Zukunft konstruieren: Holzbau mit Methode

Um die Ressource Holz sinnvoll in die Bauprozesse zu integrieren und ihre ökologischen Vorteile voll auszunutzen, müssen gerade TragwerksplanerInnen neu über die Zusammenhänge zwischen Detail und Entwurf nachdenken. Dabei hilft auch ein Blick in die Architekturgeschichte und auf die Qualitäten des Materials.

Längst hatten wir uns – von wenigen Erkenntnisschüben abgesehen – an die endlose, gebührenfreie Nutzung des Ökosystems Erde gewöhnt, als 1994 mit der Theorie der Biokapazität von Mathis Wackernagel und William Rees eine Matrix entstand, die das komplexe Ökosystem Erde als quantifizierbare Handelsware abbildete. Mit der Definition des ökologischen Fußabdrucks bekam menschliches Handeln eine greifbare Dimension; es entstand eine „Mathematik der Nachhaltigkeit“, in der jeder Mensch ein „Klimabudget“ besitzt. Was wäre aber, wenn wir dem Ökosystem Erde jenen grenzenlosen Wert beimessen, den es zweifellos hat? Dann wären wir dessen selbstverständlicher Teil und nicht mehr gezwungen, im Anthropozän leben zu müssen. Die Voraussetzung wäre, zunächst den Unterschied zwischen „Wertschätzung“ und „Kosten“ zu verstehen.

Wie steht es heute, nach der durchschrittenen Postmoderne, um unseren Glauben, mit dem naturnahen Hochleistungsbaustoff Holz eine Zukunft bauen zu können? Nur ein neuer methodischer Ansatz wird einen Beitrag zum globalen Umdenken weit über das Bauen hinaus leisten können. Die Verknüpfung assoziativer Analogien und wissenschaftlicher Erkenntnis lässt uns Entwürfe als Auswege aus der Dauerkrise des „selbstgemachten Planeten“ entwickeln.

Die Suche nach einer Welt im Gleichgewicht

Der Triumph des Gleichgewichtsprinzips über das Stütze-Last-Prinzip gilt als Errungenschaft der Moderne. Diese entledigte sich in weiten Teilen der traditionellen Details, indem sie die Sichtbarkeit der zuvor mit höchst künstlerischer Raffinesse ­illustrierten Kraftflüsse aufgab. Blieb den EntwerferInnen nun nicht viel mehr als das dekorative Ornament? Auch innerhalb des Vokabulars der Moderne ist bei mehrschichtigen Aufbauten – also bei der bautechnisch zwingenden Trennung von Hülle und Tragwerk bei gleichzeitiger Illustration des Tragwerks im Rahmen der Hülle – eine ornamentale Verkleidung, ein Werkzeug der Gestaltung. Der „Lastfluss“ kann auch als „Lustfluss“ zelebriert werden, unabhängig davon, ob er sich als Bekleidung ereignet oder als tatsächliche Konstruktion manifestiert.

Erst mit der zunehmenden Industrialisierung des Bauens und dem damit verbundenen Rückgang der handwerklichen Fertigkeiten innerhalb der Bauproduktion wurden ArchitektInnen zur Detaillierung „gezwungen“. Mit dem modernen Holzbau scheint sich die Architektur ein weiteres Mal vom Zwang der Detaillierung befreien zu wollen. Die Architektur überlässt das Detail mit Freude der Praxis der Holzbau-Industrie. Im Holzbau suchen wir noch nach einer Bildpolitik, der es gelingt, der Diversität des Naturbaustoffs lustvoll Rechnung zu tragen.

In seiner Bauhauslehre stellte Josef Albers die Aufgabe, aus einem Blatt Papier einen Raum zu erzeugen, also den Raum in der Fläche nicht zu erfinden, sondern zu entdecken. Seine Forschungen zu Raum und Scheinraum verbinden sich ­unmittelbar mit den Forschungen Frei Ottos zu Minimalflächen aus Seifenhäuten. Beide Techniken besitzen eine direkte Verbindung zum ­parametrischen Entwerfen, in dem sich aus zu definierenden Parametern ein Modell dynamisch entwickelt. Albers wies darauf hin, zwischen physischem und psychischem Raum unterscheiden zu müssen, um den dreidimensional erlebten Raum im real zweidimensionalen Bild nutzen zu können. Die Konstruktionen Frei Ottos auf Grundlage der Minimalflächenforschung gaben einen Vorgeschmack darauf, wie viel Emotion der konsequenten Reduktion der Mittel innewohnen kann. Wir benötigen also, entgegen dem anno 1713 geprägten klassischen Nachhaltigkeitsbegriff, kein protestantisches Maßhalten, sondern Parameter, die unsere Lebensgrundlage auf eine neue emotionale Basis stellen. Dies wird keine Stilfrage, sondern eine Frage der Methode sein.

