Das Studierendenhaus in Braunschweig

Mit klimaeffektiver Leichtigkeit zum ­Deutschen Architekturpreis 2023

Der Neubau des Studierendenhauses an der Technischen Universität Braunschweig (Bild 1) ist ein multifunktionaler Raum, der auf über 1000 m² Platz für 200 Arbeitsplätze bietet. Das zweigeschossige Gebäude ist ohne massive Wände ausgebildet und erlaubt eine flexible Nutzung. Das innovative Tragwerkskonzept zeichnet sich durch eine hohe Ressourcen- und Emissionseffizienz sowie Kreislauffähigkeit, die sich insbesondere in der Reversibilität des Primärtragwerks widerspiegelt, aus. Alle Bauteile sind leicht entfügbar und können nach der Lebenszeit des Gebäudes in gleicher oder variierter Kombination wieder-­ bzw. weitergenutzt werden. Auch kann das modular entwickelte Tragsystem leicht erweitert, reduziert oder ergänzt werden. Das Studierendenhaus der Technischen Universität Braunschweig wurde mit dem Deutschen Architekturpreis 2023 ausgezeichnet.

1 Transformationsstrategien für klimagerechtes Konstruieren

Im Zeitalter des anthropogenen Klimawandels, zunehmender Ressourcenverknappung und der drängenden Notwendigkeit, nachhaltige Lösungen zu implementieren, rückt die Baubranche als Schlüsselakteurin für eine klimagerechte Transformation vermehrt in den Fokus. In diesem Kontext können drei zentrale Transformationsstrategien im Bauwesen beschrieben werden: Suffizienz, Effizienz und Konsistenz. Die Strategie der Suffizienz konzentriert sich darauf, den Verbrauch an Ressourcen und Energie durch bewusstes Hinterfragen und Reduzieren des Bedarfs zu minimieren. Die Effizienzstrategie strebt hingegen nach maximaler (Bau-)Leistung bei minimalem Ressourcen- und Emissionseinsatz. Beim Prinzip der Konsistenz geht es darum, den Ressourcenverbrauch so zu gestalten, dass er innerhalb der planetaren Grenzen liegt, was im Bauwesen die Integration nachhaltiger Prinzipien in sämtliche Bauprozesse erfordert. Das Verfolgen dieser Strategien ist unerlässlich, um den Herausforderungen des Klimawandels entgegenzutreten und zukunftsweisende, umweltverträgliche Bauweisen zu gewährleisten.

Als Schnittmenge der drei Strategien ergibt sich die Klimaeffektivität (Bild 2). Der wirksamste Weg, klimagerecht zu bauen – also möglichst wenig Ressourcen zu verbrauchen und geringe Treibhausgasemissionen zu verursachen –, besteht also darin, alle Strategien simultan anzuwenden und in Bauprojekten zu vereinen. Wie dies gelingen kann, zeigt das Studierendenhaus Braunschweig.

2 Architektonischer Entwurf und Raumkonzept

Im Realisierungswettbewerb, der ausschließlich unter wissenschaftlichen Mitarbeiter:innen der TU Braunschweig ausgeschrieben wurde, setzten sich Gustav Düsing und Max Hacke mit ihrer innovativen Idee einer hochflexiblen Struktur durch. Diese Struktur kann sich leicht an örtlich und zeitlich variierende Anforderungen anpassen. Das zugrunde liegende Konzept basiert auf puristischer Architektur, die sich auf das Wesentlichste konzentriert: die Umrisslinien. Das Haus bleibt wandlos, offen, transparent und flexibel (Bild 3).

Die Gestaltung ermöglicht zahlreiche Raumvariationen und macht das Gebäude zu einer wandelbaren Basis für Ideen und Konzepte. In Anbetracht der Tatsache, dass Studierende längst nicht mehr nur am Schreib- oder Zeichentisch arbeiten, sondern digital und global vernetzt sind, bietet das neue Studierendenhaus einen zeitgemäßen Raum für gegenseitigen Austausch, zum Präsentieren der erarbeiteten Ergebnisse oder auch einfach zur Entspannung und zum Pflegen sozialer Kontakte und versteht sich dabei als Gegenmodell zu Räumen der einseitigen Wissensvermittlung wie z. B. Hörsälen (Maak [2]).

