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

 

Schlussfolgerungen zu den Projektergebnissen



 

Im Ergebnis der Forschungsarbeit liegen drei wesentliche Erkenntnisse vor:

  1. Die theoretisch-technische Realisierbarkeit eines 20stöckigen Hochhauses im entwickelten Holz-Baukastensystem konnte im vorliegenden Forschungsprojekt nachgewiesen werden.
    Nach abschließender Betrachtung aller relevanten Aspekte (Architektur, Statik, Plusenergetik und Bauphysik - Brandschutz, Schallschutz, Feuchte, Wärme) kann die Baubarkeit des beschriebenen Objektes bestätigt werden.
  1. Die wirtschaftliche Realisierbarkeit eines 20stöckigen Hochhauses in LifeCycle Tower-Systembauweise konnte im vorliegenden Forschungsprojekt nachgewiesen werden und bietet sogar weitere Optimierungspotenziale aufgrund der geplanten industriellen Vorfertigung und Prozessoptimierung.
  1. Eine Pauschalaussage hinsichtlich einer realen brandschutztechnischen Genehmigung kann aufgrund lokal stark differierender Brandschutzbestimmungen nicht getroffen werden. Aufgrund der im vorliegenden Forschungsprojekt erarbeiteten Brandschutzkonzepte konnten positive Stellungnahmen der wesentlichen Behörden erwirkt werden.

 

Bezogen auf die einzelnen Arbeitsbereiche und deren Forschungsergebnisse sind folgende Schlussfolgerungen zu ziehen:

 

Tragwerk

Neben der Beschreibung und Darstellung eines Aussteifungs- und Tragwerkskonzeptes wurden alle notwendigen Tragelemente in Abhängigkeit von unterschiedlichen Nutzlasten statisch nachgewiesen und Angaben zu möglichen Bauteilabmessungen gegeben. Dabei wurde gezeigt, dass die vertikalen Tragglieder (Stützen und Kernwände) in Brettschichtholzbauweise ausgeführt werden können.

Als Deckensystem wurde eine Holz-Beton-Verbunddecke entwickelt und ebenfalls für unterschiedliche Nutzlasten und Bodenaufbauten statisch und schallschutztechnisch nachgewiesen. Anschluss- und Verbindungsdetails wurden exemplarisch untersucht und berechnet und die Lösungsvorschläge zeichnerisch dargestellt.

Darüber hinaus wurden an einem dreidimensionalen Gesamtmodell des Gebäudes umfangreiche dynamische Untersuchungen durchgeführt. Das dynamische Verhalten des Gebäudes bei Windeinwirkungen bzw. die Auswirkungen auf die späteren Nutzer des Gebäudes wurden ermittelt und ausgewertet.

 

Es kann abschließend festgestellt werden, dass das Vorhaben, ein Hochhaus in Holzbauweise zu erstellen, bautechnisch prinzipiell durchführbar ist. Auf Aussteifungs-, Verankerungs- und Anschlussproblematiken eines solchen Vorhabens gibt dieser Bericht ebenso Antworten bzw. Lösungsvorschläge, wie zur Dimensionierung der notwendigen Bauteile. Damit ist eine solide Basis geschaffen, auf der weitere Untersuchungen und Pilotprojekte aufbauen können.

 

Zu folgende Punkten sollten weitergehende Forschung betrieben werden, um den erreichten Kenntnisstand abzusichern und auszubauen:

  • Verifizierung des vorab versuchstechnisch ermittelten Verhaltens der Fassadenstützen mit einer CFD-Naturbrandsimulation unter Ansatz realer Umgebungsbedingungen. Damit lässt sich einerseits die Art und Intensität des Abbrandes bestimmen. Andererseits kann dabei mittels Parameterstudien festgestellt werden, ob und mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Stützenpaar ausfallen kann bzw. zu welchem Zeitpunkt dies genau geschehen wird.

  • Rechnerische Parameterstudien und versuchstechnische Untersuchungen von alternativen Deckensystemen, die für unterschiedliche Spannweiten und Fußbodenaufbauten mit einer jeweils bestimmten Gebäudenutzung optimiert sind. Die Untersuchungen und Versuche sollten sowohl unter statischen bzw. dynamischen als auch unter schallakustischen und brandschutztechnischen Gesichtspunkten erfolgen.

 

Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde ein innen liegender Kern als Aussteifungssystem gewählt und nachgewiesen. Ein solches System beeinflusst dabei ziemlich deutlich den Gebäudegrundriss bzw. die Raumaufteilung. Außen liegende Aussteifungs­systeme in Ebene der Gebäudehülle stellen eine gute und für den Holzbau sinnvolle Alternative dar.

In einem realen Demonstrationsprojekt sollten die bisher erarbeiteten und theoretisch funktionierenden Bausysteme auf ihre Praxistauglichkeit hin geprüft werden. Ein solcher Prototyp eignet sich außerdem hervorragend dafür, Messungen und Untersuchungen vorzunehmen, um das reale Gebäudeverhalten abzubilden.

