Basics des modularen Holzbaus
Praktische Überlegungen zur effizienten konstruktiven Umsetzung von modularen Holzbauten.
Die Popularität des Holzbaus steigt stetig, das zeigen die jährlichen Statistiken des Holzbau Deutschland Instituts. Gleichwohl wird auch der Modulbau für private, als auch öffentliche Bauherren zunehmend attraktiv. Die hohe Qualität und die geringe Bauzeit spielen hierbei eine besonders große Rolle. Viele der modernen modularen Holzbauten werden aus Brettsperrholz erbaut, jedoch möchten zunehmend auch kleinere Holzbauer in den Genuss der modularen Bauweise kommen. Viele Betriebe in Deutschland sind allerdings auf die Produktion von Tafelwänden ausgerichtet. In Rahmen dieser Artikelserie werden Vorschläge für die Anwendung von Holztafeln im Modulbau geliefert.
Gründe für den Modulbau
Das modulare Bauen bedeutet nicht, wie oftmals assoziiert, Plattenbau 2.0, sondern vielmehr individuell geplante Architektur für Gebäude, in denen sich eine gewisse Wiederholbarkeit einstellt. Das sind vor allem Schulen, Büros, Kindergärten, Hotels und teilweise auch Wohngebäude. Wenn solche Gebäude entsprechend geplant werden ist die Fertigung erheblich effizienter und qualitativ jeder anderen Bauweise voraus. Doch auf der anderen Seite ist gegeben der technischen Randbedingungen der Materialeinsatz höher. Das begründet sich durch die doppelschaligen Aufbauten. So kompensieren sich die Vorteile der Modulbauweise, zumindest in Kosten ausgedrückt, im Vergleich zum konventionellen Bauen wieder.
Der Modulbau ist aber die einzige Bauweise, welche die temporäre Aufstellung von Gebäuden ermöglicht. Als Holzmodulbau ausgeführt haben selbst einfache temporäre Gebäude einen Charakter, der Atmosphäre schafft. Für Firmen und Kommunen ist es oft von Interesse, Grundstücke nicht dauerhaft zu bebauen, um flexibel zu bleiben. Zudem ist die Wiederverwendung und Erweiterbarkeit beim Bauen mit Holzmodulen möglich.
Für Investoren oft von besonderem Interesse ist die Bauzeit. Hier punktet die Modulbauweise. Durch die effiziente Gestaltung der Fertigung können die Module in einer rapiden Geschwindigkeit produziert und montiert werden. Mehrere Stockwerke können im Werk der Modulbauer parallel gefertigt werden. Durch die schnelle und geräuscharme Montage sind Modulbaubaustellen nicht nur kurzweilig sondern äußerst leise. Lärm, Staub, Erschütterung und Gerüche werden reduziert. Nicht zuletzt drückt sich der zeitliche Vorteil für den Investor in Form kürzerer Doppelinvestitionen (Miete und Kredit) aus, denn die Zeit vom ersten Spatenstich bis zum bezugsfertigen Gebäude ist deutlich geringer.
Entwurf
Beim Entschluss der Projektbeteiligten für die Modulbauweise ist klar, dass der Entwurf einer modularen Logik folgen muss. Ein Entwurfsraster ist hier eine erste sinnvolle Leitlinie. Raummodule sind im Normalfall Quader. Sie haben also sechs räumlich angeordnete Flächenelemente. Diese sind eine (nicht) tragende Decke, ein (nicht) tragender Boden, zwei querseitige und zwei längsseitige Außen- beziehungsweise Innenwände. Im konstruktiven und fertigungstechnischen Sinn ist es am einfachsten, wenn eine Raumzelle auch alle eben genannten Elemente beinhaltet, also allseitig geschlossen ist. Im Regelfall entfallen jedoch einzelne Elemente, um geforderte Raumgrößen zu ermöglichen. Neben Öffnungen in Wänden, kommt es auch vor, dass für Treppen benötigte Treppenlöcher in der Decke ausgespart werden müssen.
Dabei ist stets darauf zu achten, dass die Module nicht nur die Standsicherheit im Gesamtgebäude haben, sondern auch für den Transport und den Hub angemessen steif und fest sind. Hierfür ist meist eine zusätzliche statische Betrachtung notwendig.
