Uni Stuttgart erforscht das Bauen in der Zukunft

Bauen in der ZukunftKein Kunstwerk, sondern der Leichtbaupavillon auf der Bundesgartenschau in Heilbronn bei Nacht. Foto: Roeder

IdeenwerkBW-Schwerpunkt Bauen in der Zukunft (1): Zwei Professoren an der Uni Stuttgart haben Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz beim Bauen zu konkurrenzfähigen Konditionen als Ziel. Dazu braucht es neue Baustoffe etwa aus Karbonfasern. 

Innovationen im Bauwesen durchzusetzen ist extrem schwierig. Genau daran aber, am innovativen Entwerfen und Bauen, forschen Wissenschaftler der Universität Stuttgart unermüdlich. Eine wesentliche Rolle spielen dabei sowohl neueste digitale Technologien als auch für die Bauindustrie neue Rohstoffe wie Karbon. Nach und nach erreicht das Kürzel 4.0 mit der Bauindustrie somit eine der letzten Bastionen, die noch viel Raum für Verbesserungen bietet. Das impliziert auch, dass es in der Architektur nicht allein darum gehen kann, immer weiter und höher zu bauen.

Im Schulterschluss und in regem Austausch mit benachbarten Disziplinen verfolgen die beiden Professoren Achim Menges und Jan Knippers dieses Ziel innovativer Lösungen für die Architektur von morgen. Die Motivation der beiden Lehrstuhlinhaber beim Forschen und Experimentieren fasst Bauingenieur Knippers so zusammen: „Unser beider Ambition ist es, Ideen im Kontext der Universität zu entwickeln, ohne dabei stehenzubleiben, sondern sie auch umzusetzen.“

Weltweit verursacht Bauen den größten Energieverbrauch. Schon deshalb geht es Menges und Knippers um „intelligente Systeme für eine zukunftsfähige Gesellschaft, die ökologisch und ressourcenschonend baut.“ Die hochaktuelle Materie, mit der die „Hardware Gebäude durch das Digitale neu gedacht werden kann“ (Menges), begeistert auch ihre Studierenden.

Das Bauen in der Zukunft braucht digitalisierte Planung

Aus ihrer Vision für eine lebenswerte Zukunft entstand an der Universität das Exzellenzcluster „integratives computerbasierte Planen und Bauen für die Architektur“ (IntCDC). Der integrative und interdisziplinäre Forschungszweck der aktiven Zusammenarbeit verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen soll das architektonische Neuland, an dem speziell Menges und Knippers seit vielen Jahren arbeiten, voranbringen und das volle Potential digitaler Technologien erschließen.

Dass dies für die Gesellschaft sehr relevant ist, sah die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) genauso und erhob die fakultäts- und institutsübergreifende Kooperation zum Exzellenzcluster. „Es ist eine tolle Sache für das Bauschaffen und die Architektur, dass es zum allerersten Mal ein Exzellenzcluster in diesem Bereich gibt und damit auch diese Forschungsfelder gewissermaßen salonfähig geworden sind in der Spitzenforschung“, sagt Clustersprecher Menges.

Achim Menges und Jan Knippers  Foto: Roeder

Die daran gekoppelten mehreren Millionen Euro Forschungsgelder helfen den Wissenschaftlern, ihre Ambitionen noch intensiver zu verfolgen. Außer Frage steht für Menges, dass „die digitalen Planungsmethoden, aber auch die Bauprozesse und letztendlich die daraus entstehenden Bausysteme das Potential haben, eine wirkliche Veränderung in der Architektur herbeizuführen.“ Dass die Methoden, mit denen neue Bauweisen möglich werden, auch eingesetzt werden, dafür wollen sich die beiden Institute mit Elan einsetzen. Konkret kooperieren und forschen deshalb Ingenieur-, Natur-, Geistes- und Gesellschaftswissenschaften auf Spitzenniveau.

Noch vor fünf Jahren wären solche Bauten wie auf der Bundesgartenschau in Heilbronn nicht möglich gewesen, sagen die beiden Professoren. Das allein bestätigt sie in ihrem Tun, ihr Verständnis von „Architektur und Bauwesen 4.0“ voranzutreiben, à la longue im Markt zu etablieren und wettbewerbsfähig zu machen.

