TECLA (ein Name, der sich aus den Begriffen "Technologie" und "Lehm" zusammensetzt) ist das erste ökologisch-nachhaltige Wohnmodell, das vollständig aus lokaler Roherde 3D-gedruckt wird. Es handelt sich dabei um einen Prototyp, der Forschung, traditionelle Baupraktiken, Klimastudien und bioklimatische Prinzipien integriert.
Der 3D-Druck ist eine Industrie und eine Technologie, die erst seit kurzem in der Welt der Architektur Einzug gehalten hat. Dies geschieht jedoch in rasantem Tempo: Weltweit entstehen Unternehmen, die den Druck von Gebäuden aus einer Vielzahl von Materialien anbieten und dabei einzigartige Designs und oft auch den Zugang zu erschwinglichen und kohlenstoffarmen Baupraktiken versprechen. Doch es gibt noch immer Hürden, darunter Materialkosten und die Neufassung regionaler Bauvorschriften. Die 3D-Druckindustrie muss also noch ein wenig navigieren, bevor sie Probleme wie die Erschwinglichkeit in großem Stil lösen kann.
"Dieses Projekt ist keine Lösung. Es ist ein Experiment", sagt der Architekt Mario Cucinella über das TECLA-Haus, das erste Wohnmodell, das vollständig aus lokaler Roherde 3D-gedruckt wird. "Aber zunächst müssen wir zugeben, dass es so etwas wie ein Netto-Null-Gebäude nicht gibt." Was er meint, ist, dass jeder Bauakt, ob groß oder klein, Auswirkungen auf die Umwelt hat und ein gewisses Maß an nicht erneuerbarer Energie erfordert: für die Gewinnung von Ressourcen, den Bau und die Instandhaltung. Auch wenn Architekten vielleicht nicht in der Lage sind, ein Netto-Null-Ziel zu erreichen, zielen Praktiken wie die von Cucinella doch darauf ab, diesem Ziel näher zu kommen.
Cucinella hat einen Großteil seiner beruflichen Laufbahn damit verbracht, sich mit Forschung und Design zu diesem Thema zu befassen. Er gründete sein Büro Mario Cucinella Architects (MCA) 1992 in Paris. Heute hat das Büro seinen Sitz in Bologna und Mailand und besteht aus mehr als 100 Fachleuten, die sich auf Design spezialisiert haben, das innovative Umweltstrategien integriert und auf eine eigene Forschungs- und Entwicklungsabteilung zurückgreift. Das Büro arbeitet laufend mit der ebenfalls von Cucinella gegründeten Stiftung School of Sustainability (SOS) zusammen, die forschungsbasierte Programme mit Schwerpunkt auf Umweltfragen anbietet.
Der Prototyp des TECLA-Hauses wurde in einer Gemeinde in Ravenna, Italien, errichtet und ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen MCA, SOS und einer dritten Partei, dem World's Advanced Saving Project (WASP). WASP ist ein Pionierunternehmen für 3D-Drucktechnologie, das Häuser aus natürlichen Materialien baut. Der Name des italienischen Unternehmens ist von der Töpferwespe inspiriert, einer Insektenart, die komplizierte Lehmnester baut.
TECLA wurde als Reaktion auf die durch Massenmigration und Naturkatastrophen verursachte Wohnungsnot konzipiert. Es ist zum Teil ein Modellhaus, zum Teil ein wissenschaftliches Projekt. Seine eigentümliche Struktur und Farbe könnte man mit einem Bienenstock oder vielleicht einem Kürbis vergleichen. Wie auch immer die Ähnlichkeit aussehen mag, die Form ist entschieden organisch. Und sie hat erreicht, was sie sich vorgenommen hat, nämlich die Verwendung ausschließlich lokaler Materialien, um Abfall und verkörperte Energie erheblich zu reduzieren. Damit hat sich Cucinella das Recht verdient, TECLA als ein Projekt zu bezeichnen, das nahezu keine Emissionen verursacht.
Die Flexibilität des 3D-Drucks
Einer der Vorteile des 3D-Drucks ist seine Flexibilität bei der Formgebung. Die Design- und Konstruktionsparameter für den 3D-Druck mit Erde hängen von den Materialeigenschaften und der Abbindegeschwindigkeit ab. "Bei den aktuellen 3D-Drucktechnologien ist das Material richtungsweisend. Es ist das Material, das die endgültige Morphologie des Gebäudes vorgibt", sagt Cucinella. Im Fall von TECLA wurden beispielsweise die maximale Neigung der gewölbten Oberflächen und das Design der Mauerausfachung durch das technische Verhalten der Mischung, ihre Festigkeit und die während der Aushärtungszeit vorgenommenen Änderungen bestimmt. Die spezifische Drucktechnologie, die verwendet wurde, beeinflusste die Grundfläche von TECLA sowie die Notwendigkeit von Öffnungen in der Mitte der Kuppeln, um die Drucker zu entfernen.
MCA untersuchte die Form des Gebäudes in Bezug auf das Klima und den Breitengrad. Die gewölbte Hülle wurde parametrisch optimiert, um drei klimarelevante Parameter auszugleichen: die Belüftung, die durch die Hohlräume einer äußeren Schicht aus bedruckter Erde gewährleistet wird, die Wärmedämmung, die durch die Füllung der inneren Hohlräume der bedruckten Erde mit Reishülsen, einem industriellen Nebenprodukt, erreicht wird, und die thermische Masse, die durch die Tiefe der Außenrippen gesteuert wird. Nach Ansicht der Architekten können diese Faktoren an verschiedene Umgebungsbedingungen angepasst werden, um den Komfort im Inneren zu gewährleisten. Die Zusammensetzung und Form von TECLA würde also theoretisch von der geografischen Lage abhängen, in der es gebaut wird. Im Falle eines feuchten Klimas beispielsweise würde die thermische Masse durch größere Rippenabstände und eine dickere Belüftungsschicht erhöht. In einem kühleren Klima würde die Isolierschicht dominieren.
