Ein neues Werkstattgebäude der RPTU Kaiserslautern-Landau verbindet architektonische Eleganz, eine hohe Nutzungsvariabilität und eine reversible Bauweise. Das Projekt gewann den Holzbau Hochschulpreis 2023, der im Mai auf der LIGNA in Hannover verliehen wurde.
Die neue Weichenstellung bei der Förderung von Wohngebäuden ist eines von vielen Signalen dafür, dass die Nachhaltigkeit des Bauens inzwischen im Zentrum der politischen Aufmerksamkeit angekommen ist. Und vieles spricht dafür, dass es weitere Schritte in dieser Richtung geben wird. Mögliche Themen wären in diesem Zusammenhang die Graue Energie oder die Optimierung der Recyclingfähigkeit bis hin zur Integration von Gebäuden in eine Kreislaufwirtschaft. Neue Herausforderungen für den Holzbau, die aber von den exzellenten Chancen aufgewogen werden, die aus dieser Entwicklung resultieren.
Reversible Gebäude
Ein gutes Beispiel für diese Chancen ist ein 400 m2 großes Holzgebäude im Diemersteiner Tal, das die Keimzelle für einen neuen Campus des Fachbereichs Architektur der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) bildet. Die neue Halle soll primär als Werkstattgebäude genutzt werden, bietet aber auch einen idealen Raum für Seminare, Workshops und andere universitäre Veranstaltungen. Architektonisch handelt es sich um ein schlichtes Holzgebäude mit runden Glasflächen auf der Traufseite und zurückspringenden, durchscheinenden Giebelfassaden aus Polycarbonat. Durch Letztere entstehen große Giebelloggien, die als geschützter Aufenthaltsraum im Freien genutzt werden können. Laut Dipl.-Ing. Viktor Poteschkin, Koordinator der für die Bebauung Verantwortlichen, werden nach und nach weitere innovative Holzbauten auf dem 8200 m2 großen Gelände im Diemersteiner Tal hinzukommen. Geplant sind ein zweigeschossiges Büro- und Wohngebäude und eine Prüfhalle, in der im Werkstattgebäude modellierte, innovative Holzkonstruktionen geprüft werden.
All diesen Gebäuden ist gemein, dass sie Versuchsbauten einer angewandten Holzbauforschung sind, bei der ein Schwerpunkt auf Reversibilität, also auf Demontierbarkeit und Wiederverwendung der Bauteile liegt. Auch wenn man damit nicht wirklich für die Ewigkeit baut, wie es der metaphorische Titel suggeriert, geschieht dies unter dem Primat einer möglichst langen Nutzungsphase im ersten Zyklus. Diese lässt sich durch die einfache Demontage einzelner Bauteile erreichen, so dass man die Werkhalle – zum Beispiel durch Optimierung oder Austausch der Dämmung – immer wieder auf den Stand der Zeit bringen kann.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt in Kaiserslautern auf dem engen Einbezug der Studenten in den Bauprozess, weshalb es sich bei der Werkhalle um ein design-research-build-project handelte, bei dem die Studenten nicht nur an der Planung, sondern auch an der Realisierung eines Gebäudes mitwirkten.
Der Entwurf für die Werkhalle ist aus einem der studentischen Planungswettbewerbe (design) hervorgegangen, wie sie das t-lab, der Forschungsschwerpunkt für Holzarchitektur und Holzwerkstoffe, regelmäßig veranstaltet: „Wir geben im Architekturstudium immer wieder große Entwürfe heraus, die unsere Studenten belegen können“, erläutert Viktor Poteschkin. „Dabei haben sie die Wahl zwischen verschiedenen Professoren. Die Werkhalle wurde in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Prof. Stephan Birk herausgegeben, der inzwischen als Nachfolger den Lehrstuhl von Prof. Hermann Kaufmann an der TU München übernommen hat.“
Der am Ende ausgewählte Entwurf durchlief ab 2018 eine intensive Forschungsphase (research), in deren Verlauf er insbesondere in puncto Reversibilität und Nachhaltigkeit optimiert wurde. Am Ende dieses Prozesses standen detaillierte Werkpläne, deren Umsetzung der Fachbereich bei externen Firmen in Auftrag gab. Die auf dieser Basis gefertigten Bauteile wurden ab Sommer 2022 unter Mitwirkung der Studenten überwiegend im Selbstbau montiert (build).
