstruktion gesetzt. Die bisher nur im Labor eingesetzte Methode wird zum ersten Mal beim Bau eines Hauses im Nest-Gebäude der Empa in Dübendorf angewendet. Dabei stellt ein Roboter direkt auf der Baustelle Betonbauteile her.

Das digitale Bauen entwickelt sich zu einer neuen Kerndisziplin in der Architektur. Die neue Technologie namens Mesh Mould bietet sowohl für massgeschneiderte wie auch für standardisierte Beton-Architektur Vorteile: Während das grosse Plus im Falle von individuellen Bauten darin besteht, dass keine material- und kostenintensiven Einwegschalungen hergestellt werden müssen, liegt der Vorteil bei standardisierten Betonstrukturen in der Möglichkeit, diese strukturell zu optimieren.

Beim Bauen mit Beton ist die Schalung, die bei der Herstellung von Stahlbetonstrukturen die endgültige Form bestimmt, bei konventioneller Bauweise meist sehr kostenintensiv. Sie erhöht aber nicht nur die Baukosten, sondern auch den Materialaufwand und die Abfallmengen. Diese Probleme soll die MeshMould-Technologie beseitigen, die Forscher des Nationalen Forschungsschwerpunktes (NFS) Digitale Fabrikation der ETH Zürich entwickelt haben.

Variable Wanddicken

Mesh Mould ermöglicht, tragfähige BetonBauelemente ohne Schalung zu bauen. Dabei sind Schalung und Bewehrung in einem engmaschigen Stahldrahtgitter vereint. Das Gitter wird am Computer modelliert und in der Folge von einem Bauroboter mit hoher Präzision erstellt. Nachdem das Gitter steht, wird die Betonmischung hineingefüllt. Dank der engen Maschen des Gitters und der spezifischen Mischung fliesst der Beton seitlich nicht heraus.

Formenfreiheit 

Mit der digitalen Konstruktionstechnik verschwindet für den Architekten die Bindung an gleichmässige Geometrien. So lassen sich neuerdings Wände mit variabler Dicke bauen, bei denen an jedem Punkt über die gesamte Wandlänge die notwendige Belastbarkeit die Wandstärke bestimmt.
Mesh Mould in der Praxis Die Mesh-Mould-Technologie kommt in Kürze auf dem modularen Forschungs- und Innovationsgebäude Nest der Empa in Dübendorf als Teil der Unit des NFS Digitale Fabrikation zum ersten Mal in einer Realanwendung im Massstab 1:1 zum Einsatz.

Der Bauroboter «In situ Fabricator» wird eine Wand bauen, die eine der strukturellen Hauptkomponenten der Gebäudeeinheit bilden wird. Noch vor dem Start in der Praxis konnte Mesh Mould bereits Lorbeeren ernten: 2016 wurde das Projektteam mit dem Swiss Technology Award in der Kategorie «Inventors» ausgezeichnet, dem bedeutendsten Preis der Schweiz für Innovation und Technologietransfer.

Digitales Ornament

Auch beim Bundesstrafgericht in Bellinzona, bei dem ein bestehender Bau um einen Neubau ergänzt wurde, setzten die Architekten Béarth & Deplazes und Durisch + Nolli auf digitale Entwurfsprozesse. Die vier quadratischen Gerichtssäle sind von pyramidenförmigen Kuppeln überdeckt, über deren abgestumpfte Spitzen Tageslicht ins Innere dringt. Ausgekleidet sind die Kuppeln mit vorgefertigten Betonelementen, hinter denen sich Akustikpaneele für den Schallschutz befinden. Die nötigen Öffnungen präsentieren sich in Form eines organischen Ornaments. Entwickelt wurden die Kuppelschalen zusammen mit den Architekten Gramazio Kohler, die sich auf digitale Entwurfs- und Fabrikationsprozesse spezialisiert haben.

Knete bildet Basis

Ausgangspunkt  bildete ein einfaches Knetmodell. Am Computer wurde dessen Muster so optimiert, dass es sich nahtlos zusammensetzt, ohne repetitiv zu wirken. Das digitale Entwerfen macht es möglich, jederzeit einen Überblick über die unterschiedlichen Abhängigkeiten zu haben. Ohne diese technologische Innovation wären laut Gramazio Kohler weder der Entwurf noch die Produktion der Kuppeln in dieser Komplexität zu realisieren gewesen. Die Konsequenzen von Anpassungen, die im Verlauf des Entwicklungsprozesses vorgenommen wurden, waren bis hin zu den Kosten jederzeit direkt ablesbar. Ein exaktes digitales 3D-Modell lieferte die Datenbasis für das computergesteuerte Ausfräsen der Positivformen, welche die Schalungsmatrizen bildeten, und die in der Folge ausbetoniert wurden.

Um das digitale Bauen mit Beton weiter voranzutreiben, ist eine intensive und interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Architekten, Robotikspezialisten, Materialwissenschaftlern und Statikern gefragt. Das Potenzial, das sich damit der Baubranche eröffnet, ist enorm. Digital entwickelte Betonbauten werden künftig von einer wesentlich grösseren  Formenfreiheit, von einer gesteigerten Nachhaltigkeit und mehr Effizienz auf dem Bau profitieren.