Holzverbindungen und Knotenpunkte: Wohnheim mit weltweit einzigartigem Holztragwerk
Aktuell entsteht ein besonderer Wohn- und Bildungsraum für junge Menschen in Heidelberg. Das Projekt ist Teil der Interna-tionalen Bauausstellung (IBA) Heidelberg. Bildquelle: pro clima

Technik

12. May 2021 | Teilen auf:

Holzverbindungen und Knotenpunkte: Wohnheim mit weltweit einzigartigem Holztragwerk

„Wir haben uns gefragt, wie wir die traditionelle Führungslogik von kraftschlüssigen, traditionellen Holz-Holz-Verbindungen in moderne Produktionslogik übersetzen können", sagt Hans Drexler von DGJ Architektur. In Heidelberg werden die Ergebnisse zum ersten Mal bei einem mehrgeschossigen Gebäude umgesetzt: Statt Beschlägen und Verbindern aus Metall werden Holznägel, Zapfen und Schwalbenschwanzverbinder aus Holz verarbeitet.

Gut für Mensch und Umwelt. Das ist die Prämisse der Baugruppe Collegium Academicum aus Heidelberg: „Wir wollten möglichst ohne graue Energie bauen und alles soll wiederverwertbar sein“, sagt der Politikstudent Jost Burhop, „daher kam nur Holzbau in Frage.“ Dabei haben die Initiatoren mit dem Architekturbüro die Idee der Nachhaltigkeit auf das Maximale gedacht. Das Ergebnis: Das Tragwerk ist aus Holz, fast alle Baustoffe sortenrein trenn- und wiederverwendbar. Zudem sind Zimmer- und Wohnungsgrößen flexibel anpassbar.

Der viergeschossige Holzbaukomplex auf dem ehemaligen Kasernengelände des US-Militärs umfasst 46 Wohneinheiten und mehrere Gemeinschaftsflächen. Ende des Jahres sollen hier 176 Auszubildende und Studierende einziehen, die sich selbst verwalten werden. Das Bauprojekt – die Idee, die Planung und Umsetzung – basiert auf aktuellen Forschungsergebnissen und wurde von einer Studierendengruppe initiiert. Das 18 Millionen Euro Projek Collegium Academicum umfasst bisher noch nie da gewesene Ansätze und ist daher auch Teil der Internationalen Bauausstellung (IBA) Heidelberg.

Durch das werkseitige Anbringen des Bauzeitenschutzes ist die Decke bereits während der Montage witterungsgeschützt. Die Verarbeiter müssen auf der Baustelle nur noch die Stöße abkleben. Bildquelle: pro clima

Knotenpunkt auf Basis japanischer Knoten

Holz als nachhaltigen Werkstoff verstärkt bei Bauprojekten und -prozessen einsetzen – an dieser Idee arbeitet das Architektenteam von DGJ Architektur seit Jahren. „Wir haben uns gefragt, wie wir die traditionelle Führungslogik von kraftschlüssigen, traditionellen Holz-Holz-Verbindungen in moderne Produktionslogik übersetzen können. Daher haben wir ein Forschungsprojekt initiiert und an diesen Knotenpunkten geforscht“, sagt Inhaber Hans Drexler. Der Architekt hat zum Thema „nachhaltiger Holzbau mit System“ promoviert und mehrere Bücher dazu publiziert: „Wir haben ein System entwickelt, das auf japanischen Knoten basiert. In Heidelberg werden die Ergebnisse zum ersten Mal bei einem mehrgeschossigen Gebäude umgesetzt.“ So werden hier statt Beschlägen und Verbindern aus Metall Holznägel, Zapfen und Schwalbenschwanzverbinder aus Holz verarbeitet.



Knotenpunkte aus Holz: Nachhaltige Alternative zu Stahlträgern und metallischen Verbindungen

Alles wiederverwertbar wie ein Puzzle: Diese Holzknotenpunkte unterstützen die Idee, alle Bauteile des Projekts umweltfreundlich zurückbauen zu können. Die modernen, als 3D-Konstruktion am Computer geplanten Knotenpunkte funktionieren wie traditionelle Zimmermannsverbindungen.

