The Floor is Yours

Funktional integrierte, funikul?re B?den

Block Research Group, ETH Z¨¹rich
Architektur und Geb?udesysteme, ETH Z¨¹rich
Digitale Bautechnologien, ETH Z¨¹rich

Der rasch voranschreitende Abbau von Rohstoffen hat zur Folge, dass bereits im Jahr 2050 nicht mehr gen¨¹gend Sand und Stahl f¨¹r Betonbauten verf¨¹gbar sein werden. Es ist deshalb an der Zeit, das Design und die Bauweise von Geb?uden neu zu ¨¹berdenken. Die ETH Z¨¹rich pr?sentiert im Pavillon in Davos ein funktional integriertes Bodensystem. Es ist das Ergebnis neuartiger Architekturforschung und zeigt, wie das Zusammenspiel von historischen, geometrischen Designs und neuen Technologien zu einer leichteren Bauweise sowie zu signifikanten Rohstoffeinsparungen f¨¹hren kann.

Ein Team von Forschenden am Institut f¨¹r Technologie des Departements Architektur der ETH Z¨¹rich ist derzeit daran, ein integriertes Boden-Tragwerksystem zu entwickeln. Ziel ist es, den erheblichen Anteil der Bauindustrie an den globalen Treibhausgas-Emissionen und am raschen Abbau nat¨¹rlicher Ressourcen anzugehen und letztlich zu reduzieren. Die tragenden Elemente eines mehrst?ckigen Geb?udes machen n?mlich bis zu 50 % seiner Grauenergie aus. Und in Geb?uden mit zehn oder mehr Stockwerken stammen bis zu 80 % des Gewichts des Tragwerks von den Bodenplatten, die ¨¹blicherweise aus Stahlbeton hergestellt werden. Ein materialeffizientes Boden-Tragwerksystem k?nnte die graue Energie der bebauten Gebiete in den schnell wachsenden St?dten dieses Planeten signifikant reduzieren. Zus?tzlich w¨¹rden optimierte Heiz- und K¨¹hlsysteme den Energieverbrauch f¨¹r den Geb?udebetrieb wesentlich verringern.

Die Block Research Group entwickelt funikul?re B?den mit versteiften Rippen, bestehend aus doppelt geschwungenen Schalen, die unter Druck Belastungen effizient standhalten. Spannungen werden zudem anstatt durch eingelagerte Stahlarmierungen extern ¨¹ber Verbindungen absorbiert. Dies erm?glicht eine massive Reduktion von bautechnisch unn?tigem Beton um bis zu 70 %. Die Tragwerkgeometrie resultiert dar¨¹ber hinaus in ?usserst geringen Belastungen selbst in den sehr d¨¹nnen Bereichen, was die Verarbeitung schw?cherer Materialien ¨C wie beispielsweise von rezykliertem Beton ¨C erlaubt. Durch das Aush?hlen der Bodenplatte ¨C wobei ausschliesslich Bausubstanz zur¨¹ckbleibt, die f¨¹r einen effizienten Kr?ftetransfer unter Druck notwendig ist ¨C lassen sich Rohre, Kabel und mechanische Systeme durch Bodenvolumen leiten, die fr¨¹her nicht zug?nglich waren.

Der Lehrstuhl f¨¹r Architektur und Geb?udesysteme erforscht Energie- und Klimasysteme f¨¹r Geb?ude sowie deren Integration in tragende Elemente. Dies mit dem Ziel, die Effizienz zu erh?hen und Raumbedarf sowie Kosten zu reduzieren. Untersucht wird im Rahmen dieser Forschung insbesondere die Integration einer optimierten, dreidimensionalen Erweiterung eines hybriden K¨¹hlungs- und Heizungs-Induktionsdurchlass-HVAC-Systems in funikul?re Boden-Geometrien. Synergien mit dem Tragwerkdesign werden durch die Nutzung der Hohlr?ume und der geometrischen Eigenschaften des Bodens erzielt, die eine effiziente Leitung von Luft und Wasser f¨¹r den W?rmetransport und die Luftversorgung erlauben. M?glich wird ein derartiges, optimales Str?mungsdesign dank der Flexibilit?t von 3D-Druck.

Aufgrund der komplexen Tragwerkgeometrie und des hohen Integrationsniveaus w¨¹rde die Herstellung derartiger B?den aus Beton typischerweise zu material- und kostenintensiven Verschalungsl?sungen f¨¹hren. Zudem w?ren komplexe Montage- und Demontagearbeiten erforderlich. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl f¨¹r Digitale Bautechnologien werden deshalb neue, effiziente Verschalungsl?sungen untersucht, die auf modernsten 3D-Drucktechnologien basieren. Ziel ist es, massgeschneiderte, d¨¹nnwandige Formen zu entwickeln, die sich sowohl f¨¹r interne Leitungssysteme als auch f¨¹r die sichtbare Unterseite des Bodens eignen.

Der im Pavillon der ETH Z¨¹rich am World Economic Forum (WEF) 2019 in Davos ausgestellte Prototyp dieses funktional integrierten, funikul?ren Bodensystems ist eine effiziente L?sung, m?glich gemacht durch Tragwerkgeometrie, Geb?udesystemintegration, effiziente Herstellungsmethoden und kollaborative Forschung im Rahmen des National Research Program Digital Fabrication (NCCR DFAB). Mit dem Prototyp soll das enorme Potenzial derartiger neuer Baukomponenten aufgezeigt werden, wenn es darum geht, die Herausforderungen zu thematisieren und zu meistern, mit denen sich die Bauindustrie bereits heute konfrontiert sieht und die in Zukunft noch zunehmen werden.