Systembaukasten für den Wohnungsbau: Bauen mit Weitblick

Systembaukasten für den Wohnungsbau: Bauen mit Weitblick

Titelthema

Systembaukasten für den Wohnungsbau: Bauen mit Weitblick

Text: Markus Lechner & Stefan Winter | Foto (Header): © BAUEN MIT WEITBLICK/TUM

Die Urbanisierung und damit das Wachstum der Ballungsräume sind in Deutschland dem weltweiten Trend entsprechend ungebrochen. Politik und Wohnungswirtschaft stehen unter großem Druck, sozial verträglichen Wohnraum zu schaffen. Aus diesem Grund beschäftigte sich das Forschungsvorhaben Bauen mit WEITBLICK mit dem Thema des industriellen Bauens für den mehrgeschossigen sozialen Wohnungsbau.

Auszug aus:

Das ist zugegebenermaßen eine alte und wiederkehrende Fragestellung: Le Corbusier (Vers un architecture, 1923), Gropius und Wachsmann (General Panel System, 1941) oder in neuerer Zeit Kieran und Timberlake (Refabricating Architecture, 2003) haben sich, um nur einige prominente Beispiele zu nennen, mit diesem Thema beschäftigt. Warum also noch ein Vorhaben, das sich mit dieser Fragestellung beschäftigt? Die Antwort lautet: Weil es immer noch die gleichen Probleme sind, die in unserer Gesellschaft und dem Bauwesen bestehen: Akuter Mangel an Wohnraum zu erschwinglichen Preisen in den Ballungsräumen, hohe Produktionspreise, individualisierte Planungen (one-design) ohne Serieneffekte, Kapazitätsengpässe bei Planenden und Produzierenden, hoher Mangel an qualifizierten Arbeitskräften, keine durchgehende recyclinggerechte Bauweise und ein enormer Verbrauch an endlichen Ressourcen.

Serielles und industrielles Bauen

Um Missverständnisse zu vermeiden, ist eine kurze Zusammenfassung der Definitionen sinnvoll.

INDUSTRIELLES BAUEN
Industrielles Bauen ist die Kombination von verfahrenstechnischen und strategischen Maßnahmen. Verfahrenstechnisch lässt sich dies durch standardisierte Bauverfahren, Bauteile und Baustoffe, den Einsatz vorgefertigter Bauteile oder durch die zunehmende Automatisierung auf Baustellen (Bauroboter) realisieren. In strategischer Hinsicht besteht industrielles Bauen aus einem optimierten Produktions- und Angebotsprogramm, der Unterstützung bei der Planung neuer Bauprojekte und einer verstärkten Vorbereitung der Arbeitsprozesse. Diese Strategien lassen sich durch den Einsatz von CAD- und CIM-Systemen, einer prozessorientierten Organisation und neuen Kooperationsnetzwerken umsetzen. [1]

BAUKASTENSYSTEM
Ein Baukastensystem ist ein Ordnungsprinzip. Es besteht aus einer Anzahl von Bausteinen, die anwendungsspezifisch ausgewählt und unter Beachtung von Verträglichkeiten miteinander kombiniert werden, um in einem begrenzten Anwendungsbereich Baukastenprodukte zu konfigurieren. Beim Konfigurieren werden Bausteine nach einem vorgedachten Zweck angeordnet, ohne ihre Gestalt zu verändern. [2]

Im Forschungsprojekt Bauen mit WEITBLICK [3] wurde zu industriellem Bauen mit Baukastensystemen folgende Frage untersucht: Mit einer bestimmten Anzahl an vorkonfektionierten „Bausteinen“ – sog. Baugruppen (BG) – soll die Errichtung individueller, mehrgeschossiger Wohngebäude auf unterschiedlichen Grundstücken realisiert werden können. Die „Bausteine“ sollen für unterschiedliche Gebäude weitestgehend unverändert bleiben. Sie umfassen alle wesentlichen Bestandteile eines Gebäudes (Rohbau, Ausbau, TGA). Alle „Bausteine“ müssen seriell und industriell produzierbar sein, und die Organisationsstruktur, Projektorganisation sowie die Prozess- und Systemlandschaft des Systembaukastens müssen den Erfordernissen des industriellen Bauens folgen. Die „Bausteine“ können als Module, als Tafelelemente oder als Kombination vorgefertigt werden.