Das flexible System ermöglicht es den Studierenden, die Arbeitsräumlichkeiten nach ihren Bedürfnissen zu gestalten. Mit Ausnahme des festen Kerns, der den räumlichen und organisatorischen Mittelpunkt des Gebäudes mit Technik- und Sanitärbereichen sowie einer zentralen Espresso-Bar und einem Seminarraum im OG bildet, können die Räumlichkeiten durch das flexible System mit schallschützenden Vorhängen frei angeordnet werden. Jede:r kann selbst entscheiden, ob und wie Räume durch Vorhänge abgetrennt werden, jede:r kann sich eine offene, transparente oder geschlossene, isolierte Atmosphäre schaffen. Von privat bis öffentlich entstehen immer neue Konfigurationen. So wird das neue Studierendenhaus zu einer zeitgemäßen Lernlandschaft, die sich an die ständig ändernden Anforderungen an ein Campusgebäude anpassen kann, und gibt gleichzeitig Antworten auf die Frage nach der zukünftigen Rolle des universitären Campus in Zeiten von digitalen Lernmodellen und künstlicher Intelligenz.

Durch die Reduktion auf ein Minimum an räumlichen Vorgaben wird ein Maximum an Möglichkeiten erreicht. So greift das neue Studierendenhaus auf zeitgemäße Weise die Tradition der Zeichensäle an der TU Braunschweig auf: es war und ist ein Ort des Temporären, des Studierens, des (Aus-)Probierens und Experimentierens, des Austauschs und somit auch des sozialen Lebens.

Zeitgemäßes Lernen heißt miteinander lernen: Hierarchien werden aufgebrochen, eine Atmosphäre des gleichberechtigten Erlebens geschaffen. Diese Idee des demokratischen Raums, ein Raum, der sich gleichwertig darstellt, ohne dunkle Ecken oder besonders privilegierte Bereiche, ohne anonyme Treppenhäuser oder laute Flure, spiegelt sich auch in der umlaufenden Glasfassade des Gebäudes wider, die Tageslicht in allen Bereichen gewährleistet (Bild 4).

Um das Gebäude nahtlos in die Laufwege der Studierenden zu integrieren und keine reinen Verkehrsflächen im Inneren zu schaffen, verfügt es – neben dem Haupteingang – über sieben zusätzliche Eingangstüren an allen Fassadenseiten.

Das Gebäude wird so zu einem informellen Raum, der sich weiträumig entwickelt und zum Außenbereich öffnet, die Raumstruktur setzt sich im direkt angrenzenden Außenraum, auf den Terrassen und den Balkons fort. Sitzmöglichkeiten und zusätzliche Lernplätze im Außenraum binden den Zeichensaal stärker in das Campusgelände mit seinen umliegenden Gebäuden ein. Durch die transparente Außenhülle wird das informelle Miteinanderlernen in den öffentlichen Raum projiziert und vermittelt das Bild einer modernen, zeitgenössischen Universität, in der die Studierenden im Mittelpunkt stehen.

3 Suffizienz: Flexible Strukturen

Die Strategie der Suffizienz versucht eine Antwort auf die folgenden zwei Fragen zu finden: Wie können wir den Bedarf nach Neubau reduzieren? Und wie können wir weniger bauen, um diesen Bedarf zu decken? Im Kontext der Klimaeffektivität hat die Strategie der Suffizienz die größte Wirkung, denn gar nicht bauen ist am klimafreundlichsten. Gerade deshalb muss Aspekten der Suffi­zienz bei der Realisierung von Bauvorhaben Beachtung geschenkt werden. Bei der Planung des Studierendenhauses stellt die Berücksichtigung der Nutzungsflexibilität eine Antwort auf die Frage der Suffizienz dar.

Der Skelettbau kommt ohne massive Wände aus, wodurch große Flächen für Präsentationen und Versammlungen geschaffen werden können. Durch das Zuziehen von Vorhängen entstehen kleine Lernräume, wodurch mit einem Lowtech-Ansatz schnell Raumgrößen auf über den Tag oder die Woche variierende Nutzungen angepasst werden können (Bild 5).

