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STEP2

Die STEP2-Unit fördert Innovationen in den NEST-Schwerpunktthemen Kreislaufwirtschaft, industrielle und digitale Fabrikation sowie Gebäudehülle und Energiesysteme. Partner aus Forschung und Wirtschaft arbeiten gemeinsam konsequent auf marktfähige Lösungen hin. Die Unit befindet sich momentan im Bau. Nach ihrer Fertigstellung wird sie als Innovationswerkstatt und Büroumgebung dienen.

Die zweistöckige STEP2-Unit wird in einem Open-Innovation-Ansatz von Wirtschafts- und Forschungspartnern gemeinsam realisiert. Hauptpartnerin ist dabei die BASF. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette ist der entscheidende Faktor, damit schlussendlich marktfähige Lösungen aus dem Projekt hervorgehen. Ein zentrales Ziel der Innovationen ist unter anderem ein nachhaltiger Umgang mit Energie und Ressourcen.

Zu den zentralen Innovationsobjekten der Unit gehören:

 

Sie wollen live mitverfolgen wie STEP2 gebaut wird? Dann sehen Sie sich den Bauverlauf hier auf unserer Webcam an.

Die Innovationsobjekte der STEP2-Unit

Als symbolisches Rückgrat von Gebäuden haben Treppen eine wichtige funktionale und ästhetische Rolle in der Architektur. Die Herstellung massgeschneiderter Betontreppen stellt aber konventionelle Schalungslösungen vor grosse Herausforderungen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird für die komplexe Beton-Wendeltreppe in der STEP2-Unit auf die aktuellste Forschung im Bereich 3D-gedruckter Schalungen gesetzt. Vom Entwurf bis zur Produktion kommt ein komplett digitales Verfahren zum Einsatz, das die Synergien zwischen computergestütztem Design und additiver Fertigung optimal nutzt. Ziel ist es, die Gestaltungsmöglichkeiten von Betontreppen zu erweitern und dabei gleichzeitig die Kosten-, Material- und Arbeitsaufwände zu reduzieren, die normalerweise bei individuellen und komplexen Formen unweigerlich auftreten.

Das neue Verfahren ermöglicht es, architektonisch interessante und qualitativ hochwertige Elemente aus Beton zu fertigen. Glänzende oder rutschfeste Oberflächen, dekorative Elemente und Kabelkanäle werden bereits im Modell integriert und mithilfe von Parametern kontrolliert. Neben dem völlig neuen Design beinhaltet die Treppe auch Funktionen für die Sicherheit und den Komfort der Nutzer.

Für die Herstellung wird ultrahochfester faserverstärkter Beton verwendet. Dieser weist hervorragende strukturelle Eigenschaften auf und ermöglicht dadurch sehr dünne, komplexe Formen, die mit normalem Stahlbeton nicht realisiert werden könnten. Obwohl die Wendeltreppe als ein grosses, skulpturales Ganzes wahrgenommen wird, setzt sie sich aus einzelnen Stufengliedern zusammen. Diese leichten und struktureffizienten Elemente werden vorgefertigt und vor Ort zusammengesetzt. Die erforderliche Bewehrung liefert ein hochmodernes Vorspannsystem, das auf einer Formgedächtnislegierung basiert.

Das Ziel des Projekts ist es, die Vorteile digitaler Werkzeuge nicht nur für die Herstellung massgeschneiderter Betontreppen, sondern auch für die Architektur, das Ingenieurwesen und die Bauindustrie im Allgemeinen aufzuzeigen. Die Wendeltreppe demonstriert, dass digitale Fertigungstechnologien zu nachhaltigen, effizienten und leistungsstarken Designlösungen beitragen können. Das angewendete Verfahren ist eine einsatzreife Lösung für individuelle Entwürfe und Bauvorhaben.

Partner: Digital Building Technologies - ETH Zurich, ROK, BASF Forward AM, New Digital Craft, SW Umwelttechnik, WaltGalmarini

Die Geschossdecke der STEP2-Unit bedient die NEST-Schwerpunktthemen industrielle und digitale Fabrikation sowie Energiesysteme.

