Beton(t) schön

Ihr berufliches Zuhause ist das Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren an der Universität Stuttgart. Dort erforscht und entwickelt Architektin Daria Kovaleva die noch wenig entdeckte „Leichtigkeit“ von Beton, dessen Grenzen sie auslotet. Im Interview beleuchtet sie das Material von allen Seiten – auch von der kritischen.

Architektin Daria Kovaleva beschäftigt sich schon viele Jahre mit Leichtbau aus Beton. Dabei liegt ihr klarer Fokus auf der Entwicklung digitaler Entwurfsmethoden und nachhaltiger Produktionskonzepte für ressourceneffiziente und zukunftsfähige Betonstrukturen. Im Rahmen ihrer Doktorarbeit entwickelte sie eine abfallfreie Produktionstechnologie unter Verwendung von wiederverwertbaren Sandschalungen. Ihre Werke wurden unter anderem auf der Architekturbiennale in Venedig, im Technischen Museum in Nürnberg und im Naturkundemuseum in Stuttgart ausgestellt.

Für einen Laien widersprechen einander die Begriffe Beton und Leichtbau auf den ersten Blick. Wieso ist das kein Widerspruch?

Beim Leichtbau handelt es sich um ein Konstruktionsprinzip, das darauf abzielt, das Gewicht einer Struktur zu reduzieren. Je mehr Last eine Struktur bei minimalem Gewicht tragen kann, desto leichter gilt sie. Dies kann auf drei Wegen erreicht werden: durch die Verwendung von Materialien mit einem günstigen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, auch spezifische Festigkeit genannt (Materialleichtbau), durch die Optimierung der Struktur (Strukturleichtbau) oder durch die Funktionsintegration (Systemleichtbau). Obwohl Beton eine geringere spezifische Festigkeit als Holz hat, verfügt er über eine viel höhere Druckfestigkeit und die Fähigkeit, bei der Verarbeitung im flüssigen Zustand jede beliebige Form anzunehmen. Dies macht Beton sehr attraktiv für den Einsatz im Strukturleichtbau, insbesondere in Kombination mit optimal ausgewählter Bewehrung. In unserer Forschung nutzen wir diese Möglichkeit, um das Gewicht von Konstruktionen durch eine gezielte Verteilung von Beton und Bewehrung innerhalb des Bauteils entsprechend den auftretenden Belastungen zu minimieren. Wir bezeichnen dies als „funktionale Gradierung“.

Die Betonindustrie hat umwelttechnisch nicht das beste Image. Was wird mit aller Ernsthaftigkeit unternommen, damit sich dieses Image ändert?

Mit 0,1 Kilogramm CO₂ pro Kilogramm Material hat Beton im Vergleich zu anderen Baumaterialien wie Stahl (2,8 kg/kg) oder Glas (1,6 kg/kg) einen vergleichsweise geringen verkörperten Kohlenstoffgehalt. Aufgrund seines enormen weltweiten Verbrauchs von 30 Milliarden Tonnen ist Beton jedoch eine der größten industriellen Emissionsquellen und verursacht acht Prozent des globalen CO₂-Ausstoßes. Um diese Emissionen auszugleichen, setzt die Betonindustrie auf allen Ebenen – von der Zementproduktion bis zum Bau – aktiv innovative Strategien um. Dazu zählen alternative Brennstoffe, klinkerarme Betonrezepturen, Klinkersatzstoffe sowie die CO2 -Abscheidung, -Speicherung und -Nutzung. Eines der effektivsten und am einfachsten umzusetzenden Szenarien ist jedoch die Reduzierung des Betonbedarfs im Bauwesen durch dessen effizientere und rationellere Verwendung in Bauwerken. Dies kann durch die Optimierung von Strukturen und Bauprozessen, die Umsetzung von Kreislaufwirtschaftsprinzipien sowie die Förderung der Wiederverwendung von Bauteilen statt Abriss und Neubau erreicht werden.

In Ihrem Vortrag bei der ARCHITECT@WORK in Stuttgart werden Sie über den Leichtbau mit Beton für die Bauwende sprechen. Womit definieren Sie diese Bauwende?

Als „Bauwende” wird der Übergang der Bauindustrie von traditionellen, ressourcenintensiven Bauweisen und linearen Produktionsketten hin zu nachhaltigeren, klimafreundlicheren und ressourceneffizienteren Praktiken mit geschlossenen Produktionskreisläufen bezeichnet. Sie umfasst Maßnahmen in allen Phasen des Bauens: von der Planung und Materialauswahl über den Bau bis hin zur Nutzung und dem Abriss von Gebäuden. Das Ziel besteht darin, die Umweltauswirkungen des Bausektors durch Minimierung des Ressourcenverbrauchs, der Emissionen und der Abfälle zu verringern.

Sie sprechen in diesem Zusammenhang von „nachhaltiger Transformation“. Was genau meinen Sie damit?

Eine nachhaltige Transformation des Bausektors bedeutet, dass Baulösungen während des gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes nachhaltig bleiben. In der Planungsphase können Methoden zum Einsatz kommen, die darauf abzielen, die grauen Emissionen durch die Optimierung von Materialien, Konstruktionen und Gebäudesystemen zu reduzieren. Während der Bauphase umfasst dies die Verwendung lokaler und rezyklierter Materialien sowie die Optimierung der Baustelle und der Logistik. In der Nutzungsphase liegt der Schwerpunkt auf der Optimierung des Energieverbrauchs, der Verbesserung des Raumklimas und der Steigerung der Lebensqualität. End-of-Life-Szenarien werden stets berücksichtigt, indem Bauweisen verwendet werden, die Anpassungsfähigkeit, Demontage und Wiederverwendung gewährleisten.

