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Neue NEST-Unit STEP2: 3D-Druck und Gebäudehülle im Fokus

Publiziert am 21.05.2021 von Remo Bürgi, Fachjournalist Faktor Journalisten
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Swissbau Die Forschungsplattform NEST der Empa plant eine neue Unit, die im Sommer 2022 fertiggestellt sein soll. Bei «STEP2» kommt unter anderem eine Geschossdecke zum Einsatz, deren Schalungselemente aus dem 3D-Drucker stammen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Gebäudehülle, wo insbesondere am sommerlichen Wärmeschutz geforscht wird (Grafik: ROK Architekten).



Enrico Marchesi legt den Finger gleich zu Beginn des Gesprächs auf den wunden Punkt. «Die Bauindustrie hinkt bei der Automatisierung anderen Industrien mehrere Jahrzehnte hinterher», sagt der Innovation Manager des NEST. «Während Industrien wie die Autobranche ihre Herstellungsprozesse längst automatisiert haben, stellen wir auf der Baustelle auch heute noch überwiegend Prototypen in Handarbeit her.» Eine Möglichkeit, diesen Rückstand aufzuholen und Fertigungsprozesse effizienter zu gestalten, sieht NEST im 3D-Druck. Die Innovationsplattform der Empa hat Erfahrung damit, denn die Technik kam bereits bei der Unit «DFAB House» zum Einsatz. Bei STEP2 werden die Fachleute den 3D-Druck unter anderem nutzen, um die Schalungselemente für eine Beton-Geschossdecke herzustellen.

3D-Druck als Chance

In Zusammenarbeit mit ROK Architekten, BASF, Stahlton Bauteile AG und WaltGalmarini AG entwickelte das Projektteam ein technisches Gesamtkonzept für eine gewölbte Rippen-Filigrandecke. Es ermöglicht Spannweiten von bis zu 20 Metern bei gleichzeitig minimiertem Materialeinsatz. Der 3D-Druck der Schalungselemente aus Kunststoff trägt dabei gemäss Marchesi entscheidend dazu bei, die Produktion zu optimieren. «Grundsätzlich gilt: Je spezieller die Schalungselemente, desto teurer ihre Produktion», erklärt Marchesi. Der 3D-Druck aber entkopple diesen Zusammenhang. Die digital gesteuerte Fertigung der Elemente ermöglicht einen flexibleren Materialeinsatz, der sich gezielt an der Tragstruktur orientiert. Die Dicke der Betondecke variiert je nach statischer Anforderung. Zudem ist die Ausführungsqualität gleichmässig hoch und es lassen sich anspruchsvollere geometrische Formen realisieren. «Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten für Design, Statik und Funktionalität», sagt Marchesi. 

Markttauglichkeit als Ziel

Um diesen potenziellen Mehrwert zu nutzen, müsse die Technik aber angewandt und unter realen Bedingungen validiert werden. Dazu zählt beispielsweise, die optimalen Anwendungsgebiete für den 3D-Druck zu eruieren. Eine herkömmliche, einfache Betonmauer zählt beispielsweise nicht dazu – eine komplexe Deckenkonstruktion dagegen schon. Welche Vorteile und Möglichkeiten der 3D-Druck für solche Anwendungen bietet, soll mit der geplanten Unit STEP2 ermittelt werden. Es geht also darum, die Theorie in markttaugliche Praxis zu überführen.

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Die geplante Rippen-Filigrandecke der neuen Unit wird mit Kunststoff-Schaltungselementen aus dem 3D-Drucker realisiert. (Grafik: ROK Architekten)

Gebäudehülle der Zukunft

Die Fassade von STEP2 ist als Entwicklungs- und Versuchsplattform ausgelegt, an der die NEST-Partner verschiedene Innovationen testen können. Im Zentrum steht der Wärmeschutz, denn angesichts der heisser werdenden Sommer wird das Kühlen von Gebäuden inskünftig immer wichtiger. «Entscheidend ist, dass integrale Konzepte für den sommerlichen Wärmeschutz entwickelt werden», erklärt Marchesi. Ein Kriterium sei die Konstruktion des Gebäudes, sodass möglichst wenig Kälte zugeführt werden muss. Relevant dafür ist unter anderem die Speichermasse einer Immobilie, wozu in der neuen Unit die Geschossdecke einen wesentlichen Beitrag leistet. Dank digitaler Planung und Ausführung der Schalungselemente lässt sie sich sogar optimal auf die Bedürfnisse des Wärmeschutzes anpassen. Apropos Speichermasse: Um sie zu nutzen, muss sie im Sommer aktiviert werden, beispielsweise durch eine effiziente Nachtauskühlung über Lüftungsklappen. Damit dies wie gewünscht funktioniert, braucht es eine automatische Regelung.