Das modulare Konzept und das quadratische Achsraster ermöglichen es – z. B. durch eine andere Anordnung von Treppen und Decken –, das Gebäude in seinem Inneren zu verändern, nachzuverdichten oder auszudünnen, sodass auf längerfristige Nutzungsänderungen flexibel eingegangen werden kann. Die Flexibilität der Stahlbaukonstruktion reicht auch zeitlich über den Bedarf eines Studierendenhauses an diesem Standort hinaus, da eine Wiederverwendung der Konstruktion an anderer Stelle möglich ist.

4 Effizienz: Ressourcen- und Emissionseffizienz als Entwurfsparameter

Effizienz bei der Planung von Bauvorhaben bezieht sich auf die Erfüllung einer Bauaufgabe mit minimalem Ressourcen- und Emissionseinsatz. Im Kontext des klimaeffektiven Bauens ist dafür immer zuerst die Frage der Ressourceneffizienz zu stellen: Wie können wir mit weniger Material bauen? Die von Jörg Schlaich zusammengefassten Leichtbauprinzipien (Schlaich [3]) bilden hier wichtige Grundsätze, die nichts an Aktualität verloren haben. Der dann verbleibende minimale Bedarf an Ressourcen sollte durch Materialien mit geringen grauen Emissionen gedeckt werden. Die Reihenfolge, zuerst die Ressourceneffizienz und dann die Emissionseffizienz zu betrachten, sollte beim werkstoffübergreifenden Entwerfen allerdings nicht streng gesehen werden, da sich Kon­struktionen und Materialität gegenseitig bedingen. Beide Aspekte sind als feste Entwurfsparameter in die Planung einzubeziehen.

4.1 Maßnahmen in der Tragwerksplanung

Das Primärtragwerk des Studierendenhauses ist als filigrane Stahlkonstruktion mit leichten Deckenelementen und eingespannten Stützen konzipiert (steeldoc [4]). Die materialsparende Konstruktion weist ein für einen Hochbau fast unüblich kleines Rastermaß von 3 m x 3 m auf, was wiederum in einer sehr schlanken, materialeffizienten Deckenkonstruktion resultiert. Denn das Verhältnis aus notwendiger Bauhöhe zu Spannweite für biegebeanspruchte Bauteile wächst mit dem Quadrat.

Als Deckenelemente werden leichte Lignotrend-Brettsperrholzelemente, die gleichzeitig akustische Anforderungen erfüllen, zwischen den Trägern eingesetzt (Bild 6). Die alternierende Aus­richtung der Elemente führt zu einer Vereinheitlichung der Biegebeanspruchung und somit gleichen Ausnutzungsgraden der Träger, sodass diese mit gleichen Querschnittsabmessungen ausgebildet werden können (Bild 7).

Der optimierte Lastabtrag führt weiterhin zu gleichmäßigen sowie effizienten Auslastungen von Bauteilen. Alle Stützen und Träger sind daher als Hohlprofile aus Stahl S355 mit identischen quadratischen Querschnitten von 100 mm x 100 mm und einer Wandstärke von 10 mm ausgeführt. Um die konstruktive Durchbildung der Anschlüsse zu vereinfachen, wurden die Knotenpunkte in unterschiedliche Beanspruchungsgruppen unterteilt. So kann eine jeweils wirtschaftliche Ausführung für lokal variierende Beanspruchungen realisiert werden.

Die Aussteifung des Gebäudes erfolgt über Verstrebungen, die in die funktional erforderlichen Wandbereiche eingelassen werden, während elektrische Leitungen und Steckdosen in den Hohlprofilen integriert werden (Bild 8).

So können vorhandene Strukturen multifunktional genutzt und zusätzliche Ausbauelemente wie Abhangdecken und Verkleidungen gespart werden. Die Horizontalsteifigkeit des Systems wird zusätzlich durch die Einspannung der Stützen in die Fundamente erhöht. Als Dacheindeckung fungiert ein materialeffizientes Stahltrapezblech mit oberhalb liegender Verbandsebene, die in den Dachaufbau integriert ist und zur Horizontalaussteifung dient.