Holz kann eine Antwort sein

1914 publizierte Le Corbusier mit dem „Maison Dom-Ino“ einen genialen Prototyp des Stahlbetonbaus. Über hundert Jahre später müssen wir uns zumindest für das Gros der Bauproduktion fragen, was seither passiert ist: nicht viel! Le Corbusiers räumlich-konstruktive Einheit steht nach wie vor für ein kaum einholbares Erfolgsmodell, dessen Werkstoffe jedoch allein aufgrund der Endlichkeit ihrer Ressourcen zwingend einer Nachfolge bedürfen. Hat die Moderne die Chancen des Holzbaus bisher weitgehend verkannt, wobei sich Holz als Baustoff, ausgehend von Balken und Brett, bis heute entscheidend verändert hat? Holz kann eine Antwort sein; es hängt an der Methode.

Unser Büro in Berlin ist fortwährend auf der Suche nach neuen Prototypen des Holzbaus, nach Lösungen für „natürliche Probleme“ und Antworten auf ästhetische Fragestellungen. Dabei beschäftigen wir uns bewusst mit profanen Konstruktionen, die eine Faszination des Einfachen in sich tragen. Die nachstehend beschriebenen Denkansätze sind Praxistests unter aktuellen Marktbedingungen; sie öffnen Denkräume und setzen die Rationalität und Urteilskraft in einen sinnlich wahrnehmbaren Kontext. Zuvor sei kurz noch auf Grundproblematiken und ihre Lösungsansätze verwiesen:

Konstruktionen des französischen Architekten Philibert de l'Orme (um 1510-1570) sind hinreichend publiziert. Der damalige Raubbau an den Wäldern und folgliche Mangel an großformatigen Balkenquerschnitten führte ihn zur Entwicklung des Bohlenbinders, eines weitgespannten Tragwerks aus kurzen, minderwertigen Brettern. 200 Jahre später leistete der Baureformer David Gilly einen wesentlichen Beitrag zur Propagierung dieser holzsparenden Bauweise in ganz Europa. Zur Mitte des 19. Jahrhunderts wurde so, wiederum aus Gründen der Holzersparnis, mit kurzen Brettern ein rautenförmiges Stabnetzwerk ausgebildet. Die freitragenden Dachkonstruktionen des Friedrich Zollinger können als – wenn auch nicht geradlinige – Weiterentwicklung zu einem räumlichen Tragwerk angesehen werden.

Ein Merkmal verbindet diese materialoptimierten, ein- oder zweiachsig gekrümmten Konstruktionen als sich durch die gesamte Konstruktionsgeschichte ziehendes Problem: die Schwäche des Knotens. Das Schwinden und Kriechen der Hölzer verringert auf Dauer die notwendige Biegesteifigkeit der Knoten. Es gibt nur zwei Lösungsansätze: Entweder findet man den universellen Knoten oder man verzichtet im Sinne der Reduktion der Mittel gänzlich auf ihn.

Die einachsig gespannte Astwerkdecke

Während des Neubauentwurfs der Schulmensa auf dem Tempelhofer Feld (Berliner Holzbaupreis 2019) vor 14 Jahren weckte die Tragfähigkeit der kreuzweise verleimten, 49 mm starken Furnierschichtholzplatte „Kerto Q“ unser Interesse. Dieses scheibenförmige Hochleistungsprodukt aus Leim und Holzfurnier forderte uns heraus, konstruktive Merkmale der Stahlbetondecke in eine Holzbaukonstruktion zu transformieren. Gemeinsam mit den TragwerksplanerInnen von Arup Berlin diskutierten wir die einfache Frage: Unter welchen Umständen können Träger ihre Tragwirkung entfalten, obwohl sie unterbrochen sind und somit ihre Last nicht direkt von Auflager zu Auflager transportieren können? Die Übergreifungslängen der Stabstähle bei Stahlbeton-Tragwerken waren die passende Analogie, denn hier findet die Lastabtragung der zugbelasteten Stähle im Beton mittels Übergreifungslängen statt, ohne dass die Stähle selbst kraftschlüssig miteinander verbunden wären.