Reglersysteme nötig

Auch sonst können Gebäude in Zukunft mehr von intelligenten Gebäudesystemen profitieren, ist Marchesi überzeugt. «Eine Immobilie braucht Regelungs- und Steuersysteme, welche die eingesetzten Techniken miteinander verbindet.» In den letzten Jahren sind in diesem Bereich grosse Fortschritte erzielt worden, wie das immer grössere Angebot an Smart-Home-Funktionen beweist. Auch die Empa forscht intensiv an Reglerstrategien, die mehr Funktionen übernehmen können als die manuelle Bedienung durch den Menschen und überdies zuverlässiger sind. Marchesi plädiert indes auch dafür, nur dort zu automatisieren, wo es nötig sei – wie eben bei der Nachtauskühlung oder bei der Beschattung.

 

Beschattung revolutionieren

Die Beschattung ist ein weiterer Schwerpunkt des Projekts STEP2. So testet man etwa Systeme, die nicht von oben, sondern von der Seite oder von unten ausgefahren werden. Die Idee dahinter: Im Sommer muss wegen des hohen Sonnenstands vor allem der untere Teil von Fenstern beschattet werden. Bei herkömmlichen Systemen muss man dafür die Aussenstoren komplett herunterlassen und verhindert so die optimale Nutzung des Tageslichts. Kommen die Storen dagegen von unten, bleibt der obere Teil des Fensters frei für das einfallende Tageslicht. So könnte sich der Zielkonflikt zwischen Beschattung und Tageslichtnutzung lösen lassen.

Ästhetische Fassadenpanels

Ein weiterer Schwerpunkt der STEP2-Fassade ist die Nutzung von Solarpanels. Diese sind zwar sinnvoll und bergen ein hohes Potenzial für die Stromerzeugung, sind aus ästhetischen Gründen aber auch umstritten. Diese Problematik kann mit ästhetisch ansprechenderen Panels gelöst werden, die beispielsweise nicht schwarz, sondern farbig sind. Solche Panels sollen bei STEP2 getestet werden, auch wenn sie weniger Sonnenenergie erzeugen als herkömmliche Module. «Wir finden: Lieber etwas weniger effiziente Panels als gar keine, weil die Ästhetik im Weg steht», erklärt Marchesi die Haltung des NEST.

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 Die Gebäudehülle von STEP2 bietet die Möglichkeit, verschiedene Innovationen einem Praxistest zu unterziehen. (Grafik: ROK Architekten)

Austauschbare Elemente

Nach der Erstellung wird STEP2 über einen längeren Zeitraum in Betrieb sein, um Erfahrungen zu gewinnen. Wie bei jeder NEST-Unit besteht ein Nutzungsprofil, das bei STEP2 auf Büro- und Ingenieursarbeitsplätze ausgelegt ist. Die Unit ist so konzipiert, dass gewisse Elemente etwa an der Fassade ausgetauscht werden können, um verschiedene Varianten einem Praxistest zu unterziehen. So soll STEP2 im Verlauf der kommenden Jahre dazu beitragen, Erkenntnisse zu gewinnen und die eingesetzten Techniken und Materialien markttauglich zu machen.

NEST: weitere Units vor Fertigstellung
Das NEST besteht heute aus den sechs Units Vision Wood, Meet2Create, Solare Fitness und Wellness, Urban Mining und Recycling, DFAB House und SolAce. Neben STEP2 ergänzen bald zwei weitere Units die NEST-Plattform. Sprint soll bereits im Frühsommer fertiggestellt werden, der Schwerpunkt dieser Unit liegt auf der Kreislaufwirtschaft. Vor dem Hintergrund der Coronakrise wollten die Verantwortlichen zeigen, wie ein Gebäude möglichst schnell bereitgestellt werden kann und wie man dafür Teile wie Fenster, Fassadenelemente oder auch die Gebäudetechnik wiederverwenden kann. Für den Herbst ist die Eröffnung von HiLo geplant, wo insbesondere digitale Bautechniken erforscht werden. Diese Unit folgt dem Grundsatz «Pushing the Limits» und soll zeigen, was dereinst möglich sein könnte.

NEST-Website

Remo Bürgi

Remo Bürgi

Remo Bürgi ist Kommunikator ZFH und arbeitet als Fachjournalist bei Faktor Journalisten. Er verfasst Beiträge für Publikationen des Faktor Verlags ebenso wie für verschiedene Fachzeitschriften und Blogs. Sein Schwerpunkt liegt auf den Themen Energie, Nachhaltigkeit und Mobilität.

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