Original title

So bauen und wohnen wir 2040 | Good Impact

Publisher

Good Impact

Type

Article / Paper

Year

2024

Authors

Christina Fuchs, Luis Elbaz, Valerie Schott, and others

Topics

Sustainability | Circular EconomyUrban developmentHousing | Real Estate

URL

https://goodimpact.eu/recherche/kreislauffahig-bauen-2040?mc_cid=97602a6369

Summary

The article envisions how construction and living will evolve by 2040, emphasizing the shift towards circular construction to meet climate goals. It highlights the work of architect Christina Fuchs, who sources building materials from deconstructed sites, transforming them into "urban mines." As new construction becomes increasingly rare, the focus is on reusing and repurposing existing structures, like converting old factories into residential buildings. Technological advancements, such as 3D printing and automated construction processes, are revolutionizing the industry, leading to more sustainable practices. The concept of "Room as a Service" is introduced, where shared spaces meet the needs of urban populations without the necessity of new buildings. This approach addresses housing shortages while promoting sustainability, ultimately aiming for a construction sector that is 100% circular and emission-free within the next decade.

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English (translated)

Published on: 26 Februar 2024

How We'll Build and Live in 2040

To achieve our climate goals, we need to transition to circular construction as quickly as possible. We imagine where we'll be in 2040. A utopian construction site visit.

Today, Christina Fuchs hunts for building components. In Hamburg-Altona, a residential building is being deconstructed, or as she says, "harvested." The sharp northwest wind rattles the 90-year-old concrete skeleton as if trying to help. "We used to call this demolition. All the valuable raw materials would have either been disposed of as construction waste or buried in road construction." For some time now, demolition has been strictly forbidden. Buildings may only be carefully dismantled when it's proven that no other option exists. But that doesn't make them waste. Rather, they're "urban mines," says Fuchs. She's looking for suitable components for her latest renovation. The last new construction was years ago; permits are scarce. New construction is only possible under two conditions: when sites become available through deconstruction, like here, or when sealed surfaces elsewhere are simultaneously restored to nature. As compensation. This has drastically reduced the land consumption by new settlements and roads. In 2021, it was still at 55 hectares nationwide - per day. About 78 football fields.

Component hunting is part of Fuchs's job as an architect. What's currently available determines her design. "Design by availability," it's called, and works a bit like Lego, she says: "You look at what's there first before you start building. Except my building blocks are different sizes, weights, and ages." So far, Fuchs has collected four steel beams, several ceiling elements, and frames; today she's after some non-load-bearing walls. They're already reserved. The dilapidated building is available online as a digital scan, including its material passport.

"Watch out there!" a construction worker calls to Fuchs, who quickly jumps aside and steadies herself against one of the large white battery containers. Just in time before a wheel loader silently rolls past her. "I'm still getting used to this idyllic scene," Fuchs laughs and takes a deep breath as if she were at the sea. Since even heavy machinery like excavators and tower cranes now run on electricity instead of diesel, the air at construction sites is clean. A few meters away, someone is breaking up a wall with an electric jackhammer. Why? Fuchs points to devices at the edge of a large scaffold with a robotic arm. "Things we can't reuse as whole components are crushed and processed there into 3D material, which the new shell can be printed with using computer control." This saves a lot of material and time. Soon the robot arm will trace its paths here, one creamy layer after another, like a pastry chef's piping bag full of icing. Six floors with curved lines and gentle grain patterns, as if they had been drawn rather than built.

By now, the technology can even handle horizontal elements, like ceilings. That was its breakthrough. In countries where cities aren't as dense as in Central Europe, new buildings are now being printed from clay or recycled concrete. In regions with little new construction, "additive manufacturing" usually takes place behind closed doors. Building components are printed in large factory halls and then transported to wherever renovation, refurbishment, or vertical expansion is happening. Around 1.5 million housing units have been created through vertical expansion in Germany so far - on parking garages, supermarkets, office buildings, and administrative buildings.

