Flugroboter und 3D-Drucker bauen in Zürich Häuser

Die ETH hat ein Labor eröffnet, welche die Bauwelt digital transformieren soll. Woran die Forscher arbeiten und was dies für Architekten und Zimmerleute heisst, zeigt ein Laborbesuch.

 
Zwei Dinge springen einem gleich ins Auge im gerade eröffneten Arch_Tec_Lab der ETH Zürich, an dem sechs Professuren des Instituts für Technologie in der Architektur (ITA) der ETHZ beteiligt waren: die diversen Industrieroboterarme in der Robotic Fabrication Laboratory-Halle (RFL) im Erdgeschoss, bald halb so gross wie ein Fussballfeld. Und im Obergeschoss des Neubaus, der auf das Dach einer zweistöckigen Parkgarage der ETH gesetzt wurde, erstreckt sich über einer weiteren grossen Halle mit vielen offenen Räumen und Büroflächen eine ungewöhnlich aussehende, amorph geschwungene Holzdecke.
 
Beides hat man so bisher noch nirgendwo zu sehen bekommen. Und selten auch wirkte ein so grosser hoher Büroraum so freundlich. Gut, das Wetter spielte freilich auch mit, an diesem Tag der Lab-Eröffnung – der Raum war in viel Licht getaucht, von den Sonnenstrahlen, die sich einen Weg durch die äusserst lichtdurchlässige Holzlattenkonstruktion bahnten. Denn zwischen der riesigen Holzdecke und dem Himmel liegt nur noch die Schicht eines hochstabilen Kunststoffdachs mit einer Reihe von Fenstern. Darunter: 168 Fachwerkträger mit bis zu 15 Metern Spannweite, die assembliert und genagelt wurden und aus 48'624 einzelnen Kanthölzern mit Längen bis zu 3,10 Metern bestehen. Dafür wurden 820'000 Nägel an 65'000 Knotenpunkten eingeschlagen.
 
Roboter bauen ein Holzdach
Wer sich jetzt zunächst Kohorten von Zimmerleuten vorstellt, die im Schweisse ihres Angesichts diese Vielzahl an Latten mit dieser Unzahl an Nägeln zusammenklopften - weit gefehlt: Denn das zusätzlich Besondere an diesem elegant geschwungenen, freigeformten Holzdach: Es wurde komplett von einem riesigen, algorithmisch gesteuerten "Portalroboter" gefertigt – allerdings war es nicht einer derjenigen Roboter die im neuen, erwähnten RFL installiert sind, sondern einer in der Fabrikhalle der Aargauer Firma Erne Holzbau. Hier war, nebenbei bemerkt, noch ein Mitarbeiter mit der Kontrolle des Roboters, Materialnachfüllung etc. beschäftigt.
 
Die Grundvoraussetzung für die unermüdliche Roboterarbeit war ein integrierter digitaler Planungs- und Produktionsprozess, der unter der Leitung der ETH-Professur für Architektur und Digitale Fabrikation mit beteiligten Fachplanern und Erne als ausführender Firma entwickelt wurde. So entstand aus den Zehntausenden einzelner Kanthölzer – teilweise Restholz - eine Dachstruktur die insgesamt 2‘300 Quadratmeter einnimmt. Die Fachwerkträger führen die Lasten in fünf Feldern auf Stahlträger ab und integrieren die gesamte Technik vom Brandschutz bis zur Beleuchtung.
 
Unter dem spektakulären Holzdach befinden sich auf einer Galerie die offenen Arbeitsräume diverser Fachbereiche. Den kollaborativen, ja interdisziplinären Ansatz, den die zehn Professoren der ITA-Professuren wählten, als sie beschlossen ihre Forschungsansätze zu bündeln und das neuartige Gebäude gemeinsam als Prototyp und als "1:1-Reallabor" zu entwickeln, wollen sie auch künftig intensiv weiterverfolgen. Im Neubau gibt es keine Einzelbüros, dafür hier, wie auch in der darunter liegenden Halle, viel Gemeinschaftsfläche für kleinere und grössere Gruppen.
 