Vergleich der Schnittstellen und deren Abhängigkeiten: Automobil – Straße vs. Gebäude – Grundstück
ABBILDUNG: BAUEN MIT WEITBLICK/TUM

Produktarchitektur Systembaukasten für den sozialen Wohnungsbau
ABBILDUNG: BAUEN MIT WEITBLICK/TUM

Herausforderungen im industriellen Bauen

Forschungen zu industriellem Bauen haben sich in der Geschichte häufig an anderen Industrien orientiert, z. B. dem Automobil‑, Schiffs- und Flugzeugbau, da hier aus zumindest zum Teil standardisierten Industrieprodukten zunächst Baugruppen gebildet werden, die dann mit unterschiedlichen (Teil-)Vorfertigungsgraden zu komplexen Strukturen zusammengesetzt werden.

Ein wesentlicher Unterschied ist jedoch: Flugzeug- und Automobilbau ermöglichen zwar in gewissen Bereichen eine Individualisierung des Produkts, die Produkte bleiben aber in der äußeren Form und in der Komposition der Technik unverändert. Zudem sind die Produkte mobil, also nicht an einen Standort gebunden, und müssen sich demzufolge nicht an standortspezifische Randbedingungen anpassen. Ein Gebäude muss sich jedoch dem individuellen Bauort anpassen und ist immobil. Die Grundstücke weisen wechselnde Randbedingungen auf (Grundstückszuschnitt, Baugrund, städtebauliche Situation, baurechtliche Anforderungen, gestalterische Besonderheiten). Ein Systembaukasten für den sozialen Wohnungsbau muss also auf die wechselnden Randbedingungen reagieren können.

Methodik für Systembaukästen: Aufbau und Struktur

Der Wohnungsbau, speziell der geförderte, ist ein komplexes System aus technischen (auch produktionstechnischen), sozialen, ökologischen, wirtschaftlichen und architektonischen sowie stadtplanerischen Zusammenhängen. Beginnt man, dieses System aufzuschlüsseln und die wechselseitigen Beziehungen darzustellen, wird deutlich, dass ein Systembaukasten ohne eine drastische Reduzierung der Komplexität selbst unter  en heutigen Möglichkeiten der Digitalisierung nicht oder nur mit einem großen Aufwand erstellt werden kann. Im Forschungsprojekt Bauen mit WEITBLICK hat man sich deshalb vorerst auf einen Systembaukasten für Stadterweiterungsgebiete („grüne Wiese“) konzentriert.

Für die Transformation der Funktions- in die Produktstruktur wurde als methodisches Lösungsprinzip die Anwendung von Baugruppen gewählt. Dieser Ansatz wird in anderen Industrien erfolgreich angewendet und wurde hier auf das Bauwesen adaptiert. [4]

Zwei unterschiedliche Ansätze wurden verfolgt: Die Systematik der Baugruppe-Gebäude (BG-G) und die Systematik der Baugruppe-Typengeschoss (BG-T). Der übergreifende Ansatz lautet: Mit einer definierten Menge an unterschiedlichen und unveränderbaren Baugruppen ist es möglich, bauaufgabenbezogene, individuelle Gebäude bei vollständiger Kostentransparenz und abgesicherter Baubarkeit abzubilden.

Eine Baugruppe ist eine vollständig (digital) dargestellte Einheit von Wohnungen, die alle Elemente des Roh- und Ausbaus und der Technischen Gebäudeausrüstung beinhaltet. An ihren Grenzen sind alle Übergänge zur nächsten Baugruppe vollständig definiert, beispielsweise Trennwände, Decken, Dächer. Eine Baugruppe bildet mindestens eine Wohnung (Baugruppe-Wohnung, BG‑W) ab, im Regelfall aber mehrere über- oder nebeneinanderliegende Wohnungen. Als Baugruppen-Gebäude (BG-G) werden dreidimensional zusammengefasste Wohnungseinheiten bezeichnet, als Baugruppe-Typengeschoss (BG-T) zweidimensionale, geschossweise Zusammenfassungen von Baugruppen-Wohnungen (BG-W).