Eine materialeffiziente Gründungsvariante konnte durch die Planung von Einzelfundamenten, in denen die Stützen teileingespannt sind, und eine dazwischenliegende, nur 25 cm starke nicht tragende Bodenplatte ausgeführt werden (Bild 9).

4.2 Bewertung der Emissionseffizienz

Zur Quantifizierung der grauen Emissionen wurde das Global Warming Potential (GWP) mithilfe einer Ökobilanz ermittelt. Für alle tragenden Bauteile werden die grauen Emissionen über den Lebenszyklus (Herstellungsphase A, End-of-Life-Phase C) mit 145 t CO₂-Äq bilanziert, wobei keine Gutschriften außerhalb der Systemgrenze für Recycling oder Wiederverwendung (Modul D) berücksichtigt wurden. Dies entspricht einem GWP von 89 kg CO₂-Äq/m² BGF.

Da bislang Referenzwerte für tragwerksbedingte Treibhausgasemissionen fehlen, wurde im Rahmen einer Bachelorarbeit ein Strukturzwilling in konventioneller Stahlbeton-Skelettbauweise vordimensioniert und bilanziert. Der Vergleich ergibt ein etwas geringeres GWP von 81 kg CO₂-Äq/m² BGF für den Stahlbetonbau, wobei durch die starke Abweichung in der Planungstiefe die Vermutung naheliegt, dass die tatsächlichen Emissionen der Stahlbeton-Zwillingsstruktur höher liegen würden (Detlefsen [5]). Es kann festgestellt werden, dass die kreislaufgerechte Bauweise hier zumindest keine höheren Herstellungsemissionen verursacht als eine vergleichbare konventionelle Tragstruktur.

Vergleicht man getrennt von der Gesamtbilanz das Modul D, das Potenziale der Wiederverwertung, Rückgewinnung und des Re­cyc­lings erfasst, wird aufgrund des hohen Recyclingpotenzials des Stahls eine Gutschrift von –25 t CO₂-Äq erreicht. Eine monolithische Stahlbetonstruktur dagegen weist hier eine deutlich geringe Gutschrift von –4 t CO₂-Äq auf.

Wie hoch die Emissionseinsparung insgesamt durch die kreislaufgerechte Bauweise, bei der durch Demontierbarkeit eine vollständige Wiederverwendung der Bauelemente nach dem Lebenszyklusende erreicht wird, ist, kann durch eine sinnvolle Interpretation der Ökobilanzergebnisse festgestellt werden. Ein Ansatz ist die Annahme, dass die Stahlbauteile mindestens zwei Lebenszyklen á 50 Jahre in Tragwerken einsetzbar sind, wodurch sich die Lebensdauer gegenüber einer konventionellen Bauweise verdoppelt. Damit werden die grauen Emissionen statt für 50 für 100 Jahre angesetzt: die Gesamtbilanz des GWPs halbiert sich für das Tragwerk des Studierendenhauses somit auf 45 kg CO₂-Äq/m² BGF.

5 Konsistenz: Kreislauffähige Konstruktion

Die Frage nach der Konsistenz bezieht sich darauf, Ressourcen und Verhaltensweisen so zu gestalten, dass ihr Verbrauch innerhalb der planetaren Grenzen bleibt. Im Zuge der Planung von Bauvorhaben müssen wir uns daher immer die Frage stellen: Wie können wir im Einklang mit den ökologischen Kapazitäten bauen? Eine Antwort darauf ist das Konzept der Kreislaufgerechtigkeit. Hierfür ist – neben einer rein materiellen Betrachtung wie der Ökobilanzierung – insbesondere auch die konstruktive Ebene zu berücksichtigen.

5.1 Kreislauffähigkeit als Konstruktionsprinzip

Die Kreislauffähigkeit der Konstruktion ist zentraler Bestandteil der Planung und Ausführung des Studierendenhauses in Braunschweig. Daher wurde bereits zu Beginn der Planung die Möglichkeit einer zukünftigen Wiederverwendung des Gebäudes und der Bauteile berücksichtigt und in sämtlichen Planungsschritten als Entscheidungsgrundlage herangezogen.