Die 3D-Drucktechnologie bietet für die Bauindustrie ein interessantes Potenzial. Die Effizienzvorteile nicht-standardisierter maschineller Fertigung vereinen sich hier mit den Gestaltungs- und Konstruktionsmöglichkeiten neuer, digitaler Entwurfswerkzeuge. Ein wichtiger Anwendungsfokus für diesen Lösungsansatz liegt auf Geschossdecken für Bürohochhäuser. In einer Vorstudie wurde deshalb in Zusammenarbeit mit dem Architekten und dem Bauingenieur ein technisches Gesamtkonzept für eine Rippen-Filigrandecke entwickelt. Mit diesem Konzept lassen sich Spannweiten bis zu 14 Metern abdecken – bei gleichzeitig minimiertem Materialeinsatz. Mit einer begleitenden Business-Case-Analyse wurde die Marktfähigkeit bewertet und so für potentielle Industriepartner transparent gemacht.

Die Vorfertigung der Geschossdecke erfolgt werksseitig durch den NEST-Partner Stahlton Bauteile AG. Mit Hilfe von 3D-gedruckten Schalungselementen werden im Werk zweiachsig vorgespannte Betonfertigteile mit intergierten Unterzügen hergestellt. Durch Vorspannung können sowohl die Konstruktionsfreiheit wie auch die Montagestützweite deutlich vergrössert werden, was das mögliche Anwendungsgebiet auf einen weiten Bereich ausdehnt. Technische Funktionselemente werden werksseitig bereits integriert.

Auf der Baustelle werden die mit Schub- und Anschlussbewehrung versehenen Elemente auf die vorbereiteten Stützen mit dem Kran aufgelegt und mit einer Mattenbewehrung für die obere Bewehrungslage ergänzt. Danach wird der Ortbeton aufgebracht – im Ergebnis entsteht eine monolithische Stahlbetondecke mit Unterzügen und materialeffizient ausgedünnten Zwischenbereichen. Der Schalungsbau auf der Baustelle entfällt, die Elemente übernehmen die Funktion einer verlorenen Schalung.

Zur Optimierung der Raumakustik werden innovative Akustikboxen in die Decke integriert. Diese wurden in enger Zusammenarbeit zwischen ROK, der Stahlton Bauteile AG, BASF und BASF Forward AM entwickelt. Auf der unteren Seite der Box befinden sich Löcher, die den Übergang zur Decke darstellen. Dadurch entsteht in den Deckenelementen eine Perforation, über die der Schall aufgenommen und absorbiert wird. Das Innenleben der Box besteht aus einem mineralischen Absorber-Schaum von BASF, der im mittleren Frequenzbereich eine bessere Schallabsorption aufweist als herkömmliche Schallabsorber.

Für die Rippen-Filigrandecke wurden vom NEST-Partner ROK eigens digitale, parametrische Entwurfswerkzeuge entwickelt. Damit ist es dem Architekten einerseits möglich, sehr effizient die gesamte Bandbreite an Geometrien zu entwerfen und damit den Kundenbedürfnissen Rechnung zu tragen. Andererseits erlauben diese Werkzeuge eine sehr effiziente Optimierung auf technische und wirtschaftliche Kriterien wie Materialeinsatz und Gebäudephysik. Im vorliegenden Projekt dienen diese Möglichkeiten unter anderem dazu, den Entwurf auf den Einsatz von Recyclingbeton und die Integration von Akustikabsorptionselementen zu optimieren.

Während des Betriebs erfüllt die Geschossdecke die Funktion einer thermischen Speichermasse. Die exakte Dimensionierung verantwortet der NEST-Partner WaltGalmarini AG im Rahmen eines ganzheitlichen, integrierten Energie- und Gebäudephysikkonzepts für die gesamte Unit. Dieses setzt möglichst auf passive Technologien, um den Energieverbrauch weiter zu senken.

Partner: BASF, ROK, Stahlton Bauteile AG, WaltGalmarini AG

Der Gebäudehülle kommt heute bei der energetischen Leistung und dem Komfort eines Gebäudes eine zentrale Rolle zu. Die Fassade der STEP2-Unit wird deshalb als Entwicklungs- und Versuchsplattform für verschiedene NEST-Partner und deren Innovationsthemen ausgelegt. Ihre Konstruktion erlaubt es, bestimmte Fassadenmodule mit minimalem Aufwand auszuwechseln. In der vorgesehenen, thermisch abgetrennten Innovationswerkstatt wird dies auch im laufenden Betrieb ohne Komforteinbussen für die Nutzer möglich sein.