Aus einer begrenzten Anzahl von Baugruppen werden die üblichen Gebäudetypologien entwickelt, wie Mittelflur, Zwei- und Vierspänner, Laubengang, Kernerschließung. Die Baugruppen sind über Konfiguratoren abzubilden, welche die Planung mit genau den verfügbaren Baugruppen erlauben.

Die Maßsystematik der Baugruppen sollte zwar möglichst weitgehend den üblichen Rastermaßen der verwendeten Baustoffe folgen, muss aber nicht unbedingt einem festen Modulmaß entsprechen. Baugruppen für Eckwohnungen können deutlich andere Breiten aufweisen als Mittelwohnungen. Fenstergrößen, Brüstungshöhen oder Fassadenausführung sind in festgelegten Grenzen parametrisiert, die jeweiligen Grenzen und Möglichkeiten sind vom spezifischen Bausystem abhängig.

Die einfachste Kombination von Baugruppen ist das Stapeln gleicher sortenreiner Baugruppen-Wohnungen übereinander (BG-G-So). Allerdings ist damit meist nicht der gewünschte Wohnungsmix erreichbar. Es müssen daher auch Wohnungen unterschiedlicher Größe übereinander und überlappend angeordnet (BG-G-NSo) und so Baugruppen-Gebäude gebildet werden können. Die Baugruppen-Gebäude stellen also größere, dreidimensionale Planungseinheiten dar, für welche die Passung der verwendeten Baugruppen-Wohnung schon geprüft ist.

Baugruppen können abgeschlossen in BIM-Systemen abgebildet werden, in diesem Fall ein lohnender Aufwand. Sie sind durch ergänzende Baugruppen-Anbauten (BG-A) wie Balkone, Laubengänge oder Solarpaneele erweiterbar. Die Koppelpunkte für die Anbauteile/Accessoires sind geometrisch und bezüglich der Tragfähigkeit fest definiert. Die Ergänzungen sind einfach konfigurierbar oder bei Bedarf neu zu entwickeln.

Planungssystematik mit Baugruppen

Baugruppen können immer nur in einer Bauweise entwickelt werden, also z. B. in Beton-Modulbauweise oder Holzmassiv-/Holztafelbauweise. Eine Mischung würde eine zu hohe Parametrisierung zur Folge haben, die auch mit heutigen Computersystemen noch nicht zu bewältigen ist. Entsprechend den Randbedingungen der Bauweise werden unterschiedlich typisierte Wohnungen (1- bis 5-Zimmer-Wohnung) als BG-W entwickelt und damit ein Katalog von Grundrissen für einen Systembaukasten. Ausgehend davon werden die Wohnungsgrundrisse (BG-W) zu  Baugruppen-Gebäuden (BG-G) oder Baugruppen-Typengeschossen (BG‑T) zusammengefasst.

Kombination von BG-W zu BG-G oder BG-T
ABBILDUNG: BAUEN MIT WEITBLICK/TUM

Planungssystematik mit Baugruppen-Gebäude
ABBILDUNG: BAUEN MIT WEITBLICK/TUM

Planung mit Baugruppen-Gebäude (BG‑G)

Für eine Bauaufgabe werden die BG-G entsprechend den grundstücksabhängigen Randbedingungen zu Gebäudetypologien konfiguriert. Dazu werden noch Erschließungsbaugruppen (BG-E) benötigt, welche die gängigen Typologien wie Spänner, Punkthaus, Laubengang und Mittelflurtyp abbilden.

Planung mit Baugruppen-Typengeschoss (BG-T)

Bei der Planung mit Baugruppen-Typengeschossen sind die einzelnen Wohnungsbaugruppen (BG-W) zu Typen- oder Regelgeschossen zusammengefasst. Baugruppen-Typengeschosse sind Anordnungen von Wohnungen, die unter Berücksichtigung des Baurechts (Fluchtwege) und der Wirtschaftlichkeit (Anzahl der Treppen und Lifte, TGA) optimiert sind. Sie können damit bereits für die Entwicklung der städtebaulichen Konfigurationen herangezogen werden. Im Gegensatz zu BG-G sind BG-T für jeden Gebäudetyp separat zu entwickeln.

