Wenn Philippe Block von der geschwungenen Betonschale erzählt, erhält der Zuhörer den Eindruck, hier sei etwas Besonderes geschaffen worden. Der ETH-Professor für Architektur und Tragwerk steht neben einer Dachkonstruktion, die in der weiten Halle des Robotic Fabrication Laboratory auf dem Hönggerberg etwas Sakrales ausstrahlt. Der Besucher wähnt sich je nach Position unter einem Kreuzgewölbe, das nach eigenen Gesetzmässigkeiten entstand.

«Warum nur werden heute so schwere Dächer gebaut?», fragt der belgische Ingenieur. Das Betondach in der Halle liegt auf fünf Auflagepunkten. Die Konstruktion ist im Durchschnitt nur 5 Zentimeter dick. Sie überspannt eine Fläche von 122 Quadratmetern und wiegt nicht mehr als 20 Tonnen. Im Vergleich zu gängigen Bauweisen ist das ein ultraleichtes, fili­granes Produkt.

Die ETH-Forschenden der Block Research Group bedienen sich im Prinzip einer in den letzten Jahren vergessenen Bauform. Der Schweizer Bauingenieur Heinz Isler verblüffte 1968 mit zwei über 30 Meter langen, gewölbten Dreiecken aus Beton, welche die Autobahnraststätte Deitingen-Süd bis heute überdecken. Diese Bauart eignet sich bei langen Distanzen und grossen Flächen. Isler realisierte weltweit über 1400 Bauwerke dieser Art. «Leider sind Betonschalen heute selten geworden, sie sind zu teuer», sagt Philippe Block. Vor allem die Konstruktion der Schalung aus Holz oder Schaumstoff ist zeitaufwendig, kostspielig und materialintensiv.

Alte Methode radikal optimiert

Die ETH-Ingenieure entwickelten nun eine viel günstigere Konstruktionsmethode und verhelfen dem Beton-Leichtbau möglicherweise zu einer Renaissance. Sie liessen sich auch hier von vergangenen Baumeistern inspirieren. Zum Beispiel von James Hardress de Warenne Waller. Als Stahl und Holz während des Zweiten Weltkriegs rar wurden, erfand der irische Ingenieur ein System, das massiv weniger Baustoffe verlangte. Er verwendete anstelle von Stahlarmierungen schmale Holzbögen als Verstärkung. Zwischen die Holzträger wurden Juteblachen gespannt. Je nach Bespannungsstärke und Betonmenge, die auf dem Gewebe ausgebracht wurde, entstanden entsprechende Dachwölbungen.

Die ETH-Forscher optimierten nun dieses Verfahren dank moderner Computertechnik radikal. Sie entwickelten eine verstellbare Seilnetztechnik, mit der sich eine Trägerstruktur für aussergewöhnliche Leichtbau-Dachformen konstruieren lässt. Das Geflecht aus Stahlseilen ersetzt die üblichen Holzverschalungen. «Für das Rolex Learning Center der ETH Lausanne brauchte es monatelange Zuschnitt- und Installationsarbeiten, um die Holzverschalungen für die Betondächer zu bauen», sagt Block. Nachher bleibe die Verschalung wenige Wochen bestehen, bis der Beton trocken sei – und werde schliesslich entsorgt. «Das ist ein grosser Zeit- und Materialverschleiss.»

Bei der Seilnetzmethode ist das anders: Das Stahlseilnetz ist leicht, einfach transportierbar und kann nach dem Bau erneut verwendet werden. Steht das Geflecht einmal, wird eine textile Plane aus Polymer darauf gespannt. Auf diese Schalung wiederum wird der Beton verteilt. Es ist eine geheime Mischung, die so zähflüssig sein muss, dass sie an den vertikalen Dachstellen haften bleibt. Spezialisten der Firmen Bürgin Creations und Marti spritzten sie mit einer eigens entwickelten Methode für den Dachprototyp im Massstab 1:1.

Die grosse Leistung der ETH-Forscher ist jedoch der Algorithmus, sprich das Computerprogramm, das sie für den Bau des Seilnetzes schrieben. Die Wissenschaftler können heute komplizierte Designs nach statischen und architektonischen Kriterien am Computer konzipieren, die sich auch sicher realisieren lassen. Für den Prototyp simulierten sie gegen 10 000 mögliche Dachformen, um die gewünschten Bauvorgaben optimal erfüllen zu können. Im konkreten Fall spielte auch die Sonneneinstrahlung eine Rolle. Denn die Konstruktion muss mehr sein als eine einfache Abdeckung. Das ultradünne Dach wird die Krönung auf der obersten Plattform des Forschungsgebäudes Nest auf dem Gelände des Materialforschungsinstituts Empa und der Wasserforschungsanstalt Eawag in Dübendorf. Nest steht Forschern und Unternehmen zur Verfügung, um verschiedene hoch entwickelte und innovative Gebäudetechnologien realistisch testen zu können.

Dach als Energiequelle

So wird im Frühling des nächsten Jahres das zweigeschossige Penthouse HiLo gebaut, ein Plusenergieprojekt, das mehr Energie produzieren soll, als es braucht. Das ETH-Team um Arno Schlüter, Professor für Architektur und Gebäudesysteme, strebt eine Wohnung an, in der die Energieversorgung und die Klimatisierung «selbst lernen» und sich automatisch den wechselnden Energieverhältnissen und Komfortbedürfnissen anpassen. Ein grosser Teil der Fassade wird aus Glas bestehen. Das ultraleichte Betondach soll dabei helfen, die solare Energiegewinnung zu optimieren.

So ist die Betonschale, wie sie auf dem Hönggerberg konstruiert wurde, eigentlich erst die unterste Schicht zum Innenraum – die Decke. Darauf kommen nun drei weitere Lagen: eine Wasserführung zum Heizen oder Kühlen des Innenraums, darauf eine Isolationsschicht aus Kunststoffen (Polyurethan). Das Dach wird abgeschlossen durch eine Betonschicht mit integrierten Dünnschicht-Solarzellen, die dank der geschwungenen Dachform die Sonnenstrahlung im Tageslauf optimal auffangen.

Den Prototyp des Betondachs auf dem Hönggerberg gibt es inzwischen nicht mehr. Geblieben ist aber das Drahtseilnetz, mit dessen Hilfe im Frühling das Dach im realen Alltag auf dem Nest-Gebäude neu errichtet wird.