Ein kleinerer ökologischer Fußabdruck ist der Schlüssel

Sie sind keine Biologen, aber der Natur auf der Spur. Das Ergebnis sind die bionischen Strukturen ihrer Bauentwürfe. „Wie können wir leichter, mit geringerem ökologischem Fußabdruck bauen, wie mit weniger Materialien bauen? Das treibt uns um“, sagt Menges. Wie schon die Automobilindustrie, so stellte auch sein Institut fest, dass „hervorragende Beispiele weniger in unserem eigenen Feld des Bauschaffens zu finden sind, sondern eher in der Natur, die immer ressourceneffizient baut und ganz andere konstruktive Prinzipien demonstriert, als wir das aus dem Bauen kennen.“

Bei ihren seit dem Jahr 2012 breit angelegten Studien in diese Richtung stellten die Forscher schnell fest, dass „eigentlich alle lasttragenden Strukturen in der Natur Faserverbundwerkstoffe sind – auch Holz.“ Menges freut sich insbesondere über die „große Diversität und unglaubliche Leistungsfähigkeit, die dadurch entsteht, dass die Natur jede Faser dort verbaut, wo sie tatsächlich gebraucht wird.“ Daraus ergeben sich mannigfaltige Möglichkeiten für Ästhetik und Design.

Verbundfasern geben beim Bauen in der Zukunft Freiheiten

Wegweisend an der Universität Stuttgart ist der Umgang mit den neuen Fasern. Dazu Menges: „Das Innovative, das wir hier an der Universität Stuttgart entwickelt haben, ist dass wir keinen Formenbau brauchen, sondern dass wir an den Enden der Bauteile lediglich einfache Wickelrahmen haben, die gleichzeitig als die Verbindungsschnittstelle von Bauteil zu Bauteil dienen. Die Fasern werden frei im Raum gelegt, die Form des Baukörpers entsteht dann Schritt für Schritt allein dadurch, wie die Fasern miteinander interagieren.“

Die zwei Pavillons auf der Bundesgartenschau, inspiriert von der Natur und dem Prinzip, mehr Form mit weniger Material darzustellen, spiegeln den Stand der Technik wider, den die Institute in Kooperation mit Zulieferern aktuell beherrschen. „Jede der Komponenten am Faserpavillon wiegt ungefähr 80 Kilo, kann aber 25 Tonnen Drucklast tragen. Das ist enorm und besser als bei den allermeisten anderen Baukonstruktionen“, betont Knippers. Das Ergebnis eines „ausgeklügelten Optimierungsprozesses hat ein Flächengewicht, das bei 7,6 Kilogramm pro Quadratmeter liegt. Vergleichbare Stahl- und Holzkonstruktionen dieser Spannweite würden bei gleicher Leistungsfähigkeit mindestens das fünf- oder sechsfache wiegen.“

Bionische Architektur ist langlebig

„Unser Anliegen im Exzellenzcluster ist es zu sagen: Es geht nicht allein darum, vorhandene Methoden zu verbessern, bestehende Prozesse zu optimieren, sondern wie die Digitalisierung zu ganz neuen und besseren Bausystemen führen kann“, betont Knippers und fährt fort: „Besser kann dabei vieles bedeuten: leistungsfähiger, wirtschaftlicher, qualitätsvoller, sozial nachhaltiger. Dahinter steckt ein ganzer Kanon von Kriterien und Anforderungen an die Architektur.“

Natürlich eignet sich die strukturell stark andersartige Formgebung von Fasern nicht für Geschossbauten. Essentiell ist die neue Herangehensweise an Architektur gleichwohl. Weltweit, so die Professoren einhellig, steigt der Raumbedarf rasant. Seriösen Hochschätzungen nach muss in den nächsten 35 Jahren in den Städten dieser Welt für 2,6 Milliarden Menschen neu gebaut werden. Bis dahin, so hoffen Menges und Knippers, sollen ihre Vorschläge nicht nur ökologisch und ressourcenschonend eingesetzt werden können, sondern auch ökonomisch darstellbar sein.

Die Leichtigkeit der Komponenten überträgt sich auf den gesamten Transport- und Montageprozess: Statt mit schweren Stahlträgern auf dem Lastwagen von A nach B zu fahren, braucht es kein großes Gerüst, kann die ganze Montage sehr schnell und sehr einfach ablaufen. Somit wird auch das Bauen vor Ort umweltschonender.

Zu den Instituten mit ihren Professoren und ihrer Arbeit
www.icd.uni-stuttgart.de
www.achimmenges.net Der Architekt ist auch der Gründer des Institute for Computational Design im Jahr 2008 an der Universität Stuttgart.
www.itke.uni-stuttgart.de
www.janknippers.com Der Bauingenieur leitet das Institute for Building Structures and Structural Design an der Universität Stuttgart seit dem Jahr 2000.

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