Pressemitteilungen:
Freie Gestaltungsmöglichkeit wird dank 3D-Betondruck wirtschaftlicher!
Die Dammschule in Heilbronn hat nun stilvolle 3D gedruckte Sitzelemente printed in Laupheim
Röser GmbH Fertigteilhersteller im 3D-Betondruckverfahren
Projekt „Bumerang“ Mauern Dammschule Heilbronn
Das „Pilotprojekt“ für den Einsatz von Freiraumobjekten aus dem 3D Betondrucker ist die
Schulhofsanierung der Dammschulen Heilbronn. Die Dammschulen – bestehend aus einer
Grundschule und einer Realschule – sind ein repräsentativer, viergeschossiger Schulbau, der
Anfang des 20.Jahrhunderts errichtet wurde (Eröffnung 1908) und der durch mächtige
Sandsteinfassaden charakterisiert ist.
Die Umgestaltung der beiden Schulhöfe stand von Anfang an unter den Voraussetzungen des
Erhalts des Baumbestands mit Verbesserung der Baumstandorte, der Schaffung eines
barrierefreien Zugangs zu den Schulen und trotz der Beengtheit der Einbindung von
Grundschulsportanlagen (Laufbahn / Weitsprung / Kleinspielfeld).
Beide Schulhöfe mit einer Fläche von insgesamt 4.200 m² sind deutlich geneigt. Der Erhalt der
bestehenden Topografie war als Teil der Bauwerks- wie der Baumstandortbindungen gesetzt,
für die Schulsportanlagen bedurfte es hingegen einer Einebnung von Teilflächen. Damit
verbundene Geländesprünge sollten als Mauern oder Sitzriegel integriert werden.
Wie in allen öffentlichen Räumen müssen Freiraumelemente, sowie Sitzmöbel an Schulen
besondere Anforderungen im Hinblick auf Robustheit und Dauerhaftigkeit erfüllen. Sie müssen
wartungsarm und einfach ersetzbar bzw. reproduziertbar sein. Gleichzeitig tragen sie - gut
gestaltet - wesentlich zur Aufenthaltsqualität in öffentlichen Räumen bei.
Der Wunsch nach einer freien Gestaltung und einer dafür besseren Integration der
Sitzelemente in die beiden Schulhöfe wurde zur Aufgabe von Herrn Kühn, Projektleiter des
Grünflächenamtes in Heilbronn. Gemeinsam mit dem Landschaftsarchitekturbüro Pfrommer +
Roeder wurden verschiedene Varianten zur Realisierung angedacht.
Die Entwurfsidee des Büros Pfrommer + Roeder, Sitzelemente und Mauern zum Abfangen von
Geländesprüngen gestalterisch zusammenzufassen und diese in freien Formen wie Bumerangs
durchs Gelände schwingen zu lassen, wurde von Seiten des Auftraggebers unterstützt.
Die entwickelten Elemente sollten als markante Bumerangs (so deren Projekttitel) durch die
Höfe „schwingen“ und durch diese souveräne formale Geste das Entwurfsthema „Bewegung
und Kreativität“ gestalterisch umsetzen. Sie bilden auch die thematische Klammer für die
beiden sonst eher unterschiedlichen Hofräume.
Neben den gestalterischen waren auch wirtschaftliche Aspekte zu beachten.
Es wurde nach technischen Lösungen gesucht, um die verschiedenen Freiformelemente mit
möglichst geringem Aufwand und Kosten realisieren zu können.
Angesichts der individuellen Formen und der Anforderungen der Nutzer wurden die
(finanziellen) Grenzen schnell klar. Es wurden verschiedene Materialvarianten untersucht, die
jedoch alle eine individuelle Fertigung oder individuelle Schalung erforderten. Als Stahl-
/Holzbauten, oder klassische Betonfertigteile viel zu wenig serielle, sondern vor allem
individuelle Stücke mit hohem Aufwand oder mit Einschränkungen in der gestalterischen
Ausführung produzierbar.
