Haustech 6/2018

«Wir erweitern das Repertoire der Architekten»

«Was wir heute hier machen, war vor zehn Jahren noch undenkbar.» Konrad Graser vor der 12 Meter langen, wellenförmigen Mesh-Mould-Wand. Diese ist das tragende Hauptelement des DFAB House. (Foto: Nicolas Zonvi)
Simon Eberhard /

In der Unit DFAB House auf dem NEST-Gebäude testen Forschende der ETH Zürich innovative Technologien zur digitalen Fertigung in der Praxis. Haustech unterhielt sich mit dem Projektleiter Konrad Graser darüber, wie Mensch und Maschine im Bauprozess künftig zusammenarbeiten könnten.

Haustech: Das DFAB House auf dem Forschungs- und Innovationsgebäude NEST von Empa und Eawag ist zu grossen Teilen fertig erstellt. Wie hat das Projekt seinen Anfang genommen?

Konrad Graser: Die Planung des Projektes wurde 2015 gestartet. Ausgehend von Modellen im kleinen Massstab und Prototypen haben wir gemeinsam mit den Forschenden ein Konzept entwickelt und uns gefragt, was mit diesen digitalen Technologien heute überhaupt schon gebaut werden kann. In einem zweiten Schritt erfolgte das Upscaling, also das Hochskalieren der Technologien vom Versuchsmassstab zum tatsächlichen Baumassstab. Im Mai 2017 erfolgte schliesslich der Baustart.

Welche Erkenntnisse haben Sie bisher gewinnen können?

Wir haben während des gesamten Prozesses viel darüber gelernt, wie wir Menschen mit den Technologien zusammenarbeiten können. Denn nichts von dem, was wir hier machen, hat die Maschine alleine gemacht. Dahinter stecken Prozesse, die von den Forschenden und Ausführenden gemeinsam entwickelt worden sind. Und gerade hier haben wir wertvolle Erkenntnisse gewinnen können, wie wir uns mit 
digitalen Werkzeugen arrangieren und mit ihnen zusammenarbeiten. Die Herausforderung lag insbesondere darin, die Prozesse im Entwurf so zu gestalten, dass die Stärken der digitalen Fabrikation optimal zum Tragen kommen. Daraus sind auch neue Innovationen hervorgegangen.

Zum Beispiel?

Wir haben festgestellt, dass unser Holzbau und das Prinzip der robotischen Fabrikation, das wir im Teilprojekt «Spatial Timber Assemblies» anwenden, eine komplexe Aussengeometrie zur Folge hat, die nicht kompatibel ist mit der allgemein üblichen Fassadentechnik. So wurde eigens für dieses Objekt eine transluzente Leichtbaufassade entwickelt. Diese Innovation ist also sozusagen aus dem Prozess heraus entstanden. Das ist eine sehr wichtige Erkenntnis: Wenn man diese Technologien sinnvoll einsetzen will, darf man die Prozesse und die Bauteile nicht isoliert betrachten, sondern muss sehr ganzheitlich denken.

Dieser interdisziplinäre Ansatz ist ja ein Kernelement des DFAB House. Acht Lehrstühle der ETH Zürich sind im Projekt involviert. Wie klappt die Koordination zwischen den Beteiligten?

Es ist natürlich anspruchsvoll, vor allem auch, weil die Erfahrungen und die Backgrounds der Beteiligten sehr unterschiedlich sind. Wir mussten im Prozess erst lernen, uns zu verständigen, um gegenseitig Einblick in die jeweiligen Fachgebiete zu kriegen. Dies ist ein ganz zentrales Thema für ein erfolgreiches interdisziplinäres Arbeiten. In diesem Fall hat das sehr gut funktioniert. Das hat auch damit zu tun, dass eine grosse Begeisterung auf allen Seiten da war, diese Technologien wirklich zum Einsatz bringen zu können. Das ist eine einmalige Chance für uns Planende, aber auch für die beteiligten Forschenden.

Sie arbeiten auch mit der Wirtschaft zusammen. Wie haben Sie diese Zusammenarbeit erlebt?

Ausgesprochen gewinnbringend, in dem Sinne, dass wir einerseits die Gelegenheit hatten, uns sehr frühzeitig mit den Unternehmen auszutauschen, also schon ab einer frühen Projektphase beginnen konnten, gemeinsam Lösungen zu entwickeln. Andererseits war es ein beidseitig fruchtbarer Austausch: Die Forschenden haben sehr viel gelernt von den Industriepartnern und umgekehrt. Wir konnten gemeinsam neue Wege denken.

Eine der Technologien, die im DFAB House zum Einsatz kommt, ist «Mesh Mould». Wie schätzen Sie deren Potenzial ein?

Grundsätzlich sehr hoch. Das liegt daran, dass sie viele verschiedene Vorteile vereint. Ich denke da an das schalungsfreie Bauen, das materialökonomisch und energetisch sehr attraktiv ist, weil kein Abfall produziert wird, also keine Bauteile entstehen, die nachher nicht im Gebäude verbleiben und die entsorgt werden müssen. Weiter vermag das System auch komplexe geometrische Formen herzustellen. So können Tragwerke optimiert und Wandstärken dort reduziert werden, wo das Material nicht notwendig ist. Zuletzt kann das System auch für die Architektur neue Türen öffnen. Wir erweitern damit den Architekten sozusagen das Repertoire.

