Roboter, die Ziegelsteine zu kunstvollen Wänden aufschichten, aus Abbruchmaterial neue Gebäudestrukturen aufbauen  oder komplexe Gitterschalungen für Beton elemente drucken. Im Rahmen eines Nationalen Forschungsschwerpunkts  entsteht an der ETH Zürich ein Kompetenzzentrum für innovative Bauprozesse. Damit soll die Architektur revolutioniert werden.

Mit seinem beweglichen Arm gleicht der weisse Roboter den Maschinen, die in der Autoindustrie Karosserien zusammenbauen. Doch der Arm wirbelt keine Wagentüren durch die Luft, sondern türmt Ziegelsteine genau dort auf, wo das Computerprogramm sie platzieren will, um eine Mauer zu bauen. Als Raupenfahrzeug ausgerüstet, fährt der Roboter eigenständig – selbst auf einer Baustelle. «Dabei ist er so kompakt, dass er durch gängige Türöffnungen passt», erklärt Matthias Kohler, Professor für Architektur und Digitale Fabrikation an der ETH Zürich. Der Roboter steht in einer Laborhalle auf dem Campus Hönggerberg. Hier entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) Digitale Fabrikation neuartige Bauprozesse – ein Gebiet, auf dem die Schweiz eine Pionierrolle einnimmt. Matthias Kohler ist der Leiter des Forschungsschwerpunkts, den der Bund in einer ersten Phase bis 2018 mit 13,4 Mio. CHF unterstützt. Das Programm kann bis zu insgesamt zwölf Jahren finanziert werden.

Mit einer hundert Meter langen, plastisch geformten Ziegelsteinwand, die eine mobile Roboteranlage an der Architektur-Biennale in Venedig direkt vor Ort vorfertigte, sorgten der ETH-Professor und sein Forschungs- und Geschäftspartner Prof. Fabio Gramazio bereits 2008 für Aufsehen. Die Konstruktion zog sich als kontinuierliches Band durch den Schweizer Pavillon und demonstrierte, wie sich hoch spezifische Bauelemente flexibel, direkt auf der Baustelle und just-in-time herstellen lassen. Noch ist das roboterbasierte Bauen eine Ausnahme in der gegenwärtigen Baupraxis. Der NFS Digitale Fabrikation will dies ändern. «Auch die Schweizer Bauindustrie soll substanziell vom technologischen Fortschritt profitieren», sagt Matthias Kohler.

Keine Angst vor Roboterschwarm auf der Baustelle

In einem Pavillonbau gegenüber der Laborhalle sitzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Bereichen Architektur, Tragwerksentwurf, Material und Computerwissenschaftten, Eletrotechnik, Maschinenbau sowie Robotik gemeinsam in einem grossen Raum an ihren Arbeitsplätzen. Normalerweise seien die Forschenden in ihren einzelnen Instituten untergebracht, sagt Matthias Kohler. «Bei uns kommen alle Disziplinen zusammen, um eine gemeinsame Forschungskultur für das künftige Bauen zu etablieren. Ziel ist es, einen digitalen Wertewandel in der Baukultur herbeizuführen», meint er und freut sich auf den Neubau «Arch_Tec_Lab» des Instituts für Technologie in der Architektur (ITA), in dem in zwei Jahren sein interdisziplinäres Team untergebracht sein wird. Auf einem Entwurf ist zu sehen, wie mehrere Roboter mit ihren Greifarmen von der Decke herunterhängen. Diese Maschinen werden in der Lage sein, jeden Ort im Raum digital anzusteuern und unterschiedliche Bauprojekte im Realmassstab zu realisieren.

Gemeinsam mit einem interdisziplinären Forscherteam untersucht Prof. Matthias Kohler (Mitte) im Rahmen des NFS Digitale Fabrikation an der ETH Zürich neue digitale Bauprozesse.

Eine Armee von Robotern, die an unserer Zukunft baut? Für manche eine bedrohliche Vorstellung. «Keine Angst», meint der Architekt, «auf der Baustelle der Zukunft wird es immer Menschen geben.» Sie werden aber mit einem Schwarm intelligenter, flexibler Maschinen zusammenarbeiten. «Das ist unsere Zukunftsvision», fasst Matthias Kohler zusammen. Weil die Roboter ihre Umgebung wahrnehmen und schnell auf Veränderungen reagieren, verspricht er sich eine Abkehr von der starren Planung. Heute müssen Bauentscheide frühzeitig gefällt werden. Spätere Änderungen haben Termin- und Kostenfolgen. Mit flexiblen digitalen Baumethoden sollen Anpassungen ohne Qualitätsverlust und Aufpreis möglich werden. So konnten die Architekten den Entwurf der Wand für die Biennale in Venedig bis kurz vor Baubeginn verändern. Die digitale Konzeption gab ihnen die Freiheit, die Wand in beliebigen Linien durch den Raum zu führen und diese flexibel an die räumlichen Bedürfnisse anzupassen.