Bei diesem viergeschossigen Gebäude wurden erstmalig beim Tragwerk fast ausschließlich Holzverbindungen eingesetzt: „Das ist in Deutschland einzigartig – vermutlich auch weltweit noch nie dagewesen“, sagt Holzbauingenieur Jonas Langbehn von Pirmin Jung.

Er fasst die Besonderheiten zusammen:

1. Die statisch tragenden Anschlüsse sind fast ausschließlich aus Holz.

2. Die horizontalen Decken- und Dachscheiben sind mit Schwalbenschwanzverbindern aus Holz zusammengefügt.

3. Die Knotenpunkte der Stützen werden mit Holzlaschen und Holzdübeln verbunden.

Bei dieser außergewöhnlichen Tragkonstruktion wurden die Ergebnisse des aktuellen Forschungsprojekts „Holz: form- und kraftschlüssig“ umgesetzt, welches ein Team von Pirmin Jung und der DGJ Architektur initiiert hat.

Bei diesem Tragwerk werden zum ersten Mal die Ergebnisse eines aktuellen Forschungsvorhabens angewendet. Dieses hatten Tragwerksplaner und Architekturbüro initiiert. Hier sieht man die 3 x 3 m großen Tragraster. Die langen Balken längs sind die Tragachsen – die anderen sind nicht tragend. Die Längsachsen erstrecken sich über vier Felder (ca. 12 m). Hier im Hintergrund mit einfliegendem Modul-Badezimmer. Bildquelle: luftdichtheit-geprüft.de

„Fast komplett auf Stahl zu verzichten, das war für uns auch neu und hat uns gleich begeistert“, sagt Holzbauingenieur Jonas Langbehn vom Tragwerkplanungsbüro Pirmin Jung, „die statisch tragenden Anschlüsse sind fast ausschließlich Holzverbindungen. So sind die Knotenpunkte der Unterzüge an die Stützen mit Holzlaschen und Holzdübeln ausgeführt. Die horizontalen Decken- und Dachscheiben sind mit Holz-Schwalbenschwanzverbindern zusammengefügt. Diese sichern auch den Anschluss der aussteifenden Brettsperrholzwandscheiben an die Skelettkonstruktion. Die x-förmigen Verbindungen sind für den Lastabtrag extrem tragfähig und stehen anderen Standardanschlüssen aus Metall in nichts nach.“

High-Tech und Tradition: Millimeterarbeit in der Vorfertigung

CLT-BSH-Holzverbindungen: Bei diesen Schwalbenschwanzverbindern aus Holz ist die präzise Vorfertigung entscheidend.

Komplett mit Holz-Holz-Verbindungen für große Gebäude zu planen ist nur möglich, da Maschinen heutzutage komplexe Geometrien millimetergenau konstruieren und fertigen können: „Holzknotenpunkte waren schon immer großartig, wurden aber handwerklich zu aufwendig und wegen der Lohnkosten nicht mehr wirtschaftlich. So haben Stahlträger zimmermannsmäßige Verbindungen verdrängt. Inzwischen haben wir CAD-Programme und Abbundmaschinen, die auf den Millimeter genau arbeiten“, sagt Architekt Hans Drexler. Oberbauleiter Roman Kreutmayr von Züblin Timber ergänzt: „Die Präzision ist entscheidend. Im umfassenden Vorfertigungsprozess müssen mehrere Anschlüsse gleichzeitig zueinander passen, außerdem müssen Toleranzen ausgeglichen werden. Daher ist es eine tolle Sache, dass diese traditionellen Verbindungen nun mit High-Tech umgesetzt werden können.“

Bauphysikalische Vorteile: keine Kondensatbildung

„Im Idealfall sollten alle Baustoffe eines Gebäudes sortenrein getrennt werden können“, sagt Architekt Frederik Ehling. Knotenpunkte aus Holz haben auch bauphysikalische Vorteile: Sie bilden kein Kondensat. „Zudem schaffen sie einen gleichmäßigen Kräfteverlauf in den Querschnitten und können den Bauablauf vereinfachen. Wenn dreidimensionale Verbindungen und komplexe Abbundformen aus Holz Normalität werden, wird das auch den Bauablauf künftig vereinfachen und Kosten senken. Zimmereien bekommen dadurch auch eine erweiterte Wertschöpfung. Zudem könnten Verarbeiter alle Bauteile wie ein 3D-Puzzle vor Ort zusammenstecken. Das ist unsere Vision und mit diesem Bauprojekt haben wir den Grundstein gelegt“, ergänzt Planer Hans Drexler.