Eine andere Technologie, die dieses Repertoire erweitern könnte, ist der 3D-Druck. Wie beeinflusst dieser den Bauprozess?

Wir spüren bei den Industriepartnern ein sehr grosses Interesse am 3D-Druck. Wie genau dieser in Zukunft eingesetzt werden wird, ist derzeit allerdings noch nicht absehbar. Wahrscheinlich wird es sehr viele Arten geben, wie er künftig in den Bauprozess einfliesst.

Im Teilprojekt «Smart Slab» testen Sie ja ebenfalls eine Methode mit 3D-Druck.

Ja, der 3D-Druck fliesst hier ein in Form einer 3D-gedruckten Schalung. Dies eröffnet uns neue Möglichkeiten der formalen geometrischen Komplexität; wir können Geometrien herstellen, die konventionell so gar nicht gebaut werden könnten. Das ist nicht nur aus ästhetischen Gesichtspunkten interessant, sondern bietet – wie bei Mesh Mould – auch die Möglichkeit, statisch zu optimieren und Tragwerke auszubilden, die sehr differenziert sind. Bei Smart Slab haben wir Rippen, die bis zu 30 Zentimeter hoch sind, als tragende Rippen ausgebildet, aber gleichzeitig andere Teile der Geschossdecke nur zwei Zentimeter dick ausgeführt. Das führt dazu, dass das Materialvolumen insgesamt im Schnitt deutlich geringer wird als in der konventionellen Konstruktion.

Welche Möglichkeiten könnte der 3D-Druck in Zukunft sonst bieten?

Es wird sicher auch möglich werden, mehr Funktionen direkt in die Bauteile zu integrieren. Mit der Integration von Sprinkler und Elektro haben wir hier einen ersten Schritt gemacht, aber es ist vorstellbar, dass in Zukunft viel mehr solche Funktionen in Bauteile integriert werden können, beispielsweise Luftkanäle oder sonstige technische Einrichtungen. Inwiefern wir den 3D-Druck künftig selbst als Bauteil verwenden werden können, wissen wir heute noch nicht. Die Frage ist, wie schnell sich die Technologie hier weiterentwickeln wird. Ich glaube, die Bauwirtschaft und auch die Architekten werden diese Möglichkeiten begeistert aufgreifen, wenn sie technologisch machbar werden.

In der Bevölkerung stösst das Thema Roboter und digitale Fertigung aber nicht nur auf Begeisterung.

Damit werden wir natürlich immer wieder konfrontiert. Wir verfolgen hier aber einen positiven Ansatz. Neue Möglichkeiten zu erschliessen, kann nicht falsch sein. Im Bau und in der Architektur ist es meiner Ansicht nach notwendig, die Kollaboration zwischen Mensch und Maschine neu zu denken. Dabei muss man sich auch den Unterschied zu anderen Gewerben bewusst machen: Auf der Baustelle bestehen ganz andere Anforderungen an digitale Technologien als beispielsweise in einer Werkhalle in der Automobilindustrie.

Inwiefern?

In der Industrie können einzelne Arbeitsschritte in einer isolierten Umgebung komplett automatisiert werden. Auf der Baustelle hingegen besteht dieser 
Luxus nicht. Die Umgebung ist unstrukturiert, und es erfolgen unvorhersehbare Ereignisse, zumindest aus Sichtweise der Maschine. So muss der Baustellenroboter mit enorm viel Sensorik ausgestattet sein und natürlich auch ganz andere Sicherheitsvorkehrungen aufweisen als der Roboter in der Werkshalle – dies, weil er sich eben mit dem Menschen den gleichen Arbeitsplatz teilt.

Das heisst, die Maschine wird künftig zum Arbeitskollegen?

So kann man es sagen. Im Projekt «Mesh Mould» beispielsweise verteilt sich die Arbeit organisch auf die Schultern von Mensch und Maschine. Der Roboter ist sehr gut darin, Elemente im Raum präzise zu positionieren. Er kann 3D-Strukturen vom digitalen Modell im Raum aufbauen ohne externe Referenzen oder Hilfskonstrukte. Das Material hingegen wird manuell zugeführt, weil dies nicht wesentlich ist für die Qualität des zu erstellenden Bauteils. Die digitale Fertigung bietet die Möglichkeit, auf der Baustelle wie auch schon bei der Vorfabrikation mit höherer Präzision und mehr Freiheiten fabrizieren zu können, als wir dazu heute in der Lage sind. Sowohl in der Planung dieser Prozesse als auch in der Ausführung in Zusammenarbeit mit digitalen Werkzeugen wird hingegen der Mensch noch auf sehr lange Zeit eine Rolle spielen.

Sie persönlich beschäftigen sich ja schon seit 2004 mit digitalen Bauprozessen. Was hat sich in dieser Zeit verändert?

Was wir heute hier machen, war noch vor zehn Jahren undenkbar. Es ist erstaunlich, wie rapide sich die Technologien entwickeln und wie Projekte, die man kürzlich nur in der Theorie diskutiert hat, nun zur Ausführung gebracht werden können wie hier im DFAB House. Gleichzeitig bin ich gespannt, wie es in den nächsten zehn Jahren aussehen wird. Die Entwicklungen werden wahrscheinlich an Geschwindigkeit zunehmen. Ich freue mich auf das, was in den nächsten Jahren möglich wird in diesem Bereich.