Damit das Studierendenhaus wiederverwendet werden oder als Materiallager der Zukunft fungieren kann, muss jedes Bauteil leicht und rückstandsfrei demontierbar sowie hinsichtlich mechanischer und konstruktiver Eigenschaften eindeutig identifizierbar sein. Aus diesem Grund ist das Tragwerk als leicht fügbare und vollständig zerstörungsfrei trennbare Konstruktion nach dem Prinzip Design for Disassembly entwickelt.

Dabei wird ein zerstörungsfreier Rückbau der Primärkonstruktion v. a. durch die Anwendung von nicht sichtbaren Verbindungen, die sich in wenigen Schritten lösen lassen, ermöglicht. Die Stahlhohlprofile sind z. B. durch eine innenliegende, vorgespannte Schraubverbindung gelenkig miteinander verbunden. Die unterseitige Montageöffnung wird durch eine mit Senkkopfschrauben befestigte Deckplatte verschlossen (Bilder 10, 11). Die Brettsperrholz-Deckenelemente selbst werden lediglich auf den Seitenflanschen der Träger aufgelegt und können dadurch leicht ein- und ausgebaut werden (Helbig et al. [6]).

Auch die teileingespannten Stützen lassen sich von den Einzelfundamenten demontieren, denn die Biegesteifigkeit in der Einspannebene wird durch eine Fügung mit vorgespannten Schrauben ­erreicht (Bild 12). Dazu sind die Kopfplattenstöße an den Stützenfußpunkten mithilfe in Hülsenanker eingeschraubter Gewindestäbe auf die einbetonierten Auflagerelemente aufgesetzt.

Darüber hinaus sind die Elemente der Stahl-Holz-Hybridkonstruktion so dimensioniert, dass diese mit Gabelstaplern oder Hebebühnen, ohne schweres Krangerät, montiert und demontiert werden können, was einen potenziellen Rückbau erheblich erleichtert (Bild 13). Nach einer Erstnutzung kann das Gebäude also rückgebaut und an einem anderen Ort, ggf. in variierter Konfiguration, wieder errichtet werden. Dies wird durch das modulare Konzept mit gleichen Abmessungen und quadratischem Achsmaß erleichtert.

Planungsbegleitend wurde mithilfe des 3D-Modells der Konstruktion ein Bauteilkatalog erstellt, der alle Bestandteile des Tragwerks beinhaltet und eine Wiederverwendung einzelner Elemente weiter vereinfacht (Bild 14). Neben der Rückbaubarkeit der Konstruktion spiegelt sich die Kreislauffähigkeit aber auch in der Materialwahl wider. Denn Stahl weist bereits heute ein hohes Wiederverwendungs- und Recyclingpotenzial auf.

5.2 Bewertung der Kreislauffähigkeit

Als Grundlage der Bewertung und Quantifizierung der Zirkularität des Bauvorhabens wurde der von Anja Rosen entwickelte Urban Mining Index herangezogen (Rosen [7]). Dieser ermöglicht eine präzise Analyse der Wiederverwend- und Wiederverwertbarkeit von Baumaterialien sowie die Ermittlung des Grads der Kreislauffähigkeit innerhalb von Bauprojekten. Durch die systematische Erfassung von Aspekten wie der Rückgewinnung und erneuten Verwendung von Baustoffen oder auch der Minimierung von Abfallströmen bietet der Index eine Grundlage, um die Effektivität zirkulärer Ansätze in der Bauindustrie zu messen. Dabei differenziert der Urban Mining Index zwischen dem Loop-Potenzial (Kreislaufpotenzial) in der Pre-Use-Phase (Zeitraum vor der Nutzung; Herstellung und Transport) und dem in der Post-Use-Phase (Zeitraum nach der Nutzung; Rückbau und Recycling).

