Forschungsbericht - LifeCycle Tower

Lifecycle Tower
Haus der Zukunft

Energieeffizientes Holzhochhaus mit bis zu 20 Geschossen
in Systembauweise
M. Zangerl, H. Kaufmann, C.Hein u.a.

Berichte aus Energie- und Umweltforschung 00/2010

Eigentümer, Herausgeber und Medieninhaber:
Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie
Radetzkystraße 2, 1030 Wien
Verantwortung und Koordination:
Abteilung für Energie- und Umwelttechnologien
Leiter: DI Michael Paula

 

Hintergrundinformationen zum Projektinhalt



 

Beschreibung des Standes der Technik

Hochhäuser wurden bislang überwiegend in konventioneller Massivbauweise (Stahlbetonskelettbau) errichtet. Durch die zunehmende Ressourcenknappheit, die CO2-Thematik und die steigenden Preise für Stahl, Dämmstoffe und Beton wird die Bedeutung von Holz zunehmen und dieser Rohstoff immer interessanter für die Bauwirtschaft werden.

Auch im Energiebereich ist Verbesserungspotential gegeben. Derzeit optimieren neue Energiesysteme vielfach nur isolierte Teilaspekte eines Gebäudes (z.B. Reduktion von Heizenergie) mit zum Teil resultierendem hohem Technisierungsgrad, vernachlässigen jedoch die komplexen Zusammenhänge eines gesamten Objektes mit den damit verbundenen Lebens- und Arbeitsräumen. Durch die ganzheitliche Entwicklung von Bauwerken von Beginn an können qualitativ hochstehende und höchst effiziente Energielösungen mit relativ geringem Technikeinsatz realisiert werden. Zudem bieten Hochhäuser ungenutzte Potentiale zur Energieerzeugung.

Bauwerke werden in der Regel als Prototypen geplant und erstellt; dies bedingt hohe Baukosten, lange Errichtungszeiten und hohe Planungs- und Ausführungsrisiken.

Eine Systematisierung und Industrialisierung des Fertigungsprozesses, wie sie z.B. in der Automobilindustrie bereits vor Jahrzehnten Einzug gehalten hat, ist in der Bauindustrie bislang noch nicht zu beobachten. Ziel ist die Entwicklung einer Systembauweise, welche zu Optimierungen des Planungs- und Errichtungsprozesses führt und signifikante Qualitäts- und Wirtschaftlichkeitsoptimierungen mit sich bringt.

Nachhaltige Lösungsansätze in der Entwicklung von Bauwerken leisten nicht nur einen ökologischen Beitrag im schonenden Umgang mit Ressourcen, sondern tragen auch zur Stärkung der Wettbewerbsposition innovativer Unternehmen im internationalen Marktumfeld bei.

Die Abhängigkeit von konventionellen Baustoffen und Energieträgern soll reduziert werden. Dafür werden neue wirtschaftliche Ansätze und Lösungen entwickelt und der Realitätsbezug in Umsetzungsprojekten nachgewiesen.

 
 

Beschreibung der Vorarbeiten zum Thema

„Acht oder mehr Geschosse aus Holz“ – im Projekt achtplus wurde erforscht, ob und wie diese Vision zur Realität werden kann. Will man den Holzbau als ebenbürtige Alternative im Bauwesen etablieren, müssen Strategien des Bauens mit Holz im urbanen Raum erprobt werden. Achtplus behandelte dieses komplexe Thema im Rahmen einer erweiterten Machbarkeitsstudie. Das daraus entstandene Forschungskonzept stützt sich im Wesentlichen auf vier Säulen:

  • Entwicklung und Untersuchung eines städtisch geeigneten Hochhaustypus – acht oder mehr Geschosse – in Holzverbundbauweise mit Büronutzung.
  • Grundsätzliche Untersuchung der Machbarkeit in Bezug auf Tragwerk, Vorfertigung und Montage sowie Klärung des Brand- und Personenschutzes.
  • Erstellen einer systematischen Stärken-Schwächen-Analyse samt Kostenermittlung zur Evaluierung der Konstruktion inklusive einer Risikoanalyse des Projektes samt Versicherungsmodell.
  • Marktorientierte Positionierung der Typologie in Bezug auf die ökonomische und ökologische Relevanz im städtischen Kontext im Sinne nachhaltiger Entwicklung.

Ergebnisse

Es wurden 20 Regelgeschosse in Holzbauweise untersucht und auch rechnerisch nachgewiesen. Die Berechnung erfolgte nach Euro-Code.

Die wesentlichen ökonomischen Faktoren für die Umsetzung des Projektes liegen im Rohbau. Vier unterschiedliche Konstruktionsweisen wurden für die tragende Holzstruktur untersucht und miteinander verglichen. Alle Konstruktionsarten wurden statisch vorbemessen und für tauglich befunden.

Alle Holzkonstruktionen wurden kalkuliert und monetär bewertet.

Für einer der Konstruktionsweisen, den Kern-Typus, wurde eine Vergleichskalkulation in Massivbauweise erstellt und dem Holzbau gegenübergestellt. Resultat: Der Holzbau liegt in den Errichtungskosten um 12 % höher als der Massivbau.

