STEP2
Die Unit STEP2 vereint neue digitale Design- und Fertigungstechniken mit innovativen Materialien und einem umfassenden Energie- und Behaglichkeitskonzept. Oberstes Ziel sind marktreife Lösungen, die einen nachhaltigen Umgang mit Energie und Ressourcen erlauben.
Für die zweistöckige Unit arbeiteten zahlreiche Wirtschafts- und Forschungspartner in einem Co-Creation-Ansatz zusammen. Die Initiative zur Unit lieferte Hauptpartner BASF.
Zu den zentralen Innovationsobjekten der Unit gehören:
- Eine Rippen-Filigrandecke mit hohem Marktpotenzial
- Die Wendeltreppe "Cadenza"
- Eine adaptive Gebäudehülle, die als Entwicklungsumgebung dienen wird
- Ein umfassendes Energie- und Behaglichkeitskonzept zur Optimierung der Energieeffizienz und Behaglichkeit
- Technologien und Materialien für den nachhaltigen Umgang mit Energie und Ressourcen
- Innovatives Lichtkonzept
Begleiten Sie die Entstehung der Unit. In unserem STEP2-Newsupdate werden Sie über die wichtigsten Meilensteine des Projekts auf dem Laufenden gehalten.
Mediemitteilung zur Eröffnung von STEP2 29.08.24
Medienmitteilung zum Baustart der Unit 19.10.23
Medienmitteilung zur Partnerschaft zwischen der zirkulit AG und der Stahlton Bauteile AG 28.09.23
Medienmitteilung zum Treppenprojekt 28.02.23
Dank WaltGalmarinis Simulationen zur optimalen Gebäudetechnik für STEP2 (Video)
Statementvideo BASF vom 18.11.21
Podcast mit dem leitenden Architekten Silvan Oesterle (ROK) vom 29.10.21
Die Innovationsobjekte der STEP2-Unit
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 der ehemaligen BASF-Tochtergesellschaft 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 Tonschaum 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 Architekten, Stahlton Bauteile, WaltGalmarini
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:
Treppendesign: Digital Building Technologies - ETH Zürich, ROK Architekten
Fabrikationssystem: Digital Building Technologies - ETH Zürich, SW Umwelttechnik
Schalungsentwicklung und 3D-Druck: Digital Building Technologies - ETH Zürich, Forward AM Technologies, New Digital Craft
Tragwerksplanung: WaltGalmarini
Beton-Vorfabrikation: SW Umwelttechnik
Vorspannsystem: re-fer
Projektleitung: ROK Architekten
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.
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 natürlicher, kontrollierter Luftversorgung und integriertem Beschattungssystem. Partner: Aepli Metallbau
- Automatisierte Lüftungsklappen als zentraler Bestandteil des Unit-spezifischen Energie- und Belüftungskonzepts. Partner: WaltGalmarini
- Verglasungssysteme mit individuell an den Sonnenverlauf angepassten, 3D-gedruckten Beschattungseinsätzen. Partner: New Digital Craft
Die Fassade ist als geschlossene Doppelhautfassade konzipiert, die keine externe Luftzufuhr benötigt. Das obere Geschoss der Unit ist zudem als Holz-Aluminium-Hybridsystem konstruiert; die Fassade ist dadurch aussen sehr witterungsbeständig und innen natürlich angenehm. Die Fassadenelemente wurden im Werk weitestgehend vorgefertigt und konnten vor Ort innerhalb von wenigen Tagen montiert werden.
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.
Ergänzt werden diese Beschattungssysteme durch innovative Verglasungssysteme, welche den Licht-und Energieeintrag in das Gebäude beeinflussen. Um diese optimal an die Standortbedingungen anpassen zu können, kommen zum Teil speziell entwickelte Materialien und 3D-Druckverfahren zum Einsatz.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt bei der Energiegewinnung. Die Fassade ist partiell mit Photovoltaik ausgestattet und trägt so aktiv zum Energieertrag des Gebäudes bei. Weitere Bereiche der Fassade sind vorgerüstet, damit verschiedene Techniken und Positionen evaluiert werden können. Der laufende Betrieb der Unit ermöglich eine Berücksichtigung des effektiven Nutzerverhaltens und liefert dadurch wertvolle Daten für die Optimierung.
Durch die modulare Konstruktion der Fassade als Versuchsträger können weitere Partner und Themen während der Betriebszeit der Unit flexibel integriert werden.
Partner: Aepli Metallbau, WaltGalmarini, New Digital Craft
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
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 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 Tonschäume wie Cavipor® oder Hochleistungsdämmstoffe basierend auf Aerogelen erweitern die Anwendungsbreite erheblich, bieten Vorteile bei der Verarbeitung und Rezyklierbarkeit und sind zudem nichtbrennbar. Aerogele haben daneben bedeutend verbesserte Dämmwerte als konventionelle Systeme und ermöglichen daher die Konstruktion sehr dünner Wärmedämmsysteme, wie sie in den Fassadenelementen der Unit angewendet werden.
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 acForm® 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® 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 Tonschaum 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. So kamen unter anderem für die 3D-geformten Wandpaneele wie auch die Bodenplatten in der STEP2-Unit Reststoffe von rezyklierten Denim-Fasern in Kombination mit dem innovativen Bindemittel und leistungsstarken Beschichtungen zum Einsatz.
Im Bereich der digitalen Produktionstechnologien bringt die ehemalige BASF-Tochtergesellschaft Forward AM 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, Forward AM Technologies
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.
Partner: Bartenbach, ROK Architekten, Stahlton Bauteile, BASF
STEP2 Partner
