Projekt 37965/01

Forschungsbegleitende Entwurfsplanung zur Umsetzung von Innovationen aus der Bauforschung in die Baupraxis

Projektdurchführung

Universität Stuttgart Rektorat
Keplerstr. 7
70174 Stuttgart

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Universität Stuttgart hat sich mit dem Pilotprojekt „Neubau LCRL“ zur Förderung der Spitzenforschung bekannt. Das DFG-geförderte Exzellenzcluster „Integratives Computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur“ (IntCDC) ist ein Angelpunkt der Universität Stuttgart und wird die Möglichkeiten der Digitalisierung für integratives Planen und Bauen systematisch, ressourcenschonend und multidisziplinär erforschen.

Die Forscher der Universität wollen ihre innovativen Methoden und Prozesse nicht nur erforschen, sondern mit Hilfe von Planern und Baupartner im Projekt „Neubau eines Laborgebäudes für Großraumrobotik“ (Large Scale Construction Robotics Laboratory = LCRL) gemeinsam umsetzen: Ein zentrales Ziel ist es, aufzuzeigen, wie neuartige, nachhaltige Bauweisen von der Grundlagenforschung schnell und direkt zu Innovationen in der Baupraxis überführt werden können. Aufgrund der drängenden Herausforderungen des Klimaschutzes im Bauschaffen ist dies von zentraler Bedeutung, gerade auch im Hinblick auf die übliche Innovationsträgheit des Bausektors.

Das Gebäude selbst wird zugleich ein innovatives, d.h. nicht nur auf bestehende, anerkannte Regeln der Technik beschränktes, Forschungsprojekt sein, wie auch eine zentrale Forschungsplattform bieten, die die drei Schwerpunkte des Clusters aufgreift:
(I.) die Erforschung integrativer Planungs- und Ingenieursmethoden,
(II.) die Entwicklung neuartiger Prozesse der Vorfertigung und des Bauens vor Ort, und
(III.) die damit einhergehende Entstehung intelligenter u. nachhaltiger Bausysteme.
(III.) die damit einhergehende Entstehung intelligenter u. nachhaltiger Bausysteme. Neben der DFG-geförderten Forschung des Clusters waren auch weitere Projekt-vorbereitungen zu treffen, um den späteren Neubau realisieren zu können. An der Universität Stuttgart wurden neue Stellen geschaffen, um das Projekt als Pilotprojekt des Landes Baden-Württemberg in Bauherreneigenschaft der Universität Stuttgart umsetzen zu können.

Außerdem wurden qualifizierte Planer als Generalplaner mit Machbarkeitsstudie und Einstieg in die Planung beauftragt. Gemeinsam wurden Leistungsbilder entworfen, mit deren Hilfe die ressourcenschonenden und nachhaltigen Innovationen der Forscher innerhalb einer Projektlaufzeit von fünf Jahren in einen Forschungsneubau umgesetzt werden können.

Die zentrale Frage lautet: Wie lassen sich ressourcenschonende Innovationen in die Planungs- und Baupraxis überführen?

Die Produktivität der Bauindustrie stagniert seit Jahrzehnten und bereits heute konsumiert der Bausektor mehr als 40 Prozent der globalen Ressourcen und Energie. Dies und die große soziale, ökologische, ökonomische und kulturelle Relevanz der Architektur zeigen, dass dringend neue Ansätze für das Planen und Bauen benötigt werden.
Darüber hinaus ist zu beobachten, dass Innovationen aus der Forschung insbesondere in der Bauwirtschaft erst nach langen und aufwendigen (Planungs-, Zulassungs- und Genehmigungs-) Prozessen in der Baurealität ankommen. Bis Zulassungen vorliegen und Bauteilkataloge aktualisiert sind, sind die Bauteile schon lange nicht mehr „innovativ“.
Gemeinsames Ziel muss eine schnellere Umsetzung von ressourcenschonenden Innovation in die Planungs- und damit auch Baupraxis sein.
Für das Projekt „Neubau LCRL“ hat sich das Projektteam vorgenommen:
• Einen digitalen Planungsprozess zu entwickeln,
• der ressourcenschonende Innovationen fächerübergreifend einbindet
• mit dessen Hilfe Risiken bei den Abweichungen von den allgemein anerkannten Regeln der Technik (a.a.R.d.T.) bewertet und gesteuert werden können
• der robotische Vorfertigungs- bzw. Fertigungsprozesse ermöglicht.
• Den Zusammenhang zwischen Ressourceneinsatz und Digitalisierung zu erforschen, zu optimieren und zu verdeutlichen.
• Die Integration von Forschung für niedrige Lebenszykluskosten und einen wirtschaftlichen Gebäudebetrieb zu nutzen.
• Für eine schnellere und koordinierte Einbindung der genehmigenden Behörden bei innovativen Materialien/Bauelementen u.a. durch digitale Planungs- und Visualisierungswerkzeuge zu sorgen.