Je Bauweise kann mit einer begrenzten Anzahl von Baugruppen gestartet werden, je nach Bedarf können später in einem Konfigurator weitere Baugruppen ergänzt werden. Die dafür erforderliche Software liegt im Prinzip im Markt vor. Dass die beschriebenen Baugruppen tatsächlich zu unterschiedlichsten Gebäuden konfiguriert werden können, wurde im Forschungsprojekt nachgewiesen.

Open Source Systembaukästen

Einer der (auch historischen) Fehler bei der Weiterentwicklung industriellen Bauens ist die – teilweise stillschweigende – Annahme, ein industrialisiertes Bausystem sei an ein spezifisches (Bau-)Unternehmen gebunden und müsse entsprechend weitgehend vollständig aus einer Hand angeboten werden. In der Folge wird angenommen, dass der Hersteller des Bausystems gleichzeitig als Generalunternehmer auftritt. Diese Annahme lag zunächst auch dem Forschungsvorhaben Bauen mit WEITBLICK zugrunde, u. a., um entsprechende Kostenberechnungen und Kostensicherheit generieren zu können. Für die Entwicklung eines firmenspezifischen Systembaukastens sind jedoch hohe planerische Aufwendungen erforderlich und je nach vorgesehenem Vorfertigungsgrad hohe Einzelinvestitionen. Aufgrund der hohen Anfangsinvestitionen sind damit schnelle Kosteneffekte nicht zu erwarten, da die anbietenden Unternehmen in einem Markt hoher Nachfrage den Regeln freier Marktwirtschaft folgen und versuchen, ihre Investitionen möglichst rasch und risikoarm zu amortisieren. Ein weiterer Nachteil: Bereits ab der Vorplanung müssen sich Bauherr und Planer auf einen Anbieter fokussieren, mit den bekannten Schwierigkeiten bei der Notwendigkeit öffentlicher Vergabeverfahren.

Aufbauend auf den Ergebnissen dieses Vorhabens wird daher angestrebt, im nächsten Schritt bauweisenspezifische, aber hersteller- und bauproduktneutrale Systembaukästen (Open Source Systembaukästen) zu entwickeln. Die konstruktive Entwicklung von Open Source Systembaukästen erfolgt für einen ubiquitären Konstruktionsraum: Alle Bauteilaufbauten oder Details werden so entwickelt, dass diese von möglichst vielen Unternehmen angeboten werden können. Dadurch können bereits vorhandene Fertigungskapazitäten des Handwerks und der Bauindustrie genutzt werden. Flächendeckend vorhandene Produktionskapazitäten sind beispielsweise in Betonfertigteilwerken und im Holzbau vorhanden. Sie können für Open Source Systembaukästen in Betonfertigteilbauweise, Holztafelbau oder eine hybride Mischung daraus ggf. in Kombination mit Fertigbadmodulen genutzt werden. Die hohen Anfangsinvestitionen in neue Produktionskapazitäten würden damit entfallen. Open Source Systembaukästen sollen mittels Konfiguratoren durch unabhängige Planer verwendet werden können. Die vollständigen Werkstattzeichnungen sind aus solchen Konfiguratoren ebenfalls zur Verfügung zu stellen, Anpassungsplanungen entfallen damit. Ein wesentlicher Vorteil eines oder mehrerer Open Source Systembaukästen aus ubiquitär verfügbaren Bauweisen wäre eine nach den Regeln öffentlicher Vergabe  konfliktfreie Ausschreibung. Zu klären ist allerdings, wer die abschließende Koordination der Bauabwicklung übernimmt (eine neue Aufgabe für Architekten?) und wie genau die vertragliche Gestaltung von Planungs- und Ausführungsvereinbarungen auszusehen hat.