Circular Construction Sector: Living in the Cable Factory

A few streets away, in one of Fuchs's renovation projects, stands her colleague Luis Elbaz. Together they're revitalizing an exhausted brick giant. Once a cable factory, then an open-plan office, now a residential building. Despite state penalties for vacancy, the old factory stood empty for years before Elbaz discovered it. The architect increasingly finds churches and parking garages becoming available for repurposing, due to declining membership numbers and reduced parking needs in car-free city centers. For the project to be approved, many requirements must be met. Primary raw materials are only allowed when the market doesn't have enough recycled materials available; and they should come from renewable sources. Every element must be removable and is chipped - "basically routine," says Elbaz. He's less relaxed about the discussion of an urban square meter cap for living space. "What used to be flight shame is now living space shame. Sure, we're killing two birds with one stone, energy crisis and housing shortage, but it would be too harsh an intrusion into privacy." It's about 35 square meters per person, the average from 1990, about 20 square meters less than today. This would mean that rental contracts for future renovations or new buildings would require a minimum number of tenants. For people living in apartments or houses with empty rooms, there are platforms like Homemates that match them with those seeking housing; the renovation is government-subsidized.

Room as a service

Valerie Schott has contributed to the petition now being debated in the Bundestag. "From happiness research, we know: 25 square meters per person is enough as a safe space, as long as there are enough public spaces, cafes, parks," says the construction transition activist. "Where people used to park, people now live." This could create housing reserves for up to 30 million people, without any new construction. In metropolises like Tokyo, people have long managed with just 20 square meters. "Our comfort level isn't declining. It's simply been much too high for a long time." Engineer Schott is developing an app that makes sharing buildings easier: "Room as a service" for offices and apartments. Her team itself sits in one of the new complexes that transform in the evenings during the week and on weekends: into an evening school for language courses, a yoga studio, or a second-hand market.

Such sharing concepts have also arrived in construction. Modules, standardized components that are prefabricated and can then be clicked, pushed, or screwed together on site, are usually rented from the manufacturer. This way, the processed raw materials aren't lost. "Since we build less with concrete and steel, we no longer think of houses as fortresses. Instead of permanence, what counts now is the cycle," says Elbaz. What's built today doesn't stand unchanged for 100 years and needs more maintenance than before, but can be easily disassembled and recycled. Although it consists of a mosaic of many different units. High-rises only made of wood were once a dream, says Elbaz, that isn't working out in many places. Even before the conifer population collapsed due to droughts and pests, fast-growing native plants like flax, hemp, and willow were in high demand, as well as bamboo from Southern European plantations. Willow has proven doubly sustainable, as it thrives on rewetted areas, the world's most important carbon sinks. Managed moors provide many different construction and insulation materials: from reed and cattail to water sedge.

In ten years, the construction sector should be 100 percent circular and emission-free. Tight, but not impossible. The Netherlands, pioneers in circular construction, prove this. There, building regulations, from fire protection to sound insulation, keep up with the times quickly enough. According to Elbaz, the biggest leap Europe-wide was made with the introduction of a CO2 tax on all building materials. This in turn has accelerated the development of sustainable concrete, which contains geopolymers instead of cement as a binding agent.

Vertical Solar Biotopes

In the loft-like interior of the factory-office-residential building, Elbaz points to the huge glass panes that flood the space with light. From energy waster to energy producer: thanks to transparent films studded with solar cells made from organic materials instead of silicon. The invisible modules capture invisible light - ultraviolet radiation, which is available even on cloudy days. Elbaz swipes across the display of his smart watch: "Same principle, it charges itself with electricity." Parts of the facade also have a solar skin, the rest was greened by a facade ecologist. The building's shell lives; sometimes it's blooming white, sometimes red, mostly green. Bees, hoverflies, and butterflies nest in the wild vine and knotweed. The vertical biotope cools and purifies the city air.

Slightly elevated, on the walls of the hall, hang the nests of the drones. One of the "BuilDrones" is just waking from sleep and leaves its honeycomb with a buzz, ready to take on small craftwork in hard-to-reach corners. It carries various tool arms on board, for sanding, plastering, and even 3D printing. Another checks the work and reports back to its human colleagues. "We've had those over there on the team for a while now," says Elbaz: Two mobile robots handle drills, lay new lines, and install power outlets. Similar to an assembly line in a car factory. For multiple automated machines, there's one IT worker, "lots of algorithm, less hands-on." Construction sites that wear out human bodies are fortunately history. "The way we build is 21st century, the materials are more like 19th century." Much comes from the pre-concrete era. Old, reprocessed: Machines wind columns from flax fibers like spiders their threads; press bricks from hemp or make carbon fibers from gnarled branches. "Living space is something so intimate. And yet we've long understood it as the opposite of us humans: something artificial that doesn't evolve."