 

Brandschutz

Die theoretische brandschutztechnische Genehmigungsfähigkeit konnte im vorliegenden Forschungsbericht nachgewiesen werden, jedoch bestehen nach wie vor systemimmanente Abweichungen von den geltenden Normen. Deren Kompensation ist durch die weiter unten aufgeführten Maßnahmen möglich, muss jedoch standortabhängig für jeden Einzelfall neu geprüft werden. Ein Rechtsanspruch auf Anerkennung von Kompensationsmaßnahmen besteht nicht.

 

Wesentliche Abweichungen sind:

  • die Verwendung eines brennbaren Materials (Holz) in der Tragkonstruktion;
  • die Reduzierung des geforderten Feuerwiderstandes der Treppenläufe und -podeste von 90 auf 30 Minuten;
  • die Überschreitung der maximalen Länge von Rauchabschnitten in notwendigen Fluren von Hotelgeschossen.

 

Dazu sind folgende Kompensationsmaßnahmen denkbar:

  • Erhöhung der Wirksamkeit und der Verfügbarkeit der eingesetzten Löschanlage;
  • Erhöhung der Wirksamkeit der Rauchdruckgasanlage in den notwendigen Treppenräumen und deren Vorräumen;
  • Einführen eines Qualitätsmanagements für die Errichtung und Betreibung des Gebäudes;
  • Begrenzung der maximalen Größe von brandschutztechnisch abgetrennten Nutzungsbereichen auf 140 m²;
  • Brandrauchausspülung über die Rauchschutzdruckanlage der Treppenräume.

 

Einige bauliche Ausführungen sind nicht geregelt bzw. sind nicht über Prüfzeugnisse und Zulassungen abgedeckt. Für diese baulichen Ausführungen müssen Zustimmungen im Einzelfall über Bewertungen und Prüfungen durch eine anerkannte Prüfanstalt erwirkt werden.

 

Dies betrifft konkret folgende Konstruktionsdetails:

  • Wandanschluss von brandschutztechnisch erforderlichen Leichtbauwänden an die geplanten nicht gekapselten Brettschichtholz-Stützen;
  • Kapselungsbauweise über 90 Minuten, einschließlich aller Anschlüsse;
  • Einbau von brandschutztechnisch notwendigen Türen, Abschottungen und ggf. Brandschutzklappen in gekapselte Massivbrettschichtholzwände;
  • Befestigung von sicherheitstechnischen Anlagen innerhalb der Installationsschächte an gekapselten Massivbrettschichtholzwänden;
  • Wandanschluss von brandschutztechnisch erforderlichen Leichtbauschachtwänden an gekapselte Massivbrettschichtholzwände;
  • Brüstungs-/Fassadenelemente in gekapselter Bauweise;
  • Einbindung der Holz-Beton-Verbunddecke im Bereich des Deckenauflagers in die Kapselung der Kernwand.

 

Es kann abschließend festgestellt werden, dass das Vorhaben, ein Hochhaus in Holzbauweise zu erstellen, bautechnisch prinzipiell durchführbar ist. Der Bericht bietet Antworten und Lösungsansätze zum bautechnischen Umgang mit dem Baustoff Holz für ein Hochhausbauvorhaben an. Damit ist eine solide Basis geschaffen, auf der weitere Untersuchungen und Pilotprojekte aufbauen können.

Es erscheint sinnvoll, zu folgenden Punkten weitergehende Forschung zu betreiben, um den erreichten Kenntnisstand abzusichern und auszubauen:

  • Realbrandversuche an Fassadenstützen, um das genaue Brandverhalten und die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen (u. a. Fire-Stop-Layer, Kapselung) zu bestimmen;
  • Verifizierung des vorab versuchstechnisch ermittelten Verhaltens der Fassadenstützen mit einer CFD-Naturbrandsimulation unter Ansatz realer Umgebungsbedingungen. Damit lässt sich einerseits die Art und Intensität des Abbrandes bestimmen. Andererseits kann dabei mittels Parameterstudien festgestellt werden, ob und mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Stützenpaar ausfallen kann bzw. zu welchem Zeitpunkt dies genau geschehen wird.

In einem realen Pilotprojekt sollten die bisher erarbeiteten und theoretisch gut funktionierenden Bausysteme auf ihre Praxistauglichkeit hin geprüft werden. Ein solcher Prototyp eignet sich außerdem hervorragend dafür, Messungen und Untersuchungen vorzunehmen, um das reale Gebäudeverhalten abzubilden.

 

Die baurechtlichen Aspekte wurden im Bericht dargestellt und Ansätze für noch folgende Diskussionen mit den Behördenvertretern geliefert. Dabei wird die Diskussion der Schutzziele eine entscheidende Rolle einnehmen.

 

Energiedesign – Fassade

Die hier erarbeitete Fassade zeigt nur eine mögliche Lösung im Rahmen der gestellten Parameter. Bei spezifischen Nutzeranforderungen, veränderten technischen und/oder gesetzlichen Rahmenbedingungen sowie in Abhängigkeit vom Standort wird sich möglicherweise eine andere Lösung als vorteilhafter herausbilden. Die enge Verknüpfung mit der Bauphysik und der gebäudetechnischen Auslegung macht in jedem Fall eine integrale Planung unumgänglich.