Ideal ist ein Open Source Systembaukasten, der von einer unabhängigen Organisation getragen wird und der weitere Entwicklungen und Ergänzungen weiterer Baugruppen zulässt – damit wäre eine echte Industrialisierung erreicht. Die Unabhängigkeit von Einzelfirmen könnte zudem die Akzeptanz bei Planenden deutlich erhöhen und insbesondere Generalplanern ein sinnvolles Aufgabengebiet geben. Denn im Regelfall sind ohnehin zu den Systembaukästen Zusatzleistungen erforderlich, von der Außenanlagenplanung bis zur Tiefgarage. Über eine Plattform, die ähnlich der Strombörse auch zur Abwicklung von Angebot und Nachfrage dienen kann, können die bei der Anwendung von Konfiguratoren notwendigen Preisallokationen erfolgen, um eine sofortige erste Preisangabe zu erreichen. Auf der Plattform werden die Bestandteile des Systembaukastens (Baugruppen) zur Verfügung gestellt und durch die Anwender, nach vorheriger Konformitätsprüfung, laufend erweitert.

Für den Betrieb des Systembaukastens müssen langfristig Hersteller von Bauteilen des jeweiligen Bausystems über Technikmodule bis hin zu qualifizierten Montagebetrieben zur Verfügung stehen.

Umdenken

Kostengünstiger Wohnraum kann mit der aktuellen Produktionskapazität und einem architektonischen Anspruch realisiert werden. Um die Industrialisierung des Bauwesens flächendeckend umzusetzen, ist ein Umdenken auf allen Seiten erforderlich: Planer müssen lernen, mit stärker vorgegebenen Randbedingungen umzugehen, und ihre Kreativität zur Gestaltung mit diesen Systemen nutzen; Ausführende müssen lernen, ihre Position auf dem Markt nicht durch das „firmeneigene“ Produkt zu stärken, sondern durch eine Produktions- und Leistungsoptimierung, die sich auf Preis, Qualität und Lieferfähigkeit auswirkt; Bauherren müssen lernen, andere Optimierungsstrategien anzuwenden – die erreichbare GFZ kann nicht mehr neben dem Preis das alleinige Entscheidungskriterium sein, Ausführungsqualität und -geschwindigkeit und die standardisierte Anwendung von Lebenszykluskosten-Analysen sind zu berücksichtigen. Und Bund/Länder müssen die regulatorischen Rahmenbedingungen für industrielles Bauen z. B. durch eine Vereinheitlichung und Flexibilisierung der Förderkriterien schaffen.

Danksagung
An dieser Stelle möchten wir dem Projektträger der Forschungsinitiative ZukunftBAU, dem Bundesinstitut für Bau‑, Stadt- und Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR) für die Projektfinanzierung von Bauen mit WEITBLICK (SWD-10.08.18.7-15.55) danken. Ebenso möchten wir den Drittmittelgebern (Kommunale Wohnungsgesellschaft mbH Erfurt, Max Bögl Modul AG, Regnauer Fertigbau GmbH & Co. KG) sowie den wissenschaftlichen Projektpartner (Dr. Joachim Brech, Fraunhofer Institut für Bauphysik, Lehrstuhl für Industrial Design, Professur für Entwerfen und Holzbau, Lehrstuhl für Gebäudetechnologie und klimagerechtes Bauen) für ihre Beiträge und die erfolgreiche Zusammenarbeit danken.

Literatur


[1] Bärthel, Jan: Industrielles Bauen. Leitfaden für KMUGeschäftsführer Zürich 2002

[2] Kohlhase, Nils: Strukturieren und Beurteilen von Baukastensystemen, Düsseldorf 1997

[3] Winter, Stefan, Lechner, Markus et al.: Bauen mit WEITBLICK – Systembaukasten für den industrialisierten sozialen Wohnungsbau, Abschlussbericht, TU München, München 2018; www.bauen-mitweitblick.tum.de

[4] Borowski, Karl-Heinz: Das Baukastensystem in der Technik, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1961

Die Autoren


M. Sc. Markus Lechner
M. Sc. Markus Lechner ist Zimmermeister und staatlich geprüfter Bautechniker. Anschließend studierte er Bauingenieurwesen an der TUM und ist seit 2016 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion der TUM.

Prof. Stefan Winter
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Winter ist seit 2003 Ordinarius für Holzbau und Baukonstruktion an der TUM. Er ist Prüfingenieur für Baustatik und Gesellschafter eines mittelständischen Ingenieurbüros.

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