Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV)

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12.07.2018, Prof. Wolfgang Huß, Fakultät für Architektur und Bauwesen der Hochschule Augsburg:

Das Potenzial des Baustoffes Holz

Holz als tragendes Material im Bauwesen macht zunehmend von sich reden. Die Gründe dafür liegen auf der Hand: Holz ist - im Gegensatz zu allen anderen Hauptmaterialien im Bauwesen - ein nachwachsender Rohstoff. Es speichert im Wachstum Kohlendioxid wie auch Sonnenenergie und benötigt weniger Energie für seine Aufbereitung als mineralische Materialien. Dabei strahlt es eine Ästhetik aus, die dem Menschen nahe liegt und ermöglicht neue Entwicklungen in der Architektur.

Die Ebene des Waldes

Über welches Potential Holz als Baustoff in Deutschland verfügt, zeigt ein Rechenbeispiel, das im Rahmen der Ausstellung „Bauen mit Holz - Wege in die Zukunft“, die von Oktober 2016 bis Januar 2017 im Walter-Gropius-Bau in Berlin zu sehen war, angestellt wurde:

Deutschland verfügt über einen Holzvorrat von etwa 3.600 Millionen Kubikmetern. Der jährliche Zuwachs beträgt etwa 80 Millionen Kubikmeter, von denen etwa 70 Millionen geerntet werden und also 10 Millionen im Wald verbleiben. Aus dem geernteten Holz könnten 45 Millionen Kubikmeter Holzbauprodukte hergestellt werden. Bei einem jährlichen Neubauvolumen von etwa 100 Millionen Kubikmetern Wohn- und 190 Millionen Kubikmetern Nichtwohngebäuden und bei einem durchschnittlichen Materialbedarf von 0,08 beziehungsweise 0,05 Kubikmetern Holzprodukten pro Kubikmeter umbautem Raum für Wohn- beziehungsweise Nichtwohngebäude ergibt sich folgende Erkenntnis: Bereits etwas mehr als ein Drittel der deutschen Jahresholzernte würde ausreichen, um das gesamte jährliche Neubauvolumen Deutschlands in Holz zu errichten.

Obwohl dieses Zahlenwerk rein theoretischer Natur ist - denn in vielen Fällen wäre Holz nicht das geeignete Material – zeigen sich doch die noch lange nicht ausgeschöpften Möglichkeiten.

Die Bundeswaldinventuren der Jahre 2002 und 2012 bestätigen die oben genannte Tendenz: Der Holzvorrat in Deutschland nahm in diesen zehn Jahren um insgesamt 6,5 % zu. Angesichts der globalen Situation ist das natürlich ein schwacher Trost: Die globale Waldfläche nahm nach einer Statistik der World Bank von 1990 (41,28 Millionen Quadratkilometer) bis 2015 (39,99 Millionen Quadratkilometer) um gute 3 % ab. Doch heißt es für den deutschen Bauherren zweifelsfrei, dass Bauen mit Holz – vorausgesetzt, es wird lokales Holz verwendet – aus ökologischer Sicht die beste Wahl ist.

Nadelholz – Laubholz

Die Waldinventuren zeigen eine weitere Entwicklung: Während der Anteil an Nadelhölzern rückläufig ist, wächst der Anteil an Laubhölzern. Das dokumentiert ein Umdenken in der Forstwirtschaft. Während bislang oft gewinnoptimiert auf schnell wachsende Fichtenwälder gesetzt wurde, ist heute der ursprünglich natürliche Mischwald wieder auf dem Vormarsch. Der Grund dafür ist die Erkenntnis, dass dieser den Folgen der Klimaerwärmung und der damit erhöhten Gefahr von Trockenperioden und auch Schädlingsbefällen wesentlich robuster begegnen kann als reine Monokulturen.