Doppelschalige Aufbauten: Eine weitere Besonderheit beim Bauen mit Raumzellen sind die doppelschaligen Wände und Decken. Um den Ausbau, gemäß einem hohen Vorfertigungsgrad zu verwirklichen und die Eigenlasten der Decken und Bodenelemente abzutragen, ist es notwendig, jedes Modul mit eigenen Wänden oder zumindest (temporären) Pfosten auszustatten. Für die Eigenlasten aus dem Bodenaufbau werden doppelschalige Decken verbaut, so kann der gesamte Fußbodenbelag im Werk aufgebracht werden, während an der Decke schon Installationen eingebracht werden können. Nur eine der beiden Decken ist tragend, wobei die andere nur sich selbst trägt oder zusätzlich noch den Bodenaufbau. Verschiedene Versuche vereinzelter Hersteller die doppelschaligen Elemente zu vermeiden, führten zu Schwierigkeiten beim Transport. Dort müssen dann temporär verstärkende Maßnahmen getroffen werden.
Welche Decke die tragende Funktion übernehmen soll, lässt sich nicht pauschal beantworten. Es lassen sich jedoch einige Entscheidungskriterien festhalten, welche der Tabelle entnommen werden können.
Natürlich können die tragenden Bauteile von Geschoss zu Geschoss variiert werden auch. Wie in der nachfolgenden Skizze gezeigt.
Spannrichtung der Decken: Wenn die Lastabtragung der Module über die Längswände realisiert wird, dann werden die Decken im Normalfall über die Breite gespannt. Falls die Module jedoch eine längsseitige Öffnung haben, benötigt die Raumzelle einen längsseitigen Unterzug, welcher je nach Spannweite und Breite des Moduls beträchtliche Dimensionen haben kann. Auch hier werden in einer Tabelle die maßgebenden Entscheidungskriterien zusammengefasst.:
Kombination aus Element- und Modulbau: Bei einigen Bauvorhaben ist eine Kombination von Modulbau und konventionellen Bauweisen sinnvoll. Wenn ein Gebäude nur teilweise in wiederholbare Bausteine aufgeteilt werden kann oder im Erdgeschoss große Spannweiten und Deckenhöhen gefordert sind, können die verschiedenen Bauabschnitte in unterschiedlichen Bauarten erstellt werden. Besonders vorteilig ist das Zusammenspiel einer konventionellen Bauweise und des Modulbaus, da der Bauablauf parallelisiert werden kann. Beispielsweise werden die ersten zwei Geschosse in Stahlbetonbauweise bauseitig erstellt und währenddessen werden die oberen Geschosse aus Modulen zeitgleich in der Fertigung produziert. Die Gesamtbauzeit minimiert sich folglich.
Prozesse und Vorfertigung
Wie oben schon erwähnt, ist es von besonderem Interesse die Bauvorhaben schnell abzuschließen und dementsprechend auch planerisch umzusetzen. Im Holzbau allgemein bekannt und trotzdem oftmals nicht beachtet ist die Trennung von Planung und Ausführung im klassischen Vergabeverfahren. Das ist in mehreren Hinsichten nachteilig. Die Ausführungsplanung des engagierten Planungsteams wird auf der Grundlage der Entwurfs- und Eingabeplanung vollständig mit Leistungsverzeichnis erstellt. Die Unternehmen, die auf die Ausschreibung reagieren sollen, haben meist aber interne Details und Knowhow. Darum können sie teilweise gar nicht richtig auf das detailliert ausgeschriebene Leistungsverzeichnis reagieren. Schlussendlich sind die der Ausschreibung zugrunde liegenden Prinzipien der Vergleichbarkeit wieder dahin. Deshalb sollte die Ausführungsplanung den ausführenden Unternehmen überlassen werden. Hierfür gibt es eine Lösung: die funktionale Ausschreibung. Bei der funktionalen Ausschreibung werden nur die Gestaltung und die Anforderungen an Schallschutz, Brandschutz und Haustechnik definiert, jedoch wird keine konkrete Ausführungsvariante festgelegt. So können alle Unternehmen auf die Ausschreibung reagieren, haben allerdings einen größeren Aufwand bei der Angebotserstellung.
Bei der Holztafelbauweise ist es selbstverständlich, dass die Projekte in 3D geplant werden. Dies ist historisch durch den CNC gesteuerten Abbund bedingt, denn die Daten für die maschinelle Bearbeitung werden aus dem 3D-CAD Programm abgeleitet. Das Zusammenwirken der Holzbauteile und deren komplexe Bearbeitung sind in einem 2D Plan kaum abzubilden. Somit gibt es vom Gesamtgebäude ein 3D Modell, welches über den Holzbau hinaus auch Daten anderer Gewerke beinhaltet. Bei einer detaillierten Planung des Gebäudes werden alle verbauten Komponenten geplant und entsprechend kalkuliert, bestellt und deren Zusammenbau simuliert. So ist auch die Koordination der an den Holzbau angeschlossenen Gewerke auf der Grundlage des Gebäudemodells möglich. Die Fremdgewerke wie Heizung, Sanitär, Lüftung und Elektro werden meist von den Holzmodulbauern beauftragt. Die entsprechenden Arbeiten werden dann in den Hallen der Modulbauer durchgeführt.