Die Entwicklungs- und Fertigungsplanung, Produktion und Montage der Fassade erfolgt durch den NEST-Partner Aepli Metallbau AG. Folgende Innovationsthemen mit den verantwortenden Partnern sind für den Erstbetrieb der Unit vorgesehen:

  • AAC- Fassadenmodule mit kontrollierter Luftversorgung und integriertem Beschattungssystem. Partner: Aepli Metallbau AG
  • Lichtleitungssysteme (spezielle Verbundgläser, Linsen- und Mikro-Spiegel-Systeme...) zur Verbesserung des Nutzerkomforts und Senkung des Energiebedarfs. Partner: BASF
  • Automatisierte Lüftungsklappen als zentraler Bestandteil des Unit-spezifischen Energie- und Belüftungskonzepts. Partner: WaltGalmarini AG

Ein Kernthema der Fassade ist das Beschattungssystem. Mit unterschiedlichen Ansätzen wird die Funktionalität, Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit von neuen Beschattungssystemen und Materialien untersucht und deren Einfluss auf das Energiekonzept evaluiert. 

Dank der modularen Fassadenbauweise können komplett neue Beschattungssysteme unter kontrollierten Bedingungen im Werk in das Fassadenelement eingebaut und anschliessend als Einheit am Gebäude montiert werden.

Ergänzt werden diese Beschattungssysteme durch innovative Verglasungssysteme, welche den Licht-und Energieeintrag in das Gebäude beeinflussen. Durch mikrostrukturierte Folien- und Flachglassysteme wird Sonnenlicht zielgerichtet in das Gebäude gelenkt, oder im Bedarfsfall auch reflektiert. Dadurch kann zum Beispiel eine bessere und tiefere Raumausleuchtung erreicht werden, was den Beleuchtungsenergiebedarf senkt. Ein weiterer Anwendungsfall reduziert die Gebäudeüberhitzung durch Sonneneinstrahlung im Sommer, wohingegen im Winter diese Einstrahlung zugelassen wird, um damit Heizenergie einzusparen.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt bei der Energiegewinnung. Die Fassade soll sich positiv auf die Energiebilanz des Gebäudes auswirken. Dazu werden verschiedene Techniken und Einbaupositionen von Photovoltaik in der Fassade kombiniert und deren Effizienz und Wirtschaftlichkeit untersucht. Der laufende Betrieb der Unit ermöglicht zudem eine Berücksichtigung des effektiven Nutzerverhaltens und liefert dadurch wertvolle Daten.

Durch die modulare Konstruktion der Fassade als Versuchsträger können weitere Partner und Themen während der Betriebszeit der Unit flexibel integriert werden.

Partner: Aepli Metallbau AG, BASF, WaltGalmarini AG

Gebäudehüllen sind das wesentliche Bauelement, wenn es darum geht, ein behagliches Raumklima sicherzustellen, Bauschäden zu verhindern sowie Energie-, Betriebs- und auch Investitionskosten zu senken. Die Entwicklung von Fassaden hin zu optimaler Energieeffizienz mit hohen Behaglichkeitsanforderungen ist komplex und daher ein zentrales Element der STEP2-Unit. Die WaltGalmarini AG hat zu diesem Zweck ein umfassendes Energie- und Gebäudephysikkonzept für die Unit ausgearbeitet.

Für die Planung hat sich das Unternehmen intensiv mit dem Standort, der Umgebung, der Nutzung sowie dem lokalen Klima auseinandergesetzt. Anhand von thermodynamischen Simulationen, welche die Realität möglichst genau abbilden, wurden Regelungsstrategien entwickelt, welche die Raumbedingungen mittels der adaptiven Gebäudehülle lediglich innerhalb des thermischen Komfortbandes schwanken lassen.

