HiRes Concrete Slab im Empa NEST Dübendorf

Jahrhundertelanges Erfahrungswissen brachte die Baumeister der Gotik zu Formen, die effizient waren und zugleich ästhetisch überzeugen. Rechnergestützte statische Optimierungsverfahren führen heute sehr oft zu ähnlichen Resultaten. Jüngstes Beispiel: die HiRes Concrete Slab, die ein interdisziplinäres Team der ETH Zürich unlängst für den Forschungsbau NEST im schweizerischen Dübendorf entwickelt hat.

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Das dünne, leicht gewölbte Betondeckenelement wurde dort in einen etwa 4 x 5 m großen Büroraum in der HiLo-Forschungseinheit der ETH eingebaut. Einen Vorläufer des Rippendeckenelements hatten die Wissenschaftler bereits 2019 beim Davoser Weltwirtschaftsforum präsentiert. Nach ihren Angaben spart die Bauform rund 70% Material gegenüber einer herkömmlichen Flachdecke ein. Der Clou dazu ist die statisch optimierte Anordnung der Rippen auf der Oberseite der etwa 50 mm dicken Deckenschale. Außerdem hat die Decke in der Raummitte eine Stichhöhe von rund 275 mm. Entlang der vier Raumkanten sind jeweils 12 mm dicke Spannstähle in die Decke integriert, die zu weiterer Betonersparnis führen.

Die aufsehenerregende Deckenuntersicht ist vor allem akustisch optimiert. Die schallstreuenden Grate sind in der Deckenmitte am ausgeprägtesten und liegen dicht beieinander, zu den Wänden hin verlaufen sie zu einer glatten Fläche. Darin integriert sind nicht nur Aussparungen für die Beleuchtung, sondern auch Heiz- und Kühlleitungen sowie kaum sichtbare Luftauslässe. Alle Leitungen wurden schon vor dem Betonieren in die Deckenschalung integriert.

Digitale Fertigungsverfahren

Hergestellt wurde die Ortbetondecke mithilfe von 43 3D-gedruckten, kleinteiligen Schalungselementen für die Deckenunterseite. Diese waren auf einem leicht gewölbten Trägerrost montiert. Für die Herstellung der Decke kombinierte das ETH-Team drei digitale Fertigungsverfahren: Das Holz für den Trägerrost war mit Laser zugeschnitten. Die Schalungselemente wurden im BinderJet-Verfahren hergestellt, bei dem Sand in einer großen Wanne durch Zugeben eines Bindemittels selektiv verfestigt wird. Für die kleinteiligen Lüftungskanäle verwendeten die Forscher die Schmelzschichtung oder Fused Deposition Modeling. Dabei wird das Bauteil schichtweise aus flüssigem Kunststoff aufgebaut, der anschließend erstarrt.

© Andrei Jipa

Das Schalungsverfahren für die 50 bis 80 mm breiten Rippen auf der Deckenoberseite ist im Vergleich dazu deutlich einfacher. Als Schalelemente dienen mit Heißdrähten CNC-geschnittene Hartschaumblöcke, die nach der Fertigstellung als Zusatzdämmung zwischen den Rippen verbleiben.