Digitale Tools für das Bauen mit Holz

Die Universität für Bodenkultur Wien  (BOKU) wurde 1872 zur wissenschaftlichen Ausbildung in der Land- und Forstwirtschaft gegründet. Sie definiert sich heute als Life-Science-Universität und widmet sich damit insbesondere der Bewahrung, der Entwicklung und dem Schutz von Lebensraum und Lebensqualität. Mit 12.000 Studenten und 2.000 wissenschaftlichen Mitarbeitern und Professoren sieht sie sich darüber hinaus als Vorreiterin und Impulsgeberin „für Ideen und Strategien zur nachhaltigen Entwicklung in der Gesellschaft.“ Wenn eine solche Hochschule einen Neubau für ihren Campus am Stadtrand von Wien plant, ist es fast schon selbstverständlich, dass sie sich selbst hohe Maßstäbe setzt.

Modellhaftes Holzbau- und BIM-Pilotprojekt

Benannt nach der ersten Frau, die 1924 an der BOKU promovierte, dient das neue Ilse-Wallentin-Haus insbesondere als Bibliotheks- und Seminarzentrum, das ergänzend zudem über zahlreiche Institutsräume verfügt. Die Nachhaltigkeit des im Herbst 2020 in Niedrigenergiebauweise fertiggestellten Neubaus zeigt sich nicht zuletzt darin, dass es mit 965 von 1.000 möglichen Punkten den österreichischen „klimaaktiv-Gold“-Standard erreichte.

Beispielhaft ist das Haus aber auch wegen eines konsequenten digitalen Planungsprozesses, der zugleich als Vorbild für weitere Universitätsbauten dienen soll. Der nachwachsende und CO2-speichernde Baustoff Holz eignet sich in diesem Zusammenhang in besonderer Weise, weil Holzbauteile stets vorgefertigt werden – mit weit innovativeren Techniken und Verfahren als etwa im bis heute eher traditionell strukturierten Mauerwerks- oder Betonbau. Der hohe Vorfertigungsgrad erfordert bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt sehr detailgenaue Planungen, die sich am besten im engen Austausch mit allen Planungsbeteiligten sowie mit parallelisierten Planungs- und Bauprozessen erreichen lassen.

Das 3.000 Quadratmeter große Ilse-Wallentin-Haus basiert auf einem Entwurf des Wiener Büros SWAP Architekten, das gemeinsam mit Delta Projektconsult einen von der Bundesimmobiliengesellschaft (BIG) modellhaft als Holzbauprojekt und BIM-Pilotprojekt ausgelobten Architektenwettbewerb gewann. Ihren Wettbewerbsbeitrag erstellten die als Generalplaner beauftragten Architekten zwar noch zweidimensional – ein erstes 3D-BIM-Modell entstand mithilfe des Programms Revit jedoch gleich mit Beginn der Entwurfsphase.

Dieses Modell bildete letztlich den Ausgangspunkt für zahlreiche weitere Modelle: von den Planungsmodellen für die Umgebung, die Architektur, das Tragwerk, die technische Gebäudeausstattung und die Elektroplanung bis hin zum Holzbaumodell des nach der Ausschreibung beauftragten Holzbauunternehmens. Im Rahmen der Fortentwicklung und Abstimmung der von den Planern jeweils unabhängig bearbeiteten Modelle fanden alle zwei Wochen Baubesprechungen mit dem Bauherrn statt, in denen neben dem BIM-Modell eine Reihe weiterer digitaler Tools verwendet wurden.

Architekten als Software-Entwickler

Ganz im Sinne des BIM-Pilotprojektgedankens und dem Wunsch nach interaktiver Zusammenarbeit kamen mehrere von SWAP entwickelte Tools zum Einsatz – beispielsweise EVA-Rapid-Layouting, eine Software zur Unterstützung in den frühen Entwurfsphasen. Teile dieses Programms sind beispielsweise der Bauplatz- und Grundrisskonfigurator, mit denen sich in Echtzeit und unter Berücksichtigung der Erschließungs- und Belichtungssituationen verschiedene Gebäude- bzw. Raumordnungen planen und überprüfen lassen. Beide Tools wurden bereits im Wettbewerb eingesetzt und lieferten keinen automatisierten Architekturentwurf. Vielmehr erlaubten sie ein besseres Verständnis für komplexe Zusammenhänge – mit dem Ziel, das Projekt durch die Wahl der bestmöglichen Varianten schnell und effizient weiterzuentwickeln.

