Gebäudemodul STEP2 in Dübendorf

Das Testen und Erproben von neuen Bautechnologien, Materialien, Wohn- und Arbeitsformen stand im Vordergrund bei der Entwicklung des Konzepts für das modulare Forschungs- und Innovationszentrum NEST in Dübendorf. Von Gramazio Kohler Architects entworfen, wurde das Gebäude bereits 2016 auf dem Gelände der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) realisiert. Seither füllen sich die freien, weit auskragenden Geschossplatten mit sogenannten Units verschiedener Planungsgruppen aus Architektur, Forschung und Industrie. Das neuste Gebäudemodul STEP2 stellt eine Reihe materialsparender und energieeffizienter Bautechnologien unter Beweis, darunter die geschwungene Betontreppe im Inneren von ROK Architekten, dem Lehrstuhl Digital Building Technologies der ETH Zürich und Partnern aus der Industrie.

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Ressourcenschonendes Bauen 

Mit der Entwicklung verschiedenartiger NEST-Units soll einerseits der Material- und Energieverbrauch gesenkt werden. Andererseits steht die Förderung von kreislaufgerechtem Umgang mit Ressourcen und die Erprobung marktfähiger Lösungen im Fokus. Das zweistöckige Modul STEP2 befindet sich in der obersten Südostecke des Forschungsbaus. Die adaptive Fassade besteht aus mehreren großformatigen Fensterelementen mit integrierter, dem Sonnenverlauf angepasster Beschattung. Die einzelnen Fenstermodule können ohne großen Aufwand ausgewechselt werden. So passt sich die Fassade über die Jahre neuen Technologien an.

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Auch im Innenausbau verwendeten die Beteiligten ungewöhnliche Materialien und Formensprachen. Das Modul ist über den Erschließungskern des Forschungsgebäudes erreichbar. Die Wandpaneele, Bodenplatten und Küchenoberflächen etwa, bestehen aus Reststoffen von rezyklierten Denim-Fasern, gebrauchten Pappbechern und Kaffeesatz und eigens entwickelten Bindemitteln und leistungsstarken Beschichtungen. Die Decke wurde als Rippen-Filigrandecke ausgebildet und erlaubt Spannweiten von bis zu 14 Metern. Damit eignet sie sich besonders für den Büro- und Hochhausbau. Die Decke setzt sich aus mehreren vorgefertigten Einzelteilen zusammen, für die individuelle, 3D-gedruckte Schalungen hergestellt wurden. Integrierte, ebenfalls 3D-gedruckte Boxen wurden mit einem schallisolierenden Tonschaum gefüllt, sodass die Decke trotz ihrer schallharten Oberfläche zu einer angenehmen Raumakustik beiträgt. Sie dient außerdem als thermische Speichermasse, was sich positiv auf die Raumtemperatur auswirkt und trägt somit wesentlich zum Energiekonzept der Unit bei.

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Eine 3D-gedruckte Schalung – 16 Betontrittstufen 

Die Freiformtreppe Cadenza stellt ein weiteres Highlight in der Unit dar. Das Konzept der Treppe folgt dem Ansatz, digital erzeugte Geometrien und integrierte statische Berechnungen zu vereinen, um strukturell effizient zu sein und Material zu sparen. Das Resultat der durchgängig digitalen Planung – vom computergestützten Design bis hin zum 3D-Druck der Schalung – ist eine komplexe und dennoch leichte und rückbaubare Treppe, die sich aus 16 einzelnen Trittstufen zusammensetzt. Jede Stufe ist ein separates Betonelement, die allesamt aus ein und derselben wiederverwendbaren 3D-gedruckten Polymer-Extrusionsschalung vorgefertigt wurden. Die Schalung besteht aus sieben gedruckten Einzelsegmenten, die ohne Hinterschneidungen zusammengefügt wurden, um Ausschalungsprobleme zu verhindern. Mit Kohlenstofffasern verstärkt, um die Zugfestigkeit des Materials zu erhöhen und mit einer speziellen Schutzschicht überzogen, sorgt dies für die glatte Oberfläche der gegossenen Bauteile – ohne sichtbare 3D-Druck-Schichten. 

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Computergestütztes Design für Betontreppe

Die komplexe Form der Treppe mit nur 20 mm starken Trittflächen ist Ergebnis des parametrischen Entwurfsprozesses und der Verwendung der hochleistungsfähigen Materialien. Computergestützt konnten Sicherheitsvorschriften, Entwurfsrichtlinien und Herstellungsanforderungen sowie die Rahmenbedingungen des 3D-Drucks in einem digitalen Modell vereint und daraus Entwurfsvarianten generiert werden. Ergänzt um standortspezifische Faktoren wie etwa Deckenhöhe, Öffnungsfläche oder Zugang wurden die verschiedenen Varianten weiter spezialisiert, bis das finale Design der Trittstufen erreicht war: Vom spiralförmigen Rückgrat mit mehr Masse kragen die dünn zulaufenden Trittflächen weit aus. Für die Realisierung der Treppe nutzen die Beteiligten eine Vorspanntechnik mit Formgedächtnislegierung, die die trocken aufeinander gefädelten Trittstufen fixierte. Die Stufen selbst sind aus ultrahochverdichtetem faserverstärktem Beton (UHPFRC) mit einer Zugfestigkeit von 158,5 MPa gegossen. 

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Das Design der Stufen umfasst ebenso alle funktionale Details. So sind die Kanäle des Spannstahls, die ineinandergreifende Schubverzahnung und Anschlüsse für Geländer und Geschossdecke integriert. Nachdem die letzte Stufe auf die drei Stahlstäbe aufgefädelt war, wurden sie vorgeklemmt, erhitzt und langsam wieder abgekühlt. Dabei entstand eine Druckspannung von 285kN auf die gestapelten Stufen. Die gesamte Treppe konnte im letzten Schritt per Kran auf die Baustelle in ihre Position gehoben werden. Durch diese modulare und vorgefertigte Bauweise kann die Treppe als Prototyp für weitere Anwendungen eingestezt werden. -st

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