In der TEC21-Ausgabe zum 90-jährigen Firmenjubiläum von Lego gingen wir der Faszination der Planenden für konstruktive Spielsysteme auf den Grund. Obschon es vermessen wäre, das kurz vor der Eröffnung stehende «Innovationslabor» in Winterthur-Grüze als überdimensionales Baukasten-Werk zu bezeichnen, zeigen sich gewisse Parallelen zu einem 3-D-Puzzle.

Aber der Reihe nach. Seit mittlerweile über zwei Jahrzehnten forscht die Fachgruppe Faserverbundkonstruktionen der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW an Komposit-, Carbon- und Naturfaserbaustoffen. Davon ausgehend hat sie zusammen mit Industriepartnern in den letzten gut zehn Jahren über 170 Projekte aus Carbon Prestressed Concrete (CPC; mit Carbondrahtnetzen vorgespannte, dünne Betonplatten) umgesetzt. 

Gegenüber konventionellem Beton lassen sich mit der CPC-Bauweise bis zu 75 % Material einsparen und die CO₂-Emissionen in der Produktion um den Faktor zwei bis vier reduzieren. Bereits bei unserem letzten Besuch in den Werkhallen der ZHAW wagte Josef Kurath, der Forschungsleiter, einen Blick in die Zukunft der Technologie und umschrieb mögliche Einsätze im Hochbau. Mit dem «Innovationslabor» ist diese Vision nun Wirklichkeit geworden.

Das Bauwerk auf einem bislang brachliegenden Grundstück der Stadt Winterthur hat verschiedene Funktionen. Primär dient es dem Tiefbauamt der Stadt Winterthur als Besucherzentrum für den Bau der Querung Grüze, eines knapp 400 m langen Brückenbauwerks, das zur ÖV-Drehscheibe des neu entstehenden Stadtquartiers Neuhegi-Grüze werden soll. 

Daneben ermöglicht es der Winterthurer Stadtverwaltung aufgrund seiner thematischen Ausgestaltung, mit der Lokalbevölkerung in den Dialog zu treten; es soll zum Treffpunkt werden, um mit einer Tasse lokal geröstetem Kaffee in der Hand über Zielkonflikte und die Auswirkungen des Klimawandels auf die städtische Bevölkerung nachzudenken und gemeinsam Lösungen zu diskutieren. Neben der Kreislauffähigkeit des Baus rücken insbesondere die Umgebungsgestaltung sowie das begehbare und bepflanzte Dach als Experimentierfeld für Themen wie Schwammstadt, Biodiversität oder Solarenergie in den Vordergrund.

Neue Herausforderung mit engagierten Partnern

Zukunftsweisend ist nicht zuletzt das Material des Bauwerks. Die CPC-Bauweise ist ein Aushängeschild der Forschung des Departements Architektur, Gestaltung und Bauingenieurwesen der ZHAW und auch den Verantwortlichen des federführenden Tiefbauamts wohlbekannt. Folglich brauchte es nur wenig Überzeugungskraft, um die Partnerschaft zwischen dem Tiefbauamt, der ZHAW sowie Holcim und CPC als Industriepartner zu besiegeln. 

Während das Tiefbauamt Bauherr und Nutzer des «Innovationslabor» ist, zeichnete die ZHAW für die Entwicklung und Planung des Bauwerks verantwortlich, die Firma CPC lieferte das Ausgangsmaterial. Die Firma Holcim hat das Projekt in der Entwicklung aktiv mitgestaltet, es technologisch sowie finanziell unterstützt und vermietet die Struktur nun im Sinne von «Product as a Service» für voraussichtlich zehn Jahre ans Tiefbauamt.

Trotz langjähriger Erfahrung mit der CPC-Technologie stellte das «Innovationslabor» die Planenden der ZHAW vor mehrere Herausforderungen bezüglich Tragwerkskonzeption, Elementverbund, Realisierung und Logistik. Denn wie schon bei den zahlreichen bereits zuvor realisierten Kleinobjekten standen auch hier die bekannten 3.5 m × 17 m grossen und entweder 40 oder 70 mm dicken Standardplatten ab Werk als Ausgangspunkt für die Konzeption zur Verfügung. 

Damit kommen wir zurück zum 3-D-Puzzle: Weil eine Komplettmontage vor Ort für die CPC-Bauweise nicht zielführend ist, entstanden aus den Standardplatten zunächst rund 80 individuell mittels CNC-Maschine zugeschnittene Einzelteile für das Tragwerk. Mit der Kleinandelfinger Landolt Gruppe, die auch in die Realisierung der Querung Grüze involviert ist, fand man eine Bauunternehmung, die sowohl ihre Werkhoffläche als auch ihre Praktikerfähigkeiten für die anschliessende Weiterverarbeitung zur Verfügung stellte. In deren Werkhofhalle erfolgte dann die wesentliche Vormontage, bei der aus den Einzelteilen zehn zwischen 1 und knapp 5 t schwere, transportfähige Bauteile entstanden.