Fertigungsverfahren
Es gibt bei den Modulbauern verschiedene Philosophien in Bezug auf die Fertigungsrichtung bzw. Anordnung der Module in der Fertigung. Orientiert an der Automobilfertigung produzieren große Modulbauer in der Schweiz und in Österreich linienförmig und bringen das Werkstück (Raummodul) zum Handwerker und Werkzeug. Der kontinuierliche Materialfluss und die ständige Wiederholung ähnlicher, beziehungsweise gleicher Aufgaben an derselben Stelle können den Zeitbedarf minimieren und die Fertigungsgeschwindigkeit erhöhen. Dieses Verfahren ist sehr gut geeignet für räumlich geschlossene Module, da diese meist vollständig ausgebaut werden und somit viele Gewerke in Reihe geschalten werden könnten. Grundlage hierfür ist Serialisierung der Module, also ein Baukastensystem, damit die Stationen in der Fertigung nicht porjektbezogen umgestellt werden müssen.
Die Alternative zur Durchlauffertigung ist eine Art Werkstattfertigung. Die Module werden stationär zusammen- und ausgebaut. Vorteil dieser Fertigungsart ist, dass gewerkeübergreifende Teams zusammenarbeiten und sich somit für die Handwerker ein abwechslungsreiches Tätigkeitsfeld einstellt. Neben dem Wegfall der monotonen, sich wiederholenden Arbeitsschritte bekommen die Mitarbeiter ein umfassenderes Verständnis der am Bau tätigen Gewerke. Folglich steigen Knowhow und die Mitarbeiterzufriedenheit im Unternehmen.
Eine Mischform zwischen Fließband-, Werkstattfertigung und Lagerung ist die dritte Produktionsform im Modulbau. Hier werden die Wände im Durchlauf gefertigt, wie man es aus der klassischen Tafelbaubetrieben kennt. Es wird auf der Innenseite bis zum abgeschlossenen Trockenbau und auf der Außenseite bis zur fertiggestellten Fassade oder Dämmebene auf den Montagetischen gearbeitet. Zudem werden für die TGA schon Leerrohre und Abwasserleitungen eingebaut. Im Anschluss werden die Wand- und Deckenbauteile zum Modul, an einem dafür vorgesehenen Platz, zusammengebaut. Anschließend werden die Module, gemäß der späteren Anordnung auf der Baustelle in der Montagehalle zusammengestellt. Der große Vorteil hierbei ist, dass der Ausbau fast vollständig abgeschlossen werden kann, auch wenn die Module nicht vollständig geschlossen sind. Die ausgebauten Module haben für die TGA entsprechende Übergabepunkte. Die Leitungen werden am Übergabepunkt vor dem Abtransport durchtrennt und an der Baustelle wieder verbunden. So können auch große Räume über mehrere Modulbreiten fast vollständig ausgebaut werden.
In der Modulbauweise werden die Bäder oft selbst in modularer Bauweise von Fremdfirmen bezogen. Die Sanitärzellen werden am Bestimmungsort in der Fertigung eingebaut. So können die längeren Trocknungszeiten des Trockenbaus in Nassräumen aus der Modulbaufertigung ausgelagert werden.
Spannungsfelder
Die Ausbaustufen der verschiedenen Produzenten unterscheiden sich stark. Vom Rohbau bis zum fertig ausgebauten Modul wurden schon verschiedenste Projekte realisiert. Die Rentabilität der Modulbauweise ist stark abhängig vom Vorfertigungsgrad. Die Ausbaustufe und die Kostendegression durch industrialisierte Fertigung sind also umgekehrt proportional. Zudem ist der Transport ein großer Kostentreiber. Im nachfolgenden Schaubild sind die Spannungsfelder im Modulbau dargestellt.
Bauseitige Verbindungen der Module
Die nachfolgenden Überlegungen entstammen maßgeblich der Entwicklungsarbeit der HB Brett Holzbau KG. Der wichtigste Parameter für die Geschwindigkeit der Montage und entsprechend auch für die Ausbaustufe ist die Verbindung der Module auf der Baustelle. Die Verbindung muss Anforderungen in den folgenden vier Bereichen gerecht werden. Die beschriebenen Verbindungen sind ausgehend von modulübergreifenden Räumen und einer möglichst hohen Ausbaustufe formuliert.
