«STEP2» heisst die jüngste Unit in der Forschungsplattform NEST der Empa. Wir haben beim verantwortlichen Innovations-Manager nachgefragt, wie sich die wegweisenden Lösungen für digitale Fertigung, Gebäudehülle und Energie in der Praxis bewähren.
Verfasst von Sandra Aeberhard
Mit dem Forschungs- und Innovationsgebäude NEST setzt sich die Empa gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft, Forschung und der öffentlichen Hand dafür ein, Innovationen im Baubereich voranzutreiben. Ziel ist es, den Bausektor nachhaltiger zu gestalten. Die zentralen Hebel dafür sind, die CO2-Emissionen, den Materialverbrauch und das Abfallaufkommen des Bausektors zu reduzieren. Das NEST bietet die Möglichkeit, neue Technologien und Materialien zu entwickeln, sie unter realen Bedingungen zu testen und zur Marktreife zu bringen. Seit Oktober 2024 nutzt die gemeinsam mit Partnern geplante und umgesetzte Unit «STEP2» den sogenannten «Backbone» – die Gebäudeplattform, in welche die Module oder Units eingebaut sind.
Der Name «STEP2» ist ein Akronym für «Sustainability, Technology, Efficiency and Partnership». Viel wichtiger ist für den Innovation Manager Enrico Marchesi aber eine andere Interpretationsweise: «Wir haben uns gefragt, wie wir das NEST selbst weiterentwickeln können, um auch künftig unserem Kernanspruch gerecht zu werden. Mit STEP2 sind wir bewusst einen Schritt weiter gegangen als bei den bisherigen Units.» So sollen Innovationen nicht nur als Prototypen umgesetzt oder skaliert, sondern Lösungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bis zum marktfähigen Angebot realisiert werden.
Das Team, bestehend aus dem Hauptpartner BASF, dem Architekturbüro ROK, dem NEST-Team der Empa sowie weiteren Partnern, hat sich bei der Planung und dem Bau der zweistöckigen Unit auf drei Bereiche konzentriert: die digitale Fertigung, insbesondere mit 3D-Druck, die Gebäudehülle und das Gebäudeenergiekonzept.
Die Entwicklung ging das Team nach dem Co-Creation-Ansatz an. «Alle Beteiligten sassen noch vor der ersten Projektskizze mit am Tisch», erklärt Marchesi. Diese enge Zusammenarbeit von der Konzeption bis zur Umsetzung ist ihm zufolge einer der entscheidenden Erfolgsfaktoren des Projekts. Dieses bislang eher unübliche Vorgehen sollte sicherstellen, dass alle Beteiligten die Unit als System verstehen und sämtliche relevanten Aspekte von Anfang an einbezogen werden. So konnten die Architekten bereits den Entwurf zusammen mit den Innovationspartnern erarbeiten.
Seit der Inbetriebnahme wird STEP2 von drei Mitarbeitenden der BASF als Arbeitsort genutzt. Nach über einem Jahr im Einsatz lässt sich für einen Teil der Innovationen bereits beurteilen, wie sie sich in der Praxis bewähren.
Eines der Kernelemente ist die multifunktionale, ressourcenoptimierte Geschossdecke. Diese Rippen-Filigrandecke entwarfen die Architekten, Bauingenieure und Unternehmer gemeinsam. Obwohl sie hauchdünn und teilweise perforiert ist, sind Spannweiten von bis zu 14 Metern möglich, womit sie sich insbesondere für Büro- und Hochhäuser eignet.
Gegenüber herkömmlichen Beton-Flachdecken kommen die vorgefertigten Deckenelemente mit 50 Prozent weniger Material und CO2-Emissionen aus. Die Decke ist komplett aus Recyclingbeton hergestellt und wesentlich leichter als herkömmliche Typen. Sie dient der Statik, erfüllt aber zugleich eine schalldämmende Funktion. Dazu wurde sie mit einem porösen Tonschaum von BASF versehen, der trotz zahlreicher schallharter Oberflächen in der Unit für eine angenehme Raumakustik sorgt.
Darüber hinaus dient die Decke als thermische Speichermasse und wirkt bei Hitze oder Kälte ausgleichend. Die Konstruktion hat im Praxiseinsatz überzeugt: «Die Akustik ist sensationell und hat unsere Erwartungen sogar übertroffen», erzählt Marchesi mit Begeisterung. Der in 3D-gedruckte Boxen gefüllte mineralische Tonschaum hat eine stark schallabsorbierende Wirkung und die Wabenoberfläche der Geschossdecke streut den Schall diffus.