Intensive interdisziplinäre Forschung erhofft
Sechs Jahre nahm das Projekt Arch_Tec_Lab in Anspruch, von der initialen Idee von Prof. Dr. Sacha Menz bis zur Eröffnung Ende September 2016. Menz ist Vorsteher des ITA und geistiger Vater des Arch_Tec_Labs. Für Menz ist das Gebäude nicht nur die umgesetzte Vision einer zukünftigen Bautechnologie, sondern steht auch für eine neue Art der Zusammenarbeit: "Das Arch_Tec_Lab dient der Forschung im Bauwesen, und diese kann nicht hinter verschlossenen Türen stattfinden. Wir erhoffen uns eine intensivere interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Instituts und Forschungsimpulse über die einzelnen Disziplinen hinaus."
 
Ein wichtiges Ziel war aber vor allem aufzuzeigen, wie die Digitalisierung zu einer ressourcenschonenden, emissionsfreien und verdichteten Bauweise beitragen kann.
Praktisch bedeutete das unter anderem: Das Arch-Tec-Lab muss mit möglichst wenigen Ressourcen auskommen. Als Gebäudetechnik kommt etwa die an der ETHZ seit 2010 entwickelte Null-Emissions-Technologie zum Einsatz. In der doppelten Bodenstruktur des Gebäudes befinden sich 120 so genannte Airboxen, die an das Anergie-Netz des Campus Hönggerberg angeschlossen sind.
 
Diese Airboxen übernehmen die Lüftung und dienen zusätzlich der Heizung und Kühlung des Gebäudes. Der doppelte Boden beherbergt einerseits das Leitungsnetz und sorgt andererseits dafür, dass die Luft durch leichten Überdruck über Bodenauslässe in die Räume gelangt. Hinaus gerät sie wieder durch "undichte Stellen" im Gebäude, das man bewusst nicht versiegelte.
 
Weitgehend digitaler Planungs- und Bauprozess
Neue Wege im Hochbau - mittels neuartiger Bautechnologien - schlugen die Architekten, Bauingenieurinnen, Gebäudetechniker und Bauphysikerinnen vor allem mit dem weitgehend digitalen Planungs- und Bauprozess ein, der auch auf reduzierte Bauzeiten abzielt. Konkret hiess das: Gefertigt wurde das Gebäude mithilfe des Einsatzes von Bau-Informations-Modellierung (BIM) und der robotergestützten Fabrikation. Mit BIM-Softwareprogrammen wird ein intelligentes, mit verschiedensten Prozessinformationen versehenes ("informiertes") 3D-Modell erstellt und genutzt, um solide Projektentscheidungen zu treffen und zu kommunizieren. BIM-Software inkludiert meist Entwurfs-, Visualisierungs-, Simulations- und Kollaborationsfunktionen.
 
Im Falle des Arch-Tec-Lab-Dachs bedeutete das, so Prof. Matthias Kohler, einer der beiden Professoren für Architektur und Digitale Fabrikation (Gramazio Kohler Research), dass "der Entwurf der Dachstruktur, statische Bemessung und die Bereitstellung der für die Herstellung nötigen Daten in einem integrierten digitalen, also programmierten, Planungsprozess verbunden wurden. So wurden zentrale Forschungserkenntnisse der Professur im Bereich des digitalen Holzbaus zusammengeführt und in Zusammenarbeit mit unterschiedlichen Forschungs- und Industriepartnern im industriellen Massstab zur Anwendung gebracht." Dieser in der Bauindustrie bis jetzt kaum getätigte Schritt, direkt von einer digitalen Datenbasis in den Produktionsprozess einzugreifen, fand nun an der ETHZ einen Höhepunkt mit der Herstellung der Dachkonstruktion, die maschinell bis anhin gar nicht und manuell zu kaum bezifferbaren Kosten realisierbar ist.
 
Sacha Menz ergänzt: "Bauen wird landläufig eher noch mit Rückständigkeit als mit Innovation in Verbindung gebracht. Doch es tut sich etwas in der Mottenkiste des Bauens. Während Smartphone-Apps unaufhaltsam unseren Alltag gestalten, entwickelt sich parallel mit viel Euphorie die Digitalisierung im Bauwesen. Aber auch wenn deren Anwendung noch mit grosser Zurückhaltung erfolgt, stellen sich freilich schon heute Fragen wie nach den zu erwartenden Veränderungen und wie stark die fortschreitende Digitalisierung unseres Lebens auch in die Bauprozesse eingreifen und diese in Zukunft verändern wird."
 