Statisches System
Im Rahmen des Optimierungsprozesses überarbeiteten die Forschenden des Fachbereichs unter anderem das Tragwerk des Werkstattgebäudes. Anstelle der massiven BSH-Dreigelenkrahmen im studentischen Entwurf trat ein filigranes System aus stabförmig aufgelösten Dreigelenkrahmen mit Gelenken an den Fußpunkten und im First. Als Haupttragsystem bilden die aus Buchenfurnierschichtholz bestehenden Rahmen zehn Tragachsen, die in einem Raster von 2,50 m über 12,50 m spannen.
Die Biegesteifigkeit der Traufknoten wird durch Auflösung des BSH-Trägers in ein System aus innen und außen liegenden Stäben erreicht. Dabei werden die innen liegenden Stäbe nur auf Druck belastet und sind knickgefährdet, während die äußeren Stäbe auf Zug und Biegung belastet werden. Die Bemessung trägt dieser Belastung Rechnung: Die Querschnitte innen betragen 160 x 200 mm, außen setzte man 160 x 300 mm starke Stäbe ein.
Trotz dieser schlanken Querschnitte nehmen die Stäbe auch ungleiche Lasten (Wind, Schnee, Solaranlage) auf. Spezielle Vorkehrungen gegen Windsog mussten nicht getroffen werden, weil das Eigengewicht des Gebäudes hoch genug ist, um diese Kräfte zu „überdrücken“. Im Endeffekt entsteht so eine filigrane, architektonisch ausgesprochen attraktive Konstruktion, die ähnlich wie eine liegende Dachkonstruktion den Vorteil hat, dass man den Innenraum praktisch ohne Einschränkungen flexibel nutzen kann.
Für Prof. Dr.-Ing. Jürgen Graf, federführend für die Entwicklung des Holzgebäudes, eine entscheidende Voraussetzung, um reversible Bauweisen in die Gesellschaft zu implementieren: „Wenn eine klimarelevante Lösung nicht auch architektonisch hochwertig ist, können wir sie nicht in der Gesellschaft verankern. Nur bei hoher Ästhetik sind neue Denkmuster in der Architektur umsetzbar.“
Verbindungen
Die Verbindungsstücke zwischen den filigranen Stäben des Tragwerks bilden organisch geformte Ringknoten, die an der RPTU in Kaiserslautern im Rahmen einer Promotion von Dennis Röver am t-lab neu entwickelt wurden und aus Kunstharzpressholz (KP) bestehen. Zu ihren Besonderheiten gehört eine natürlichen Astgabeln nachempfundene Form, durch die Kräfte über große Rundungsradien stetig umgelenkt werden. So lassen sich Spannungsspitzen vermeiden, die zum Bruch des Bauteils führen könnten – bei gleichem Materialeinsatz steigt die Leistungsfähigkeit, dank der Knotengeometrie werden architektonisch filigrane, aber gleichzeitig statisch effiziente Bauteilanschlüsse möglich.
Die Effizienz resultiert dabei nicht nur aus der Form, sondern auch aus dem Werkstoff der Bauteilknoten. Das Kunstharzpressholz wird aus kreuzweise übereinander liegenden Buchenfurnieren produziert, die mit Kunstharz imprägniert und anschließend unter hohem Druck und hoher Temperatur dauerhaft miteinander verbunden werden.
Mit der Verdichtung steigt der Anteil der Holzfasern pro Volumeneinheit, so dass im Fertigungsprozess ein Hochleistungswerkstoff mit einer mittleren Dichte von 1350 kg/m3, hoher Festigkeit und Steifigkeit entsteht. Dank der kreuzweisen Orientierung der Furnierlagen sind die Knoten außerdem orthotrop, weisen also in x- und y- Richtung die gleichen Materialeigenschaften auf. Dies wurde genutzt, um bei der Orientierung der Knoten Spannungsspitzen weiter zu reduzieren. Die Knoten sind 160 mm stark und wurden durch das Verkleben von Teilplatten erreicht, da die Stärke der KP-Platten technisch auf etwa 70 mm begrenzt ist.
In der Planung wurde die Geometrie der vier verschiedenen Ringknoten mithilfe eigens entwickelter Computerprogramme entworfen und in FE-Simulationen unter Beachtung des orthotropen Aufbaus in einem iterativen Prozess optimiert.