Verzicht auf Stahl auch im Erdgeschoss

Holz-Holz-Verbindungen, Buchenfurnierschichtholz als Träger und aussteifende CLT-Wände im Erdgeschoss.

Tragwerksplaner Jonas Langbehn sagt über die Herausforderungen der Holz-Verbindungen: „Spannend für die Tragwerksplanung war, dass wir das Holz-Tragsystem so ausbilden, dass in allen Anschlüssen und Auflagerpunkten ähnlich hohe Kräfte auftreten, damit die innovativen Holz-Holz-Verbindungen sinnvoll eingesetzt werden können.“ Architekt Frederik Ehling ergänzt: „Auch im Erdgeschoss wollten wir ohne Stahl auskommen. Für eine höhere Belastbarkeit hätten wir den Stützenquerschnitt erhöhen müssen. Daher sind wir hauptsächlich auf Buchenfurnierschichtholz als Material für die Stützen gewechselt.“ Buchenfurnierschichtholz, den meisten bekannt als Baubuche, kann – wenn richtig einsetzt – ähnlich hohe Lasten tragen wie Stahl oder Beton.

„Für einen Holzbauer ist es immer toll, wenn er mit seinem Werkstoff arbeiten und Lösungen aus Holz finden kann, die sich bewerkstelligen lassen. Zimmerer tun sich leichter, wenn sie ein Holzstück anstatt eines Stahlträgers bearbeiten. Zudem ist Optik und Ästhetik ansprechender als bei Stahlstützen oder Stahlträgern“, sagt Roman Kreutmayr, der gelernter Zimmerer ist und bei ZÜBLIN Timber die Sparte Holzbau + Fassade leitet. Züblin Timber ist bei diesem Projekt für den Holzbau, die Planung und die Umsetzung des Luftdichtheitskonzepts verantwortlich.

Holz-Skelettbau, der Umnutzung ermöglicht

Eine aussteifende Wandscheibe fliegt ein. Hier sieht man die Ausfräsungen für die Schwalbenschwanzverbinder. Bild: luftdichtheit-geprüft.de

Die Wand, die hier einschwebt, dient zur Aussteifung. Die aussteifenden Wände umschließen die künftigen Badezimmer. Diese werden modular vorgefertigt. Der temporäre Bauzeitenschutz, der hier auf die CLT-Elemente aufgebracht ist, kann bis zu vier Wochen frei bewittert werden. Bild: luftdichtheit-geprüft.de

Das Gebäude besteht aus einer besonderen Skelettkonstruktion. Planer Hans Drexler erläutert den Aufbau: „Das Tragwerk ist eine Hybrid-Konstruktion aus einem Skelettbau mit aussteifenden Wandscheiben um die Sanitärkerne. Teile der Außenwände und der Wohnungstrennwand haben aussteifende Funktion. Wichtig war uns, dass die Wohnungen später auch verbunden werden können. Daher sind die Wände nicht komplett als Tragwerk angesetzt.“ Die Baugruppe und das Architektenteam haben ein Gebäude erschaffen, das sich an den Bedürfnissen der künftigen Bewohnerinnen und Bewohnern orientiert. „Das ist das Schöne am Holzbau: Durch die leichte Konstruktion kann sie von den Nutzerinnen und Nutzern verändert werden. Das Collegium Academicum startet als Wohnheim für junge Menschen und kann in 40 Jahren auch als Zuhause für ältere Menschen genutzt werden. Gebäude sollen sich an Menschen anpassen und nicht umgekehrt“, so Architekt Hans Drexler.