 

Mit der Entwicklung und der Verarbeitung neuer Materialien werden sich auch die Möglichkeiten des Fassadenbaus erweitern. Im Idealfall wird die Fassade der Zukunft auf unterschiedlichste, auch widersprüchliche, Anforderungen reagieren können.

Zunehmend werden auch integrale Hüllen mit vielerlei wechselwirksamen Funktionen zur Umwelt eingesetzt. Dies geschieht zum Teil mit dezentraler Einbindung in das gebäudetechnische Konzept oder über polyvalente Funktionen der Fassadenebenen.

 

Es ist ein zunehmendes Bewusstsein hin zum Ressourcen schonenden Umgang mit der Umwelt festzustellen. Der Energieverbrauch ist drastisch zu reduzieren. Konstruktiv ist mit dem geplanten Holzhochhaus ein großer Schritt in diese Richtung getan.

Wenn es darüber hinaus gelingt, die Energieverluste der Gebäudehülle in Gewinne umzuwandeln, und dabei auch noch möglichst natürliche Baustoffe verwendet werden, ist der richtige Weg eingeschlagen.

 

Energiedesign – Gebäudetechnik

Für den LifeCycle Tower wurde ein komplexes und energetisch effektives haustechnisches Versorgungskonzept entworfen und dessen Umsetzbarkeit im Verlauf der Planung bestätigt. Hierfür zeigte es sich erforderlich, an einigen Stellen vorherige Ansätze zu modifizieren. Dem komplexen Charakter eines hochenergieeffizienten Gebäudes entspricht es, dass dabei auch projektbeteiligte Gewerke außerhalb der technischen Gebäudeausrüstung, wie Fassadenplanung und Architektur, einbezogen wurden. Motivationen zu Veränderungen an der Gebäudekubatur, eine modifizierte Fassade oder aber auch veränderte Fensterflächenanteile wurden aus der gebäudetechnischen Planung heraus angeregt und letztendlich umgesetzt.

 

Der Kerngedanke der haustechnischen Planung liegt in der Nutzung von Erdwärme. Das Konzept nutzt die Geothermie sowohl zur Beheizung als auch zur Kühlung des Gebäudes. Das Verteil- und Übergabesystem ist auf die entsprechenden Systemtemperaturen abgestimmt. Zur Raumheizung und -kühlung sind kombinierte Heiz- und Kühldeckenelement geplant.

 

Das Bestreben, vorrangig regenerative Energien zu nutzen, zeigt sich ebenso in der thermischen Solaranlage zur Warmwasserbereitung, der Verwendung einer regenerativen Brennstoffanlage für Verbraucher auf höherem Temperaturniveau und in einer fassadenintegrierten Photovoltaikanlage.

 

Die Anforderungen an die Raumtemperaturen im Sommer, die durch Komfortkriterien und Arbeitsstättenrichtlinien gegeben sind, machen im LCT eine Gebäudekühlung über passive Kühldecken trotz paralleler Sonnenschutzmaßnahmen unumgänglich. Dadurch entsteht ein großer energetischer Aufwand, der durch ein intelligentes Regelungskonzept (Jalousiensteuerung, automatische Nachtauskühlung) und durch entsprechendes Nutzerverhalten vermindert werden kann.

Für letzteres empfiehlt sich eine Nutzerschulung oder die Erstellung eines Nutzerleitfadens, um über grundlegende energiesparende Verhaltensweisen aufzuklären.

 

Mit dem Einsatz opaker Lüftungsflügel und über die Erhöhung der Brüstung wurde der transparente Fassadenanteil möglichst klein gehalten. Untersuchungen haben gezeigt, dass selbst bei einem hochwirksamen Sonnenschutz (außen liegende Lamellenjalousie) kleinere Fensterflächen von Vorteil sind, da eine verminderte Kühllast durch geringere äußere Lasten höher zu bewerten ist, als die solaren Gewinne während der Heizperiode.

Nachteile durch eine eventuelle Erhöhung des Kunstlichtanteils können durch Lichtlenkung im oberen Jalousiebereich ausgeglichen werden.

 

Im zukünftigen Planungsverlauf sollten weitere Optimierungen zur Senkung des Energieverbrauchs untersucht werden.

Hierbei wird ein großes Potential in der Reduzierung der inneren Lasten gesehen. Es stellt sich die Frage, inwieweit sich eine Verringerung der angesetzten Belegungsdichte mit mietökonomischen Aspekten vereinbaren lässt.

Im technischen Bereich erscheint die Entwicklung einer automatisierten Nachtauskühlung über die Gebäudeleittechnik sinnvoll.

 

Grundlegendes Planungsziel im vorliegenden Projekt war ein Gebäude, welches einem hochenergieeffizienten Standard entspricht.

Sämtliche planerischen Umsetzungen sind auf diesen Ansatz zurückzuführen. Auch wenn eine formale rechnerische Bestätigung durch einen zertifizierten Nachweis zum jetzigen Zeitpunkt nicht Bestandteil der Planungsaufgaben ist, zeigen alle relevanten Parameter recht deutlich, dass dieser Nachweis erbracht werden kann.