Trotzdem gilt gerader der Werstoff Beton als modular, in verschiedensten Ausführungen
formbar und vor allem auch als nachhaltig, da Betonprodukte nahezu zu 100% recycelt
werden können. Das Problem ist nur, dass besondere Schalungen, welche projektbezogen
erstellt werden müssen sehr aufwendig und teuer sind und meist nach deren einmaliger
Nutzung entsorgt werden. Mit den herkömmlichen Methoden aus gegossenen Betonblöcken,
oder größeren Stahlkörpern stieß man schnell an die Grenzen der flexiblen
Gestaltungsmöglichkeiten. Dies hatte zur Folge, dass man sich auf eine Reduzierung der
Bauteilvarianten aus wirtschaftlicher Sicht hätte festlegen müssen. Durch diese zu starke
Vereinfachung und Reduzierung der Formenvarianten drohte die Gestaltungsidee verloren zu
gehen.
Inspiriert durch eine TV-Reportage über erste Versuche, 3D-Betondruck im Hausbau
einzusetzen, und eine nachfolgende Internetrecherche wurde Herr Kühn auf das
Unternehmen Röser GmbH aufmerksam. Somit endete die Suche nach der Ausführungsart
schließlich bei der 3D-Betondrucktechnologie. Die Technik eröffnete die Möglichkeit, jedes
Fertigteil ohne Schalung und mit optimiertem Materialaufwand individuell zu fertigen. Dieser
Nachhaltigkeitsgedanke im Hinblick auf Material- und Energieeinsparung öffnete die Chance,
die in der Entwicklung befindliche Technologie mit unseren Anforderungen zu konkretisieren.
Eine Werksbesichtigung des 3D-Druckers zeigte deren Möglichkeiten auf und setzte eine
fachliche Erörterung von Stärken und Schwächen dieser Produkte in Gang. Dabei waren
neben Betontechnologie und Statik vor allem auch gestalterische Aspekte wie Haptik und
Struktur der Betonoberfläche und die Befestigung von Sitzauflagen von Bedeutung.
Der Erstkontakt erfolgte am 3D Betondruck Standort der Röser GmbH in Laupheim. Während
dieses Termines wurde schnell klar, dass der 3D-Betondruck die Lösung der freien Planung und
Formengebung, ohne hohe Schalungs- und Kostenaufwendungen war. Die Konzeptionierung
und Planung konnte wie gewünscht umgesetzt werden.
Die weiteren Abstimmungen erfolgten gemeinsam in der Konstellation Auftraggeber,
Planungsbüro und dem Herstellwerk.
Die zu Beginn des Planungsprozesses als vollvolumige Körper geplanten Sitzbänke sollten
anschließend auf ein 3D-druckfähiges Konzept adaptiert werden, welches Material einspart,
aber dennoch die selbe Tragfähigkeit aufweist. Es musste ein Segmentierungskonzept für die
großformatigen und filigragnen Bauteile erstellt werden. Ebenfalls musste das Thema Transport
und Handling auf der Baustelle berücksichtigt werden. Dazu wurde ein Referenz /
Bemusterungsbauteil festgelegt.
Die hierfür hergestellten Versuchsbauteile wurden nach Heilbronn verfahren und zur
Eignungsfeststellung in der geplanten Ausführung eingebaut. So konnten die bestehenden
Anforderungen an Material und Transport- sowie Einbaubelastung geprüfen und verifizieret
werden. Die gewählten Semgentgrößen erwiesen sich als geeignet und wurden so auf das
gesamte Vorhaben adaptiert. Je nach Formgebung der Einzelteile wurden zusätzliche
Aussteifungen hineingedruckt, welche die Segemente in sich formstabil macht und so die
verschiedenen Lastfälle wie Transport, Einbau, Erd- und Asphaltarbeiten, sowie die
Verkehrslasten im fertigen Zustand abdeckt. Um die Bauteile nach dem Druckprozess
bewegen und versetzen zu können, wurden Betonanker, welche auch bei konventionellen
Betonfertigteilen zum Einsatz kommen, in die gedruckte Struktur eingebracht. Um die Eignung
auch in 3D-gedruckten Betonen sicherstellen zu können, wurden Versuchsreihen in Form von
mechanischen Ausziehversuche durchgeführt. So konnte die Tauglichkeit der Betonanker
ebenfalls für gedruckte Betone und für den sicheren Baustellenablauf nachgewiesen werden.
Neben konstruktiven Herausforderungen wurden zudem besondere Anforderungen an die
Farbgebung, die Oberflächenstruktur und die Festbetoneigenschaften gestellt.
