Wege und Strategien der Tragwerksplanung

Die Reduzierung energieintensiver Baustoffe, die Vereinfachung von Gebäuden in Richtung Lowtech-Architektur und die Wertschätzung von Bestandsbauten als Materialbanken sind wesentliche Grundprin­zipien einer neuen und zwingend erforderlichen Planungskultur, soll die Baubranche klimaneutral werden. Die Überführung von der linearen in die zirkuläre Kreislaufwirtschaft wird sich auch im Bauwesen durchsetzen müssen – das reine Downcyclen von Materialien wird nicht ausreichen, um den Ressourcenverbrauch und die Treibhausgasemissionen zu eliminieren. Architektur und Ingenieur­wesen können in allen Phasen der Planung dazu beitragen, die Baubranche mit kreativen und innovativen Lösungsvorschlägen in diese Richtung zu bewegen.

Deutschlands Pro-Kopf-CO₂-Emissionen lagen 2019 bei 8,5 t und damit 3,6 t über dem globalen Durchschnitt [1]. Der spürbare Klimawandel hat viele zum Umdenken gebracht und die Klimadiskussion auf politischer und gesellschaftlicher Ebene gefördert. Die Klimakonferenz COP 26, die im November 2021 in Glasgow stattfand, erregte eine entsprechend hohe Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit und wurde durch viele Demonstrationen, aber auch wissenschaftliche Beiträge und Diskussionsforen begleitet [2]. Die derzeitige Diskussion um die vorübergehende Investition in fossile Energieträger, um sich schneller von russischem Öl und Gas unabhängig zu machen, zeigt jedoch die Empfindlichkeit der Klimaschutzziele.

1 Der Bausektor

Mit einem Anteil von knapp 40 % trägt die Bauwirtschaft einen maßgeblichen Anteil an den anthropogenen Treibhausgasemissionen. Die immer intensivere Nutzung unserer Lebensräume und der Verbrauch natürlicher Ressourcen sind weitere gesamtgesellschaftliche Aufgaben für den Erhalt unseres Planeten. Der Bausektor setzt noch immer auf energie- und ressourcenintensive Baustoffe und unterstützt eine lineare Kreislaufwirtschaft. Die weltweite Zunahme der Bautätigkeit, vom Bauboom in den Städten bis zum Ausbau der Infrastruktur, steht im Konflikt zu unseren Klimazielen. Für das Bauwesen sind daher neue Planungskonzepte und -strategien erforderlich, um den Sektor in seiner Nachhaltigkeit zu reformieren, sich von Ressourcen unabhängig zu machen und den Verbrauch zu senken.

Aufgrund dessen ist das Aufzeigen von Erfolgen auf Projektebene ebenso wichtig wie große klimapolitische Ziele und Errungenschaften. Architektinnen und Architekten sowie Fachplanende können mit Kreativität und Haltung maßgebende Impulse setzen. Dazu brauchen wir einen uneigennützigen Wissensaustausch und eine kulturelle Debatte zwischen allen Akteuren, die am Bau beteiligt sind, um neue Maßstäbe im Bausektor zu setzen und Erfolge wie Misserfolge transparent zu machen.

2 Emissionen in der Gebäudeherstellung

Von den 38 % der Treibhausgasemissionen im Bau werden 28 % dem Gebäudebetrieb in der Nutzungsphase und rd. 10 % der Bauindustrie zugewiesen (Bild 1) [3].

Während in den letzten Jahrzehnten der Schwerpunkt auf der Reduzierung der Emissionen im Gebäudebetrieb lag, wurde den grauen oder verbauten Treibhausgasemissionen (Embodied Carbon), die bei Rohstoffgewinnung, Herstellung, Transport, Wartung, Abriss und Entsorgung eines Gebäudes in die Atmosphäre freigesetzt werden, zu wenig Beachtung geschenkt. Sie machen im Durchschnitt mehr als 50 % der Emissionen über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes aus [4]. Eine Berechnungsmethode zur ­Bewertung der umweltbezogenen Qualität eines Gebäudes ermöglicht die DIN EN 15987 [5]. Mit dieser errechneten Ökobilanz (Life Cycle Assessment) lässt sich die Umweltwirkung von Produkten von der Herstellung über die Nutzungsphase bis zur Entsorgung – und somit über alle Phasen – über den gesamten Gebäudezyklus ermitteln.

