Digitalisierung im Bauwesen setzt Nachhaltigkeitspotenziale frei. Durchbruch beim 3D-Gebäudedruck

Text : Sascha Peters

»Das Betondruckverfahren bietet uns Planern ein hohes Maß an Designfreiheit in der Gestaltung von Gebäuden, die in herkömmlicher Bauweise nur mit einem hohen finanziellen Aufwand umsetzbar wären«, erläutert Waldemar Korte die Potenziale der additiven Gebäudeerstellung. [1]

Der Architekt ist Gesellschafter des Büros Mense-Korte Ingenieure+Architekten aus Beckum, das sich mit diesem Verfahren beschäftigt.

Mit dem ersten gedruckten Einfamilienhaus Deutschlands im nordrhein-westfälischen Beckum setzte die auf Schalungs- und Gerüstsysteme spezialisierte Peri GmbH aus Bayern im letzten Herbst einen bedeutenden Akzent in Richtung einer Digitalisierung des Baubereichs.

In den Niederlanden wohnen die ersten Nutzer bereits in einem solch neuartigen Gebäude Probe. Der Bungalow aus 3D-gedrucktem Beton – Projektname »Milestone« – steht in einem Außenbezirk von Eindhoven. [2]

Geplant wurde der 94  m² große Bau mit seiner an einen Felsblock erinnernden Form vom Architekturbüro Houben & Van Mierlo aus Eindhoven. Vermietet wird es von der Investorengesellschaft Vesteda. Die kurvigen Außenwände bestehen aus 24 verschiedenen Komponenten, die sich aus aufeinandergestapelten, 3D-gedruckten Betonschichten zusammensetzen. Zum Schluss wurden das Dach, die Fenster und Türen eingefügt. Für das »Milestone«-Projekt mit am Ende fünf solcher Häuser kooperierte die Eindhoven University of Technology mit einigen Konstruktionsspezialisten.

Weniger Bauwerkstoffe nötig

Auch wenn jetzt erste bewohnbare Vorzeigeprojekte existieren, hat sich in den vergangenen 100 Jahren weder bei den Verfahren noch den verwendeten Bauwerkstoffen Grundlegendes geändert. Die Idee zur additiven Erzeugung ganzer Gebäudestrukturen mit einem Portaldrucker entstand bereits Ende der 90er Jahre an der University of Southern California. Sie erhielt den Namen »Contour Crafting«.

Doch es dauerte, bis die Baukonzerne auch hierzulande die großen Potenziale erkannten. In den nächsten Jahren wird sich wegen der Verkürzung der Bauzeit und der Reduzierung der verwendeten Bauwerkstoffe ein Innovationsstau entladen. Experten rechnen mit einer rund 50 %igen Verringerung im Vergleich zu den aktuellen Verfahren.

Von den Einsatzmöglichkeiten ist auch Leonhard Braig, Geschäftsführer Produktion & Supply Chain von Peri, überzeugt: »Der 3D-Betondruck verändert die Art und Weise wie wir bauen, und den Prozess des Hausbaus grundsätzlich.«

Für die Erstellung des Hauses in Beckum nutzte das Unternehmen einen 3D-Portaldrucker von Cobod. Peri hatte sich bereits im Jahr 2018 an dem dänischen Hersteller beteiligt. Der Drucker wurde auf der Baustelle installiert, das Haus mit dreischaligen Wänden gedruckt und die Hohlräume wurden mit Isoliermasse verfüllt. Während des Druckprozesses berücksichtigten die Planer die später zu verlegenden Leitungen und Anschlüsse für Wasser und Strom, um manuelle Arbeiten für die Installation von Rohren und Anschlüssen deutlich zu vereinfachen. Mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s ist der BOD2-Drucker aktuell der schnellste 3D-Betondrucker auf dem Markt. Für eine doppelschalige Wand von 1 m² benötigt das System etwa fünf Minuten. Nur zwei Personen sind nötig, um den Drucker zu bedienen.

Chancen für den Innenausbau

Dass sich neben der Integration von Bewehrung, Dämmung und der Versorgungsleitungen in die Struktur 3D-gedruckter Gebäudeelemente auch Möglichkeiten für den Innenausbau ergeben, liegt auf der Hand und ist Gegenstand der aktuellen Diskussion. Im Frühjahr 2018 wurde die Fragestellung bei der Umsetzung des »3D Housing 05« bereits aufgegriffen, auf der Piazza Cesare Beccaria im Zentrum Mailands anlässlich der Design Week 2018. Damals legten die Architekten den Fokus vor allem auf Möbel und Ausbauten aus traditionellen Materialien wie Marmor, Messing oder Glas.