Der 3D-Betondruck stellt Anforderungen an die Verarbeitbarkeit des Betons, welche zurvor
vom Markt so noch nicht gefordert waren. Daher wurden zu Beginn verschiedene
Materialiterationen speziell auf die Verarbeitbarkeit im Frischbetonzustand getestet. Hierzu
zählen unter andereme Versuche wie:
o Pumpversuche von der Mischanlage bis zum Druckkopf
o Druckbarkeit bei unterschiedlichen Layerzeiten (Layerzeit gibt an, welche Zeit
der Drucker benötigt, um die jeweils nachfolgende Schicht aufzubringen)
o Erstellen von Probekörpern (Vergleich – 3D-gedruckt und gegossener Körper)
o Eignungsprüfung anhand der erarbeiteten Ergebnisse
Im Mittelpunkt dieser Konkretisierung stand die gestalterische Einbindung der Fertigteile in den
Entwurf für die beiden Schulhöfe. Der nächste Schritt war die Verbesserung des Farbtons des
Betons bzw. Zements. Das zuerst bemusterte Zementgrau wirkte zu kühl. Ziel war es, einen relativ
hellen warmen Grauton mit leichten Beige-Nuancen zu erzeugen, der besser zum Farbton der
Sandsteinfassaden und auch zu den anderen Materialien in den Schulhöfen (wie Holz,
Natursteinpflaster, Asphalt) passt. Dies ist mit der Zementmischung der Fa. Schwenk gelungen.
Eine wichtige Rolle spielte die Oberflächenstruktur der Fertigteile. Die typische horizontale
Struktur, erzeugt durch die Druckbahnen, sollte möglichst gleichmäßig und keinesfalls grob
oder „wurstig“ wirken. Somit wurde der Gedanke, den Fertigungsprozess der Sitzmauern
sichtbar zu machen und das Material „pur“, d.h. ohne Farbbeschichtung zu zeigen, Teil des
gestalterischen Konzepts.
Um die als Hohlkörper gedruckten Fertigteile zu Sitzmauern mit Aufenthaltsqualität zu machen,
sollten sie oberseitig mit sogenannten Sitzauflagen geschlossen werden können. Die für
klassische Sitzbänke oft verwendeten Holzauflagen waren für einen Schulhof zu wenig durabel.
Deshalb entschied man sich für Deckplatten aus recyceltem Kunststoff, die mittels
Unterkonstruktion auf die Seitenwände der Fertigteile aufgeschraubt wurden. Gleichzeitig
erhielten die Sitzmauern einen besonderen Farbaspekt, der die Schulhöfe optisch belebt.
Das zu Beginn der Projektierung angedachte Material musste über den Projektverlauf
unerwarteterweise ausgemustert werden, da die Gleichmäßigkeit des Druckbildes, sowie die
Farbgebung des fertigen Betonteiles nicht den optischen Anforderungen des Auftraggebers
entsprach.
Die Röser GmbH Unternehmensgruppe arbeitet seit vielen Jahren in den Fertigteilwerken mit
der Schwenk Zement GmbH & Co. KG als Lieferant zusammen. Da war es naheliegend, seitens
Schwenk ein druckbares Material, geliefert als Bindemittel-Compound mit einem Größtkorn
von 4 mm als Siloware oder in Bigbags, für diesen neuen und innovativen Einsatzbereich des
3D-Druckes von Beton in Zusammenarbeit mit Röser zu entwickeln. Der Trockenmörtel
„Cepriment 04“ wurde durch die Schwenk-Beteiligung Schretter & Cie. aus Vils in Tirol nach
Vorgabe gemischt und nach Laupheim geliefert. Im Rahmen bereits laufender Druckversuche
am Standort in Laupheim wurde das Projekt der Dammschule Heilbronn vorgestellt. Schwenk
Zement zeigte großes Interesse an diesem Projekt. Durch Anpassung der Rezeptur des 3DTrockenmörtelmaterials
an die Gegebenheiten von Wasser-Bindemittel-Verhältnis,
Mischaggregat, Förderdruck und Druckgeschwindigkeit konnte die Entwicklungsabteilung von
Schwenk die projektspezifischen Anforderungen in die Materialrezeptur direkt einfließen lassen.
