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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 in der Planung. Nach ihrer Fertigstellung, die auf Sommer 2022 geplant ist, 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:

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STEP2-Newsupdate
Begleiten Sie die Entstehung der Unit. In unserem STEP2-Newsupdate werden Sie über die wichtigsten Meilensteine des Projekts auf dem Laufenden gehalten.

Weiterführende Informationen

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, BASF Forward AM, SW Umwelttechnik

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 der industriellen Fertigung vereinen sich hier mit den Gestaltungs- und Konstruktionsmöglichkeiten neuer, digitaler Entwurfswerkzeuge. Ein bekannter Anwendungsfokus für diesen Lösungsansatz liegt auf Geschossdecken für Massivhäuser. 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 20 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.

Ergänzt wird die Decke durch Akustikelemente des NEST-Partners BASF Forward AM. Zudem steuert die BASF Produkte und Knowhow zur Lenkung und Verteilung von Licht bei. Damit wird das zentrale Thema des Komforts weiter unterstützt.

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. Der thermische Austausch erfolgt über thermoaktive Bauteilsysteme (TABS). Diese Technologie eignet sich insbesondere für den bivalenten thermischen Betrieb und ist somit für den NEST Energy Hub mit den dazugehörigen Erdsonden und thermischen Speichersystemen ideal prädestiniert.

Partner: BASF, ROK, Stahlton Bauteile AG, BASF Forward AM, 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
  • PV Paneele mit Schweizer Farbglastechnologie. Partner: Solaxess 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, Solaxess 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 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.

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.

Auch im Lichtmanagement erschliessen neue Materialien Innovationsfelder. Beispiele sind mikrostrukturierte optische Filme, welche Licht gezielt umlenken, ohne die Helligkeit stark zu vermindern. In Fenster integriert können derartige Licht-Umlenkfolien die Tageslichtversorgung in Gebäuden revolutionieren.

Weitere Beispiele sind Materialien für 3D-Druckverfahren, wie Photopolymere, Polymerpulver oder Kunststoff-Filamente wie das Ultrafuse® Produkteportfolio. Es umfasst eine breite Palette von Materialien, die eine Vielzahl von vorteilhaften Materialeigenschaften wie Druckfreundlichkeit, Dimensionsstabilität, Haltbarkeit und Flexibilität bieten. Daher werden diese sowohl bei Engineering-Anwendungen als auch beim Einsatz als temporäre Trägermaterialen eingesetzt.

Partner: BASF

STEP2 Partner

Project Credits: Bespoke Stair

Stair Design and Fabrication System
Digital Building Technologies - ETH Zürich with ROK and industry partners BASF Forward AM and SW Umwelttechnik
DBT Team: Georgia Chousou, Angela Yoo, Matteo Lomaglio, Andrei Jipa, Prof. Dr. Benjamin Dillenburger

3D Printed Formwork Fabrication
BASF Forward AM
BASF Forward AM: Jörg Petri, Sufyan Rasheed

Precast Concrete
SW Umwelttechnik / BASF Holderbank
SWU Team: Klaus Einfalt
Master Builders Solutions: Stefan Miesel

Architecture of STEP2 Unit
ROK Architects
ROK team: Silvan Oesterle, Michael Knauss

Structural Design
WaltGalmarini
WaltGalmarini Team: Wolfram Kubler, Tizian Haussener

Project supported by the ETH Foundation

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