Für das Bauwesen hat das wiederum Bedeutung, da für tragende Bauteile bislang fast ausschließlich Nadelhölzer, vorrangig Fichte und Kiefer, verwendet werden. Bei Nadelhölzern ist das Nutzungsprofil schon heute halbwegs vernünftig, was ein Blick in die Statistik unseres Nachbarlandes zeigt: Das österreichische Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus gibt für 2015 eine Nutzung von 63% als Sägeschnittholz an, Holz also, das in Gebäuden oder Möbeln langfristig genutzt wird. 16% werden als Industrieholz (Papierzellstoffe etc.) genutzt und 21% thermisch verwertet, also verbrannt. Bei Laubholz ist das Nutzungsprofil wesentlich alarmierender: Hier werden 66 % thermisch verwertet und nur 10 % als Sägeschnittholz hochwertig und nachhaltig genutzt. In Deutschland ist die Situation nicht grundlegend anders.

Die zentralen Laubbaumarten in unseren Wäldern sind Eiche und vor allem Buche, der dritthäufigste Baum in Deutschland. Während Eichenholz traditionell auch im Bauwesen hochwertig genutzt wird, ist massives Buchenholz aufgrund seines ungünstigen Schwindverhaltens nicht für tragende Zwecke zu verwenden. So wurde es bestenfalls für den Innenausbau verwendet und wandert auch heute noch viel zu häufig direkt in die Verbrennung. Seit einigen Jahren ist Buchenholz als verleimtes Produkt im Bauwesen für Tragkonstruktionen zugelassen. Vor allem für Platten aus Furnierschichtholz, aus denen auch Träger und Stützen hergestellt werden können, gibt es mannigfaltige Einsatzmöglichkeiten und Referenzprojekte, auf die künftige Entwicklung darf man gespannt sein.

Holzbau in der Baustatistik

Der Marktanteil des Holzbaus am gesamten Baugeschehen wächst nicht explosionsartig, aber seit langem stetig. So hat sich gemäß den Statistiken des Bundes Deutscher Zimmermeister der Anteil der genehmigten Wohngebäude in Holzbauweise bundesweit von 2004 bis 2015 von 12,1% auf 16,1% erhöht (in Bayern sind es 2015 19,7%, in Baden-Württemberg sogar 26,8%). Bei Nichtwohngebäuden geht es langsamer: Hier steigt die Quote im gleichen Zeitraum von 14,9% auf 16,9 %. Zum Vergleich liegt der Holzbau-Anteil in den USA bei etwa 85%. In Deutschland dürfte weiterhin der Löwenanteil im Sektor der Ein- und Zweifamilienhäusern verortet sein. In den letzten 20 Jahren hat jedoch mit Entwicklung neuer Materialien, Konstruktionen, Berechnungs- und Fertigungsmethoden und Normierungen eine verstärkte Entwicklung von mehrgeschossigen und großvolumigen Gebäuden stattgefunden, die noch lange nicht abgeschlossen ist. Es ist hierzulande eine Vielzahl von hochinteressanten vielgeschossigen Holzbauten für alle Nutzungen vom Wohnungs- über Büro- bis hin zum Schulbau entstanden. Das schlägt sich in Baustatistiken bislang noch nicht wirklich spürbar nieder, das Potenzial der Entwicklung jedoch ist sehr hoch. Denn die wesentlichen neuen Entwicklungen finden im Rahmen urbaner, großvolumiger Projekte statt.

Ökologie auf Gebäudeebene

Holz erzeugt nicht wie andere Materialien Emissionen von Kohlendioxid, sondern bindet im Gegenteil das für den Treibhauseffekt hauptverantwortliche Gas. In der Erstellung von Ökobilanzen wird deshalb rechnerisch ein Positivwert für das eingesetzte Holz angesetzt, man erhält sozusagen einen Bonus für das Bauen mit Holz. Um die Einsparung an CO2 und auch der für die Gebäudeerstellung benötigten Primärenergie von Holzgebäuden zu quantifizieren, erstellte der Architekt und Nachhaltigkeitsexperte Holger König für die eingangs erwähnte Ausstellung ‚Bauen mit Holz – Wege in die Zukunft‘ interessante Berechnungen: Er verglich acht ausgeführte großvolumige Holzgebäude mit im Entwurf identischen ‚Zwillingsgebäuden‘ mit gleicher Geometrie und Energieverbrauchswerten im Betrieb, jedoch in mineralischer Bauweise. Hinsichtlich der Aufwendungen für die Gebäudeerstellung waren im Ergebnis durch die Holzbauweise Einsparungen an CO2-Äquivalent je nach Gebäude von 32 – 74 % nachweisbar. An Primärenergie für den Bau wurden ca. 10 – 50 % eingespart.