Hinzu kamen Baubesprechungen, die weit über das Besprechen konventioneller Planmaterialien hinausgingen. So erläuterten die Architekten ihren Entwurf unter anderem mit virtuellen Gebäuderundgängen mittels VR-Brillen. Hierzu hatten sie bereits im Vorfeld die Cloudlösung IVAN für Virtual-Reality-Modelle entwickelt. Die Anwendung mit Revit-Schnittstelle verfügt über ein Export-Plugin, mit dem gleichsam auf Knopfdruck VR-optimierte Modelle auf die Plattform ivanize.com gestellt werden können – ganz gleich, ob es um virtuelle Spaziergänge oder vordefinierte Standpunkte mit 360°-Perspektiven geht. Hiermit ließen sich beim Ilse-Wallentin-Haus manche räumlichen und gestalterischen Entwurfsaspekte vermitteln, die für eine frühzeitige Identifizierung der Nutzer mit ihrem zukünftigen Gebäude sorgten.

Gebäudeentwurf

Im Mittelpunkt des Entwurfskonzepts stand die Einbettung und Öffnung des Gebäudes in den umgebenden Grünraum sowie eine klar ablesbare Holzkonstruktion. Auf diese Weise wird der Entwurf dem Anspruch der BOKU als grüne Universität im Grünen gerecht. Gleichzeitig entsteht durch die Lärchenholzfassade mit großflächiger Dreifachverglasung eine lichtdurchflutete Lern- und Arbeitsumgebung, die nicht zuletzt durch die allgegenwärtigen Blickbezüge zum alten Baumbestand des Grundstücks das Wohlbefinden der Studenten und Lehrkräfte unterstützt. Umgekehrt macht die Verglasung das lebendige Universitätsleben von außen sichtbar.

Mit Ausnahme des betonierten Sockelgeschosses und des mittigen Erschließungskerns besteht das quadratische Gebäude vollständig aus Holz. Stützen und Träger des viergeschossigen Holzskelettbaus sind in Fichten-Brettschichtholz ausgeführt, während für die Geschossdecken Fichten-Brettsperrholz zum Einsatz kam. Dass der Holzanteil für die in den Obergeschossen verbauten Materialen bei stattlichen 78 Prozent liegt, ist nicht zuletzt auf das komplett sichtbare Holztragwerk zurückzuführen. Dessen ausgewogenes Zusammenspiel mit den meist zurückhaltend weißen Möblierungen, den offen geführten Lüftungsleitungen und Kabeltrassen sowie den grauen Estrichböden und Sichtbetonflächen des Erschließungskerns lässt eine angenehme und inspirierende Raumatmosphäre entstehen. Holz bestimmt dabei klar das Erscheinungsbild der Innenräume, ohne es jedoch unangenehm zu beherrschen.

Ausführungsplanung und Ausschreibung

Dreh- und Angelpunkt der Planung war das 3D-Architekturmodell, das nach Fertigstellung der architektonischen Rahmenbedingungen als Grundlage für das Tragwerksmodell der Ingenieure von Bollinger+Grohmann diente. Unter allen Modellen spielte dieses Modell eine besondere Rolle. Zum einen sollte das Tragwerk im Ilse-Wallentin-Haus weitgehend sichtbar bleiben. Dies erforderte eine besondere planerische Sorgfalt jedes konstruktiven Details sowie eine intensive Abstimmung mit den Architekten, die weit über die üblichen Kollisionsprüfungen hinausging. Hinzu kommt, dass das Tragwerk vor allem in den unteren beiden Geschossen eine hohe Komplexität aufweist – nicht obwohl, sondern gerade weil die übereinanderliegenden biegesteifen Trägerroste so verblüffend einfach konstruiert erscheinen. Zum anderen diente das Tragwerksmodell als Vorlage für das Holzbaumodell, auf dessen Grundlage schließlich der Abbund und Zuschnitt der Holzbauteile erfolgte.

