Raum für Experimente

Es ist eine Binsenweisheit, dass Labor- und Forschungsbauten allseits als Funktionsbauten eingestuft werden. Meistens ist es das Erste, was der jeweilige Bauherr betont, wenn man als Architekturbüro beginnt, Ideen zu entwickeln. Grundsätzlich lässt sich nichts dagegen sagen, dass der Funktion innerhalb dieser Gebäudetypen eine sehr wichtige Rolle zukommt. Allerdings ist diese Ansicht bezüglich der Grundsätze der Architektur schon seit Ende des 19. Jahrhunderts durch Louis Sullivan und andere hervorgehoben worden, so dass man nicht davon reden kann, dass es hier eine ganz eigene und neue Bedeutung speziell für Laborbauten gäbe. Vielmehr ist es so, dass die  moderne Technik und die in kleinste Details vordringende Wissenschaft und Forschung so ­präzise ausgerichtete Gebäude benötigen, dass deren Funktion nicht mehr ein- oder zweidimensional betrachtet werden kann. Ein Forschungsbau muss fast immer gleichzeitig sich widerstrebende Bedingungen erfüllen, die streng genommen nicht zusammenpassen. Ein moderner Forschungsbau gleicht damit eher einer multiplen Persönlichkeit als einem einseitigen Funktionsbau, wie er vielleicht früher im Sprachgebrauch gedacht war. Dadurch ist ein Forschungsbau auch mitnichten ein Prototyp von Gebäude, der beliebig überall sonst repliziert werden kann. Sie sind meistens wie ein maßgeschneiderter Anzug, den man zwar auch jemand anderem zur Verfügung stellen kann, aber er sitzt niemandem so gut wie dem eigentlichen Auftraggeber. Forschungsbauten sind zu großen Teilen Unikate mit ihren speziellen Bedingungen und Lösungen. Nicht allein der Funktion geschuldet, sondern vor allem auch dem Umfeld, in das sie eingepasst werden sollen.

Es gibt viele Beispiele dafür wie versucht wurde, Typologien zu schaffen und systemisch die Anforderungen zu formulieren. Daraus haben sich etablierte Raster, Breiten und Tiefen ergeben, die bestimmt sind durch technische Anforderungen und Ausstattungen von Standardlaboren. Ganze Wirtschaftszweige sind darauf ausgerichtet, Möblierungen für Labore anzubieten, die Raumgrößen definieren und die Gebäude in Form zwingen. Die im Laborbau bekannten Breitenraster von 1,15 m, 1,20 m und 1,25 m sind für die Optimierung der Flächen in Laboren definiert worden, sind aber im Hinblick auf andere Funktionszonen, speziell Büros, nicht alle umsetzbar. Hier muss die Zonierung im Gebäude entsprechend reagieren, um Raster nicht zum Zwangskorsett werden zu lassen oder die Optimierung im Labor durch ein Raster von 1,25 m zu lockern, um auch Büros einpassen zu können. Diese Grundlagen als auch das Brandschutzkonzept und die Gefährdungsbeurteilung, die unter anderem auch die Rettungsweglängen im Labor deutlich einschränken können und damit klare Planungsvorgaben machen, sind auch für uns von Burckhardt stets die Anfänge für Entwürfe von Laborbauten. Aber wenn die Räume in Form und Größe passend gemacht sind und das Puzzle beginnt, diese in einer Gesamtgeometrie unterzubringen, beginnt erst die eigentliche Schwerstarbeit. Die TGA, die bei solchen Gebäuden mittlerweile oft die höheren Kosten verur-sacht, und deren physikalische Grundlagen müssen diese Räume erst zum Leben erwecken. Ohne eine optimale Versorgung der Endabnehmer im System funktioniert nichts. Versorgungen über Laborzeilen, von oben oder von unten über Deckensegel oder Bodentanks, sind auf ihre jeweilige Eignung und Flexibilität bezüglich der Fachgebiete zu prüfen. Somit sind es nicht nur die Funktionen der Räume, die Anforderungen der Nutzer und die Bedingungen des Ortes, sondern in starkem Maße auch die richtige Anordnung der Versorgung, die einen Forschungsbau prägen und ins Laufen bringen. Dies gilt es als Architektur­büro zu verstehen und so umzusetzen, dass alles „funktioniert“ und wert ist, die gebaute Umwelt zu bereichern.

Die Versorgung und deren Anforderungen, unter anderem an Leitungslängen, Erreichbarkeit, Wartung, Dimension, Abtrennung, Brandschutz und nicht zuletzt die Verbindung mit den Technikzentralen, definiert die inneren Zusammenhänge des Gebäudes und dessen Ausformulierung. Dazu gibt es wiederum erprobte Systeme und Ideen, die bei jedem Laborbau wieder durchgespielt werden. Dennoch ist es die Funktionsmischung jedes einzelnen Vorhabens, welche die individuelle Lösung bringt.