Warum könnte Ihrer Meinung nach gerade Beton ein wichtiger Baustein dafür sein?

Beton ist der weltweit am häufigsten verwendete Baustoff. Seine Produktion übersteigt diejenige aller anderen Baustoffe zusammen um ein Vielfaches. Dank seiner Vielseitigkeit, Langlebigkeit und weltweiten Verfügbarkeit wird es in naher Zukunft kaum möglich sein, ihn zu ersetzen. In diesem Zusammenhang bleibt die einzige Lösung eine beschleunigte Transformation der Branche hin zu einer nachhaltigen Entwicklung. Der zeitliche Druck und die Konzentration der Anstrengungen aller Akteure entlang der gesamten Wertschöpfungskette tragen ebenfalls Früchte: Es entstehen neue bahnbrechende Technologien, Materialien und nachhaltige Produktionsprozesse, was wiederum Impulse für die weitere Entwicklung gibt.

Inwieweit muss man denn schon ganz zu Beginn beim Entwerfen ansetzen?

Der ökologische Fußabdruck eines Gebäudes wird größtenteils, wenn auch nicht vollständig, in der Entwurfsphase festgelegt. Die Entscheidungen, die Architekten und Ingenieure in dieser frühen Phase treffen, haben den größten Einfluss auf den CO2-Fußabdruck eines Gebäudes, seinen Energieverbrauch während des Betriebs und seine langfristige Nachhaltigkeit. In der Entwurfsphase werden die Menge und Art der Materialien festgelegt und damit auch die Emissionen, die mit ihrer Gewinnung, Verarbeitung und ihrem Transport verbunden sind. Die Raumaufteilung und die technischen Systeme eines Gebäudes sind entscheidende Faktoren, die den Energieverbrauch während seiner gesamten Nutzungsdauer beeinflussen. Die Möglichkeit, das Gebäude zu demontieren und die Materialien oder Bauteile wiederzuverwenden, wird ebenfalls in der Planungsphase berücksichtigt. Je mehr Aufmerksamkeit all diesen Fragen in der frühesten Phase geschenkt wird, desto höher ist daher die Wahrscheinlichkeit, dass der CO2-Fußabdruck des gesamten Gebäudes maximal kontrolliert und reduziert werden kann.

Es ist auch die Rede von kreislauffähiger Fertigung und gezielter Kohlenstoffbindung. Kann man das mit einem Material wie Beton überhaupt schaffen?

Da der CO2-Fußabdruck von Betonkonstruktionen weitgehend von der Produktionstechnologie abhängt, verfolgen wir an unserem Institut einen integrativen Ansatz bei der Entwicklung von Entwurfs- und Fertigungsmethoden, wobei der Schwerpunkt auf Ressourcenschonung und Kreislaufwirtschaft liegt. So werden bei einer unserer Technologien zur Herstellung leichter Betonkonstruktionen beispielsweise mineralische Hohlkugeln verwendet, wodurch monomaterielle Bauteile entstehen, die sich leicht rezyklieren lassen. Eine weitere Technologie basiert auf der Verwendung wasserlöslicher Sandschalungen zur Herstellung geometrisch komplexer Strukturen ohne Abfall, was Gestaltungsfreiheit, einfaches Ausschalen und Wiederverwendbarkeit vereint. Was die Kohlenstoffbindung angeht, hat Beton die natürliche Fähigkeit, CO2 aus der Atmosphäre aufzunehmen und als Kohlenstoffsenke zu fungieren. Wir nutzen dies bewusst und untersuchen die vorteilhafteste Kombination aus Betonmischung, Strukturgeometrie und Umgebungsbedingungen, um die Menge an absorbiertem CO2 zu maximieren.

Leichtbau scheint – ganz allgemein betrachtet – ein zukunftsfähiges, vielversprechendes Architekturrezept zu sein. Welchen besonderen Fokus legen Sie dabei an Ihrem Institut?

Leichtbau zielt per Definition auf einen sparsamen Umgang mit Ressourcen ab. Angesichts der globalen Herausforderungen durch Klimawandel und Ressourcenknappheit müssen wir jedoch die Anforderungen daran erweitern und die Ökobilanz von Materialien und Konstruktionen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg berücksichtigen. Nur so können wir neue Forschungsansätze umfassend bewerten und Schwerpunktbereiche festlegen, um die radikalen Veränderungen in der Bauindustrie zu erreichen, die innerhalb kurzer Zeit erforderlich sind. Wir bezeichnen diesen Ansatz als „Erweiterter Leichtbau” und konzentrieren uns auf die Entwicklung von Methoden zur Planung und Herstellung leichter Konstruktionen mit minimalem ökologischen Fußabdruck.

Was möchten Sie am Institut den Studenten für ihre zukünftige Arbeit als Architekt*innen und Bauschaffende mitgeben?

Trotz aller Herausforderungen, denen sich die Bauindustrie heute angesichts des Klimawandels und der Ressourcenverknappung gegenübersieht, halte ich Planen und Bauen derzeit für besonders spannend. Oftmals führen Anforderungen, die auf den ersten Blick widersprüchlich oder übermäßig restriktiv erscheinen, letztlich zu grundlegend neuen Lösungen, die unter anderen Umständen wahrscheinlich nicht möglich gewesen wären. Deshalb ermutigen wir unsere Studierenden immer, Einschränkungen als Katalysator für Kreativität und Innovation zu betrachten. So könnte das gute alte Prinzip „Weniger ist mehr“ in Zeiten der Bauwende bald wieder in neuem Glanz erstrahlen.

Erfahren Sie hier mehr über Daria Kovaleva bei ihrem Vortrag auf der ARCHITECT@WORK in Stuttgart am 12. November um 14 Uhr.