Wie können neue und nachhaltige Technologien für emissionsarme Baustellen in die Planung und Baupraxis integriert werden? Wie können Schnittstellen, Leistungsinhalte, Zielwerte und digitale Prozesse zu definieren und koordiniert werden?
Da es sich bei dem Neubauprojekt um ein langfristig zu nutzendes Gebäude handelt, das umfangreicheren Planungsanforderungen als übliche Demonstratorbauten entsprechen muss, können unter realen Bedingungen neue Standards für Planungs- (und Bau-) Prozesse abgeleitet werden. Dies kann nur in einem innovationsoffenen Projekt unter realen Bedingungen herausgearbeitet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenForschungsbegleitende Planung

Bereits vor dem Projektbeginn wurde anhand diverser Demonstratorprojekte festgestellt, dass sich die Forschungsinhalte der am Exzellenzcluster beteiligten Institute nicht ausschließlich mit vorhandenen Planungs- und Fertigungsmetoden und -prozessen auf die Planungs- und Baupraxis übertragen lassen. Die besondere Herausforderung bei der Planung des Forschungsneubaus LCRL besteht in Abgrenzung zu den Demonstratoren:
- Planung und Realisierung eines dauerhaften Gebäudes
- Einhaltung der Arbeitsstättenrichtlinie
- Erreichen energetische Anforderungen / Raumklima
- Einhaltung Brandschutzvorgaben

Im Rahmen einer ersten Machbarkeitsstudie (05/2020) wurden die umzusetzenden Forschungsintegrationsleistungen und Schnittstellen zur Planung (Objekt- & Fach-planung) sondiert und konkretisiert:
- Planungsleistungen nach HOAI (Objekt-, Tragwerks-, Freianlagenplanung, Planung der TGA, Bauphysik, Brandschutz)
- Weitere Fachplanungen (Energieberatung, Fassadenberatung)
- Zusätzliche Leistungen auf Grund der Forschungsintegration
- Schnittstellen-Management / Einsatz digitaler Planungswerkzeuge
- Risiko-Monitoring
- (Vorgezogene) Integration von Industrie- und Baupartnern

Auf dieser Basis ließ sich darstellen, welche Planungsleistungen „klassisch nach HOAI“ erfolgen und welche Vertragsleistung darüber hinaus für die Forschungsintegration notwendig sind. Aufgrund der unmittelbaren Integration der Forschung und des damit einhergehenden Verlassens üblicher Vorgehensweisen, entsteht ein nachweislicher Mehraufwand für die Planung.

Die Universität Stuttgart beantragt die DBU-Förderung der zusätzlichen Leistungen Forschungsintegration über die Grundleistungen nach HOAI hinaus.

Innovative Planungsansätze

Im Folgenden werden die konkrete Arbeitspakete / Planungsleistungen, die über den „Stand der Technik“ in der Entwurfsplanung hinausgehen, dargestellt. Als „Stand der Technik“ werden hier die Grundleistungen nach HOAI vorausgesetzt.
Für alle Teilaspekte ist der Leitfrage maßgeblich: Wie kann die Innovation aus der Forschung in die Praxis überführt werden?