Das BIM-Modell war zwar Teil der Ausschreibungsunterlagen – tatsächlich genutzt wurde es jedoch nur von wenigen bietenden Firmen. Verantwortlich hierfür ist die Tatsache, dass nach wie vor längst nicht alle Firmen BIM-basierte Ausschreibungen bewältigen können, unter anderem, weil sie noch immer nicht zwangsläufig einen Preisvorteil bedeuten. Aus diesem Grund, aber auch wegen fehlender nationaler und internationaler Standards, basierten die meisten Angebote auf zweidimensionalem Planmaterial, wodurch viele Synergien ungenutzt blieben. Dass das letztlich ausführende Holzbauunternehmen die einzige Ausnahme bildete, ist nicht weiter verwunderlich. Schließlich gibt es im Holzbau aufgrund größtenteils CNC-gesteuerter Fertigungsprozesse nur wenige Firmen, die über keine Erfahrung mit BIM verfügen.

Sensoren zur Überwachung der Holzqualität im Bauprozess

Für Holzlieferanten ist digitales Arbeiten und Fertigen ebenso selbstverständlich wie für die Holzbauer, die die gelieferten Hölzer abbinden und zuschneiden. Das Ilse-Wallentin-Haus hat in diesem Zusammenhang jedoch weit mehr zu bieten. Der schwedisch-finnische Holzanbieter Stora Enso betrachtete das Haus ebenfalls als Pilotprojekt und unterstützte das ausführende Holzbauunternehmen Lieb Bau Weiz und das begleitende Monitoring mithilfe von Sensoren des Herstellers Yepzon. Diese lieferten während des Transports aus Ybbs an der Donau unablässig Daten etwa zu aktuellen Umgebungstemperaturen und -feuchtigkeitswerten sowie zu potenziell schädigenden Erschütterungen.

Solche Messungen der Umgebungsparameter sind zwar vor allem für Übersee-Holzlieferungen mit Containern interessant, bieten aber auch hier wertvolle Daten zum frühzeitigen Erkennen von Schäden und liefern eine präzise nachvollziehbare Qualitätskontrolle des Holzes. Bei jeder Holzlieferung wurde ein Sensor auf der Ladefläche des Lastwagens montiert, der dank Track&Trace-Funktion auch Daten darüber lieferte, wo genau sich die Lieferung gerade befand und wie lange sie bis zum Erreichen der Baustelle noch unterwegs sein würde. Die entsprechenden Daten ließen sich mithilfe eines Online-Dashboards darstellen und auslesen.

Hinzu kommt die Kennzeichnung aller Holzbauteile mit QR-Code-Labels, die mithilfe des von Stora Enso entwickelten webbasierten Programms CLT360+ Informationen z. B. über den genauen Einbauort auf der Baustelle, die Größe und das Gewicht lieferten. Voraussetzung zum Abrufen dieser Daten war lediglich ein Smartphone mit entsprechend installierter App, die zur leichteren Orientierung auch ein vereinfachtes 3D-Modell des Tragwerks beinhaltete. Der Einsatz dieser Labels reduzierte Fehlerquellen und Schnittstellenprobleme und führte so zu mehr Sicherheit auf der Baustelle.

Während der Bauphase wurden schließlich Sensoren des Herstellers Wiiste montiert, die nicht nur die Umgebungsbedingungen einschließlich des Luftdrucks aufzeichneten, sondern auch Daten zur Temperatur und Feuchtigkeit im Inneren des Holzes lieferten. Platziert wurden die smartphonegroßen Geräte in fassadennahen Bereichen, die beispielsweise Gefahr liefen, durch Regenwassereinträge zu durchfeuchten. Witterungsbedingte oder z. B. durch defekte Wasserleitungen bedingte Bauschäden am Holz wären damit sofort sichtbar geworden.