Detailplanung und -ausführung im Millimeterbereich

Um das «Innovationslabor» möglichst stützenfrei zu realisieren, kommt ein obenliegendes Tragwerk zum Einsatz. Im Endzustand wird von der «umgekehrten» Kassettendecke aber nicht mehr viel zu sehen sein: Die Feldaussparungen werden nämlich als Pflanzkästen mit einem eigens dafür entwickelten, geschlossenen Wasserkreislauf genutzt. Auf den ersten Blick von unten werden dereinst nur die 40 mm dicke Deckenplatte, drei 70 mm starke Wandscheiben und eine Stütze (d = 1 m) mit integrierter Entwässerung sowie eine freitragende Wendeltreppe sichtbar sein.

Auf dem Andelfinger Werkhof galt es zunächst, die zehn Elemente des obenliegenden Tragwerks zu fertigen. Ein Polier und zwei Bauarbeiter setzten die mit vorgefräster Zip-Verzahnung versehenen Platten und Rippen zusammen und vermörtelten die nur 5 mm breiten Fugen zwischen den präzis vorgefertigten Einzelteilen. Stellenweise wurden zwecks Lastabtrag einzelne Platten und Rippen aufgedoppelt. 

Doch nicht nur der Umgang mit einem für die Bauunternehmung grundsätzlich ungewohnten Material und die minimalen Toleranzen bei der Positionierung und Ausrichtung der Platten und Rippen untereinander waren herausfordernd. Auch das Kommissionieren der Elemente folgte einer strikten Logik: Weil auf dem späteren Bauplatz kaum Fläche für den Ablad zur Verfügung stand, waren die Elemente in der umgekehrten Reihenfolge ihres späteren Versatzes auf die Pritschen zu verladen.

Trotz sorgfältiger Planung und Entwurfsarbeit war im Andelfinger Werkhof und auch später auf der Baustelle stets Improvisationstalent und Innovationskunst gefragt: etwa beim Bau der Unterkonstruktion, auf der die Elemente zusammengefügt wurden, beim zahlreichen Schiften von Einzelteilen und Elementen vor dem Fugenverguss, bei der Wahl der Hebevorrichtung oder in der Bestellung der Gerüsttürme zur Stützung der Elemente auf der Baustelle.

Doppelte Innovation erlebbar

Die Errichtung des «Innovationslabor» war ein stetiger Lernprozess, der auch auf der Baustelle noch lange nicht beendet war. Zunächst war da die Erkenntnis, dass der April der alten Bauernweisheit treu blieb und in den ersten Tagen der Arbeiten vor Ort für nasses Wetter und heftige Böen sorgte. Trotz dieser schlechten Voraussetzungen konnten die Elemente im Regen millimetergenau versetzt werden; nur ein einzelner Montagetag musste aufgrund starker Windböen frühzeitig beendet werden.

Als sich die Bedingungen dann besserten, richtete der Andelfinger Bautrupp am ersten Tag die drei Wandscheiben und die Stütze und begann anschliessend mit dem Versatz und Verguss der zehn Elemente des Tragwerks. Danach folgten einzelne lückenschliessende Verbindungselemente, der Dachaufbau und die Wendeltreppe. Mit einer allmählich einsetzenden Routine bei zumindest den gängigsten Handgriffen dauerte das Versetzen aller Elemente nur gerade vier Tage. Nachdem man aufgrund von tiefen Nachttemperaturen eine Woche mit dem Verfüllen der Fugen zuwarten musste, erfolgte auch dieser Arbeitsschritt in wenigen Tagen und das Gerüst konnte anschliessend nach und nach entfernt werden.

In den Details der Ausführung zeigt sich, dass das Bauwerk nicht nur in Hinblick auf den erhofften Dialog zu Nachhaltigkeitsthemen zu innovativen Lösungen anregen soll – es ist auch selbst eine bauliche Innovation. Mit der ersten echten CPC-Hochbaute gelang es den Beteiligten, mit dem Material neues Terrain zu betreten. Auch die Art und Weise, wie an neuralgischen Stellen des Tragwerks mit doppelt aufeinandergesetzten Platten beziehungsweise mehrfach nebeneinander montierten Rippen für mehr Widerstand gesorgt wird, zeigt einen innovativen Umgang mit den geometrisch eingeschränkten Standardplatten. Gleiches gilt für das beeindruckende Puzzlespiel im Grundriss, bei dem man sich sogar von der Anordnung einer Wendeltreppe nicht einschüchtern liess.

Am 30. Mai wird das «Innovationslabor» nun eröffnet. Beeilen muss man sich mit einer Besichtigung indes nicht; wie erwähnt bleibt es voraussichtlich für die kommenden zehn Jahre an Ort und Stelle stehen. Und selbst danach ist nicht auszuschliessen, dass es andernorts oder in einem anderen Bauwerk ein zweites Leben findet – die Konstruktion lässt sich nämlich mit wenig Aufwand in seine Einzelteile zerlegen und wiederverwenden.