In den letzten Jahrzehnten hat sich in der Wissenschaft etabliert, dass sich das eigentliche Forschungsgebiet aus vielen einzelnen Fachgebieten bedient und das Zusammenspiel verschiedener Disziplinen erst das Ganze ergibt. Haben wir als Architekten vor einiger Zeit noch sehr stringente chemische oder biologische oder physikalische Labore geplant und errichtet, sind es heute die Hybride, die in der Praxis überwiegen. Das führt zu einem Nutzungsmix, bei dem gegensätzliche Anforderungen vereint oder zumindest verträglich zusammengebracht werden müssen. Hierdurch entsteht auch in der Versorgung eine maximierte Gleichzeitigkeit an Ansprüchen mit noch mehr Luftvolumen und Medien. Um diesem Anspruch auch im Hinblick auf die Flexibilität späterer Änderungen in der Forschung entsprechen zu können, müssen einfache Systeme mit ausreichendem Platz für Nachverdichtungen und Ergänzungen für die Versorgung bereitgehalten werden, die zudem gut erreichbar sind. Machen bei z. B. Verwaltungsbauten die Technikflächen meist nur ca. 10 Prozent im Verhältnis zu den Nutzflächen aus, so sind es bei Forschungsbauten zwischen 35 und bis zu 50 Prozent – je nach Anforderung. Darin enthalten sind die großen Technikzentralen, aber auch die zur Versorgung ­notwendigen Schachtflächen, die stets ein Nachverdichtungspotenzial von mindestens 25 Prozent berücksichtigen sollten.

Anhand von ein paar Beispielen aus unserem Büro möchten wir diese Vielfalt, deren Beweggründe und die Tendenz der Ausformulierung kurz darstellen und die Wechselwirkung von geforderter Funktionalität und Umsetzung im spezifischen Grundriss erläutern.

Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass es hinsichtlich einer Entscheidung zwischen dezentraler und zentraler Versorgung eine klare Hinwendung zur zentralen Versorgung über große Schächte gibt. Dies ist einerseits darauf zurückzuführen, dass die Begehbarkeit von Schächten erst ab einer gewissen Größe gewährleistet werden kann und dass die Vielzahl von Versorgungsmedien in dezentralen Systemen zu großem Aufwand führt. Zudem, wie am Beispiel des Biomed 2 des Helmholtz-Zentrums Hereon bei Berlin ersichtlich, ist die Zuführung aus den Technikzentralen komplex, da jeder einzelne Schacht aus mehreren Richtungen angefahren werden muss. Diese Wege müssen gut erreichbar sein. Wenn also die Zentralen so angeordnet sind, dass sie auf kurzem Wege die gesamte Fläche erreichen können, ist dies eine durchaus sinnvolle Lösung für nicht zu große Forschungsbauten. Sobald die zu erreichende Fläche größer wird, werden dezentrale Systeme unwirtschaftlich. Zudem hat die Dezentralität deutliche Auswirkungen auf die Flexibilität. Meist als vor den Laboren in Längsrichtung angesetzte Schächte werden diese durch die einzelnen Türen zu den Laboren immer wieder durchtrennt. Eine Verbindung zwischen den Schächten ist umständlich und die Medien müssen den einzelnen Räumen entsprechend verteilt werden und stehen nicht überall zur Verfügung. Bei gleichförmiger Nutzung der Labore oder bei großräumigen Laborflächen lässt sich dies noch gut umsetzen. Differenziert sich die Laborlandschaft weiter aus, wird das System zu starr. Daher werden derzeit fast immer große Zentralschächte umgesetzt, die in der Lage sind, wechselnde Bedingungen flexibel zu bedienen. Wobei sich in den folgenden Beispielen auch der Begriff des Zentralschachtes ganz unterschiedlich darstellt.