In der konventionellen Massivbauweise stellt die Herstellung des Tragwerks im Vergleich zu Gebäudehülle, technischer Gebäudeausrüstung und Ausbau den größten Anteil an Umweltwirkung. Ausschlaggebend dafür ist das im Tragwerk verbaute Volumen an energieintensiven Baustoffen. 50–60 % sind hier übliche Ergebnisse einer Lebenszyklusanalyse, abhängig von Gebäudekubatur, Belastung und Gründung (Bild 2).

Holz als nachwachsender und kohlenstoffbindender Rohstoff hat – sofern es aus nachhaltig zertifiziertem Anbau stammt – eine positive Auswirkung auf die CO₂-Bilanz.

Die typischen und konventionellen Baumaterialien für das Gebäudetragwerk, Beton und Stahl, sind besonders energie- und prozessintensiv; gefolgt von Aluminium und Glas machen sie den größten Anteil der CO₂-Emissionen in den Baustoffen aus. Ein Grund dafür ist der derzeitige Energiemix im Herstellungsprozess. Im ersten Quartal 2021 wurden weniger als 50 % des deutschen Energiebedarfs aus regenerativen Quellen gedeckt, die anderen 50 % stammen aus Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Kernenergie [6]. Positiv sind die Entwicklungen der Industrie zum Einsatz klimaneutraler Brennstoffe einschließlich Wasserstoff für die Zement- und Stahlherstellung. Doch selbst bei einer Umstellung auf 100 % regenerative Brennstoffe werden durch chemische Reaktionen in der Herstellung dieser Baustoffe Emissionen freigesetzt.

Werden frühzeitig in der Planung nachhaltige Projektziele gesetzt, können Materialien, Tragstruktur, Bauweise und -logistik mit allen Konsequenzen auf Kosten und Konstruktionszeit abgewogen und eingeplant werden. Die Industrie muss daher frühzeitig den Weg der nachhaltigen Planung begleiten, damit innovative und nachhaltige Entwürfe erfolgreich umgesetzt werden können.

3 Ressourcenverbrauch im Bau

Beton ist mit Abstand der meistproduzierte Werkstoff der Welt, und mit 40–50 Mrd. t/Jahr ist Sand, Hauptbestandteil von Beton neben Wasser, Kies und Zement, der wichtigste Handelsrohstoff [7]. Der Bedarf von Sand und Kies wächst weltweit schätzungsweise um 5,5 %/Jahr und führt zu unkontrolliertem Abbau an Küsten- und Flusslandschaften mit unwiderrufbarem Eingriff in die Ökosysteme.

Die Baustoffindustrie in Deutschland ist auf den Import von Rohstoffen angewiesen, was zu Abhängigkeiten auf wirtschaftlicher und politischer Ebene führt. Mit Einführung der EU-Taxonomie wird der Druck auf die Nachhaltigkeit erhöht. Soll der EU-Taxonomie und den hier formulierten Nachhaltigkeitsanforderungen entsprochen werden, müssen der Einsatz von Sekundärrohstoffen und die Recyclingfähigkeit von Produkten nachgewiesen werden. Dies ist ein wichtiges Signal und verleiht der Notwendigkeit des Klimaschutzes im Bausektor Nachdruck.

Der Bedarf an Baustoffen ist derzeit jedoch größer, als durch Rezyklate ersetzt werden kann. Auch haben diese oftmals nicht die Qualität von Primärbaustoffen oder können nicht gleichwertig eingesetzt werden. Recyclingbeton, ein Beton, bei dem Kies durch rezyklierte Gesteinskörnungen, d. h. aufbereiteten Bauschutt ganz oder teilweise ersetzt wird, darf derzeit nur bis zu einer Druckfestigkeit von C30/37 bei bestimmten Expositionsklassen verwendet werden [8].