«Ich würde mir wünschen, noch mehr solche Entwürfe auf einer so radikalen Ebene weiterzuentwickeln», sagt Matthias Kohler. Das bisher wohl utopischste Gebilde, das er zusammen mit Fabio Gramazio entworfen hat, ist eine vertikale Stadt – ein 600 Meter hohes Hochhaus, das 30 000 Bewohnern Platz bietet. Beim Bau des Modells im Massstab 1:100 sorgten die beiden Forscher gemeinsam mit Prof. Raffaello D’Andrea vom Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik der ETH Zürich für eine Weltpremiere: Flugroboter transportierten Formteile aus Schaumstoff durch eine Ausstellungshalle und setzten sie aus der Luft an der richtigen Stelle ab. Die Installation fand 2011 am Zentrum für zeitgenössische Kunst im französischen Orléans statt.

Ressourcen sparen: bekannte Baustoffe, neue Verarbeitung

Die Experimente zum Aufbau von neuartigen Gebäudestrukturen laufen auch im Rahmen des NFS weiter. Für die Häuser der Zukunft will man nicht nur, wie heute üblich, einzelne Bauteile vorfabrizieren, sondern grössere Konstrukte wie Raumelemente oder Decken automatisch zusammenfügen, am besten direkt vor Ort. Dabei geht es auch darum, Ressourcen zu sparen.

Heute werden Bauteile beispielsweise oft überdimensioniert. Man bemisst ihre Dimension durchgehend nach dem grössten Lastfall, der jedoch nur an spezifischen Stellen auftritt. So wird ein erheblicher Anteil an Material unnötigerweise verbaut. Theoretisch könnte man Wände oder Decken mit Hohlräumen oder statisch optimierte Formen konstruieren, doch dazu bräuchte es bei der herkömmlichen Fabrikation unzählige Schalungen. «Wenn wir das richtige Material genau dort verbauen, wo es gebraucht wird, haben wir schon viel erreicht», sagt der Architekturprofessor. Dabei setzt er auch weiterhin auf bekannte Baustoffe wie Beton, Holz, Metall und Kunststoff, die aber durch die Möglichkeiten der digitalen Fabrikation anforderungsgenau verarbeitet werden und neue konstruktive Leistungsfähigkeiten erzielen.

In der Laborhalle auf dem Hönggerberg steht neben einer weiteren Maschine ein kunstvoll räumlich-geschwungenes Gitter aus dünnen, weissen Kunststofffäden – eine robotergewebte Schalung, die die Forschenden mit Beton füllen werden. Erste Experimente in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner zeigten erstaunliche Ergebnisse: Obwohl das von einem Roboter frei im Raum gedruckte Gitter extrem leicht ist, vermag es den hydrostatischen Druck einer meterhohen Betonsäule aufzunehmen. Zugleich verhindert die speziell anpassbare Geometrie des Gitters das Herausfliessen des Betons, sodass es als Freiformschalung eingesetzt werden kann. Nach den ersten erfolgreichen Versuchen mit Kunststoff wird das Team nun auf Metall umstellen – der Roboter soll nun Gitternetze flechten, die wesentlich zugbelastbarer als Kunststoff sind. «Wir drucken also nicht den Beton, sondern das massgebende, intelligente Element, das für dessen Formgebung und statische Leistungsfähigkeit sorgt», erklärt der Leiter des NFS Digitale Fabrikation. Weil es bei diesem Bauprozess keine Schalung braucht, lassen sich viel Material und entsprechend Kosten sparen. «Obwohl der Werkstoff immer noch Beton ist, führt dies zu einer radikalen Veränderung», zieht Matthias Kohler Bilanz. Die Schweizer Bauindustrie zeige bereits reges Interesse an diesem Projekt.

Mehr Freiheit für neue Ausdrucksformen

Für ein nachhaltigeres Bauen wollen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aber auch Abbruchmaterial für neue Gebäudestrukturen wieder verwenden. Dazu entwickeln sie roboterbasierte Bauprozesse, die es erlauben, mit einem Scanner einzelne Betonbrocken auszumessen und automatisch zu entscheiden, wo diese platziert werden sollen. Der Roboter baut also mit Baumaterial, das er anfänglich nicht kennt. Dass dies tatsächlich funktioniert, gilt es nun zu beweisen. Zu den ersten Zielen des NFS Digitale Fabrikation zählt zudem der Bau einer zweigeschossigen Wohneinheit im Forschungs- und Innovationsgebäude NEST, das von der Empa und der Eawag in Dübendorf errichtet wird. Der Spatenstich für NEST erfolgte im August 2014. Bis 2018 wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Forschungsideen gemeinsam vor Ort in die Praxis umsetzen.

Der Architekturprofessor ist überzeugt, dass die neuen Technologien, die er mit seinen Forschungskollegen entwickelt, nicht nur materielle Prozesse verändern, sondern auch zu einem baukulturellen Wandel führen werden. Als man Gusseisen verwenden oder grosse Glasscheiben und Spannbeton herstellen konnte, veränderte sich das architektonische Bild jeweils grundlegend. Neue Herstellungsabläufe würden auch das Entwerfen massgeblich beeinflussen, so Matthias Kohler. «Einer Maschine ist es egal, ob sie einen Herstellungsprozess immer genau gleich ausführt oder leicht abwandelt.» Daraus ergeben sich neue bauliche Freiheitsgrade, die beispielsweise komplexere Geometrien erlauben. «Es werden neue Ausdrucksformen entstehen», sagt Matthias Kohler. Dabei wird die Schweiz dank der Pionierarbeit an der ETH Zürich weltweit eine Führungsrolle übernehmen.