Baubotanik – lebende Tragstrukturen

Pflanzenfusion

An der Universität Stuttgart erforschen Baubotaniker neue konstruktive und ästhetische Möglichkeiten des Bauens mit lebenden Holzpflanzen – kurz: baubotanische Bauten. Dies sind Mischkonstruktionen aus technischen und pflanzlichen Elementen, die sich durch Wachstumsprozesse ständig verändern und mit ihrer Umwelt interagieren. Dabei nutzen die Baubotaniker die Fähigkeit der Bäume, ihre Gestalt und ihre inneren Strukturen wechselnden Umweltbedingungen anzupassen – mit überraschenden Erkenntnissen und erfrischend lebendigen »Bau(m)werken«.

Text: Heike Wefelscheid-Gruner Fotos: Cornelius Hackenbracht, Ferdinand Ludwig, Marc Thielen

Der Ansatz, lebende Pflanzen als Baumaterial zu nutzen, ist nicht neu. Vorläufer gab es immer wieder. Sowohl in der Architektur als auch in der Gartenkunst wurden wiederkehrend Holzpflanzen geformt oder für konstruk-tive Zwecke eingesetzt. Unter dem Begriff »Baubotanik« wird dieser Ansatz seit 2005 von der Forschungsgruppe »Baubotanik-Lebendarchitektur« am IGMA, dem Institut Grundlagen Moderner Architektur und Entwerfen der Universität Stuttgart in einem transdisziplinären Netzwerk auf natur-, kultur- und ingenieurwissenschaftlicher Grundlage untersucht und weiterentwickelt. Ins Leben gerufen wurde die Forschungsgruppe von den drei Baubotanikern und Architekten Ferdinand Ludwig, Hannes Schwertfeger und Oliver Storz mit Prof. Gerd de Bruyn. Ihr Ziel ist es, lebende pflanzliche Strukturen als frei formbare, architektonische Baum-Tragwerke in der Dimension ausgewachsener Bäume zu konstruieren, um dabei in kurzer Zeit Grünräume zu bilden, die die ästhetischen und ökologischen Qualitäten von Bäumen mit baulichen Nutzungsfunktionen verbinden. Bereits seit mehreren Jahren realisieren sie begehbare Objekte aus lebenden Pflanzen, die mit einfachen Strukturen die räumlichen Qualitäten der Baubotanik veranschaulichen.
Auf gleichbleibender Höhe
Das erste größere Projekt ist ein Steg, der im Frühjahr 2005 realisiert wurde und heute in Wald-Ruhestetten in der Nähe des Bodensees begangen werden kann (Abb. 2). Das Tragwerk besteht aus 64 Bündeln schnell wachsender Weidenarten, die auf über 2 m Höhe einen 20 m langen Metallsteg tragen. Die vertikalen »Weidenstützen« wurden derart um die technischen Bauteile herumgewunden und über und unter den Bauteilen mit Kunststoff bändern verbunden, dass es zu einer Verwachsung (Überwallung) der Bau- teile kommt. Durch diese Methode bilden sich relativ rasch Strukturen, die von Anfang an die gewünschte Größe aufweisen und bereits eingeschränkt begehbar sind.
Weil alle lasttragenden und aussteifenden Konstruktionselemente aus lebenden Bauteilen bestehen, konnte auf die klassische Verwendung eines Fundaments verzichtet werden: Das Bauwerk verankert sich über das Wurzelwerk selbstständig im Boden. Durch den Austrieb neuer Triebspitzen und Blätter entwickelte der Steg nach seiner anfangs eher technisch anmutenden Struktur eine lebendige Erscheinung. Während der Wachstumsprozesse verändern sich die Details durch Verwachsungen und Überwallungen, das Tragwerk wird davon jedoch nicht beeinträchtigt: Da Holzpflanzen nur an den Triebspitzen in die Höhe wachsen, wächst die Stegplattform nicht mit, sondern bleibt in ihrer Ausgangsposition.