Dass dies aber passieren wird, davon darf man heute getrost ausgehen.
 
Neue Ästhetik dank digitaler Fabrikation
Die ETH-Professur Gramazio Kohler Research ist so erfolgreich engagiert in der Grundlagenforschung zur Zukunft des Bauens, dass der Schweizerische Nationalfonds die Forschung und Entwicklung im Bereich "Digitale Fabrikation" unlängst zu einem "Nationalen Forschungsschwerpunkt" (NFS) gekürt hat.
Freilich geht es nicht nur um den technologischen Fortschritt, denn "das Bauen, wie wir es derzeit erforschen, erweitert nicht nur das konstruktive Spektrum, sondern ergibt durch den Einbezug der Material- und Fabrikationslogiken in den Entwurfsprozess einen eigenen architektonischen Ausdruck und eine neue Ästhetik", betont Prof. Fabio Gramazio.
 
Kreative Ideen umzusetzen, die letztendlich ohne digitale Daten und Robotik-Hilfe nicht realisierbar wären - Gramazio Kohler Research praktiziert das bereits seit längerem, auch im privatwirtschaftlichen Umfeld als Zürcher Architekturbüro. Bereits vor zehn Jahren begannen Gramazio Kohler Architects die Robotik-Bautechnologie für konkrete Projekte einzusetzen. Für das Weingut Gantenbein im bündnerischen Fläsch wurde eine Mauerwerksfassade so gestaltet, dass diese jetzt das abstrakte, dreidimensional wirkende Bild grosser Traubenbeeren aufzeigt. Dazu drehte und legte ein Kuka-Industrieroboterarm jeden einzelnen Backstein präzise nach dem vorprogrammierten Muster ab, bis grössere Mauer-Elemente entstanden, die zur Baustelle transportiert wurden.
 
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Fliegende Roboter sollen Hochhäuser bauen
Mehr als ein spannendes Intermezzo war dann das spätere Projekt "Flight Assembled Architecture" - die weltweit erste architektonische Installation, die von fliegenden Robotern erbaut wurde. Gleichzeitig kooperierten hierbei mehrere "Quadrocopter": Sie hoben und transportierten über 1'500 Elemente und bauten diese anschliessend zu einer komplexen architektonischen Struktur zusammen. Das Architekturprojekt wurde von Gramazio und Kohler gemeinsam mit Prof. Dr. Raffaello D’Andrea vom Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik der ETHZ entwickelt.

 
Intensiv erforschen die ETH-Architekten mit solchen Arbeiten und Installationen künftigen Städtebau und das Bauen von neuartigen Hochhäusern. "Fliegende Bauroboter sind eine revolutionäre Grundlagenforschung, die uns sehr interessiert. Es geht darum Techniken zu entwickeln, mit denen man bauen kann, wo man sonst nicht hinkommt, etwa auf 600 Meter Höhe. Natürlich gibt es Möglichkeiten mit speziellen Gerüsttechniken, aber diese sind doch sehr, sehr aufwendig. Und man kann sowas auch nicht mit einem Hubschrauber bauen, dafür brauche ich autonome Flugroboter", erläutert Gramazio.
 
Auch Matthias Kohler blickt voraus: "Bei unserem Projekt "Flight Assembled Architecture" haben Flugroboter bereits im Modellmassstab gezeigt, dass sie entsprechend programmiert, aber autonom agierend, Bauelemente in bestimmter Anordnung übereinanderstapeln können. Ob auch im realen Massstab bis zu einer Höhe von 600 Metern, wird sich noch weisen." Angedacht wird von den beiden Bauforschern diese Architekturvision mit konkretem Hintergrund. "Vertikale Städte" könnten da entstehen, wo eine weitere Verdichtung der Bebauung im urbanen Siedlungsraum genauso wenig zielführend wäre, wie noch mehr landschaftsfressende Agglomeration rings um die Städte wünschenswert ist. Bis zu 30'000 Menschen könnten in einer solchen vertikalen Stadt ihren Lebensraum erhalten, denken die beiden Architekten.
 
