Beim Bauen richtet sich bei den meisten der Blick auf den Baustoff Beton. Welche Farbe hat Beton? Ist er grau? Ist er klimafreundlich? Was bedeutet Kreislaufwirtschaft beim Bauen? Kann man Zement boostern? Was sind digitale Zwillinge und wozu werden sie benötigt? Mit diesen und anderen Schlüsselfragen des Bauwesens beschäftigte sich das vor Kurzem in der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (BAdW) stattgefundene Symposium „Planen und Bauen für die Zukunft: innovativ – nachhaltig – digital“. Veranstalter war das Forum der Technologie der BAdW mit den Bereichen Kernspin, Nano, Medizin, Energietechnik und Bauen.

Das Symposium behandelte zentrale gesellschaftliche und technologische Herausforderungen im Bauwesen und stellte innovative Lösungsansätze aus den Technikwissenschaften vor.

Professor Ernst Rank vom Forum Technologie erinnerte zu allererst an die nach der Sesshaftwerdung der Menschheit altbewährten drei Prinzipien des Bauens nach Vitruv (Festigkeit, Nützlichkeit und Schönheit) und verwies auf das neue Prinzip der Nachhaltigkeit. Nicht unerwähnt ließ der Physiker der Technischen Universität München (TUM) die harten Fakten. Beispielsweise, dass 40 Prozent der globalen Treibhausgasemissionen und 60 Prozent des Abfalls weltweit mit dem Bausektor zu tun haben.

Werden wir in Zukunft also weniger bauen? Mitnichten, erklärte Dirk Lowke, Lehrstuhlinhaber für Werkstoffe und Methoden des Digitalen Bauens an der TUM, mit Blick auf die weltweit am schnellsten wachsenden afrikanischen Megastädte Lagos, Kinshasa und Daressalam. „Drei Viertel der Infrastruktur, die es im Jahr 2050 geben wird, wird noch gebaut“, zitierte er den UN-Generalsekretär Antonio Guterres. Das bedeutet: „Bis 2060 wird die bebaute Fläche auf der Welt jeden Monat um die Größe New Yorks wachsen.“

Zement reduzieren

2010 wurden deutschlandweit 28 Milliarden Tonnen Baustoffe für bestehende Gebäude und Infrastruktur verbaut, 46 Prozent davon waren Beton. Lowkes Bilanz für Deutschland lautete: „Jeder von uns besitzt 338 Tonnen Baustoffe, davon 155 Tonnen Beton.“ Damit übertrifft der Verbrauch von Beton pro Kopf und Jahr in Deutschland mit weitem Abstand den Durchschnittsverbrauch weltweit mit 110 Tonnen sowie den des globalen Südens mit nur 75 Tonnen. Lowke zitierte den Architekten Werner Sobek: „Wenn der globale Süden dieselbe Infrastruktur wie wir nutzen würde, dann würde das bedeuten, dass wir die Welt heute noch zwei Mal neu bauen müssten.“

Wir brauchen innovative Lösungen für die Zukunft des Baues, so der Experte für Baustoffe und digitale Fertigung im Bauwesen. Seine Botschaft: „Jedes einzelne Kilogramm CO2 zählt.“
In den Fokus rückt zukunftsfähiges Gestalten durch optimiertes Design, innovativ aus dem 3D-Druck. Ressourcensparende, komplexe, ebenso leicht wie filigran anmutende Strukturen, bewehrt mit aufgedruckten Rippen, die digital generiert und mit Robotertechnik in hybriden Prozessen gefertigt werden, ersetzen beispielsweise die klassische massive T-Träger-Rippendecke. Bögen tragen bekanntlich seit der römischen Antike besser als Balken.

Eine weitere Stellschraube betrifft die Reduktion des mit sehr hohem Energieeinsatz hergestellten Zement. Nach dem Lebenselixier Wasser ist zementbasierter Beton der am meisten verwendete Stoff weltweit. Er ist bunt, was der Blick unter dem Elektronenmikroskop offenbart. Er ist omnipräsent. Wir verbauen jedes Jahr damit weltweit 12,5 Kubikkilometer.

Beton ist ein Kunststein und im klassischen Sinne ein 3-Stoff-System aus Wasser, Zement und Gesteinszuschlag (Sand oder Kies). Ohne Zement, der mit rund 80 Prozent CO2-Ausstoß den größten Teil des ökologischen Fußabdrucks des Betons ausmacht, gibt es weder Beton noch Mörtel. Bis zu sieben verschiedene Bestandteile werden heute dem Beton zugeführt, um den gestiegenen baulichen Anforderungen gerecht zu werden. In jüngster Zeit wird Zement teilweise substituiert. Beton transformiert zum Multi-Komponenten-High-Tech-Werkstoff aus dem 3D-Druck. Mit cleverem Design und weniger Zementanteil, was den CO2-Ausstoß um die Hälfte reduziert und den Beton „ökologisch optimiert“.

Beton unter Berücksichtigung seiner Leistungsfähigkeit (hohe Trag- und Widerstandsfähigkeit sowie Festig- und Dauerhaftigkeit) im Vergleich mit anderen Baustoffen wie Bauholz, Ziegel und Lehm ist nicht so schlecht wie sein Ruf, so das Credo Lowkes. Bei Reduzierung von Zementmasse kann der Verlust an Festigkeit des CO2 ärmeren Betons wettgemacht werden, indem chemische Zusatzmittel, so genannte Polymere (HCA), die nur wenige Nanometer groß sind, dem Zement als „Boost“ beigemischt werden.