Vorrangig sollen passive Systeme wie beispielsweise natürliche Belüftung und Belichtung, passive Beheizung sowie Kühlung zur Konditionierung des Innenraumes genutzt werden. Aktive Systeme dienen lediglich zur Ergänzung für den Fall, dass die passiven Systeme nicht ausreichen, um die gewünschten Anforderungen hinsichtlich des Komforts zu erfüllen. In der STEP2-Unit sollen unter anderem die folgenden Technologien validiert werden:

  • Hochwärmedämmende Verglasungen mit hoher Selektivität
  • Eine kontrollierte, natürliche Lüftung mittels automatisierter Fassadenklappen
  • Adaptive Sonnenschutzssysteme
  • Eine als Speichermasse aktivierbare Sichtbetondecke. Mittels eingelegter Heiz-/Kühlschleifen kann diese bei Bedarf zusätzlich aktiviert werden.

Partner: WaltGalmarini AG

Neue innovative Materialien sind ein Schlüssel zur Nachhaltigkeit. Massgeschneiderte Eigenschaftsprofile ermöglichen, den Ressourcenverbrauch und Energiebedarf bei ihrer Herstellung und Anwendung zu reduzieren. Sie sind damit zentraler Bestandteil der wachsenden Kreislaufwirtschaft, welche ein Schwerpunktthema der STEP2-Unit ist.

Im Projekt bringt die BASF ihr fundiertes Know-how in diversen Materialbereichen ein. Hierzu gehören u.a. Struktur- und funktionelle Materialien, biobasierte und biologisch abbaubare Produkte, Dispersionen, Additive, Beschichtungen, Verbundwerkstoffe sowie Hybride und Multimaterialien. Dieses Wissen fliesst in die Entwicklung neuer Materialsysteme, Formulierungen und Anwendungen ein, die mit Kooperationspartnern weiterentwickelt werden. In der STEP2-Unit zeigt dies BASF an einer Reihe von Innovationsbeispielen:

Die Lichtbeständigkeit von Materialien spielt speziell bei Anwendungen im Aussenbereich eine entscheidende Rolle. Daher kommt beim transparenten Balkongeländer mit integriertem Lichtdesign auf Polycarbonat-Basis der UV-Absorber Tinuvin® 1600 zum Einsatz. 

Die Wärmedämmung ist entscheidend für die Energieeffizienz eines Gebäudes. Neue mineralisch basierte Dämmstoffe wie Cavipor® oder Hochleistungsdämmstoffe wie Slentex® erweitern die Anwendungsbreite erheblich, bieten Vorteile bei der Verarbeitung und Rezyklierbarkeit und sind zudem nichtbrennbar. Slentex® hat daneben bedeutend verbesserte Dämmwerte als konventionelle Systeme und ermöglicht daher die Konstruktion sehr dünner Wärmedämmsysteme.

Auch die Wiederverwertung von Rohstoffen steht bei den Materialien der STEP2-Unit im Vordergrund. Nach den Prinzipien des Upcyclings hat BASF gemeinsam mit Partnern Verfahren entwickelt, um aus Abfallstoffen leistungsfähige Oberflächenbeläge zu schaffen.

Im Küchenbereich wird Kaffeesatz mit dem innovativen wasserbasierten Acrodur® Bindemittel von BASF kombiniert, um langlebige, hochwertige Möbeloberflächen herzustellen. Für die Hohlboden-Konstruktion werden leistungsstarke Bodenbeläge aus Textilabfällen eingesetzt. Die Bodenplatten, auf Basis von rezyklierten Denim-Fasern, werden mit Hilfe des innovativen Acronal® Harz-Bindemittels von BASF und leistungsstarken Beschichtungen hergestellt. Zudem wird zum ersten Mal in einer Holzhybrid-Applikation für den Ausgleich sowie die thermische und akustische Isolation des Unterbodens der nichtbrennbare und sehr leistungsfähige Dämmstoff Cavipor® eingesetzt.

Die neuartige wasserbasierte Dispersion acForm® ist die Basis einer neuen Herstellungstechnologie, mit sehr hohem Holznutzungsgrad für dreidimensional geformte Holzfaserplatten. Durch ihre thermoplastische Formbarkeit eignen sich diese Holzverbundwerkstoffe ideal für Form- und Prägetechniken und eröffnen für die Möbel- und Innenarchitektur ganz neue Gestaltungsdimensionen, z.B. bei Formmöbeln, Wand- und Deckenpaneelen, Türen, Raumteilern oder strukturierten Bodenbelägen.