1) Forschungsintegration/-implementierung am digitalen Zwilling
- Forschungsintegration und Weiterentwicklung an einem koordinierten und integrierte 3D Modell

- Nachhalten einer geometrischen 3D Schnittstellenliste gemeinsam mit dem Cluster aus der hervorgeht wo genau die Schnittstelle zwischen Zuarbeit der zu integrierenden Forschung liegt

- Koordination der 3D Daten des Clusters und Konversion in IFC Daten und umgekehrt

- Aufgrund der späteren digitalen Fertigung und der dafür notwendigen Erzeugung von Maschinencodes aus dem 3D Modell, muss die 3D-Planung ein digitaler Zwilling vom späteren Gebäude darstellen. Alle für die Baufertigung benötigten digitalen Informationen müssen mit der Planung angelegt sein.

2) Planungsintegration forschungsrelevante Gewerke im Hinblick auf Planungsprozesse und Planungsschnittstellen
- Koordination der planerischen Anforderungen zwischen Planern und Forschern (Landesbauordnung, Arbeitsstättenrichtlinie, DIN und allen weiteren relevanten Normen, Richtlinien und Bestimmungen), so dass die Forscher diese Anforderungen als Parameter mit einbeziehen können.

- Erarbeitung von technischen Lösungen und der dazugehörigen Planung zur Einhaltung der einschlägigen Richtlinien, Regeln und Normen (wo immer möglich) hinsichtlich der forschungsrelevanten Gewerke und an der Schnittstelle der forschungsrelevanten Gewerke zu den üblichen Gewerken unter Einbeziehung aller Fachplaner.

- Erhöhter Aufwand für die Kollisionsprüfung an Schnittstellen der Forschungsbauteile. Planung von Durchdringungen, Anschlussdetails, Schnittstellen im Bereich und angrenzend an die forschungsrelevanten Gewerke in Abstimmung mit der TGA / TWP / Brandschutz und Objektplanung (z.B. Durchdringung Steigleitung durch Gradientenbeton o. mehrgeschossige Holzbaudecke / brandschutztechnische Abschottung der Durchdringung / Anschluss Holzdecke an z.B. Pfosten-Riegel Fassade. Gerade an diesen Schnittstellen gibt es keine Richtlinien oder Referenzen zu Durchdringungen, Anschlussdetails im Bereich der neuartigen Bausysteme und sind im Einzelnen zu definieren.

- Auf die aus den forschungsrelevanten Gewerken resultierenden komplexen Geometrien, Aufbauten, neuartige Verbindungen und Materialien muss die Planung der Anschlussgewerke reagieren.

3) Vorbereitung neuartiger Zulassungsprozesse: Zustimmungen im Einzelfall
- Identifikation der notwendigen Zustimmungen im Einzelfall (ZIE)

- Regelmäßige Abstimmungen mit den Ansprechpartnern auf Clusterseite für die Koordination der ZIE's

- Umfangreiche Abstimmungen mit Prüfinstanzen und den Behörden

- Entwicklung von planungs- und baubegleitenden Zulassungsprozessen mit dem Cluster

- Dokumentation und Risikobewertung der Abweichungen von den allgemein anerkannten Regeln der Technik

4) Integration der Baupartner in der Entwurfsplanung
- Für die forschungsrelevanten Gewerke muss die Werkplanung zu großen Teilen mit der Entwurfsplanung erfolgen. Gemeinsam mit dem Baupartner wurden digitale Datenformate, Ablauf und Schnittstellen der Vorfertigung und Umsetzung einer möglichst digitalen Montage frühzeitig festgelegt.

- Die möglichen Risiken der Forschung von neuartigen Bausystemen, Techniken und Methoden aus 19 Forschungsprojekten / Errichten eines Demonstratorbaus für die Spitzenforschung des Exzellenzclusters, sowie die frühe Einbindung von Firmen als Forschungs- und Entwicklungspartner muss über die Planungszeit fortgeschrieben und in Berichten dokumentiert werden

- Risikomonitoring von späteren evtl. kostenrelevanten Änderungen / Nachträgen aufgrund der sehr frühen Erstellung von funktionalen Leistungsbeschreibungen für die forschungsrelevanten Ge werke auf Basis einer Vorplanung Ende der LP 2.