Saftfluss durch Bypass
Im Rahmen dieses ersten und weiterer, pavillonartiger Projekte konnten die Forscher bereits viele Erfahrungen über die Eigenschaften lebender Tragkonstruktionen und deren Tragverhalten sammeln. Erste Probleme traten v. a. in Verbindung mit dem Verhalten auf Klimabedingungen sowie durch Auswirkungen der Wachstumsprozesse auf Detailverbindungen auf. So zeigten sich an den ersten Versuchsbauten Behinderungen des Saftflusses infolge von Strangulation des Pflanzenmaterials. Die anfänglich mit Kunststoffbändern zusammengehaltenen Triebe erfordern gerade an diesen Detailpunkten eine besondere Vorsicht, um den Saftfluss nicht einzu-schränken. Bei dem Steg wurden an einigen Stellen bereits »Bypässe« angelegt, um ihn langfristig sicherstellen zu können. Dazu wurden neue Triebe der gleichen Pflanze in einer Art Pfropfen unterhalb und oberhalb der Schwachstelle angesetzt, um den Saftstau zu überbrücken. Ein weiteres Problem ergab sich daraus, dass die Pflanzen in den Bündelstützen zu dicht standen: Es kam zu einem Konkurrenzkampf um die lebensnotwendige Ressource Licht. Einige Pflanzenstränge blieben in ihrer ›
› Entwicklung zurück oder starben ab. Um dies zu vermeiden, muss jeder Pflanze ein adäquater Kronenraum zugeordnet sein. In folgenden Versuchen konnten viele dieser ersten Kinderkrankheiten behoben werden. Eine Einschränkung bleibt bei der am Steg angewendeten Konstruktionsmethode jedoch immer: Die Höhe möglicher Strukturen ist schon allein durch die Größe der Pflanze auf wenige Meter limitiert.
Pflanze + Pflanze = Turm
Mit einem 2009 realisierten Turm in einer Riedlandschaft in Wald-Ruhe-stetten konnte diese Höhenlimitierung nun aufgehoben werden. Das Bauwerk ist mit knapp 9 m und mit drei begehbaren Aussichtsplattformen mit je rund 8 m2 Grundfläche das bisher anspruchsvollste der Baubotanik. Das Projekt entstand im Rahmen der Promotion von Ferdinand Ludwig bei Prof. Gerd de Bruyn (IGMA) und Prof. Thomas Speck (Plant Biomechanics Group Freiburg, Universität Freiburg) in Zusammenarbeit mit dem Bildhauer Cornelius Hackenbracht.
Zum ersten Mal kam eine neue Methode der Pflanzenverbindung zum Einsatz, die auf einer alten botanischen Erfahrung beruht: Pflanzen gleicher Art können ähnlich dem Pfropfen zu einem einzigen Organismus verwachsen. Hierzu werden mehrere Pflanzen mitsamt ihren Wurzelballen derart im Raum angeordnet und miteinander verbunden, dass sie zu einem einzigen Organismus zusammenwachsen.
Als Basis des Turms wurde eine fachwerkartige Struktur aus mehreren einjährigen, 2 m großen Silberweiden angelegt, wobei nur die untersten Pflanzen in den Erdboden gesetzt wurden. Alle anderen wurzeln in Pflanzcontainern, die in sieben Ebenen übereinander von einer temporären Gerüststruktur getragen werden. Im Verlauf des Pflanzenwachstums entwickeln die untersten Pflanzen ein leistungsfähiges Wurzelsystem im Erdboden und die oberen können auf den unteren »anwachsen«. Nach und nach sollen dann die Pflanzcontainer entfernt und die Wurzeln der oberen Pflanzen gekappt werden. Die Pflanzen verwachsen so zu einer physiologischen Einheit, die nicht nur mechanisch belastbar ist, sondern auch den Austausch von Wasser und Nährstoffen zwischen den ursprünglich getrennten Pflanzen ermöglicht. Im Wachstumsverlauf entwickelt der so entstandene Gesamtorganismus genügend Stabilität, um die drei eingewachsenen Plattformen aus verzinktem Stahl und die Nutzlasten des Bauwerks tragen zu können. Das anfängliche Stützgerüst kann dann abgebaut werden. Aufgrund dieser neuen Methode ist es möglich, baubotanische Strukturen unmittelbar in der Dimension ausgewachsener Bäume zu realisieren und auch andere, für urbane Räume besser geeignete Baumarten einzusetzen, z. B. im Vergleich zu den »lichtbedürftigeren« und schnellwüchsigen Weiden lang- lebige Platanen. Doch ist etwas Geduld erforderlich, das Verwachsen benötigt seine Zeit: Für den gesamten »Fertigungsprozess« sind einige Vegetationsperioden notwendig, beim Turm voraussichtlich fünf bis zehn Jahre.