Im Bereich der digitalen Produktionstechnologien bringt BASF ebenfalls innovative Materialien ein, zum Beispiel Kunstoff-Filamente für 3D-Druckverfahren wie das Ultrafuse® Produkteportfolio. Dieses umfasst eine breite Palette von Materialien, die eine Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften wie Druckfreundlichkeit, Dimensionsstabilität, Haltbarkeit und Flexibilität bieten.

Solche Produkte und Verfahren werden sowohl bei material- und energieeffizienten Engineering-Anwendungen genutzt, wie der Herstellung massgeschneiderter Schalungslösungen für material- und funktionsoptimierte Fertigbau-Betonelemente (z.B. gewichtsoptimierte Wendeltreppen), als auch bei 3D-gedruckten Fenstereinlegern zur Tageslicht-Lenkung. Vom Entwurf bis zur Produktion kommen komplett digitale Verfahren zum Einsatz, welche die Synergien zwischen computergestütztem Design und additiver Fertigung optimal nutzen.

Partner: BASF

Die Unit, die mit neuen, nachhaltigen, unter anderem auch 3D-geformten, Materialien ausgestattet wird, soll Tag und Nacht angemessen in Szene gesetzt werden. Dabei wird die Kunstlichtlösung ebenso innovativ und nachhaltig sein wie alle anderen Gewerke. Im Mittelpunkt steht bei der Kunstlichtlösung immer der Mensch und seine visuellen, emotionalen und biologischen Anforderungen an das Licht. Die Architektur folgt an zweiter Stelle. Die Lichtbedürfnisse sind dabei je nach Tätigkeit, Tageszeit, emotionalem oder biologischem Zustand verschieden. Dies bedarf nicht nur einer spektralen Anpassung, sondern es muss auch die Licht-Verteilung mitberücksichtigt werden. Das Ziel für die STEP2-Unit ist deshalb die Erarbeitung und Umsetzung eines gesamtheitlichen Lichtkonzepts, das zielgerichtet und langfristig die Gesundheit, das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit des Menschen unterstützt. Die integrative Beleuchtung, die in die Architektur der Unit eingebettet ist, stellt ein Zusammenspiel von Tageslicht und Tageslichtergänzung bis zur Kunstlichtbeleuchtung in der Nacht dar und ist angepasst auf die nutzungsspezifischen Raumanwendungen.

Mit miniaturisierten Systemen wird Material eingespart und auf Designkomponenten wird gänzlich verzichtet. Um Streulicht zu vermeiden werden nur hochtransparente bzw. reflektorische Optiken eingesetzt. Das Licht wird dahin gelenkt, wo es benötigt wird. Dies spart Energie ein. Mit der neusten Reflektor-Technologie RFO von Bartenbach kann die Optik auf einen Durchmesser von 13mm reduziert werden. Mit einer optischen Effizienz von mehr als 80 Prozent werden damit Wände komplett blendfrei homogen ausgeleuchtet. Die Farbmischung der unterschiedlichen LED erfolgt lediglich über den Reflektor und ohne Mischkammer.

Auch die von Bartenbach patentierte Lochstrahllinse (LFO) mit einer Lichaustrittsfläche von 8mm Durchmesser wird in diesem Projekt weiterentwickelt. Erstmals wird aus einem Einzelpunkt durchstimmbares Licht von 2200K-5000K mit bis zu 850lm aus einer Leuchte gestrahlt. Dies entspricht dem Lichtstrom einer 60W Glühbirne (freistrahlend) benötigt aber nur 14 Prozent derer Energie.

PartnerBartenbach GmbH, ROK, Stahlton Bauteile AG, BASF

STEP2 Partner

Project Credits: Bespoke Stair

Stair design: Digital Building Technologies - ETH Zurich, ROK Architects
Fabrication System: Digital Building Technologies - ETH Zurich, SW Umwelttechnik
Formwork Development and 3D Printing: Digital Building Technologies - ETH Zurich, BASF Forward AM, New Digital Craft
Structural Design: WaltGalmarini
Precast Concrete: SW Umwelttechnik
Post-tensioning System: re-fer
Project Management: ROK Architects

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