Beim Thema Nachhaltigkeit gewinnt auch die Lebensdauer von Gebäuden an Relevanz: „Je länger wir unsere Bauwerke benützen, desto nachhaltiger werden sie“, sagte Lowke und führte neben dem Pantheon in Rom den ersten Stahlbetonbau der Münchner Anatomischen Anstalt von Architekt Max Littmann an. Lebensdaueranalysen für Gebäude werden für 50 Jahre gemacht, erklärte der Experte. „Unsere Bauwerke können aber viel länger bestehen, wenn sie richtig gebaut sind.“

Das sieht auch der Architekt Werner Lang, Inhaber des Lehrstuhls für energieeffizientes und nachhaltiges Planen und Bauen an der TUM. Lebenszyklusdenken, respektive Lebensdauerverlängerung von Gebäuden ist für Lang nicht allein nur aus ökologischer Sicht von ausschlaggebender Bedeutung. Es geht auch um den Erhalt der kulturellen Werte eines Gebäudes. Lang sprach über das Thema „Bauen mit einem positiven ökologischen Fußabdruck“.

Mit mehr Grün will Lang Verdunstungskälte in die Städte bringen und der aktuellen Zerstörung der Biosphäre begegnen. Durch Pflanzen wird O2 abgeschieden und Kohlenstoff eingelagert. Von den 40 Prozent CO2-Ausstoß im Kontext der Bauwirtschaft gehen 30 Prozent allein auf den Betrieb von Gebäuden zurück. 8 Prozent davon verursacht die Herstellung des Baumaterials Zement aus Kalkstein. „Wir verbauen 50 Hektar Fläche am Tag in Deutschland“, so Lang. Gefahr ist längst in Verzug: „Von den neun planetaren Grenzen sind sieben bereits überschritten“, so der Experte und verlangt: „Wir müssen jetzt handeln.“ Die Schaffung einer „positiven Bauwirtschaft“ sieht er angesichts der immer stärkeren Ausbeutung unseres Planeten als Chance, um unsere Zukunft zu sichern.

Es macht für Lang absolut Sinn, den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes zu betrachten. Als Beispiel für eine Bauweise, die Bewohner mit Strom, Wasser und Nahrung versorgt, nannte Lang das preisgekrönte, solarbetriebene „NexusHaus“ in Austin/Texas. Es wurde im Rahmen des internationalen US-Solarwettbewerbs Solar Decathlon 2015 von Studierenden der University of Texas Austin und der TUM entwickelt und vereint Kreislaufwirtschaft und Plusenergiehaus.

Aktivhäuser produzieren während ihrer Nutzungsphase mehr Energie als sie verbrauchen. Ein durchdachtes Low-Tech-System übernimmt Heizen, Kühlen, Lüften und senkt zusammen mit effizienter Dämmung den Verbrauch im Betrieb und damit die Kosten über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Der grundlegende Einsatz regenerativer Energiesysteme, nachwachsender Rohstoffe und wieder verwendbarer Baustoffe sowie die Umsetzung geschlossener Materialkreisläufe („Cradle-to-cradle-Konzept“) sind wesentliche Bausteine, die weltweiten Treibhausgasemissionen nachhaltig zu reduzieren.

Und was ist der digitale Zwilling? Und wo kommt er zum Einsatz? Mit dem digitalen Zwilling in der modernen Statik beschäftigt sich Roland Wüchner, Lehrstuhlinhaber für Statik und Dynamik der TUM. Um das Verhalten von Bauwerken unter Belastungen (zum Beispiel Wind oder Verkehr) vorhersagen zu können, so der Experte, erstellt man bereits vor ihrer Realisierung ein virtuelles Abbild und führt damit numerische Simulationen auf Basis mathematischer Modelle durch. So entstehen sichere und optimierte Tragwerke. Nach dem Bau kann das mit Messdaten angereicherte virtuelle Modell als Digitaler Zwilling den Bauwerkszustand überwachen und Wartung sowie Betrieb unterstützen.

Denken in Kreisläufen

Digitale Zwillinge entwickeln BIM (Building Information Modeling) und GIS (Geoinformationssystem) durch 4D weiter. Oder anders ausgedrückt: Der Digitale Zwilling ermöglicht es in einem Simulationsraum „Was-wäre-wenn“-Szenarien durchzuspielen und fundierte Entscheidungen zu treffen, was die Bau- und Immobilienwirtschaft in Richtung „Bauen 4.0“ transformiert.

Der Vorteil des Zwillings: Er kann über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes weitergeführt werden. Während der Bauphase gleichen Kameras und Drohnen den echten Baufortschritt permanent mit dem Soll-Zustand des Zwillings ab. Während der Betriebsphase überwachen Sensoren Raumtemperatur, CO2-Werte, Energie und Verschleiß von Anlagen wie beispielsweise Fahrstühlen. Für die Rückbauphase dokumentiert und speichert der Zwilling alle verbrauchten Materialien, was ein gezieltes Recycling und damit einen größtmöglichen Grad an Zirkularität aus wiederverwendbaren Komponenten ermöglicht.

Erhaltung, Ertüchtigung sowie das Denken und Handeln in Kreisläufen sind die zentralen Herausforderungen, denen sich in Zukunft der Bausektor stellen muss, so das Fazit der Nachmittagsveranstaltung, in dem das Motto „Reduce/Reuse/Recycle“ der legendären Architektur-Biennale in Venedig von 2012 mitschwingt. (Angelika Irgens-Defregger)