Schaut man sich den Grundriss des Institutes Polymercomposite (PYCO) des Fraunhofer Institutes für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Wildau an, so erlebt der Begriff des Zentralschachts seine fast reine Umsetzung. Genau in der Mitte eines annähernd quadratischen Baukörpers befindet sich ein durchgehender Schacht, der die im DG befindlichen Technikzentralen mit allen umseitig liegenden Laboren in alle Geschossen sternförmig versorgt. Dies betrifft maßgeblich die Versorgung von Lüftung, Sanitär und Heizung. Die Elektroversorgung ist dezentraler in mehreren kleinen Schächten angelegt. Dieses Prinzip wird schon aufgrund der Anforderungen des Brandschutzes und der meistens lagetechnisch getrennten Technikzentralen bei allen Forschungsbauten angewendet. Wobei es eine örtliche Zusammenfügung geben kann, wenn es der Grundstückszuschnitt als auch der daraus resultierende Grundriss zulassen. Innerhalb des Baukörpers ist die Zonierung dafür maßgeblich, wie lang und komplex Versorgungwege werden müssen. Schafft man es, wie beim PYCO, hochinstallierte Bereiche nahe am Zentralschacht unterzubringen und die eher einfachen Räume wie Büros weiter nach außen zu legen, kann optimiert werden. Hierbei gilt es, die notwendigen Belichtungs- und Belüftungsbedürfnisse als auch -vorschriften zu beachten. Laborbauten haben oftmals Ausnahmen, was die natürliche Belichtung angeht, da Arbeiten stattfinden, bei denen eine direkte Belichtung ungünstig ist oder sogar ausgeschlossen werden muss. Da meistens mechanisch belüftete Räume vorliegen, ist auch unter diesem Aspekt die Unterbringung im Kern des Gebäudes möglich.

Versorgungswege minimieren

Am Engler-Bunte-Institut (EBI) des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zeigt sich das Prinzip der Zentralschächte gebäudeweise etwas differenzierter, schafft aber eine enge Verknüpfung der verschiedenen Schächte an jeweils einem Ort. Hier zeigt sich, dass die Ausrichtung der Baukörper in eine klare Längsausrichtung und der Nutzungsmix mit Versuchshalle einen zentralen Versorgungsschacht verhindert. Zudem ist die Mittelfluranordnung brandschutztechnisch nicht optimal dafür geeignet, über diesen hinweg eine Versorgung zu realisieren. Bei dieser Lösung werden die einzelnen Laborspangen zum Teil an den beiden Enden über eigene Schächte versorgt, was die Möglichkeit bietet, Zu- und Abluft entweder getrennt zu führen oder jeweils nur über die Hälfte der Laborlänge, um die Leitungslänge an sich zu verkürzen. Bei dieser Lösung befinden sich die Abluftzentralen jeweils auf dem Dach, die Zuluft- und alle weiteren Zentralen sind im Untergeschoss untergebracht. Die gemeinsame Versorgung der beiden Gebäude erfolgt im Untergeschoss über einen zwischen den Gebäuden liegenden Versorgungskanal. Die Trennung von Labor und Bürobereichen führt beim EBI zu einer Staffelung der Geschosshöhen mit Splitleveln, so dass auch hier die bewusste Zonierung hilft, die Versorgungswege zu minimieren.

Werden die Gebäude an sich komplexer, die Anforderungen an Reinheitsstufen in einzelnen Laboren größer und besteht sogar noch ein Anspruch an einen Reinraum, müssen auch die Versorgungssysteme geeignet darauf reagieren.

Beim Center for Hybrid Nanostructures (CHyN) auf dem Campus Bahrenfeld der Universität Hamburg kamen diese Anforderungen zusammen. Ein großer Reinraumbereich mit eigener Lüftungszentrale und eigenem Basement sollte gemäß Nutzeranforderungen entstehen. Zudem gab es mehrere dezentrale Labore mit Anforderungen an Reinheitsstufen als auch eine interdisziplinäre Forschungszusammenarbeit von insgesamt sieben Fachbereichen des Instituts für Angewandte Physik. Selbst wenn es sich hierbei um einen Forschungsneubau für das Department Physik handelt, sind es mitnichten nur Physiklabore, die hier entstanden sind. Es gibt auch Labore für Chemie, Biologie, Geologie und Bioinformatik.

Die hier angepasste und massiv durch den Städtebau geprägte Entwurfslösung setzt ebenfalls auf Zentralschächte, die sich in ihrer Verortung der Geometrie und der Lage der Lüftungszentrale im 3.OG anpassen. Das Gebäude ist eine Überlagerung von zwei Laborebenen mit einer Büro- und einer Technikebene darüber. Die große Lüftungszentrale liegt im Kern der Geometrie und wächst sternförmig nach außen, um alle Bereiche gleichmäßig bedienen zu können. Immer wieder finden sich Zentralschächte an den Enden der Technikzentrale. Die weiteren Zentralen liegen im UG und schließen dort an eine Ringerschließung an, die das gesamte Gebäude als Tunnel von unten andient.