- Vergabegespräche inkl. Auswertung der Angebote der Firmen für die forschungsrelevanten Gewerke in Abstimmung mit den Forschern

In 2monatigen Statusberichten wurden die offenen Punkte, notwendige Entscheidungen und Risiken dokumentiert und als Aufgabenliste für die nächsten Arbeits-/Planungsschritte verwendet.

Ressourcenschonende Innovationen aus der Forschung der Universität Stuttgart

Ein zentrales Ziel des Clusters ist es, neuartige, durch digitale Technologien ermöglichte Bauweisen und Bausysteme zu erforschen, die deutlich weniger Material verbrauchen, Ressourcen schonen, graue Energie minimieren und CO2 Emissionen reduzieren. Die in vielen Studien als zukünftige Herausforderung aufgezeigte Verschiebung des Ressourcen- und Energieverbrauchs vom Baubetrieb zur Bauerstellung wird damit adressiert. Hierfür wird ein integrativer und interdisziplinärer Ansatz verfolgt, der in vielerlei Hinsicht von bestehenden Planungs-verfahren abweicht und ein Modell für Innovation im Bauwesen sein soll, die zum Erreichen der Klimaziele dringend erforderlich ist.

Mit dem Forschungsneubau LCRL sollen die folgenden Forschungsbereiche in Form von innovativen Bausystemen geplant und ressourcenschonend realisiert werden:

Mehrgeschossiger Holzbau

Der mehrgeschossige Holzbau besteht aus einem neuartigen Bausystem, das aus standardisierten Holzwerkstoffen und -produkten maßgeschneiderte Stützen-, Wand- und Deckenelemente ermöglicht. Diese Bauelemente werden mittels digitaler, roboter-gestützter Fertigung in additiven und subtraktiven Verfahren sowohl im Werk als auch vor Ort hergestellt. Das Bausystem nutzt den gezielten Einsatz und die Kombination aus Laub- und Nadelholz sowie innovative Verbindungstechniken und minimalen Materialeinsatz, um hochleistungsfähige, punktgestützte Deckenfelder mit mehr-achsialer Lastabtragung und variablen Spannweiten zu ermöglichen.

Holzsegmentschalen

Segmentierte Schalenstrukturen sind in Platten untergliederte Tragwerke. Sie vereinen die Vorteile von konventioneller und nicht standardisierter Architektur: Ein einfaches, flächiges Bauteil, das die Konstruktion von doppelt gekrümmten Flächenstrukturen ermöglicht. Ihre modulare Zusammensetzung qualifiziert segmentierte Holzschalen als ideales Bausystem für vorgefertigte Bauteile. In den 10 Jahren Forschung zu Holz-segmentschalen wurden verschiedene Bausysteme entwickelt: Bausysteme aus standardisiertem Plattenmaterial, z.B. Buchenfurnierschichtholz oder Brettsperrholz, sowie Bausysteme als zusammengesetzte, hohle Kassetten (Randbalken, die mit zwei Deckplatten verleimt sind). Für die Verbindung benachbarter Bauteile wurden verschiedene Lösungen entwickelt: Fingerzinken und kreuzweise angeordnete Schrauben, Fingerzinken und Passbolzen oder die genannten Verbindungstypen ohne Fingerzinken.

Faserverbundsystem/ Biokomposit

Für das LCRL Gebäude werden weitspannende Faserverbundträger und Biokomposit-Paneele entwickelt und geplant, die mit dem kernlosen Faserwickelverfahren hergestellt werden.

Gradientenbeton

Es werden für Teile des Rohbaus vorgefertigte Betonbauteile und Bauteile in Ortbeton hergestellt. In beiden Fällen sollen durch mineralische Hohlkörper gradierte Bauteile ausgeführt werden. Ziel ist es dabei zu zeigen, wie recyclinggerecht Ressourcenverbrauch und Emissionen reduziert werden können.


