Intelligente Modularisierung für den skalierbaren Betonbau durch Adaption der Methoden zur Baukastenentwicklung

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Albert Albers, Institut für Produktentwicklung, Karlsruher Institut für Technologie
Prof. Dr.-Ing. Alexander Stark, Institut für Massivbau und Bautechnologie, Karlsruher Institut für Technologie

Wissenschaftliche Mitarbeiter

Niklas Frank M.Sc., Institut für Produktentwicklung, Karlsruher Institut für Technologie
Felix Hofmann M.Sc., Institut für Massivbau und Bautechnologie, Karlsruher Institut für Technologie

Beschreibung des Projekts

Durch den Einsatz von Baukastensystemen in Kombination mit einer seriellen Fließfertigung von Betonfertigteilen aus Hochleistungswerkstoffen kann das Modulare Bauen eine wirtschaftliche und ressourcenschonende Alternative zur herkömmlichen Stahlbetonbauweise bieten. In der ersten Förderphase wurden die im Maschinenbau bereits etablierten Methoden zur Baukastenentwicklung auf das Bauwesen übertragen und ein exemplarischer Baukasten zur Realisierung biegesteifer Rahmenkonstruktionen mit regelmäßigen Grundrissen entwickelt. Unter Anwendung einer Optimierungsmethode konnte hierbei eine effiziente Baukastenarchitektur, die eine hohe externe Vielfalt (unterschiedliche Gebäudeentwürfe) bei einer gleichzeitig begrenzten inneren Vielfalt (möglichst wenige Modulausprägungen) aufweist, erreicht werden. Zur Gewährleistung der Kraftübertragung zwischen den einzelnen Bauteilen wurde in Form einer vorgespannten Trockenfuge mit Zusatzelement eine standardisierte und praktikable Schnittstelle entwickelt.
Im Zuge der zweiten Förderperiode soll das bereits vorhandene Baukastensystem so erweitert werden, dass mit diesem auch die Errichtung gekrümmter Strukturen (sowohl im Grund- als auch im Aufriss) möglich ist. Hierdurch werden die Voraussetzungen für individualisierte Gebäudeentwürfe mit einer breiten architektonischen Vielfalt geschaffen. An den Kraftfluss angepasste Tragstrukturen, wie bspw. Schalenkonstruktionen, erlauben zudem einen deutlich effizienteren Materialeinsatz. Die geplante Erweiterung umfasst (geradlinige) stab- und plattenförmige Regelmodule sowie Zwischenbauteile, die eine Umlenkung der Spanngliedführung herbeiführen. Durch Kombination dieser Bauteile lassen sich unterschiedliche Krümmungen realisieren.
Der Fokus des Forschungsvorhabens auf Seiten des Instituts für Massivbau und Baustofftechnologie (IMB) – Abteilung Massivbau ist die Untersuchung von Knotenpunkten aus Hochleistungswerkstoffen unter mehraxialer Beanspruchung sowie die Erforschung von Materialien, Spann- und Fugentechniken für die Errichtung tragfähiger gekrümmter Strukturen. Im Hinblick auf einen möglichst einfachen und schnellen Bauprozess sollen durch Vorspannung selbsterrichtende Konstruktionen untersucht werden. Die hieraus resultierenden erhöhten Anforderungen an die Trockenfugen machen zudem eine Weiterentwicklung der standardisierten Schnittstelle erforderlich.
Der Fokus seitens des IPEK – Institut für Produktentwicklung liegt auf der Erweiterung der Optimierungsmethode zur Berücksichtigung von gekrümmten Strukturen. Da sich in der ersten Förderperiode die Verfügbarkeit realer Gebäudedaten als Input für den Optimierungsalgorithmus als Herausforderung darstellte, wird ein Generative-Design-Ansatz zur Erzeugung künstlicher Gebäudedaten erforscht. Außerdem soll eine Methodik zur Identifikation von Sonderbausteinen entwickelt und die grundlegende Baukastenarchitektur (Module und Modulvarianten) für Skelettbauten mit gekrümmten Strukturen erarbeitet werden.
Die Erfüllung der Teilziele dieses Forschungsvorhabens ermöglicht eine Ressourcen-, Zeit- und Baukosteneinsparung. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit beider Institute fördert den Wissensaustausch und -transfer zwischen Institutionen der Produktentwicklung und des Massivbaus.

Informationen zur Förderperiode 1