Eine solche Qualitätsüberwachung ist bei diesem Projekt nicht zuletzt in Bezug auf Haftungsfragen von großer Bedeutung, weil die Oberflächenqualität des Rohbaus hier zugleich die Ausbauqualität definiert. Von den Architekten wurden alle Holzoberflächen als Wohn-Sichtoberfläche definiert. Das heißt, dass jede Wand und jeder Träger zugleich eine fertige Oberfläche ist, auf die besondere Rücksicht genommen werden muss. Alle frisch eingebauten Holzteile während des Baustellenbetriebs mit robusten Materialien schützend einzupacken, wäre zu umständlich und zu teuer gewesen.

Digitales Monitoring im Betrieb

Um die Performance des Gebäudes im Betrieb untersuchen zu können, war in Zusammenarbeit mit dem Institut für Holzforschungen in Tulln von Anfang an ein umfangreiches Monitoring der haustechnischen Anlagen und ihrer Verbräuche geplant. Hiermit wurden die Überprüfung und Feinjustierung der technischen Anlagen und der Regelungstechnik möglich. Ebenso lassen sich damit aber auch das Nutzerverhalten optimieren und eventuelle Mängel verfolgen.

Waren Messungen dieser Art bereits im Rahmen der Nachhaltigkeitszertifizierung vorgesehen, gingen die Facility Manager noch einen Schritt weiter. Sie wollten mit webbasierten Tools untersuchen, wie sich die zahlreichen Holzoberflächen auf die Raumluftparameter auswirken. Denn obwohl das Ilse-Wallentin-Haus grundsätzlich eher als Lowtech-Gebäude geplant war, mussten aufgrund der Arbeitsstättenverordnung im Bibliothekslesesaal und in den Seminarräumen mechanische Lüftungs- und Raumbefeuchtungsanlagen eingebaut werden.

Ziel dieses erweiterten Monitorings war es nun, die Messwerte dieser Räume mit den Messwerten der Räume mit natürlicher Fensterlüftung zu vergleichen – mit Sensoren, die Messwerte sowohl zur Luftfeuchtigkeit und Temperatur als auch zu VOC- und Formaldehydwerten liefern. Konkrete belastbare Ergebnisse liegen leider noch nicht vor, weil der unmittelbar nach Gebäudeeröffnung im Oktober 2020 verhängte Lockdown die Nutzungsmöglichkeiten der Räume einschränkte und es somit zu Verzerrungen bei den Messwerten kam.

Fazit

Trotz des nur eingeschränkten Monitorings im Betrieb lassen sich am Ende einige Erkenntnisse aus diesem Pilotprojekt ableiten – z. B., dass der Baustoff Holz kein Kostentreiber war. Der in nur sechs Wochen fertiggestellte Holzrohbau und die Gesamtbauzeit von nur 14 Monaten (vom Aushub bis zum bezugsfertig errichteten Gebäude) waren nur durch den Einsatz digitaler Werkzeuge und den hohen Vorfertigungsgrad möglich.

Ein weiterer Vorteil des Holzbaus mit seinen weitgehend fertigen Oberflächen war, dass die Folgegewerke sofort nach Fertigstellung einer Etage mit ihren Arbeiten beginnen konnten, weil es keiner Ausschalungs- oder Austrocknungszeiten bedurfte. Diese kurze Bauzeit spart nicht nur Kosten z. B. für die Baustelleneinrichtung, sondern bedeutet zugleich eine kürzere Störung des Universitätsbetriebs und eine geringere Belastung für die Grundstücksnachbarn.

Dass die gemeinsame Bearbeitung des von SWAP Architekten koordinierten BIM-Modells bei diesem Projekt so gut funktioniert hat, liegt nicht zuletzt daran, dass das digitale Planen und Bauen seit Jahren zum selbstverständlichen Arbeits- und Forschungsgebiet des Büros gehört. Verbesserungspotenziale bestehen hingegen vor allem im Bereich der baulichen Umsetzung der Planung, weil nach wie vor zu viele ausführende Firmen und Hersteller nicht in der Lage sind, ihre Leistungen bzw. Produkte in den digitalen Prozess einzubinden. Erst wenn auch dies der Fall ist, lassen sich aus BIM-Modellen leistungsfähige FM-Modelle ableiten, die sämtliche im Gebäude verbauten Elemente enthalten und somit auch den Betrieb signifikant vereinfachen können.