Eine "ehrliche" Form
Der Entwurf nimmt eine organische Form an, eine Komposition aus zwei Kuppeln, die durch eine gewundene und ununterbrochene Sinuskurve in zwei kreisförmige Oberlichter münden. Die Architekten haben die Geometrie und die Form der äußeren Grate aus der Notwendigkeit abgeleitet, ein strukturelles Gleichgewicht sowohl während der Druckphase als auch nach der Fertigstellung zu erreichen. Cucinella spricht von "einer ehrlichen Form, einer aufrichtigen Form". Mit einer Fläche von etwa 60 Quadratmetern umfasst das Haus einen Wohnbereich mit Küche und einen Nachtbereich mit Schlafbereich und Toilette. Auch die Einrichtungsgegenstände sind zum Teil aus lokaler Erde gedruckt und in die Rohbaustruktur integriert, zum Teil für die Wiederverwendung konzipiert.
Gestaltung der Mischung
MCA arbeitete mit Mapei, einem der größten Baustoffunternehmen Italiens, zusammen, um die Lehmbaumischung zu entwickeln. "Die Herausforderung bestand darin, ein Material zu finden, das technische Eigenschaften wie Druckfestigkeit und Abbindegeschwindigkeit mit einem geringen Gehalt an Zusatzstoffen kombiniert, um den Boden so natürlich wie möglich zu halten", so die Architekten.
Die daraus resultierende Mischung enthält zwei chemische Zusatzstoffe: einen geringen Anteil Zement, der zur Verbesserung der strukturellen und dauerhaften Leistung verwendet wird, und einen von Mapei entwickelten Zusatzstoff, der für eine verbesserte Festigkeit und Wasserdichtigkeit sorgt. Die anderen Zusätze sind natürlicher Natur: Reisstroh, Reisspreu und Quarzsand. Der Hauptbestandteil der Mischung ist natürlich die gefilterte Erde, die ihre eigenen, einzigartigen Eigenschaften hat, die das Filtersystem, die Mischanlage und das spezifische Mischungsdesign bestimmen.
Detaillierung mit Erde
Das Fundament von TECLA ist der einzige Teil des Prototyps, der vollständig aus Beton gedruckt wurde. "Der 3D-Druck ermöglicht die Optimierung des Betons bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hervorragenden strukturellen Festigkeit", so MCA. Das Ergebnis ist ein Fundament, das die Umwelt weniger belastet (Fundamente sind in der Regel betonlastig und gehören daher zu den umweltschädlichsten Komponenten von Gebäuden). Die Architekten entwarfen eine Lösung zur Verankerung der ersten Schichten der Kuppel im Fundament mit Metallrohren.
Alle Punkte, an denen es eine Verbindung zwischen 3D-gedruckten Wänden und nicht-erdigen Bauteilen, einschließlich Fenstern, Türen und Möbeln, gibt, werden als kritische Punkte betrachtet. "Das unterschiedliche Verhalten von Materialien muss gründlich untersucht werden, um mögliche Probleme zu vermeiden. Wenn wir mit Erde arbeiten, müssen wir uns vor Augen halten, dass wir mit einem lebenden Material arbeiten", so MCA.
Aufgrund des experimentellen Charakters des Prototyps waren die thermischen, strukturellen und wasserdichten Eigenschaften nicht Gegenstand einer Zertifizierung. Der Prototyp ist beispielsweise aufgrund der klimatischen Bedingungen, für die er entworfen und gebaut wurde, nicht wasserdicht. Die Fensterrahmen wurden jedoch so konstruiert, dass sie ausreichend vor dem Eindringen von Regen schützen und einen Luftaustausch an der Oberseite der Kuppel ermöglichen.
Mit Geschwindigkeit gebaut
WASP nutzte zwei synchronisierte Druckarme gleichzeitig, die mit einer Software gesteuert wurden, die in der Lage war, die Bewegungen zu optimieren, Kollisionen zu vermeiden und einen rationellen Betrieb zu gewährleisten. Jede Druckereinheit hatte eine Druckfläche von 50 Quadratmetern.
Die Drucker stellten die Mischung mit einer Geschwindigkeit her, die es ermöglichte, das Wohnmodul in wenigen Tagen zu bauen. Jedes TECLA-Haus kann innerhalb von 200 Stunden nach dem Druck ausgeliefert werden. Das Modul besteht aus insgesamt 350 Lagen von Lehm-Extrusionen, die in 12-Millimeter-Bändern angeordnet sind; dies entspricht etwa 150 Kilometern gedruckten Materials. Das Haus verbraucht 60 Kubikmeter natürliche Materialien bei einem durchschnittlichen Verbrauch von weniger als 6 kW.
Neben dem Druck wurden für das Projekt eine Reihe weiterer Produkte eingesetzt. TECLA verfügt über Türen und Fenster von Capoferri Serramenti, Holzbeschläge von Imola Legno und Sitzmöbel aus recyceltem Karton von Officine Tamborrino.