Witterungsschutz für sichtbare Decken

Die Holzschutznorm DIN 68800-2 empfiehlt einen Witterungsschutz während der Bauphase. So beschreibt sie im Abschnitt 5:, „[…] ist durch geeignete Maßnahmen sicherzustellen, dass sich der Feuchtegehalt durch nachteilige Einflüsse,[…] nicht unzuträglich verändert.“

Auftragnehmer haften dafür, dass Holzelemente und Holzbauteile auch während des Transports und der Bauphase vor Feuchtigkeit geschützt sind.Eine Möglichkeit des konstruktiven Schutzes ist eine provisorische Überdachung. Nachteil dabei ist ein hoher Aufwand und bei Kranarbeiten müsste diese kurzfristig abgebaut werden. Besser, praktischer und sicherer ist eine vollflächig selbstklebende, wasserdichte, aber trotzdem diffusionsoffene Bahn. Diese wurde auch bei dem Bauprojekt in Heidelberg eingesetzt. Sie ist robust und emissionsarm, beispielsweise im Vergleich zu Bitumenbahnen. Bei früheren Projekten wurden Raumluftmessungen durchgeführt, um die Qualität der Innenraumluft zu belegen.

Auf Baustellen kommt es zu Verletzungen von Schutzbahnen. Diffusionsoffene Bauteile wie der pro Witterungsschutz leiten eingedrungene Feuchtigkeit nach und nach wieder aus dem Bauteil. Eine lose aufge-legte Bahn, unter der sich das Wasser in alle Richtungen ausbreiten kann, ist keine gute Wahl.

Flexible Wände und Zimmergrößen

Diesen Gedanken setzte das Team auch bei den einzelnen Wohneinheiten um. So können die künftigen WG-Bewohnerinnen und Bewohner selbst festlegen, ob ihr Zimmer sieben oder 14 Quadratmeter groß sein soll. „Mit solchen architektonischen Maßnahmen wollen wir anregen, dass jede und jeder sich fragt: Wie viel Wohnraum brauche ich eigentlich für mich selbst?“, erklärt Jost Burhop von der Baugruppe Collegium Academicum. Die Schiebewände seien so konstruiert, dass sie innerhalb von 10 Minuten ausgewechselt werden können.

Schallschutz trotz Schiebewänden

„Flexible, selbst einstellbare Wände – das gab es bisher noch nicht“, sagt Architekt Drexler, „daher haben wir selbst welche entwickelt.“ Gesetzlich gibt es keine Vorgaben bei Schallschutz von Innenwänden. Damit die künftigen Auszubildenden und Studierenden in ihren Privaträumen Ruhe finden, experimentierten die Architekten mit den Studierenden des Collegium Academicum. „Wir haben etwa sieben Probewände in einem zweigeschossigen Prototyp aufgebaut und Schalltests durchgeführt. Hier musste die Baugruppe abwägen: Wie viel Ruhe brauche ich, wie viel Flexibilität möchte ich?“ Final hat das Team eine Schiebetürkonstruktion weiterentwickelt, die auf dem Prinzip japanischer Schiebetüren basiert. Die Prototypen baute eine Zimmerei, künftig werden die Studierenden die Wände selbst fertigen. Dazu gibt es extra im Gebäude einen Werkraum mit den erforderlichen Maschinen.

Modulare Badezimmer und Schallschutz

„Die Ausbildung eines modularen Badezimmers und das Auflagern auf dem Holzbau muss vorher detailliert geplant sein, denn das ist ein wichtiger Detailpunkt für den Schallschutz. Wir haben es so gelöst, dass das Badmodul mit einer Betonbo-denplatte ausgebildet und entkoppelt aufgelagert wird“, sagt Ingenieur Jonas Langbehn von Pirmin Jung. Bildquelle: luft-dichtheit-geprüft.de