Main Sources

Conversations with Christoph Gehlen, Founding Dean of the School of Engineering and Design, TU Munich; Torsten Schröder, Assistant Professor for Sustainability in Architectural Design, TU Eindhoven; Moritz Dörstelmann, Professor for Digital Design and Fabrication at KIT and founder of the robotics construction company FibR. Studies: Home Report 2022, Zukunftsinstitut; Scenario Process Construction 2030, Fraunhofer Institute; Bauhaus Earth; Germany Studies, TU Darmstadt

So bauen und wohnen wir 2040

Um unsere Klimaziele zu erreichen, müssen wir schnellstmöglich kreislauffähig Bauen. Wir stellen uns vor, wo wir 2040 stehen. Ein utopischer Baustellenbesuch.

Heute jagt Christina Fuchs Bauteile. In Hamburg-Altona wird ein Wohnhausrückgebaut, oder wie sie sagt, „geerntet“. Der scharfe Nordwestwind rüttelt am 90 Jahre alten Betonskelett, als wolle er mithelfen. „Früher hätten wir das Abriss genannt. All die wertvollen Rohstoffe wären als Bauschutt entweder entsorgt oder in den Straßenbau versenkt worden.“ Seit einiger Zeit ist der Abriss streng verboten. Nur, wenn nachgewiesen wird, dass keine andere Option besteht, dürfen Gebäude vorsichtig abgetragen werden. Müll sind sie deswegen noch lange nicht. Sondern „urbane Minen“, so Fuchs. Sie sucht geeignete Bauteile für ihren neuesten Umbau. Der letzte Neubau ist Jahre her, Genehmigungen sind Mangelware. Nur unter zwei Bedingungen ist Neubau überhaupt noch möglich: Wenn Grundstücke durch Rückbauten frei werden, wie hier, oder wenn gleichzeitig anderswo versiegelte Flächen renaturiert werden. Als Kompensation. So sank der Flächenfraß durch neue Siedlungen und Straßen drastisch. Im Jahr 2021 lag er bundesweit noch bei 55 Hektar – pro Tag. Rund 78 Fußballfelder.

Das sogenannte Bauteiljagen gehört zu Fuchs’ Job als Architektin. Was gerade verfügbar ist, bestimmt ihren Entwurf.„Design by availability“ heißt das und funktioniert ein wenig wie Lego, sagt sie: „Da schaut man ja auch zuerst, was da ist, bevor man anfängt zu bauen. Nur, dass meine Bausteine unterschiedlich groß, schwer und alt sind.“ Gesammelt hat Fuchs bisher vier Stahlträger, mehrere Deckenelemente und Rahmen; heute geht’s um ein paar nicht tragende Wände. Reserviert sind sie schon. Denn das marode Gebäudeist als digitaler Scan inklusive Materialpass online zu finden.

„Sie da, Achtung!“, ruft ein Bauarbeiter Fuchs zu, die schnell zur Seite springt und sich an einem der großen weißen Batterie-Container abstützt. Gerade rechtzeitig, bevor ein Radlader lautlos an ihr vorbeirollt. „An die Idylle muss ich mich noch gewöhnen“, lacht Fuchs und atmet tief ein, als stünde sie am Meer. Seitdem selbst schwere Maschinen wie Bagger und Turmkrane nicht mehr mit Diesel, sondern Strom laufen, ist die Luft auf Baustellen in Ordnung. Ein paar Meter weiter zerbricht jemand mit einem E-Presslufthammer eine Mauer. Warum? Fuchs zeigt auf Geräte am Rande eines großen Gerüsts mit Roboterarm. „Dinge, die wir nicht als ganzes Bauteil wiederverwenden können, werden zerkleinert und dort zu einem 3D-Material verarbeitet, mit dem sich der neue Rohbau computergesteuert drucken lässt.“ Das spart eine Menge Material und Zeit. Schon bald wird der Roboterarm hier seine Bahnen ziehen, eine cremige Schicht nach der anderen, wie der Spritzbeutel einer Konditorin voller Zuckerguss. Sechs Stockwerke mit geschwungenen Kurven und sanfter Maserung, als hätte man sie nicht gebaut, sondern gezeichnet.