Aktuell entwickeln sich Geschäftsmodelle rund um 3D-gedruckte Betonmöbel. Das zeigt beispielsweise 3D Betondruck Solutions aus Österreich. Additiv erzeugte Rundfenster aus Holz bietet etwa der schwedische Hersteller Nordan an. Waschbecken aus 3D-gedrucktem Sand offeriert z.B. Sandhelden aus Gersthofen.

Selbsttragende Außenwand

Der italienische 3D-Druckspezialist WASP hat sich der Entwicklung eines Druckers zur Verarbeitung von Lehm und Erde für die Realisierung günstigen Wohnraums verschrieben. Nachdem er ein erstes System bereits 2014 vorgestellt hatte, errichtete er Ende 2020 einen 30 m² großen, kuppelartigen Experimentalbau in der Nähe von Bologna im Projekt »TECLA« (Technology and Clay). Der Rundbau besteht aus einem Holztragwerk und einer selbsttragenden 3D-gedruckten Außenwandkonstruktion aus Erde und Lehm.

Die etwa 40 cm dicke Wand enthält ressourcenschonende Hohlräume, die der Belüftung dienen und zu Dämmzwecken mit Reisstroh und -hülsen befüllt wurden. Der italienische Architekt Mario Cucinella hat das Gebäude als Doppelkuppel konzipiert, um gleichzeitig eine Lösung für alle baustrukturellen Fragestellungen, die Aufnahme einer lichtdurchlässigen Dachkonstruktion sowie den Innenausbau und die Außenverkleidung zu finden. [3] Für den Aufbau kam ein 6 m hoher Drucker zum Einsatz, der mehrere Lehmsorten bis zu einer Bauhöhe von 3 m verarbeiten kann.

Seine Beweggründe für die Konzeption des TECLA-Projekts beschreibt Cucinella so: »Wenn wir über Nachhaltigkeit sprechen, müssen wir meiner Meinung nach auch über die Bauprozesse nachdenken, da diese heute sehr aufwendig sind und hohe CO2-Emissionen hinterlassen.«

Fassadensystem mit Mehrfachfunktion

Dass der 3D-Druck die Gestaltung von komplexen Fassaden befördert und auch die Integration von Funktionalitäten ermöglicht, zeigt ein Fassadensystem, das die BASF 3D Printing Solutions GmbH zusammen mit der Fachhochschule München und dem 3F Studio für den Umbau des Deutschen Museums in München plant. [4]

Dort soll eine lichtdurchlässige und multifunktionale Lösung realisiert werden, in der neue Methoden zur Steuerung des einfallenden Lichts, der Isolierung und der Akustik in einem einzigen zusammenhängenden 3D-gedruckten System zusammenkommen. Zudem dient die Wellenform der Fassadenelemente der Verschattung und unterstützt gleichzeitig die Belüftung.

Die Fassade soll eine Fläche von 600 bis 700 m² aufweisen, 45 m lang und 15 m hoch sein. Sie könnte zudem der Aufnahme elektronischer Elemente dienen. Das Tochterunternehmen des Chemiekonzerns BASF kooperiert bei der Umsetzung mit weiteren Unternehmen wie dem Fensterhersteller Okalux, um 3D-gedruckte Kunststofflamellen in Doppelglasfenster zu integrieren.

Spezielle Verbindungen für Pavillon

Im Zusammenhang mit der Aufnahme von Fassadensystemen und der Umsetzung ressourceneffizienter Architektur entsteht aktuell eine Vielzahl von Entwicklungen, um gewichtsoptimierte Knoten- und Verbindungselemente durch Lasermelting von Metallen zu realisieren. Ein Beispiel dafür ist der »Digital Bamboo Pavilion« der ETH Zürich. [5]

Mit einem Gesamtgewicht von lediglich 200 kg überspannt die aus Bambus in besonders filigraner Konstruktion aufgebaute Struktur eine Fläche von 40 m². In dem Projekt geht es vor allem um die Möglichkeiten zur Kombination natürlicher Materialien und digitaler Produktion. Als besonders schnell nachwachsende Ressource wird Bambus mit seinen hervorragenden mechanischen Qualitäten bereits seit Jahrhunderten in der Architektur genutzt. Das Material eignet sich auch im aktuellen Transformationsprozess in Richtung eines digitalisierten Bauwesens als zukünftiger Werkstoff. Für den Entwurf wurden spezifische Berechnungswerkzeuge entwickelt und maßgeschneiderte Verbindungselemente mittels 3D-Drucktechnologie hergestellt. 380 Befestigungen verbinden insgesamt 900 Bambuselemente.