Während Bewehrungsstahl in Europa meist recycelt wird, wird ein Großteil des europäischen Stahls aus Rohstahl energieintensiv hergestellt. Für den Stahl spricht sein Potenzial, dass er zu 100 % recycelt werden kann [9]. Vielversprechend ist v. a. die Produktion von grünem Stahl, der mit Wasserstoff statt Kohlenstoff erzeugt wird und durch das Handlungskonzept Stahl 2020 der Bundesregierung gefördert wird.

4 Designprinzipien für nachhaltiges Bauen

Heutige Normen und marktübliche Bemessungsprogramme unterstützen die Planung mit alternativen nachhaltigen Baustoffen zu wenig. Vermeidung, Reduzierung, Optimierung, Wiederverwendung – die wesentlichen Ansätze in der nachhaltigen Planung – können mithilfe der Architektur und des Ingenieurwesens kreativ und progressiv thematisiert und durch digitale und parametrische ­Berechnungsmöglichkeiten optimiert umgesetzt werden (Bild 3). Die Prinzipien sind dabei zu Beginn des Planungsprozesses auszutarieren und sollten mit folgenden Entwurfsprämissen hinterfragt werden:

• Reduzierung von Material- und Energiebedarf durch effiziente Planung
• Verwendung nachhaltiger Materialien
• Anwendbarkeit der Kreislaufwirtschaft

Die Baustoffindustrie kann, wenn frühzeitig in die Planung eingebunden, wichtige Impulse zu nachhaltigen Baustoffen in der projektspezifischen Anwendung geben. Nach Notwendigkeit müssen ggf. Abstimmungen mit Bauämtern, Prüfstatikern sowie Bauunternehmen erfolgen.

Bauen im Bestand ist die Prämisse für ressourcenschonendes Bauen. Durch Adaption vorhandener Gebäude und die konsequente Wiederverwendung von verbauten Materialien lassen sich die bereits in den Gebäuden verbauten Emissionen nutzen und auch, im Vergleich zu Abriss und Neubau, um den größten Prozentsatz der im Lebenszyklus anfallenden Ressourcen reduzieren. Dennoch wird das Potenzial der Sanierung auch wirtschaftlich unterschätzt und dem Bestand als Materialbank zu wenig Wertschätzung beigemessen. Bevor die Entscheidung auf einen Neubau fällt, sollten Machbarkeitsstudien nebst Wirtschaftlichkeit objektiv die technischen Möglichkeiten zum Erhalt der Sanierung und Umnutzung des Bestandsgebäudes bewerten und Lebenszyklusanalysen die Auswirkungen auf die Umwelt offenlegen.

5 Optimierung von Tragwerk und Material

In der Optimierung von Tragwerken und der Reduktion von Materialvolumen liegt ein wesentlicher Hebel zur Reduktion der CO₂-Emissionen. Eine Kumulation aus zu konservativen Lastannahmen und verschenkten Tragwerksreserven führt zu einer unverhältnismäßig hohen Überbemessung mit entsprechendem Materialverbrauch am Gesamttragwerk. Gängige Nutzlasten in Bürogebäuden von 500 kg/m², flächendeckend angesetzt für flexible Nutzung, repräsentieren eine weitestgehend unrealistische Anzahl an Personen auf den Quadratmeter.

Bemessungen mit Ausnutzungsgraden von 80 % und weniger, gerade in frühen Planungsphasen, resultieren in verschenkten Ressourcen. Die Begründung liegt oft in der zum frühen Zeitpunkt noch nicht finalisierten Koordination der Gewerke.

Deckenplatten haben i. d. R. mit 60 % die größte Auswirkung auf die CO₂-Bilanz im Tragwerk. Dies fällt insbesondere bei hohen Gebäuden mit entsprechend hoher Anzahl an Geschossen ins Gewicht. Alternative Deckensysteme zur konventionellen Flachdecke können das Betonvolumen und damit Eigenlasten reduzieren. Auch hat ein kleineres Stützenraster generell einen positiven Einfluss auf die CO₂-Bilanz, da große Deckenspannweiten nicht nur zu größeren inneren Systemkräften, sondern auch zu höheren Verformungen führen, die durch stärkere Deckenplatten und Bewehrung kompensiert werden müssen.