Inzwischen schafft die Technik sogar horizontale Elemente, wie Decken. Das war ihr Durchbruch. In Ländern, wo die Städte noch nicht so verdichtet sind wie in Zentraleuropa, werden nun Neubauten aus Lehm oder Recycling-Beton gedruckt. In neubauarmen Regionen findet die „additive Fertigung“ meist hinter geschlossenen Türen statt. In großen Fabrikhallen werden Bauteile gedruckt und dann dorthin transportiert, wo gerade umgebaut, saniert oder aufgestockt wird. Rund 1,5 Millionen Wohneinheiten konnten bislang durch Aufstockung in Deutschland geschaffen werden – auf Parkhäusern, Supermärkten, Büro- und Verwaltungsgebäuden.

Kreislauffähiger Bausektor: Wohnen in der Kabelfabrik

Ein paar Straßen weiter, in einem Umbauprojekt von Fuchs, steht ihr Kollege Luis Elbaz. Gemeinsam machen sie einen erschöpften Ziegel-Riesen wieder munter. Einst Kabelfabrik, dann Großraumbüro, jetzt Wohnhaus. Trotz staatlicher Strafsteuer stand die alte Fabrik jahrelang leer, bevor Elbaz sie entdeckte. Immer häufiger fallen dem Architekten Kirchen und Parkhäuser in die Hände, die aufgrund sinkender Mitgliederzahlen und weniger Parkplatzbedarf in den autofreien Innenstädten zur Umnutzung freigegeben werden. Damit das Projekt genehmigt wird, müssen viele Auflagen erfüllt sein. Primärrohstoffe sind nur erlaubt, wenn der Markt gerade nicht genügend Recyclingmaterialien hergibt; und sie sollten aus regenerativen Quellen stammen. Jedes Element muss demontierbar sein und wird gechipt –„quasi Routine“, sagt Elbaz. Nicht so gelassen sieht er die Diskussion über einen urbanen Quadratmeterdeckel für Wohnraum. „Was früher Flugscham war, ist heute Wohnscham. Klar, wir schlagen damit zwei Fliegen mit einer Klappe, Energiekrise und Wohnungsnot, aber das wäre ein zu harter Eingriff in die Privatsphäre.“ Es geht um 35 Quadratmeter pro Person, der Durchschnitt von 1990, rund 20 Quadratmeter weniger als heute. Das würde bedeuten, dass die Mietverträge künftiger Um- oder Neubauten eine Mindestanzahl Mieter:innen enthalten. Für Menschen, die in Wohnungen oder Häusern mit leer stehenden Zimmern leben, gibt es Plattformen wie Homemates, die sie mit Wohnraumsuchenden matcht; der Umbau wird staatlich gefördert.

Room as a service

An der Petition, die nun im Bundestag verhandelt wird, hat Valerie Schott mitgewirkt. „Aus der Glücksforschung wissen wir: 25 Quadratmeter pro Person reichen als SafeSpace, sofern es genügend öffentliche Räume gibt, Cafés, Parks“, sagt die Bauwende-Aktivistin. „Wo mal geparkt wurde, wird jetzt gelebt.“ So ließen sich Wohnraumreserven schaffen für bis zu 30 Millionen Menschen, ganz ohne Neubau. In Metropolen wie Tokio kämen die Menschen doch schon lange mit nur 20 Quadratmetern aus. „Unser Komfortlevel sinkt nicht. Es ist seit Langem einfach viel zu hoch.“ Ingenieurin Schott entwickelt eine App, die das Teilen von Gebäuden einfacher macht: „Room as a service“ für Büros und Wohnungen. Ihr Team sitzt selber in einem der neuen Komplexe, die sich unter der Woche abends und am Wochenende verwandeln: etwa in eine Abendschule für Sprachkurse, ein Yoga-Studio oder einen Second-Hand-Markt.

Solche Sharing-Konzepte sind auch im Bauwesen angekommen. Module, also standardisierte Bauteile, die vorgefertigt werden und sich dann auf der Baustelle ineinanderklicken, -schieben oder -schrauben lassen, sind meist vom Hersteller gemietet. So gehen die verarbeiteten Rohstoffe nicht verloren. „Seit wir weniger mit Beton und Stahl bauen, denken wir Häuser nicht mehr als Festungen. Statt Permanenz zählt jetzt der Kreislauf“, sagt Elbaz. Was heute gebaut wird, steht zwar nicht 100 Jahre unverändert herum und braucht mehr Pflege als früher, lässt sich aber problemlos auseinandernehmen und recyceln. Obwohl es wie ein Mosaik aus vielen verschiedenen Einheiten besteht. Hochhäuser nur aus Holz, das war mal ein Traum, so Elbaz, der vielerorts nicht aufgeht. Schon bevor der Nadelbaumbestand wegen Dürren und Schädlingen einbrach, standen schnell wachsende, heimische Pflanzen wie Flachs, Hanf und Weide hoch im Kurs, aber auch Bambus von südeuropäischen Plantagen. Weide hat sich als doppelt nachhaltig erwiesen, denn sie gedeiht auf wiedervernässten Flächen, den weltweit wichtigsten Kohlenstoffsenken. Bewirtschaftete Moore liefern vieleverschiedene Bau- und Dämmstoffe: von Schilfrohr und Rohrkolben bis zu Wasser-Segge.