Dabei ging es insbesondere darum, verbliebene lokale Spannungsspitzen zu lokalisieren, diese nach und nach abzubauen und so die Knoten statisch zu verbessern. Anschließend wurden die Bauteilknoten mit 5-Achs-CNC-Fräsen aus der KP-Platte herausgefräst. Den Abschluss dieser Forschungsphase bildete die Überprüfung der aus dem Optimierungsprozess gewonnenen Daten durch mechanische Bauteilprüfungen im Maßstab 1:1.
Verbunden sind Stabwerk und Knoten über Gewindestäbe, die in die Stirnholzstöße der BauBuchen-Stäbe eingeführt und in Rechteckbolzen verankert wurden. Die Bolzen sind durch seitliche Ausfräsungen in die Stäbe eingeschoben.
Nach dem Zusammenfügen lassen sich die Gewindestäbe mit Muttern und Unterlegscheiben per Drehmomentschlüssel in der zentralen Öffnung der Ringknoten festziehen. Nebeneinanderliegende Gewindestäbe verhindern das Verdrehen der Stäbe, in die Bauteilübergänge integrierte Scheibendübel sorgen für einen spielfreien Sitz.
Um im Wandbereich Querkräfte aus einseitiger Belastung (zum Beispiel Windlast) zu neutralisieren, werden die äußeren Traufknoten und Stäbe zusätzlich durch Zapfenverbindungen stabilisiert. Dies gilt auch für die Fußpunkte, an denen quadratische KN-Verbindungsstücke direkt mit den Doppel-T-Trägern der Bodenkonstruktion verschraubt sind.
Gebäudehülle
Die Bodenplatten des Werkstattgebäudes bestehen aus 12,50 m langen, 160 mm starkem Brettsperrholz, das auf den Doppel-T-Trägern aufliegt. Die Stahlträger selbst liegen auf Mikropfählen. Unter der Bodenplatte befindet sich ein 30 cm hoher Kriechkeller, der zur Unterlüftung der Bodenplatten dient. Sensoren überwachen, ob die Unterlüftung ausreicht, um Schimmel an der Plattenunterseite zuverlässig auszuschließen – Teil eines weiteren Forschungsprojekts.
„Mit dieser Konstruktion haben wir viel Beton gespart, und das ist natürlich gut für den Klimaschutz“, erläutert Jürgen Graf. Den Klimaschutz hatte man an der RPTU in Kaiserslautern auch bei der Entwicklung der Dach- und Wandkonstruktion im Blick, die sich bei näherem Hinsehen als erstaunlich flexibel und variabel erweist. Dabei tritt sie gleichermaßen den Beweis an, dass geniale Lösungen oft erstaunlich einfach sind – was nicht heißt, dass man sie auch einfach findet: Die Entwicklung der Werkhalle dauerte vom studentischen Entwurf bis zur Ausführung nicht nur vier Jahre, sie war auch Gegenstand mehrerer Forschungsarbeiten.
Im Zentrum stand dabei bei der Gebäudehülle auch der Einsatz angemessener Verbindungsmittel, die dank leichter Demontierbarkeit die Reversibilität des Gebäudes unterstützen.
Decken und Wände – bestehend aus 120 mm starken und 2,50 m breiten BSP-Platten – sind deshalb mit Konusadaptern am Tragwerk befestigt, die man parallel zur Werkhalle für einen vom Fachbereich konzipierten nutzungsflexiblen Siebengeschosser entwickelt hatte. Diese Adapter kann man sich als konusförmige KP-Dübel vorstellen, die die ebenfalls konusförmig ausgefräste Platte durchdringen und 15 mm in die darunter liegenden BauBuche-Stäbe hineinreichen.
Dabei führt der Konus zu einer zuverlässigen Fixierung der Platten, die so kraftschlüssig mit den Stäben verbunden werden und die Konstruktion gegen horizontale Kräfte aussteifen. Dass die Platten über den Stäben miteinander verzahnt sind, ermöglicht eine material- und kostensparende Dreigelenkrahmen: Mit 65 mm Durchmesser benötigen die Konusadapter einen relativ großen Randabstand. Hätte man die Wand- und Dachplatten in zwei Adapterreihen nebeneinander am Rahmenwerk fixiert, hätte man dessen Breite wegen der Randabstände auf 300 mm erhöhen müssen. Erst die Verzahnung macht es möglich, die Platten immer im Wechsel an einem schlanken Tragwerk zu fixieren.