Eine Frage des Trainings?
Für die Realisierung dieser ersten Bauwerke waren viele Versuche vonnöten. Dabei wurde u. a. die Elastizität von Holzpflanzen bis zum Versagen (Brechen) getestet und die Reaktion der Tragstrukturen auf Veränderungen der Umweltfaktoren detailliert untersucht. Denn gerade die schwer vorhersehbaren Bedingungen eines Bauplatzes spielen eine nicht zu unterschätzende Rolle und sorgen oft für Überraschungen. So entwickeln sich nach Süden orientierte Pflanzen meist kräftiger als die beschatteten auf der Nordseite. Einerseits begrüßen die Botaniker diesen Einfluss des Zufalls auf die Gestalt ihrer Bauten, andererseits sind sie aber auch verpflichtet, die Entwicklung der Tragfähigkeit möglichst genau zu kennen. Im Rahmen der Testreihen zeigt sich, dass Bäume, wenn sie an Gerüsten fixiert werden, die »Motivation« verlieren, stark in der Dicke zu wachsen. Doch gerade diese ist für die Stabilität entscheidend. Daher wird untersucht, ob sie sich durch einen zusätzlich aufgebrachten künstlichen Biegestress »trainieren« lassen: In der Versuchsstation werden zusätzliche Gewichte an die Pflanze gehängt, die sie über computergesteuerte Winden nach einem ausgeklügelten System hin- und herwiegen. So werden Wachstum und Stabilität angeregt.
Doch auch wenn die Stabilität im Lauf der Zeit durch Dickenwachstum zunehmen kann – verglichen mit konventionellen Konstruktionen ist die Lastaufnahme »natürlich« begrenzt. Und wie bei konventionellen Bauten bestimmen die Verbindungsdetails die Tragfähigkeit: Versuche im Rahmen der Promotion von Oliver Storz zum Druck-/Zug-Verhalten der Verbindungen haben gezeigt, dass neben der Durchmesserzunahme der einzelnen Stämme insbesondere der Grad der Überwallung die Tragfähigkeit wesentlich beeinflusst.
Bei einfacheren Bauten könnte aufbauend auf diesen Daten die Standsicherheit des lebenden Tragwerks rechnerisch nachgewiesen werden. Für die gesamte Standfestigkeit des Bauwerks ist aber auch das Wurzelwerk mit zu berücksichtigen, das sich leider sowohl der visuellen Kontrolle als auch vielen Messungen entzieht. Bei experimentellen Bauten wie dem Turm ist der Einfluss zufälliger Entwicklungen so groß, dass auf Belastungstests zurückgegriffen wird. Als lebende Konstruktionen unterliegen botanische Bauwerke eben anderen Gesetzmäßigkeiten. Doch gerade dies verleiht ihnen ihren Reiz – sie bleiben im Wandel. Um sicherzugehen, werden aber auch hier Sicherheitszuschläge vorgesehen. Das Tragwerk des Turms ist so geplant, dass ein bestimmter Prozentsatz der Pflanzenstränge absterben kann, ohne das Gesamtsystem zum Einsturz zu bringen.
Auf der Grundlage der bisherigen Forschungsergebnisse sind bereits weitere Projekte in Planung. So soll eine Beobachtungsplattform in der Nähe von Münster entstehen und für die Landesgartenschau in Nagold 2012 ist ein großer »Platanenkubus« geplant. •
Weitere Informationen unter www.forschung.baubotanik.de