Bei diesem Gebäude ist aufgrund des hohen Bedarfs an elektrischen Installationen ein eigenes Technikgebäude neben den Baukörper gestellt worden. Dieses beinhaltet in Unter- und Erdgeschoss neben den Anlagen für Mittel- und Niederspannung auch die Notstromanlage, die Kälte- und Druckluftzentrale sowie die Helium- und Stickstoffversorgung. Auch dieses Technikgebäude ist im UG an den Hauptbaukörper angeschlossen. Die Trennung erfolgte auch hinsichtlich der schwingungserzeugenden Komponenten, die sich hier zusammenfassen und abtrennen ließen, so dass der Rest des Gebäudes entkoppelt wurde.

Klare Zonierung nach Nutzung

Ein Entwurf in noch größeren Dimensionen entsteht derzeit in Berlin Adlershof. Es ist ein Forschungs- und Laborneubau für die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung – BAM, das sogenannte GBD 149, das in der Integrierten Projektabwicklung (IPA) verwirklicht wird. Schon allein die Größe des Baukörpers 150 x 75 m als auch die Vielschichtigkeit der Bedingungen von elf Fachbereichen erforderte hier ein auf den Baukörper optimiertes Versorgungskonzept, um die aufgrund der Höhenbeschränkung auf dem Grundstück in die Fläche wachsenden Labore bedienen zu können. Da es sich nur in der Bezeichnung um einen klassischen Laborbau handelte und wir nach den ersten Nutzergesprächen feststellten, dass es vielmehr ein wilder Mix aus Werkstätten, Prüfständen, Messräumen und Laboren werden würde, brauchte es ganz klare Zonierungen für die Versorgung und eine Trennung der Technikzentralen sowie der Erschütterungen verursachenden Werkhallen von den empfindlichen Geräten. Hier haben wir eine Lösung gefunden, die die Prinzipien des EBI und des CHyN verbindet. Es galt, die richtige Lage für die Lüftungszentralen zu finden und zu schauen, wie ein so großes Gebäude versorgt werden kann, dass baurechtlich kein eigenes Technikgeschoss als Dachgeschoss erhalten durfte. Die Technikzentralen mussten daher in das Gebäude integriert werden, wobei es gleichzeitig die Anforderung gab, ein Untergeschoss zu vermeiden und wenn nicht vermeidbar, dann wenigstens so klein wie möglich zu halten. Die Lösung hinsichtlich der richtigen Anordnung der Lüftungszentralen folgte der nutzungsbedingten unterschiedlichen Höhenstaffelung verschiedener Raumgruppen im Gebäude. Der Bedarf an zwei Werkhallen mit Kranbahneinsatz ergab, dass die Technikzentralen höhentechnisch über diesen angeordnet werden konnten, ohne die Höhenbegrenzung zu überschreiten. Somit musste die optimale Position für das Paket Werkhallen inklusive Zentralen gefunden werden. Diese wurden an den beiden Kopfenden des Hauses verortet, wo die Hallen als auch die Technik hinsichtlich ihrer Erschließung gut angebunden werden konnten. Es bot sich an, die Schächte möglichst direkt an den Werkhallen zu platzieren, um von den Hallen unmittelbar alle Geschosse einbinden zu können und gleichzeitig die Werkhallen selbst von oben zu bedienen. Um auch aufgrund der Gebäudelänge in der Gebäudemitte nochmals Versorgungen anbieten zu können, sind dort jeweils weitere Zentralschächte eingefügt worden. Diese bedienen sich auf der einen Seite der durch den Brandschutz geforderten Trennung der Bereiche  und definieren das Ende einer Versorgungseinheit, während auf der anderen Seite eine Drehung des Schachtes die Möglichkeit bot, ihn nicht trennend zwischen die Laboreinheiten zu setzen, sondern eine seitliche Einführung zu ermöglichen.

Vom Einfachen zum Komplexen

Anhand dieser Beispiele wird ersichtlich, wie sehr Städtebau, Grundstücksverhältnisse, Nutzungsanforderungen, Dimension des Gebäudes und der Versorgungsflexibilität nur im Zusammenhang gesehen werden können und somit immer wieder zu individuellen Lösungen führen werden, die durch eine sehr enge Zusammenarbeit von Architektur, TGA, Laborplanung und Nutzerabstimmungen erreicht werden kann und leider nicht als immer wiederholbares Rezept im Regal steht. Komplexe Forschung bedeutet immer auch komplexe Gebäude mit komplexen Lösungen. Systematiken können als Startpunkt genommen werden, um sie dann auf den Bedarf anzupassen.

Ein spannender Punkt in der zukünftigen Entwicklung solcher Gebäude wird sein, ob es gelingt, den gewünschten Grad an Flexibilität im vorgesehenen Budget zu realisieren, um am Ende tatsächlich Multi-User-Häuser zu schaffen, die ganz unterschiedlichen Disziplinen zur Verfügung stehen.