Bauphysik: Die Module haben immer einen diffusionsoffenen Wandaufbau nach außen. Dementsprechend muss die luftdichte bzw. dampfbremsende Schicht verbunden werden. Dies geschieht durch das Anbringen der OSB Platten im Stoßbereich und dem anschließenden Verkleben der Stöße zwischen den OSB Platten. Im mehrgeschossigen Holztafelbau ist es oft notwendig mit Gipsfaser oder Zementfaserplatten zu beplanken. In dem Fall muss anstatt der OSB Platte eine Dampfbremsfolie angebracht und verklebt werden. Am Auflagerpunkt der Decken wird eine Dampfbremsfolie an der Decke entlanggeführt und im oberen Stockwerk mit der dortigen Dampfbremsfolie verbunden.
Statik: Eine besondere Herausforderung ist die statische Verbindung der Module, da in einem optimalen Ausbauzustand nur ein kleiner Bereich bleibt, um die Module bzw. die Wände statisch zu koppeln. Aus zahlreichen Projekten ist zu erkennen, dass Zugverbindungen sehr selten genau am Modulstoß liegen. Dass heißt entweder ordnet man die Zugverbindungen so an, dass die Verbindungsmittel über die Fassade eingebracht werden, oder man muss lokal den schon abgeschlossenen Trockenbau oder gar Malerarbeiten ausbessern. Beim Entwurf kann also bedacht werden, Zugverbindungen möglichst an Stellen einzuarbeiten, bei denen der Trockenbau oder das Anbringen der Fassade ohnehin bauseitig abgeschlossen werden muss.
Die Zugverbindungen, welche oft für die Aussteifung im mehrgeschossige Holzbau für die Aussteifung benötigt werden, basieren meist auf Stahlformteilen mit mehrschnittigen Stabdübelverbindungen. Die Stabdübel werden nach dem Einfahren der Module in die Stahlbleche eingeschlagen. Um den bereits fertiggestellten Trockenbau nicht zu beschädigen, können die Stabdübel auch von außen in die auf Zug belasteten Bauteile eingeschlagen werden. Bei aussteifenden Innenwänden oder bei doppelschaligen, aussteifenden Wänden ist der Zugang zu den Stabdübelverbindungen nur von innen möglich und der Trockenbau wird so zwangsläufig verletzt. An den Stoßstellen können durchgehende GF-Streifen angebracht und verklammert werden, um die Schubkräfte zu übertragen.
Optik: Die Module werden an den Stoßstellen mit Passstücken für Böden, Wänden und Decken aus den entsprechenden Materialien verbunden. Durch die modulübergreifende Verbindung können kleine, montagebedingte Ungenauigkeiten ausgeglichen werden. Anschließend können die zwei am Modulstoß parallel verlaufenden Fugen verspachtelt und der Putz oder die Tapete aufgetragen werden. Falls das Brandschutzkonzept es zulässt, können auch Passstücke aus Holz eingesetzt werden. Bevor der Bodenbelag an der Stoßstelle eingebracht wird, wird auch der Trockenestrich um das fehlende Stück ergänzt. Wenn auch beim Fußbodenbelag Passtücke eingelegt werden sollen, muss dieser geklebt werden, um einen sauberen Übergang zu gewährleisten
Haustechnik: Vor allem Strom-, Heizungs- und Lüftungsleitungen verlaufen grundsätzlich durch mehrere Module. Die Module können, wenn es das Fertigungsverfahren zulässt, für die haustechnischen Installationen schon im Werk zum Gesamtgebäude oder in Gebäudeabschnitte zusammengesetzt werden. Die haustechnischen Installationen werden dann ohne Berücksichtigung der Modulgrenzen im Werk vorgenommen. Nach der Installation aller Leitungen, werden diese an den Modulgrenzen wieder durchtrennt. An der Baustelle werden die Leitungen dann abschließend zusammengeführt und nach Herstellerangaben verbunden. Dies kann für die Elektroinstallation durch kluge Steckverbindungen schnell abgewickelt werden. Dazu dienen speziell entwickelte Koppelmodule. Die Verbindung von Wasser-, Luft- und Heizungsleitungen werden mit verkaufsüblichen Schiebemuffen verbunden. Hier ist zu beachten, dass die Leitungsenden ausreichend Bewegungsspiel für das Überschieben der Muffen besitzen.
Ausblick
Ich hoffe auch mit diesem Artikel neue Einblicke zu liefern und freue mich über Feedback. Im nächsten Artikel berichte ich über die verschiedenen Modelle, um Module zu transportieren und für den Hubvorgang sich aufzubauen