Mit diesem Konzept entwickelten wir in Versuchsreihen eine Lamellendecke, deren mittels Pressverleimung aus einfachem KVH auf die Sperrholzplatte aufgebrachte Lamellen eine Plattenbalkenwirkung entfalten, ohne untereinander mit Knoten verbunden zu sein. Jede Lamelle wird auf Biegung beansprucht. Die Übergreifungslängen reichen aus, um die Querkräfte über die Furnierschichtholzplatte auf die nächstliegende Lamelle zu übertragen. Die Dachscheibe mit untergeleimten Lamellen überspannt den 9,50 m tiefen Mensaraum, wodurch das Bild eines Astwerks entstand. Die Fügung des Deckentragwerks im Auflagerbereich gestaltete sich ebenso einfach. Hier konnte auf die Fügung von Stütze und Träger verzichtet werden; die mittragende Dachscheibe wurde auf die Stützen der Pfostenriegelfassade aufgelegt und nur gegen Verschieben gesichert.

Die Sterndecke

In größeren Dimensionen können die aktuellen Holzbau-Plattenwerkstoffe die statische Optimierung der gleichwertig tragenden Zweiachsigkeit monolithisch gegossener Stahlbeton-Flachdecken nicht bieten. Jedoch bietet die Zulieferindustrie des Holzbaus zur Einleitung von Punktlasten in Plattentragwerke bereits Metallverbindungen als „Durchstanzbewehrungen“ an, eine fehlverstandene analogische Schlussfolgerung.

Für den Büromöbelhersteller Ophelis entwarfen wir eine 1 500 m2 große Ausstellungshalle, die mit reduzierter Stützenanzahl vielfach nutzbar ist. Hierfür entwickelten wir die „Astwerkdecke“ unserer Tempelhofer Mensa weiter, als knotenlose Lamellendecke unter Ausnutzung der Tragfunktion des Plattenbalkens. Als Deckenscheibe verwendeten wir 16 cm starkes Brettsperrholz; das Deckentragwerk wurde mit sternförmig pressverleimten BSH-Lamellen in die Lage versetzt, mehrachsig zu spannen. Das Plattentragwerk kann auf das monolithische Element einer Stahlbetondecke verzichten, da alle Plattenstöße in den Bereich der Momentennullpunkte gelegt wurden. In den Plattenstößen werden nur Schubkräfte übertragen, was durch eine einfache, lagesichernde Verschraubung gewährleistet wird.

Zuerst wurden zwei Pendelstützenreihen der aus transportfähigen Halbrahmen zusammengesetzten Y-förmigen Stützen und der zugehörigen Deckenplatten im Abstand von 14 m aufgestellt, die anschließend mit den Zwischenelementen zu einem mehrachsig gespannten Tragwerk zusammengefügt wurden. Da die Stöße der Decken-elemente keine Momente aufnehmen müssen, waren die Lamellen nicht über den Elementstoß zu führen, was das Zusammenfügen der vorge­fertigten Elemente zur mehrachsig gespannten Plattenbalkendecke möglich machte. Die Außenfassade mit gläsernem Oberlichtband und schneckenförmig eingeschriebenem Konferenzsaal steift das Gebäude aus. Aus der geschlossenen, ringförmig angelegten Holztafelbaufassade kragen die Pfosten 1,30 m weit als eingespannte Stützen aus, auf denen die Deckenplatte gelagert ist. Punktuell angeordnete Oberlichter werfen schattiges Licht in die „künstlichen Baumkronen“, was in der Präsentation der Möbelmodelle für zukünftige Arbeitswelten Assoziationen an Naturräume wachruft.

Ein Haus aus Brettern und Stämmen

Im Rahmen der IBA Thüringen planen wir aktuell ein Sportpädagogisches Zentrum am Ufer der Bleilochtalsperre, das sich als Projekt der „Einfachheit“ versteht. Wir verwenden ausschließlich Konstruktionsvollholz überwiegend aus (Borkenkäfer-)Schadholz und verzichten, bis auf Zinkverleimungen der Konstruktionsvollhölzer, ganz auf Leimhölzer und Plattenwerkstoffe. Der Holzeinschlag erfolgt im unmittelbaren Umfeld und wird in einem lokalen Sägewerk verarbeitet. Die ­maximale Reduktion der Grauen Energie durch Minimierung energetischer Veredelungsprozesse fordert eine besondere Planung – von statisch angesetzten Brettlagen zur Aussteifung bis zur Holzsortierung, Trocknung und gutachterlichen Prüfung der Rundstützen aus Stammware. Diese technisch „reduzierte“ Bauweise wurde von der normierten Bauindustrie scheinbar vergessen. Inwieweit diese Fallstudie neben den Aspekten der Konstruktion auch eine eigene architek­tonisch-räumliche Sprache findet, zeigt sich spätestens nach der Fertigstellung im nächsten Jahr. Eine Zwischenbilanz darf bereits gezogen werden: Wer im Holzbau (anders als bei den beiden zuvor beschriebenen Projekten) nicht leimen will, muss sich vermehrt um die Knoten kümmern.