Neben einer ausreichenden Endfestigkeit des Feinbetons, der optischen Struktur und der
vollständigen Rezyklierbarkeit war zudem der Widerstand gegen Frost-Tausalz-Angriff vom
Bauherrn gefordert, welche anhand von gedruckten Probekörpern im Labor nach den
bestehenden Prüfnormen (CDF-Versuch) simuliert und nachgewiesen werden konnte. Zudem
musste ein Sanierungskonzept im Falle von Beschädigungen an der Oberfläche während des
Nutzungszeitraums vorgelegt werden. Es orientiert sich an den bekannten und praxiserprobten
Kosmetikmaßnahmen von Sichtbetonflächen im Hochbau. Der „Sachstandsbericht
Sichtbetonkosmetik“ (Fassung Dezember 2016) vom Deutschen Beton- und Bautechnik-Verein
e.V. (DBV) gibt entsprechende Hinweise.
Nach der Durchführung umfangreicher Materialprüfungen, wie die zuvor beschriebenen
Versuche am Frischbeton, sowie die nachfolgenden Festbetonversuche, konnte final die
Eignung des gewählten Materials für den vorgesehenen Einsatzzweck festgestellt werden.
Die Fertigung der Bänke erfolgte mit dem 3D-Betondrucker der Röser GmbH in Laupheim. Die
insgesamt 11 Bänke konnten mit einer Gesamtdruckzeit von 25 Stunden produziert werden.
Die Bänke wurden vollständig anhand eines CAD Modelles geplant und konnten somit
problemlos an die Planungsbeteiligten übergeben werden, was eine reibungslose
Zusammenarbeit mit ihnen ermöglichte.
Das Unternehmen Benignus Garten- und Landschaftsbau aus Backnang erhielt den Zuschlag
für Realisierung und Umsetzung des Umbaus der Aussenanlagen des Schulhofes an der
Dammschule. Die Röser GmbH plante kurzfristig einen Termin mit Herrn Gans, dem Bauleiter
des Unternehmens, um die Besonderheiten beim Versetzen der filigranen Betonbauteile zu
besprechen und um Fragen des Unternehmens zu beantworten.
Das Ergebnis war eine absolut saubere, fachgerechte und mangelfreie Ausführung des
Verstezens und Einbindens der Betonbauteile.
Fazit – Freiraumplanung individuell, nachhaltig und wirtschaftlich
Bei dem Projekt handelt es sich um die erste 3D-gedruckte Freiraumanlage aus Beton, welche
in Deutschland erstellt wurden. Hierfür musste für Bauteilgrößen von 8 bis 13 Metern ein
Transport- und Segmentierungskonzept erarbeitet werden, welches den Transport
großformatiger filigrander 3D-betongedruckter Sonderbauteile ermöglicht. Hierbei sollten
aufgrund der Architekur besonders die Rundungen und geschwungenen Bereiche der Bänke
erhalten bleiben.
Dank des 3D-Druckkonzeptes konnte so mehr als 2/3 der Menge an benötigtem Beton je
Einzelsegment eingepart werden. Beispielsweise wurde der Materialbedarf bei Bank 1.2 von
1,83 m³ auf 0,48 m³ reduziert.
Die insgesamt 11 Bänke wurden je in 2 bis 5 Einzelsegmente unterteilt, welche anschließend
monolithisch mittels 3D-Betondruckverfahren erstellt wurden. Die insgemsat 36 im Durchschnitt
4 m langen Segmente wurden auf 5 Fertigungstage aufgeteilt und mit einer Gesamtdruckzeit
von 25 Stunden herstellt.
Die modellorientierte Planung ermöglichte eine einfache Abstimmung unter den
Planungsbeteiligten. So konnten ebenfalls die Druckdateien mit den exakten Formen und
Rundungen der einzelnen Bänke aus den Modellen generiert werden.
Die einzigartige und individuelle Formgebung jeder Sitzbank und jedes Einzelsegmentes konnte
nur durch die Fertigung mit dem 3D-Betondrucker ohne Mehrkosten je Segment hergestellt
werden. Dazu konnte zusätzlich eine Materialersparnis von knapp 70% ermöglicht werden. Die
zunehmende Überzeugung, eine kostengünstige Alternative gefunden zu haben und die
Aufgeschlossenheit des Auftraggebers, den 3D-Druck-Beton einzusetzen, hat es schlussendlich
möglich gemacht, dass die schwingenden Bumerangs als Freiraumobjekte in den örtlichen
Gegebenheiten des Projekts geplant und umgesetzt werden konnten. Das Ergebnis zeigt eine
wirtschaftliche Realisierung von gestalterisch anspruchsvollen Freiraumkonzepten mit
Betonbauteilen im 3D-Druckverfahren.
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