Ergebnisse und Diskussion

Die Entwurfsplanung liegt abgeschlossen vor. Die Forschungsbauteile konnten erfolgreich integriert werden. Der Bauantrag ist eingereicht. Das Regierungspräsidium ist in den Zulassungsprozess eingebunden.
Die Forschungsintegration konnte am digitalen Zwilling kurzfristig untersucht und visualisiert werden. So konnten gemeinsame Entscheidungen getroffen und die optimale Integration der Forschungsbau teile in den Entwurf erreicht werden. Mit einem Miroboard haben Planer und Forscher die gemeinsamen Zwischenstände dokumentiert und offene Themen weiterverfolgt. Der Universität als Auftraggeber konnten nicht alle Zwischenstände präsentiert werden, da dieser Prozess einer hohen Dynamik unterlag. Da die Forschungsintegration als oberstes Ziel für dieses Projekt definiert ist, wurden die wesentlichen Meilensteine mit der Universitätsleitung abgestimmt und von dieser frei gegeben.
Erste quantitative und qualitative Optimierungen der Forschungsbauteile konnten mit den Baupartnern bereits während des Verhandlungsverfahrens umgesetzt werden. Die Bewertung von Angeboten der Baupartner musste auf Übereinstimmung zu den planerischen und technischen Randbedingungen hin überprüft und dem Auftraggeber zielführende Empfehlungen gegeben werden. Den Baupartner musste transparent dargestellt werden, welche Planungsgrundlagen aus der Entwurfsplanung bereits vorliegen, welche Konkretisierungen aus der Forschungsintegration noch zu erwarten sind und welche Konkretisierungen von ihnen erwartet werde. Hier gestaltete sich die Bepreisung durch die Baupartner nicht einfach und musste eng begleitet werden.
Das Risikomonitoring der Generalplanung hat die Prozesse transparent dargestellt. Das Miroboard dokumentiert die getroffenen Entscheidungen zur Forschungsintegration in der Entwurfsplanung. Der Einsatz eines gemeinsamen Lean-Managements konnte nicht nachhaltig im Projekt verankert werden, da die Prozesse so neu aufgestellt und im Zusammenspiel der Beteiligten erprobt werden mussten und (noch) nicht nach dem kürzesten/effizientesten Weg der Zielerreichung geplant werden konnten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- entfällt -


Fazit

Innovationen aus der Forschung kommen insbesondere in der Bauwirtschaft erst nach langen und aufwendigen Prozessen in der Baurealität an. Gemeinsames Ziel muss eine schnellere Umsetzung von ressourcen-schonenden Innovation in die Planung und damit auch Baupraxis sein.

Für das Projekt „Neubau LCRL“ hat das Projektteam erreicht:

- Einen Planungsprozess entwickelt,
• der Innovation fächerübergreifend einbindet
• dessen Risikomonitoring bei den Abweichungen von den allgemein anerkannten Regeln der Technik (a. a. R. d. T.) die Risiken bewertet und steuert
• der robotische Vorfertigungs- bzw. Fertigungsprozesse ermöglicht.
• der frühzeitige Optimierungsuntersuchungen planungsbegleitend ermöglicht

- Planungsgrundlagen für eine koordinierte Einbindung der genehmigenden Behörden bei innovativen Materialien/Bauelementen u.a. durch digitale Planungs- und Visualisierungswerkzeuge geschaffen.

- Die Grundlagen für die Integration von Forschung für ressourcenschonendes Bauen, niedrige Lebenszykluskosten und einen wirtschaftlichen Gebäudebetrieb mit der Entwurfsplanung gelegt.

- Den Zusammenhang zwischen Ressourceneinsatz und Digitalisierung erforscht, optimiert und die Grundlagen für die weitere Planung gelegt.

Bereits in frühen Planungsphasen müssen für die Forschungsintegration Schnittstellen, Leistungsinhalte, Zielwerte und digitale Prozesse definiert und deren Risiken überwacht werden. Diese Grundlagen werden für die Ausführungsplanung zur Verfügung stehen und die weitere Forschungsintegration bis hin zur Realisierung ermöglichen.