Die Verwendung von Holz als tragender Baustoff erweist sich als gute Alternative zu Stahl oder Stahlbeton. Holz hat neben seinen ökologischen Eigenschaften ein gutes Verhältnis von Tragfähigkeit zu Gewicht. Digitalisierung und Vorfertigung im Holzbau ermöglichen darüber hinaus eine rapide und trockene Bauweise. Während Bauherrn und Investoren die Realisierung von Holzbauprojekten im urbanen Raum noch vor wenigen Jahren kritisch sahen, besteht hier nun eine scheinbar unerschöpfliche Nachfrage. In Deutschland lässt sich mittlerweile dank erfolgreich realisierter Vorzeigepro­jekte wie dem H7 in Münster (Bilder 4, 5) sowie Erfahrung unter Planenden und Ausführenden der Holzbau auch in der Gebäude­klasse V vergleichsweise einfach genehmigen und umsetzen.

6 Holistisch, einfach, sortenrein – der Weg in die Kreislaufwirtschaft

Das Bauwesen ist für weit mehr als die Hälfte des weltweiten Ressourcenverbrauchs verantwortlich. Allein in Deutschland werden jährlich über 500 Mio. t mineralischer Rohstoffe verbaut [10]. Gleichzeitig fallen jährlich 209 Mio. t Bau- und Abbruchabfälle im Baubereich an – rd. die Hälfte des deutschen Abfallaufkommens. Der Bausektor muss daher zwingend von der linearen in die zirkuläre Wirtschaft überführt werden.

In der Kreislaufwirtschaft zu planen, kann auf verschiedenen Ebenen erfolgen – in der Hierarchie von Gebäude-, Element- und Baustoffebene. Die Wiederverwertung eines Gebäudes durch Umnutzung und Adaption stellt hierbei den größten Hebel und hat oberste Priorität.

Während das Tragwerk eine Lebensdauer von weit über 100 Jahren hat, müssen Fassaden und Gebäudetechnik im Laufe des Lebenszyklus mehrfach ersetzt werden. Nachhaltige Gebäudeplanung führt nur ganzheitlich betrachtet zum Erfolg. Einzelne Disziplinen müssen projektspezifisch aufeinander abgestimmt und in eine holistische Gesamtlösung überführt werden. So können bei der Konzeption des Tragwerks Langlebigkeit und Adaptierbarkeit im Vordergrund stehen, Fassaden und Gebäudetechnik aber nach den Prinzipien des Rückbaus und der Wiederverwertbarkeit entwickelt werden.

Das Grundprinzip zirkulärer Kreislaufwirtschaft ist, Verbund zwischen den Gebäudeschichten zu vermeiden und einen Abbau affin nach Lebensdauern zu ermöglichen. Dass die Lebensdauer von Produkten dabei grundsätzlich verlängert werden muss, versteht sich von selbst.

Für das Tragwerk kann ein System ohne Verbundsysteme zwar zu größeren Querschnitten und damit zu mehr Ressourcenverbrauch führen, gleichzeitig wird die zukünftige Rezyklierbarkeit gewährleistet. Die Prinzipien der demontagegerechten Konstruktion (Design for Disassembly) weichen von der konventionellen Planung ab und sollten frühzeitig mit den Entscheidungsfindern abgestimmt werden. Die Devise Einfach und sortenreines Bauen und Konstruktionen im Cradle-to-Cradle-Prinzip zu ermöglichen, bestärken zukünftige Umnutzung und Adaptierbarkeit für lange Lebens- und Nutzungsdauer von Gebäuden und ihre verbauten Ressourcen [11].

Ein Gebäude so zu planen, dass möglichst viel Materialien und Elemente Wiederverwendung finden, ist ein spannender, in Vergessenheit geratener Ansatz, der den architektonischen Entwurf maßgebend prägt und das herkömmliche Planen herausfordert.

7 Ergebnisse bilanzieren

Die Prinzipien der nachhaltigen Tragwerksplanung sind Reduzierung, Optimierung und Wiederverwertung. Doch neben Vorsätzen braucht es die konsequente Anwendung von Lebenszyklusanalysen, die Entscheidungen von Lastannahmen, Material und Tragwerk bewertbar und transparent nachvollziehbar machen. Darüber hinaus sind es das Zusammenspiel der einzelnen Gewerke und die Betrachtung der Lebensdauer, die den Weg zur Nullemission fundamentieren.