Auch lässt sich bereits heute sagen, dass mit der innovativen Decke die passive Temperierung durch Nachtauskühlung möglich ist. Um das thermische Betriebskonzept abschliessend validieren zu können, müssen laut Marchesi aber noch Daten über einen längeren Zeitraum ausgewertet werden.
Eyecatcher der Unit ist die geschwungene Betontreppe «Cadenza» der ETH Zürich, deren 17 Treppenstufen an einem Gewindestab aufgefädelt sind. Um eine stabile Struktur zu erhalten, ist die Konstruktion mit der Vorspanntechnik des Empa-Spinoffs «re-fer» fixiert. Das Metall wird dabei erhitzt und zieht sich beim Abkühlen zusammen, wodurch es sich verfestigt.
Mit der optisch eindrucksvollen Verbindung zwischen den beiden Bürogeschossen wollten die Planenden aufzeigen, wie effizient man heute Bauteile planen und herstellen kann. Die digitale Fertigung ermöglicht maximale Gestaltungsfreiheit bei minimalem Ressourcenverbrauch.
Hinsichtlich Statik ist Cadenza mit gängigen Treppen vergleichbar, obwohl sie mit viel weniger Material auskommt und auf der Aussenseite lediglich zwei Zentimeter dick ist. «Diese Treppe ist ein Prototyp zu Forschungszwecken – sie zeigt exemplarisch die Leistungsfähigkeit von modernen, durchgängig digitalen Planungs- und Herstellungsprozessen», erklärt Marchesi.
Die adaptive Fassade vereint eine breite Palette an Innovationen und wurde von den Partnern im Sinne einer Versuchsplattform entwickelt. Die Doppelhautfassade soll ein Experimentierfeld sein, um einzelne Komponenten testen und bei Bedarf auswechseln zu können.
Die Fensterelemente sind unter anderem mit einer integrierten Beschattung ausgestattet, die dem Sonnenverlauf angepasst ist, und verfügen über automatisierte Belüftungsklappen. Sie sind somit ein zentrales Element, um das Raumklima und die Gebäudeeffizienz zu optimieren und die Anforderungen an das vom Ingenieurbüro WaltGalmarini erarbeitete Energie- und Behaglichkeitskonzept zu erfüllen.
Bei der Materialisierung von STEP2 setzten sich die Planenden und insbesondere der Hauptpartner BASF auch mit der Frage auseinander, wie sich Restprodukte als Wertstoffe mit einem neuen Einsatzgebiet verwenden lassen. Aus Reststoffen wie recycelten Denim-Fasern, gebrauchten Pappbechern und Kaffeesatz entstanden so beispielsweise Wandpaneele und Bodenplatten. Sie reduzieren nicht nur die Abfallmenge und den Ressourcenbedarf, sondern auch die CO2-Emissionen.
Mit STEP2 hatten die Projektpartner die Möglichkeit, Innovationen zu entwickeln und am realen Bau zu testen. Dass sie während der über fünf Jahre dauernden Planung und Realisierung auch immer wieder mit Herausforderungen konfrontiert waren, erstaunt nicht. So funktionierte beispielsweise der erste Wurf der Decke nicht wie gewünscht und das Team musste neue Lösungen finden.
«Doch genau dazu ist das NEST da. Bei uns darf im ersten Anlauf etwas auch einmal nicht funktionieren», findet Marchesi. Die Unit, wie sie heute steht, ist das Ergebnis eines längeren Prozesses. Das hat den Vorteil, dass die Produkte nach der Markteinführung weniger anfällig auf Störungen oder Probleme sind.
Der vom BASF-Team eingebrachte Gedanke der Co-Creation ist ein wesentlicher Schlüssel des Erfolgs von STEP2. Laut Marchesi haben sie bei den NEST-Verantwortlichen damit offene Türen eingerannt, denn der Ansatz sei ideal, um in kurzer Zeit komplexe Lösungen zu erarbeiten. «Alle Beteiligten tauschten sich auf Augenhöhe aus, wodurch das Maximum aus allen Kompetenzbereichen herausgeholt werden konnte.» Für Marchesi ist deshalb klar: «Wir wollen auch in Zukunft so arbeiten.
Titelfoto
Foto von Zooey Braun: Ansicht der Innovationsplattform NEST an der Empa mit der neuen, zweigeschossigen Unit STEP2
Empa NEST
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Sandra Aeberhard, eidg. dipl. Journalistin SAL/Journalistin BR, ist Geschäftsleitungsmitglied und Inhaberin bei Faktor Journalisten in Zürich. Sie verfasst für die Energie-Experten Beiträge zu den Themen Bauen, Energie und Mobilität.
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