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Digitale Methoden für eine einfachere Wiederverwendung im Bauwesen

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Dank an der EPFL entwickelter Software-Algorithmen können neue Gebäudestrukturen geplant werden, bei denen neue Komponenten mit wiederverwendeten Bestandteilen kombiniert und so die Auswirkungen auf die Umwelt minimiert werden.

Die Bauwirtschaft gehört zu den Sektoren, die die Umwelt am meisten belasten. Sie ist für rund 40 % der CO2-Emissionen in den Industrieländern, bis zu 50 % des Ressourcenverbrauchs und rund ein Drittel der Abfälle verantwortlich. Die Akteure dieser Branche müssen deshalb radikale Massnahmen ergreifen, um den CO2-Fussabdruck zu verkleinern und die internationalen Verträge sowie die Ziele der Vereinten Nationen für eine nachhaltige Entwicklung einzuhalten.

«Eine der Lösungen ist die konsequente Anwendung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft in diesem Sektor.»

«Wir müssen diese Belastung so schnell wie möglich reduzieren», sagt Jan Brütting, der gerade unter der Leitung von Corentin Fivet vom Smart Living Lab in Freiburg sein Doktorat am Structural Xploration Lab der EPFL abgeschlossen hat. «Eine der Lösungen ist die konsequente Anwendung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft in diesem Sektor.»

Der Forscher fordert Unternehmen, Bauingenieure und Architekten auf, bei der Planung von Gebäuden nicht neue Bauteile zu verwenden oder bestehende Materialien durch Einschmelzen von Metallteilen zu neuen Formen zu recyceln, sondern auf gebrauchte, unveränderte Komponenten zu setzen, da auch deren Zuverlässigkeit und technische Eigenschaften erwiesen sind. «Das bedeutet, dass wir alles, was wir bisher gelernt haben, ändern müssen», warnt er. Allerdings fehlen zurzeit im Bausektor noch bestimmte Hilfsmittel. Jan Brütting hat deshalb vier Jahre lang eine Software entwickelt, mit der Bauten inklusive einer Lebenszyklusanalyse geplant werden können. Das Programm basiert auf der Wiederverwendung von Balken, Säulen und Stahlträgern, aber auch andere Werkstoffe wie Holz und Beton könnten integriert werden.

Zahlreiche Funktionen

Das Prinzip funktioniert so, dass Ingenieure und Architekten die globalen Eigenschaften der zu errichtenden oder umzubauenden Struktur sowie eine Beschreibung des Lagerbestands an wiederverwendbaren Gebrauchtteilen eingeben. Die Software führt dann eine erste Optimierung der Gebäudeform durch, bei der möglichst wenig Rohstoffe verwendet werden. Anschliessend – und das ist eine der Neuerungen – schlägt es der Planerin oder dem Planer alternative Formen für unterschiedliche Nachhaltigkeitsziele vor. Das Programm verändert beispielsweise das Aussehen des Gebäudes, wählt und positioniert aber auch die am Lager befindlichen Bauteile, um den CO2-Fussabdruck des Gebäudes und die Anzahl neuer Schnitte oder Bauteile zu minimieren.

Auch die optimale Kombination aus neuen und wiederverwendeten Bauteilen kann bestimmt werden, um den CO2-Fussabdruck des neuen Gebäudes auf ein Mindestmass zu beschränken. So kann bei der Planung die für das Projekt geeignetste Lösung gewählt und eventuell angepasst werden. Der Forscher hat sein Programm an realen Fällen auf der Grundlage einer Bestandesaufnahme von in der Schweiz abgebrochenen Gebäuden und Infrastrukturen getestet.

Schliesslich hat seine Arbeit auch neue Massstäbe gesetzt, mit denen bestätigt wurde, dass durch die Wiederverwendung von Bauteilen die Treibhausgasemissionen trotz der Erhöhung der Baumasse von bis zu 40 % um bis zu 60 % gesenkt werden können.

Elemente der von Jan Brütting in der Nähe des Smart Living Lab in Freiburg entwickelten, modularen Bauweise © EPFL 2020 / Alain Herzog

Datenbank aufbauen

Nach Meinung des Forschers könnte diese Kreislaufwirtschaft durch die Schaffung einer schweizweiten oder europäischen Datenbank mit wiederverwendbaren Werkstoffen wirklich umgesetzt werden. Idealerweise hätte seine Software Zugang dazu und könnte den Planerinnen und Planern eine grosse Vielfalt an verfügbaren Elementen anbieten und so die Einschränkungen bei Neubauten reduzieren.

«Solche Datenbanken werden zurzeit aufgebaut», erklärt der Forscher. Jan Brütting hat keinen Zweifel, dass der Wiederverwendung trotz der heute noch bestehenden Hindernissen eine rosige Zukunft bevorsteht. «Seit Beginn meiner Doktorarbeit 2016 habe ich gesehen, wie die Anzahl wissenschaftlicher Publikationen zum Thema Kreislaufwirtschaft im Bausektor zugenommen hat und die europäische Politik immer mehr Forschungsprojekte zu ihrer Förderung unterstützt. Das Eidgenössische Departement für Umwelt hat kürzlich sogar einen Bericht zum Thema Wiederverwendung veröffentlicht.»

Der originelle Beitrag von Jan Brütting stiess auch in der Fachwelt und in der Forschung auf ein positives Echo. 2019 wurde er mit dem von der International Association for Shell and Spatial Structures verliehenen Hangai-Preis ausgezeichnet.

Modulare Bauten

Der gleichermassen vom Tiefbau wie von der Architektur begeisterte Forscher baute in die Software auch die Möglichkeit ein, auf der Basis linearer Stangen und abgerundeten Verbindungsstücken temporäre Strukturen für Veranstaltungen zu errichten. Dieses Konzept erinnert an das MERO-System oder an die USM-Möbel. Einen Unterschied gibt es allerdings: «Unsere Lösung bietet sehr viel mehr Gestaltungsmöglichkeiten als die bestehenden modularen Systeme», betont Jan Brütting. «Die auf die Wiederverwendung von Werkstoffen spezialisierten Unternehmen könnten Interesse daran haben.»

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