Vergleichsstudien von Arup und WBCSD [4] zeigen, dass selbst bei nachhaltigen Gebäuden die CO₂-Emissionen in den Lebenszyklusphasen Cradle to Practical Completion (A1–A5), also vom Gewinn der Rohstoffe bis einschließlich Gebäudeerrichtung, im Durchschnitt bei 500–600 kgCO₂e/m² liegen. Bei den Phasen Cradle to Grave (A–C), also einschließlich Entsorgung, zeigt die Bilanz der Vergleichsprojekte sogar einen Durchschnittswert von knapp 1800 kgCo₂e/m². Die Ergebnisse der Studie zeigen deutlich, dass Sanierungen von Bestandsbauten und Holzgebäuden, selbst im Hybrid mit Stahlbeton, den geringeren CO₂-Fußabdruck haben und diese Referenzprojekte den o. g. Durchschnittswert positiv beeinflussen.

Doch die Erstellung von Ökobilanzierungen kann nur den Weg zum eigentlichen Ziel aufzeigen. Die Zielsetzung ist, die Treibhausgasemissionen kurzfristig mit den uns zur Verfügung stehenden Mitteln zu eliminieren, und zwar verbaute wie betriebsbedingte Emissionen in der Nutzungsphase.

8 Schlussfolgerung

Um den Bausektor klimaneutral zu machen, brauchen wir uneigennützigen Wissensaustausch, Datentransparenz, Forschung und Innovation in der gesamten Branche von Planung über Bau bis zu Lieferung und Betrieb. Es kann nicht an wenigen Büros und der Initiative einiger Bauherrn liegen, Änderungen herbeizuführen. Wir werden die Klimaziele und eine Wandlung im Bausektor nur herbeiführen können, wenn wir gemeinsam – Planer, Industrie, Investoren und Bauherrn – an einem Strang ziehen. Die Politik ist aufgerufen, die Rahmenbedingungen und die Finanzierung zu ermöglichen, um nachhaltiges Planen einfach und real zu gestalten.

Literatur

1. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit BMU (2021) Klimaschutz in Zahlen – Fakten, Trends und Impulse deutscher Klimapolitik 2021.
2. United Nations (2021) UN Climate Change Conference (cop26) at the SEC – Glasgow 2021 [online]. New York: UN.
   www.ukcop26.org
3. United Nations (2020) 2020 Global Status Report for Buildings and Construction – towards a zero-emission, efficient and resilient buildings and construction sector. United Nations Environment Programme UNep.
4. Arup; wbcsd (2021) Net-zero buildings – Where do we stand?
5. DIN EN 15978-1:2021 (2021) Nachhaltigkeit von Bauwerken – ­Methodik zur Bewertung der Qualität von Gebäuden – Teil 1. Berlin: Beuth.
6. Frauenhofer ISE (2021) Nettostromerzeugung im 1. Quartal 2021: Daten zu Erneuerbaren Energien.
7. United Nations (o. J.) Global Sand Observatory. United Nations Environment Programme UNep.
8. DAfStb-Richtlinie (2010) Beton nach DIN EN206-1 und DIN 2045-2 mit rezyklierten Gesteinskörnungen nach DIN EN 12620. 
9. Wirtschaftsvereinigung Stahl (2020) Fakten zur Stahlindustrie 2020 – Zahlen und Fakten zur Stahlindustrie in Deutschland.
10. Umweltbundesamt (o. J.) Bauabfälle [online]. Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt. www.umweltbundesamt.de/daten/ressourcen-abfall/verwertung-entsorgung-ausgewaehlter-
    abfallarten/bauabfaelle
11. Braungart, M.; McDonough, W. (2002) Cradle to Cradle: Remaking the way we make things. New York: Macmillan ­Publishers.

Autorin

Ulrike Elbers, ulrike.elbers@arup.com

Associate | Structural Engineering Arup, Berlin

www.arup.com