Die Erkenntnisse aus der Praxis fließen in die Lehre an der Universität Stuttgart ein: Wir untersuchten z. B. innerhalb eines Seminars in Kooperation mit dem Institut für Tragkonstruktion und Entwerfen und der Materialprüfanstalt Stuttgart mittels 160 Probekörpern die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von fünf Nadel- und fünf Laubhölzern. Die Versuche zeigen unter anderem deutlich die große Differenz der nach Norm zugelassenen Biegebeanspruchungen und der tatsächlich nachweisbaren Tragfähigkeit einzelner Probekörper mit Abweichungen von bis zu 100 %.

Diversität, Empathie und der digitale Wald

Nach Schätzungen des Geo-Forschungszentrums Potsdam GFZ gibt es auf der Erde über 73 000 Baumarten, deren Erscheinungsformen ihren jeweiligen Habitaten angepasst sind. In Deutschland wird nur eine kaum relevante Anzahl von Nadel- und Laubhölzern als Konstruktionsholz genutzt. Die Einteilung in anspruchslose Festigkeitsklassen erfolgt überwiegend durch manuelle (Sicht-)Sortierung – ohne Berücksichtigung der Qualitäten der einzelnen Arten, der Standorte und Klimabedingungen. Grundsätzlich gliedern sich die Festigkeitsklassen ausschließlich in Laub- und Nadelholz, ohne die unterschiedlichen Potenziale in der Druck-, Querdruck-, Zug- und Biegefestigkeit zu unterscheiden.

Seit mehr als 50 Jahren wird das medizintechnische Verfahren der Computertomografie auch für die Werkstoffprüfung der Industrie eingesetzt. Selbst hochwertige Baumpflegemaßnahmen nutzen solche Scans bereits als zerstörungsfreies Untersuchungsverfahren. So wäre es ein Leichtes, Schnittholz präzise in individualisierte Festigkeitsklassen einzuteilen, um die reale Leistungsfähigkeit zu definieren. Die Ausschöpfung einer individuellen Tragfähigkeit reduziert den Holzverbrauch bei gleicher Bauqualität drastisch und verbessert auch die Materialeigenschaften aller Folgeprodukte (BSH, FSH, Composite etc.). Auch das aktuell so geliebte Brettsperrholz würde wieder wie einst gedacht hergestellt: als Verwertung von Restholz. Die Digitalisierung der Bauproduktion darf nicht erst bei der Planung und Fertigung einsetzen, sondern muss vielmehr im Wald beginnen.

Je mehr wir auf eine Veredelung nachwachsender Rohstoffe verzichten, desto stärker reduzieren sich alle weiteren energetischen Prozesse. Der Holzbau bietet die Chance, das Verständnis der Konstruktion vom Rohstoff her neu zu denken. Dabei lässt der stabförmige und verästelte Habitus der Ressource Wald ein völlig andersartiges Raumvokabular entstehen. Es bedarf keiner Analogie des gegossenen, abgeformten Betons mehr. Das Holztragwerk kann vom Relief zum Raum werden, was zwangsläufig zu einem neuen Raumverständnis führt.

Form follows growth

Die Waldwirtschaft hat die Notwendigkeit längst verstanden: Anstelle von Monostrukturen entstehen wieder diverse, artenreiche Lebensräume. Eine „Digitalisierung des Waldes“ ermöglicht die individuelle Holzentnahme. Deren Potenzial veranschaulichten Studierende der Architectural ­Association London im Rahmen eines Design-Build-Projekts in einem Wald im südenglischen Dorset. Im Hooke Park wurden Astgabeln drei­dimensional gescannt, digital für die Nutzung als Tragwerk analysiert und zum Bau des Unterstandes „Wood Chip Barn“ ausgewählt. Die ­biegesteifen Naturverbindungen der Astgabeln wurden dank digitaler Frästechnik in ihrer naturbelassenen Wuchsform genutzt und miteinander zu einem Tragwerk verbunden. Bereits dieses kleine Projekt zeigt die Möglichkeiten digitalisierter Forstwirtschaft, Planung und Holzbearbeitung.

ArchitektInnen besitzen noch erschreckend wenig Kenntnisse von den Materialien ihrer Häuser. Es ist höchste Zeit, die individuellen Qualitäten natürlicher Baustoffe zu erkennen und zu nutzen.

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