Neben diesen Vorteilen in der Gebäudeerstellung ist es aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Materials besonders gut möglich, hochwärmegedämmte Gebäudehüllen auszuführen. Hohe Energieanforderungen wie der Passivhaus-Standard können im Holzbau mit vergleichsweise geringem Mehraufwand realisiert werden.

Der schichtweise Aufbau und die vorwiegend geschraubten Verbindungen von Holzkonstruktionen (Außenwände, Dächer…) begünstigen in der Instandhaltung den Austausch einzelner Schichten oder Bauteile. Bei hinterlüfteten Fassaden, wie sie im Holzbau der Normalfall sind, können Fassadenbekleidungen und Fenster weitgehend unabhängig voneinander erneuert werden. Als Gegenbeispiel sei hier das Wärmedämmverbundsystem genannt, das den nachträglichen Austausch von Fenstern erheblich erschwert.

Am Ende seiner Nutzung ist ein klug konstruierter Holzbau mit einfachsten Mitteln und energiearm rückzubauen. Das biogene Material kann im besten Fall ohne Qualitätsverlust recycelt, zumindest aber als Holzwerkstoffbestandteil neu verwertet werden. Die thermische Verwertung sollte erst am Ende einer solchen kaskadenartigen Nutzung stehen.

Die Materialeigenschaften in der Holzarchitektur

Die grundlegenden Materialeigenschaften von Holz, sein geringes Gewicht bei hoher Tragfähigkeit, seine Hauptstabilität in Richtung der Holzfasern, seine Fähigkeiten, Feuchtigkeit aufzunehmen, zu brennen und zu verrotten, definieren gleichermaßen Vor- wie Nachteile des Baustoffes: Beim Bauen im Bestand macht das geringe Gewicht umfangreiche Aufstockungen oft erst möglich. Ein eindrucksvolles Beispiel dafür steht zentral in Zürich Giesshübel, wo von Burkhalter Sumi Architekten auf einem zweigeschossigen Industriegebäude vier Wohngeschosse aufgesetzt wurden (siehe Foto 1).

Viergeschossige Aufstockung eines Industriegebäudes in Holzbauweise in Zürich

Foto 1: Viergeschossige Aufstockung eines Industriegebäudes in Holzbauweise in Zürich.
Foto: Georg Aerni

Das geringe Gewicht ist auch für die guten Wärmedämmeigenschaften verantwortlich. Und nicht zuletzt für den Transport von großen Elementen oder auch Raummodulen ist die Leichtigkeit des Materials ein großer Vorteil gegenüber etwa der Stahlbetonbauweise. Wenn es dagegen um Schallschutz geht, ist die Leichtigkeit eher Last als Lust: Holzdecken müssen, wenn sie höchsten Schallschutzanforderungen genügen sollen, mit zusätzlichen Auflasten beispielsweise in Form einer Splitt-Schüttung beschwert oder mit einer zusätzlichen Abhangdecke versehen werden. Eine häufig verwendete Alternative sind Holz-Beton-Verbunddecken, bei denen eine Holzdecke mit einer 10-12 cm starken Betonschicht verstärkt wird, die mitträgt und den Schallschutz verbessert. Insgesamt ist das hierzulande sehr hohe Schallschutzniveau im Holzbau absolut erfüllbar, macht die Konstruktionen jedoch bisweilen aufwändiger als im konventionellen Bauen.