Die Badezimmer wurden komplett vorgefertigt und auf der Baustelle per Kran eingesetzt. Sie müssen nur noch an Frisch- und Abwasser angeschlossen werden. Waschbecken, Duschkopf und Toilette sind bereits montiert – das Bad ist komplett gefliest. Jonas Langbehn von Pirmin Jung erklärt: „Die Ausbildung eines modularen Badezimmers und die Auflagerung auf dem Holzbau muss vorher detailliert geplant sein. Denn das ist ein wichtiger Detailpunkt für den Schallschutz. Wir haben es so gelöst, dass das Badmodul mit einer Betonbodenplatte ausgebildet und entkoppelt aufgelagert wird.“

Jede Woche ein neues Geschoss

Im Werk in Aichach: Hier werden die Decken und Wände vorelementiert. Bildquelle: pro clima

Der hohe Vorfertigungsgrad dieses Bauprojekts ermöglicht einen raschen Baufortschritt. „Jede Woche entsteht ein neues Stockwerk“, sagt Bauleiter Christoph Heinrich von Züblin Timber. Täglich fahren Lastwagen mit Decken und Wänden auf die Baustelle, die im Werk in Aichach bereits montiert wurden. Der Vorfertigungsgrad liegt bei etwa 80 Prozent.

Witterungsschutz für sichtbare Decken

Zügige und wirtschaftliche Verlegung in der Halle. Hier eine diffusionsoffene Luftdichtungs- und Witterungsschutzbahn. Bildquelle: pro clima

Auch der temporäre Bauzeitenschutz wurde bereits in der Vorfertigung aufgebracht. Hier wählte der Holzbauer Züblin Timber eine selbstklebende, diffusionsoffene Witterungsschutzbahn: „Wir haben uns für die pro clima Solitex Adhero entschieden. Die Bahn lässt sich sehr gut verarbeiten und die hohe Diffusionsoffenheit ist ein großer Vorteil gegenüber einer verschweißten Bahn, falls doch mal Feuchtigkeit eindringen sollte“, sagt Roman Kreutmayr. Bei diesem Bauprojekt ist es besonders wichtig, dass kein Wasser ins Bauteil eindringt und Spuren auf den Hölzern hinterlässt, denn das Architektenteam wollte die Holzkonstruktion erlebbar lassen. Dadurch bleiben überall sichtbare Holzoberflächen. Planer Drexler: „Eine weitere Herausforderung ist deswegen, die Luftdichtung geometrisch so zu planen, dass sie später nicht sichtbar ist.“ Diese temporäre Witterungsschutzbahn ist so konzipiert, dass auf der Baustelle nur noch der Stoß verklebt werden muss und die Schutzfunktion damit sofort wirksam ist.

Mehr Verbindungen mit Holz sind möglich – erfordern jedoch ein Umdenken

„Holz ermöglicht konkurrenzfähige Bausysteme, die generell auch günstiger hergestellt werden könnten“, sagt Architekt Hans Drexler. Die neuen Lösungen, die beim Collegium Academicum eingesetzt wurden, sind ein Schritt in diese Richtung.

Nachhaltige und dauerhafte Konstruktionen sollten keine Option, sondern ein Muss sein. Entscheidend dabei ist, dass sich die Baubeteiligten vorher Gedanken machen, sich austauschen und mit Qualitätssystemen arbeiten. Die Gebäude werden dadurch länger nutzbar und langfristig kostensparend – also gut für Mensch und Umwelt.

Zum Energiekonzept: Heizen zweimal im Jahr: Studentenwohnheim im Passivhausstandard

Bautafel

  • Projekt Wohnheim und Bildungsraumfür Studieren
  • Auftraggeberin Collegium Academicum GmbHcollegiumacademicum.de
  • Bauzeit Mai 2020 bis ca. November 2021
  • Baukosten 18 Millionen Euro
  • Architekt und Architekturbüro Hans DrexlerDGJ Architektur GmbHFrankfurt am Mainhttps://dgj.eu/
  • Holzbau Züblin Timber GmbHAichachzueblin-timber.com
  • Luftdichtung und Witterungsschutz pro clima - Moll bauökologische Produkte GmbHSchwetzingenproclima.de
  • Tragwerksplanung Pirmin Jung Deutschland GmbHRemagenpirminjung.de