Ersetzen autonome Roboter Bauarbeiter?
Inzwischen, im neuen Arch_Tec_Lab, kann Gramazio Kohler Research künftig auch inhouse auf die grossen Portalroboter zugreifen, wie jener bei Erne, der das spezielle Dach des Arch_Tec_Labs zusammenbaute. Das von den forschenden Architekten initiierte Robotic Fabrication Laboratory (RFL) ist die weltweit erste Forschungsplattform im Bereich grossmassstäblicher, roboterbasierter Fabrikation in Architektur und Bauwesen.
 
Die Multi-Robotik-Anlage die in Zusammenarbeit mit Güdel Schweiz und ABB Schweiz errichtet wurde, basiert auf einem deckenmontierten Portalsystem. Die Anlage deckt die gesamte Werkhalle im Erdgeschoss des Neubaus ab. Somit kann ein Volumen von insgesamt 45 x 17 x 6 Metern mit bis zu vier einzeln arbeitenden oder auch kooperierenden Robotern flexibel bearbeitet werden. Das ermöglicht eine grosse Bandbreite an grossen baukonstruktiven Experimenten durchzuführen: Zum einen lassen sich robotergestützte Fabrikationsprozesse auf der Baustelle, als auch Mensch-Maschinen-Kooperationsprozesse simulieren. Daneben können auch hochentwickelte, automatisierte Vorfabrikationsprozesse untersucht werden.
 
Das RFL ist ebenfalls Basis für ein laufendes NFS-Forschungsprojekt, in dem Strategien für das Bauen mit dem Roboter direkt auf der Baustelle untersucht werden. Im RFL wird daher die Entwicklung einer computerbasierten Entwurfs- und Simulationsumgebung vorangetrieben; alle Vorgänge im RFL lassen sich heute bereits virtuell durchführen.
 
Das Ziel ist, mobile und mit Sensoren, Laserscannern etc. bestückte kooperierende Robotersysteme autonom auf der Baustelle einzusetzen und zu kontrollieren. Dazu gehören sowohl robuste und anpassbare Konstruktionsverfahren als auch innovative Entwurfs- und Herstellungsprozesse, um autonome Roboter für nicht-standardisierte Bauaufgaben unmittelbar nutzen zu können, heisst es in einem Beschrieb von Gramazio Kohler Research.
 
Dort, am Arch_Tec_Lab der ETH Zürich, wo also der Autor eine so noch nicht existierende Plattform für Robotik in der Architektur und dem Bauwesen, für integrierte digitale Planung und Fertigung demonstriert erhielt, ist man ob der Automatisierungsbemühungen versucht, wieder mal die Abschaffung des (Bau-)Arbeiters durch die Maschine zu thematisieren. Doch gegen einen solchen Verdacht verwehren sich Kohler und Gramazio. "Es wäre weder sinnvoll noch innovativ, einfach die Handarbeit des Menschen zu ersetzen." Computer und Roboter in ihrem Metier sehen beide Architekturforscher vor allem dafür: innovative, kreative und komplexe Bauweisen zu ermöglichen, neue Forschungsfelder zu erschliessen und den Rahmen des Möglichen zu erweitern. (Tom Sperlich)

Die fertigen Holzdach-Elemente werden - mit menschlicher Unterstützung - angeliefert (Bild 1: ETHZ, Bild 2/3: Erne Holzbau AG).

Prof. Fabio Gramazio und Prof. Matthias Kohler bei der Präsentation (v.l.). (Bild: Tom Sperlich)

Simulationsumgebung für einen mobilen Bauroboter. (Bild: ETHZ)

"Real-Life-Ansicht" einer vergleichbaren Szene (Bild Gramazio Kohler Research, ETH Zürich).

Die Backsteinmauer: digital geplant und gebaut (Bild Gramazio Kohler Research, ETH Zürich).

Zwei Roboterarme schweissen eine "Skulptur" zusammen (Bild: Tom Sperlich).

Die digitale Transformation kann eine ganz neue Ästhetik befördern, demonstriert Prof. Fabio Gramazio (Bild: Tom Sperlich).