Dass Holz sich immer an die Feuchtigkeit der Umgebung anpasst und entsprechend quillt und schwindet, muss in der Konstruktion sorgfältig berücksichtigt werden. Rissbildungen können nicht immer vermieden werden. Auf der anderen Seite ist diese manchmal problematische Eigenschaft auch dafür verantwortlich, dass das Raumklima in Holzgebäuden besonders angenehm ist, weil die Raumfeuchte natürlich reguliert wird.
Rein statisch gesehen sind dem Holzbau keine engen Grenzen gesetzt: Studien wie auch gebaute Beispiele belegen, dass Holz-Hochhäuser mit 20 und mehr Geschossen aus Sicht des Tragwerks vernünftig umsetzbar sind. Bei der Entwicklung von Holztragwerken muss allerdings den Materialeigenschaften Rechnung getragen werden, es kann nicht jeder Entwurf in Holzbau ausgeführt werden. Holzbau diszipliniert den Architekten in gewisser Weise, weil die lineare Materialstruktur auch eine entsprechende Gebäudestruktur einfordert.

Was das Bauen in die Höhe limitiert, ist vor allem der Brandschutz. Holz brennt zwar relativ langsam und kalkulierbar ab und erreicht damit hohe Feuerwiderstandsdauern, das Kriterium der Brennbarkeit verhindert jedoch einige Einsatzmöglichkeiten. Brandschutz wird zumindest national, in vielen Teilen auch regional ganz unterschiedlich eingeschätzt und geregelt: In einigen europäischen Nachbarstaaten (z.B. in der Schweiz, Frankreich, Großbritannien oder Schweden) sind Holz-Hochhäuser, teils bis hin zu 100 m Höhe, zulässig. In Deutschland sind Wohngebäude bis 4 Geschosse ohne weiteres zulässig, höhere Gebäude erfordern spezielle Brandschutzkonzepte. In einzelnen Bundesländern wie Baden-Württemberg ist Holz nun auch bis zur Hochhausgrenze, also bis zu einer Höhe des obersten Fußbodens von 22 m über Gelände grundsätzlich möglich.

Ein Meilenstein in Deutschland war 2008 der Bau eines siebengeschossigen Wohn- und Geschäftshauses im Prenzlauer Berg in Berlin von Kaden Klingbeil Architekten. Seitdem ist die Entwicklung vor allem im Ausland weitergeschritten. In Norwegischen Bergen gibt es beispielsweise seit 2015 ein 14-geschossiges Wohnhaus in Skelettbauweise, bei dem die Wohnungen als Raummodule vorgefertigt und in das Skelett eingeschoben wurden. In Kanada wurde vor kurzem ein 17-stöckiges Studentenwohnheim in Brettsperrholz-Bauweise fertig gestellt (siehe Foto 2), bei dem das für den Holzbau bekannte Vorarlberger Büro von Prof. Hermann Kaufmann beratend zur Seite stand.

Studentenheim als Holzskelettbau-Konstruktion mit Decken aus Brettsperrholz in Vancouver, Kanada.

Foto 2: Studentenheim als Holzskelett-Konstruktion mit Decken aus
Brettsperrholz in Vancouver, Kanada. Foto: Brock Commons Tallwood
House , Acton Ostry Architects & University of British Columbia. Michael
Elkan, CC BY 2.0

Vorfertigung

Das Bauwesen im Allgemeinen hinkt, was Automatisierung und Digitalisierung betrifft, anderen Industriesparten wie dem Automobilbau um Jahrzehnte hinterher. Davon ausgenommen ist die Grundstoffindustrie, die mit einem hohen Maß an Industrialisierung die massenmäßig vertriebenen Standard-Bauprodukte erzeugt. So ist ein modernes Sägewerk heutzutage fast vollständig automatisiert und computergesteuert. In der individuellen Gebäudeerstellung hat sich der Holzbau eine Vorrangstellung erarbeitet, da er im Vergleich zu anderen Bauweisen weitgehend digitalisiert und mit einem sehr hohen Vorfertigungsgrad abgewickelt wird. Holz ist leicht zu bearbeiten, was seine Vorfertigung erleichtert. Der Abbund, also das Ablängen und Herstellen von Fräsungen und Aussparungen der Kanthölzer oder Plattenwerkstoffe, geschieht heute flächendeckend mit computergesteuerten Fräsautomaten. Die CAD-Daten der Planer werden vom Holzbau-Unternehmer in eine spezielle Abbund-Software übertragen, über die dann die Abbundautomaten angesteuert werden. Die digitale Kette der Planung und Produktion schließt sich langsam, auch wenn in der Praxis die Übergaben zwischen den Beteiligten zum Teil noch etwas holprig funktionieren.
Der Golfclub des japanischen Stararchitekten Shigeru Ban in Korea zeigt beispielhaft, welch komplexe Geometrien mit diesen relativ neuen Werkzeugen beherrschbar werden (Siehe Foto 3).