Die Konusadapter werden mit Schrauben befestigt, die über Einschraubmuffen im Stabwerk verankert sind. So können Wand- und Deckenplatten leicht demontiert und wieder montiert werden. Zu diesem Zweck wurde die über den BSP-Platten liegende Dämmebene als Holzrahmenkonstruktion mit 100 mm Holzweichfaserdämmung ausgelegt, die über reversible Stahlverbinder von Knapp lediglich in Decken- und Wandplatten eingehängt wurde. Dabei sind die etwas schmaleren Dämmrahmen im Stoßbereich der BSP-Latten zurückgesetzt. Bei der Montage wird der Abstand zwischen den Dämmrahmen mit einer Holzfaserplatte gefüllt, die man später wieder herausnehmen kann. So wird ein einfacher Zugang zu den Konusadaptern gewährleistet, so dass man ohne großen Aufwand ganze Achsen des Gebäudes schnell demontieren kann.
Den Bauteilabschluss bildet beim Dach ein Wellblech, bei den Wänden eine vorgehängte Holzleistenfassade, die vorgefertigt in rhombenartige Leisten eingehängt und mit Schrauben fixiert wurde. Auch sie gewährleistet eine leichte Demontierbarkeit und Modernisierung. Auf teurere Lösungen (Holzschindeln) musste die Universität aus Kostengründen verzichten.
Einfach durchdacht
Konstruktion und Hüllenaufbau des Holzgebäudes wirken zwar auf den ersten Blick genial einfach, erfordern aber im Vorfeld die exakte Planung jedes Details. Jürgen Graf: „Hier wird klar, wie tief man in die Planung gehen muss, um die Rückbaubarkeit zu gewährleisten. Es geht hier ja nicht nur um ein demontables Gebäude mit temporärem Charakter, sondern um eine möglichst lange Nutzung, die eben auch eine problemlose Erneuerung und Modernisierung voraussetzt – etwa bei der Fassade, die wohl die kürzeste Standzeit hat, oder bei der Dämmung, die man in einigen Jahren vielleicht verbessern muss.“
Ihre diesbezügliche Tauglichkeit hat die Konstruktion der Werkhalle bereits unter Beweis gestellt: Nach seiner Produktion haben die am Projekt beteiligten Studenten das komplette Stabwerk bereits in der Halle des Produzenten, der Deutsche Holzveredelung Schmeing GmbH & Co. in Kirchhunden, vormontiert und wieder abgebaut. Der gleiche Vorgang wiederholte sich nach Fertigung der Haushülle in der Halle der Cltech GmbH & Co. KG in Kaiserslautern.
Die komplette Halle wurde also vor ihrem eigentlichen Aufbau bereits einmal, das Rahmenwerk sogar zweimal montiert und demontiert, ohne dass es dadurch zu Problemen gekommen wäre. Ganz im Gegenteil: „Alle Bauteile passten perfekt und ließen sich ohne Kraftaufwand zusammenfügen und wieder trennen”, erinnert sich Jürgen Graf. „Es zeigte sich also zum einen, dass unser System stimmt und zum anderen, dass die Produzenten bei der Umsetzung unserer Pläne hervorragende Arbeit geleistet hatten.“
Im Sommer 2022 begannen die Studierenden des Fachbereichs Architektur der RPTU in Kaiserslautern, das Werkstattgebäude im Diemersteiner Tal zu montieren – wie auf den Bildern zu erkennen ist, unter großer Beteiligung weiblicher Studentinnen.
Im Diemersteiner Tal endete mit der Einweihung der erste Bauabschnitt, man darf aber auf die nächsten innovativen Holzgebäude gespannt sein. Insbesondere auf das zweigeschossige Bürogebäude, das aus einem reversiblen und nutzungsflexiblen Siebengeschosser entwickelt wurde und quasi als Pilotprojekt für dessen Umsetzung betrachtet werden kann.
Das Konzept dieses Siebengeschossers wurde mit Forschungsgeldern der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe (FNR) von der RPTU Kaiserslautern in Kooperation mit dem KIT, der TU München und der Universität Freiburg erarbeitet. Es dürfte für alle Holzbauunternehmen interessant sein, die nach einem reversiblen Bausystem im Mehrgeschossbau auf der Suche sind, bietet das Gebäude doch nicht nur eine hohe Nutzungsflexibilität mit frei wählbaren und veränderbaren Zonen für das Parken, Arbeiten und Wohnen, sondern auch eine leichte Demontierbarkeit und Wiederverwendbarkeit der einzelnen Bauteile.