In zehn Jahren soll der Bausektor 100 Prozent kreislauffähig und emissionsfrei sein. Knapp, aber nicht unmöglich. Das beweisen die Niederlande, Vorreiter im zirkulären Bauen. Dort gehen die Baubestimmungen, von Brand- bis Schallschutz, schnell genug mit der Zeit. Europaweit wurde der größte Sprung laut Elbaz mit der Einführung einer CO2-Steuer auf sämtliche Baumaterialien gemacht. Das hat wiederum die Entwicklung von nachhaltigem Beton beschleunigt, der als Bindemittel nicht Zement, sondern Geopolymere enthält.

Vertikale Solar-Biotope

Im loftartigen Innenraum des Fabrik-Büro-Wohngebäudes zeigt Elbaz auf die riesigen Glasscheiben, die den Raum mit Licht durchfluten. Vom Energieverschwender zum Energieproduzenten: dank transparenter Folien, gespickt mit Solarzellen aus organischen Materialien statt Silizium. Die unsichtbaren Module fangen unsichtbares Licht ein – ultraviolette Strahlung, die auch an bewölkten Tagen verfügbar ist. Elbaz streicht über das Display seiner Smart Watch: „GleichesPrinzip, die lädt sich selbst mit Strom auf.“ Auch Teile der Fassade haben eine Solar-Haut, der Rest wurde von einer Fassadenökologin begrünt. Die Hülle des Hauses lebt; mal ist sie blühend weiß, mal rot, meist grün. Bienen, Schwebfliegen und Schmetterlinge nisten im Wilden Wein und Schlingknöterich. Das vertikale Biotop kühlt und reinigt die Stadtluft.

Etwas erhöht, an den Wänden der Halle, hängen die Nester der Drohnen. Eine der „BuilDrones“ erwacht gerade aus dem Schlaf und verlässt surrend ihre Wabe, bereit, kleine handwerkliche Arbeiten in verwinkelten Ecken zu übernehmen. An Bord hat sie verschiedene Werkzeugarme, etwa zum Schleifen, Spachteln und sogar 3D-Drucken. Eine andere überprüft die Arbeit und erstattet ihren menschlichen Kolleg:innen Bericht. „Die da drüben haben wir schon länger im Team“, sagt Elbaz: Zwei mobile Roboter hantieren mit Bohrmaschinen, verlegen neue Leitungen und setzen Steckdosen ein. Ähnlich einer Fertigungsstraße im Autowerk. Auf mehrere automatisierte Maschinen kommt ein:e IT-Werker:in, „viel Algorithmus, weniger Hand“. Baustellen, die Menschenkörper verschleißen, seien damit zum Glück Geschichte. „Die Art, wie wir bauen, ist 21. Jahrhundert, die Baustoffe sind eher 19. Jahrhundert.“ Vieles stammt aus dem Pre-Beton-Zeitalter. Altes,neu aufbereitet: Maschinen wickeln aus Flachsfasern Säulen wie Spinnen ihre Fäden; pressen Ziegel aus Hanf oder machen aus knorrigen Ästen Carbonfasern. „Wohnraum ist etwas so Intimes. Und doch haben wir es lange als Gegenteil von uns Menschen begriffen: etwas Künstliches, das sich nicht weiterentwickelt.“

Wichtigste Quellen

Gespräche mit Christoph Gehlen, Gründungsdekan der School of Engineering and Design, TU München; Torsten Schröder, Assistenzprofessor für Nachhaltigkeit im Architekturdesign, TU Eindhoven; Moritz Dörstelmann, Professor für Digitales Design und Fabrikation am KIT und Gründer des Roboterbauunternehmens FibR. Studien: Home Report 2022, Zukunftsinstitut; Szenario-Prozess Bauen 2030, Fraunhofer Institut; Bauhaus Earth; Deutschlandstudien, TU Darmstadt