Golfclub Nine Bridges in Südkorea.

Foto 3: Golfclub Nine Bridges in Südkorea. Foto: Joan
Muñozund Magis Profesiones + Innovación + Cultura,
Flickr, CC BY 2.0

Auch einfacher gedachte Bauten aus Wand- und Deckenelementen werden in der Werkhalle weitgehend vorgefertigt. Das erhöht die Ausführungsqualität erheblich. Die Prozesse werden effizienter als das auf der Baustelle möglich ist. Die körperliche Arbeit ist hier ergonomischer, die Arbeitsbedingungen insgesamt besser, was es auch älteren Mitarbeitern ermöglicht, in der Fertigung zu bleiben. Die Prozesse sind auch wesentlich kalkulierbarer, was die Kostensicherheit für den Bauherren erhöht. Hoher Vorfertigungsgrad heißt auch, dass die Arbeiten vor Ort auf ein Minimum reduziert werden können. Das bringt schon im Neubau viele Vorteile wie die Unabhängigkeit von der Witterung. Doch gerade beim Bauen in der Stadt oder auch der Bestandserweiterung ist die Reduzierung von Bauzeit, Lärm und Staub, die ein vorgefertigter Holzbau mit sich bringt, sehr wertvoll. Insbesondere bei Gebäuden, die im laufenden Betrieb überarbeitet werden müssen, macht die Vorfertigung manche Maßnahme erst möglich, weil die Beeinträchtigung der Nutzer deutlich reduziert wird. Vorgefertigte Fassaden aus Holzrahmenelementen (Siehe Foto 4) sind eine hochwertige Alternative zu ökologisch wie technisch nicht unproblematischen Wärmedämmverbundsystemen.

Montage von vorgefertigten Holzrahmenelementen zur energetischen Fassadensanierung in München

Foto 4: Montage von vorgefertigten Holzrahmenelementen zur
energetischen Fassadensanierung in München. Foto: HKS


Die dreidimensionale Vorfertigung, also das Herstellen von Raummodulen, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Raummodulgebäude müssen heutzutage auch nicht die Anmutung eines provisorischen Containergebäudes ausstrahlen, wie ein finnisches Wohngebäude aus Raummodulen von den Architekten OOPEAA entworfen belegt (siehe Foto 5).

Finnisches Wohngebäude aus Raummodulen, Jyväskylä, Finland. Architects: OOPEAA, Helsinki

Foto 5: Finnisches Wohngebäude aus Raummodulen, Jyväskylä, Finland. Architects: OOPEAA,
Helsinki, Foto: Mikko Auerniitty

Ausblick

Der Holzbau wird sich - unter den befeuernden Rahmenbedingungen in Politik und Gesellschaft - weiter entwickeln, wie es sich in den letzten 20 Jahren angedeutet hat. Damit wird die Industrialisierung und damit auch Effizienz der Fertigung weiter zunehmen und den Holzbau auch wirtschaftlich immer interessanter machen. So könnten zukünftig ästhetische, ökologische und ökonomische Interessen synergetisch zusammen finden.


Über den Autor
Wolfgang Huß, 1973 in München geboren, ist Architekt und Professor für Industrialisiertes Bauen und Fertigungstechnik an der Fakultät für Architektur und Bauwesen der Hochschule Augsburg und leitet das berufsbegleitende Zertifikatsstudienangebot ‚Fachingenieur Holzbau - Integrale Planung und Konstruktion‘. Er betreibt mit Martin Kühfuss und Christian Schühle das Architekturbüro HKS – Studio für Architektur in München.



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