Durch Gegenüberstellen der Ergebnisse des Studierendenhauses und derer eines Referenzgebäudes in konventioneller Massivbauweise konnten konkrete Aussagen über das Wiederverwendungspotenzial des Bauvorhabens getroffen werden. Nach der UMI-Bewertungsmethode wurde ein Loop-Potenzial – welches den Anteil derjenigen Materialien darstellt, die sich in geschlossenen und offenen Kreisläufen führen lassen – von 50/33 % (kreislaufgerecht/konventionell) ermittelt (Detlefsen [2]). Es zeigt sich, dass die Stahlkonstruktion in allen Bauteilkategorien (Dach, Decken, Innenbauteile, Außenbauteile, Gründung) höhere Kreislaufpotenziale erzielt (Bild 15). Dies ist im Wesentlichen auf den hohen Anteil von Stahlbauteilen aus recyceltem Stahl bzw. Sekundärstahl zurückzuführen. Denn Stahl weist ein hohes Potenzial auf, sowohl in der Pre-Use-Phase in einem geschlossenen Kreislauf ohne Qualitätsverlust geführt als auch in der Post-Use-Phase wieder- oder weiterverwendet zu werden.

Während bei beiden Varianten (kreislaufgerecht/konventionell) ähnlich hohe Treibhausgasemissionen (Lebenszyklusphasen A–C: 81/89 kg CO₂-Äq/m²) berechnet wurden, konnten deutliche Unterschiede bei der Ermittlung des Urban Mining Indicators für Materialien in geschlossenen und offenen Kreisläufen (Loop-Potenzial) festgestellt werden (49,6/32,7 %). Das begründet sich v. a. in der hohen Wiederverwendbarkeit der Stahlbauteile (74 %) und dem daraus resultierenden Potenzial, in geschlossenen Kreisläufen ohne Qualitätsverlust geführt zu werden.

6 Fazit

Die Realisierung des Studierendenhauses zeigt, wie klimaeffektives Bauen mit einem herausragenden architektonischen Entwurf vereint werden kann. Das Bauvorhaben setzt durch konsequente Anwendung der drei Transformationsstrategien Suffizienz, Effizienz und Konsistenz ein innovatives Konzept für zirkuläres Bauen in die Tat um.

Dafür wurden Maßnahmen zur Ressourcen- und Emissionsreduktion frühzeitig im Planungsprozess berücksichtigt und eine mögliche Wiederverwendung am Lebensende nach dem Prinzip Design for Disassembly von Anfang an mit bedacht.

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Literatur

1. Haller, J. (2022) Eine knappe Rechnung, das 1,5° Berufsbild der Architektur [Masterarbeit]. Universität Stuttgart, IgMA.
2. Maak, N. (2022) Ein Haus, wie man es so noch nicht gesehen hat. FAZ, 4. Oktober 2022. https://www.faz.net/aktuell/feuilleton/kunst-und-architektur/studentenhaus-in-braunschweig-ein-haus-fuer-morgen-und-alle-tage-18353752.html
3. Schlaich, J. (2000) Editorial: Leichtbau. Stahlbau 69, H. 8, S. 581–584. https://doi.org/10.1002/stab.200002180
4. steeldoc (2022) Bauen in Stahl, Bildungsbauten, Studierendenhaus der TU Braunschweig (D). Stahlbau Zentrum Schweiz SZS, H. 01, S. 16–21.
5. Detlefsen, H. (2023) Graue Emissionen als Entwurfsparameter in der Tragwerksplanung: Lebenszyklusanalyse und Vergleich eines Hochbauprojekts in kreislaufgerechter und konventioneller Bauweise [Bachelorarbeit]. HafenCity Universität Hamburg.
6. Helbig, T.; Düsing, G.; Oppe, M. (2023) Ein Prototyp für kreislaufgerechtes Bauen | Das neue Studierendenhaus in Braunschweig in: Bundesingenieurkammer [Hrsg.] Ingenieurbaukunst 2023. Berlin: Ernst & Sohn.
7. Rosen, A. (2020) Urban Mining Index – Entwicklung einer Systematik zur quantitativen Bewertung der Kreislaufkonsistenz von Baukonstruktionen in der Neubauplanung. Stuttgart: Fraunhofer IRB.

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Autor:innen

Dr. Matthias Oppe, m.oppe@knippershelbig.com
Jana Nowak, M.Sc., j.nowak@knippershelbig.com
Clea Kummert, B.Sc., c.kummert@knippershelbig.com
knippershelbig GmbH, Stuttgart
www.knippershelbig.com

Gustav Düsing, info@gustav-duesing.com
Gustav Düsing, Berlin
www.gustav-duesing.com