Für den Brandschutz wurden die Anforderungen für Hochhäuser (ONR 22000) als Basis herangezogen. Ausnahme: Verwendung von brennbaren anstatt nicht brennbaren Baustoffen. Brandschutz und Evakuierung wurden nachgewiesen.

Alle Risiken für Personen in einem solchen Gebäude können minimal gehalten werden, zudem werden alle Sicherheiten bewusst erhöht.

Das Bürogebäude ist im Passivhausstandard möglich, sowohl in Bezug auf die Heizlast als auch auf die Kühllast. Voraussetzung dafür sind beste Verglasung, Verschattung der Sonnenseiten, Erhöhung der Masse im Deckenaufbau sowie eine natürliche Belüftung.

 
 

Beschreibung der Neuerungen sowie ihrer Vorteile gegenüber dem Ist-Stand

Das Ziel des gegenständlichen Forschungsprojektes war die Entwicklung eines baureifen flexiblen „Holzfertigteil-Baukastens“ (Systembauweise):

  • Für Hochhäuser mit bis zu 20 Geschossen
  • zur Nutzung als Büro, Wohnung oder Hotel
  • mit höchst effizientem Energiekonzept
  • mit positiver Energiebilanz

Es sollte erstmalig ein Holz-Baukastensystem als eigenständiges Produkt entwickelt werden, das die Anforderungen an Brandschutz, Akustik und Tragfähigkeit erfüllt.

Folgende Neuerungen bzw. Vorteile weist das entwickelte  Baukastensystem auf:

  • Eine auf die Hälfte verkürzte Bauzeit
  • Sicherheit für Kosten und Qualität
  • Geringere Lebenszykluskosten verglichen mit Bauwerken in konventioneller Bauweise
  • Werterhaltung des Gebäudes durch lebenszyklusoptimierte Konzeption der Gewerke
  • Reduzierte Rohstoffabhängigkeit
  • Wohlfühlfaktor in den Gebäuden
  • Geringer Flächenbedarf für die Bauabwicklung, daher geringere Störung des Alltagslebens der Anrainer und betroffenen Verkehrsteilnehmer
  • Attraktive städtebauliche Akzente und Imagepflege für Quartiere
  • Günstige CO2-Bilanz

Es ist hinsichtlich wirtschaftlicher Energieeffizienz optimiert und erzeugt Energie. Der Innovationsgehalt liegt in der Gesamtkonzeption sowie in der Adaptierung bestehender Technologien, einerseits zur Vermeidung von Energieverbrauch, andererseits zur Energiegewinnung:

  • Geothermisches Heizen/Kühlen: hoher Komfort bei möglichst niedrigem Technisierungsgrad
  • Einsatz von Solarthermie und Photovoltaik
  • Einspeisung überschüssiger Energie in öffentliche Netze
  • Rezyklierbarkeit der eingesetzten Materialien, Komponenten und Elemente
 
 

Verwendete Methoden

Über den gesamten Projektverlauf kam ein integraler Planungsprozess zur Anwendung, was bedeutet, dass Vertreter sämtlicher Disziplinen (Architektur, Statik, Facility-Management, Gebäudetechnik,…) die wesentlichen Aufgaben gemeinsam und ganzheitlich bearbeitet haben. 

Es fanden regelmäßige Workshops in Bregenz und Berlin mit allen beteiligten Projektteilnehmern statt, deren Inhalte die Schaffung einer gemeinsamen Basis und die gemeinsamen Bearbeitung von Aufgaben waren.

Ein weiteres zentrales Element der Methodik war die Durchführung von theoretischen Simulationen, die mit realen Versuchen (z.B. Brandversuch an einem Deckenelement am 16.02.2010 in der Versuchsanstalt PAVUS in Tschechien) überprüft und bestätigt wurden.

Zur Darstellung des konstruktiven Prinzips wurde ein Modell des LifeCycle Tower erstellt, welches auf einschlägigen Messen präsentiert wurde.

 
 

Beschreibung der Vorgangsweise und der verwendeten Daten

Um die Projektziele zu erreichen, stand das Forschungsteam vor folgenden Herausforderungen:

Ein im Vorgängerprojekt (achtplus) nicht gelöstes Problem war ein den bauphysikalischen Anforderungen entsprechender Deckenaufbau. Es mussten neue Konstruktionen und Materialien (z.B. Holzverbundstoffe) entwickelt sowie die technische und wirtschaftliche Umsetzbarkeit getestet werden.

Die besonderen Risiken lagen dabei:

  • in der Baubarkeit generell
  • darin, dass für erarbeitete Lösungen Maßnahmen aufgrund rechtlicher Bestimmungen gesetzt werden müssen, die einer wirtschaftlichen Verwertung entgegenstehen
  • darin, dass keine geeigneten Lösungen zur Erreichung eines angenehmen Raumklimas aufgrund der fehlenden Masse entwickelt werden können
  • darin, dass weitere bauphysikalische Anforderungen nicht erfüllt werden können (Schall, Wärme, Feuchtigkeit)
  • darin, das unterschiedliche, internationale Bauvorschriften der Entwicklung einer Systembauweise entgegenwirken und daher die Wiederholbarkeit nicht gewährleistet ist

Des Weiteren musste ein auf großvolumige Holzbauten abgestimmtes Energiekonzept völlig neu entwickelt werden. Dabei waren die besonderen Charakteristiken des Baustoffs Holz zu berücksichtigen.