Hoch bauen mit Holz

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Die Publikation gibt eine systematische Einführung in den mehrgeschossigen Holzbau. Es erläutert dann die verschiedenen Konstruktionsarten wie Massivholzbauweise, hybride Holz/Betonoder Holz/Stahl-Konstruktionen sowie Konstruktionen aus Holzwerkstoff-Platten und dokumentiert die Vielfalt im Einsatz dieses Materials anhand 13 gebauter internationaler Beispiele. Eigens erstellte Konstruktionszeichnungen zeigen Aufbau und Detaillierung der Gebäude. Die Autoren sind ausgewiesene Experten für den Holzbau: Michael Green (MGA | Michael Green Architecture), Vancouver, und Leiter des DBR | Design Build Research Institute ist praktizierender Architekt und hat sich seit Jahren mit Holzhochhäusern einen Namen gemacht. Jim Taggart, Vancouver, ist Architekt, Publizist und Herausgeber der Zeitschrift Sustainable Architecture and Building Magazine. Er lehrt am British Columbia Institute of Technology in Vancouver.

HOCH BAUEN MIT HOLZ

Der vielgeschossige Holzbau hat sich seit einigen Jahren als zukunftsträchtige Bauweise etabliert: In vielen Städten entstehen derzeit Holzgebäude mit bis zu 18 Geschossen, Projekte mit bis zu 40 Stockwerken sind in der Entwurfsphase. Ermöglicht haben diese rasante Entwicklung der Systembau, neu entwickelte Holzwerkstoffe sowie flexiblere Brandschutzbestimmungen. Zahlreiche aktuelle Forschungsvorhaben und Prototypen treiben derzeit die Evolution weiter voran und loten die Möglichkeiten der Technologie aus. Hinzu kommt die tadellose CO2-Bilanz des häufig regional verfügbaren Materials. Als nachwachsender Werkstoff leistet Holz einen aktiven Beitrag zum nachhaltigen Bauen.

MICHAEL GREEN  JIM TAGGART

www.birkhauser.com

MICHAEL GREEN  JIM TAGGART

HOCH BAUEN MIT HOLZ TECHNOLOGIE, MATERIAL, ANWENDUNG


INHALT

VORWORT VON ANDREW WAUGH ������������������������ 7

5 GEBÄUDELEISTUNG �������������������������������������� 39

HOLZ, EIN MATERIAL UNSERER ZEIT ������������������ 8

Schallschutz ���������������������������������������������������������� 43

Brandschutz ���������������������������������������������������������� 39 Thermische Leistung ���������������������������������������������� 48

1 EINLEITUNG: HOLZ, NACHHALTIGKEIT UND KLIMAWANDEL ���������������������������������������� 12 Derzeitiger Waldbestand ���������������������������������������� 12 Nachhaltige Waldbewirtschaftung �������������������������� 13 Die Rolle der Wälder im Kohlenstoffzyklus �������������� 15 CO2-Speicherung, Substitutionseffekt und graue Energie �������������������������������������������������������� 17 Fazit ���������������������������������������������������������������������� 19

GRUNDLAGEN DES

HOLZGESCHOSSBAUS

azit ���������������������������������������������������������������������� 51 F

6 ENTWURF UND BAU �������������������������������������� 52 Fertigbau- und Ortbauweise ���������������������������������� 53

Integrale Planung �������������������������������������������������� 54 Fazit ���������������������������������������������������������������������� 57

7 DIE TECHNOLOGIE ���������������������������������������� 58 CNC-Fertigung ������������������������������������������������������ 58 Verbindungssysteme �������������������������������������������� 59 Lastabtragung �������������������������������������������������������� 60 Fazit ���������������������������������������������������������������������� 61

2 HÖHER BAUEN MIT HOLZ ������������������������������ 20 Warum nicht Holz? ������������������������������������������������ 20 Bauvorschriften ������������������������������������������������������ 21 Staatliche Richtlinien und Marktanreize ������������������ 23 Fazit ���������������������������������������������������������������������� 24

PROJEKTAUSWAHL 8 HOLZPLATTENSYSTEME �������������������������������� 62 Bridport House

London, England ���������������������������������������������������� 64

3 DAS MATERIAL ���������������������������������������������� 25 Eigenschaften von Holz ������������������������������������������ 25 Holzwerkstoffe ������������������������������������������������������ 27 Kleber �������������������������������������������������������������������� 31

Fazit ���������������������������������������������������������������������� 31

trandparken Hus B  S Sundbyberg, Schweden ������������������������������������������ 70 Wohnungsbau Via Cenni   Mailand, Italien ������������������������������������������������������ 76 Woodcube

4 KONSTRUKTIONSSYSTEME �������������������������� 32

Hamburg, Deutschland ������������������������������������������ 82

Lastpfade �������������������������������������������������������������� 32 Lastverhalten �������������������������������������������������������� 33 Selbstzentrierendes Verhalten von Gebäuden ���������� 34 Auftriebskräfte ������������������������������������������������������ 35 Tragwerk und Gebäudefunktion ������������������������������ 36 Fazit ���������������������������������������������������������������������� 38

Puukuokka Apartmentgebäude

Jyväskylä, Finnland ���������������������������������������������� 94


9 SKELETTBAUWEISE ������������������������������������ 100 Earth Sciences Building

Vancouver, Kanada ���������������������������������������������� 102 amedia-Hauptsitz  T Zürich, Schweiz ���������������������������������������������������� 108 ullitt Center  B Seattle, USA �������������������������������������������������������� 118 Wood Innovation and Design Centre

Prince George, Kanada ���������������������������������������� 124 10 HYBRIDE SYSTEME ������������������������������������ 134 Wohn- und Geschäftshaus Badenerstrasse Zürich, Schweiz ���������������������������������������������������� 136 LCT One

Dornbirn, Österreich ������������������������������������������ 142 ohn- und Geschäftshaus 17–21 Wenlock Road W London, England �������������������������������������������������� 152 Treet Apartmentgebäude

Bergen, Norwegen ������������������������������������������������ 158

11 NEUE VISIONEN, NEUE HÖHEN ���������������� 164

Glossar der Fachbegriffe �������������������������������������� 170 Die Autoren ������������������������������������������������������� 173 Danksagung �������������������������������������������������������� 174 Register der Gebäude, Namen und Orte �������������� 175 Bildnachweis ������������������������������������������������������ 176


DAS MATERIAL

Die Hindernisse für das Höherbauen mit Holz sind ­sowohl in der Gesetzgebung als auch durch die Wahrnehmung begründet. Selbst wo präskriptive Bauvorschriften zielbasierten weichen, bleiben die Bedenken über die Belastbarkeit und Haltbarkeit von Holz ­weiterhin bestehen – wenn nicht bei Architekten und Bauingenieuren, dann bei den genehmigenden Behörden, Bauträgern und in der breiten Öffentlichkeit. Denn das Holz, mit dem diese vertraut sind, ist ein weiches, biologisches Material, das sowohl für physische Schäden durch Brände als auch für Fäulnis bei längerer Nässeeinwirkung anfällig ist. Obzwar dies für Massivholz im natürlichen Zustand zutrifft, sind die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit von Holz durch moderne Verarbeitungsmethoden

in erheblichem Maße modifizierbar. Massivholzwerkstoffe wie Brettsperrholz (BSP), Furnierschichtholz (FSH), Spanstreifenholz (LSL) und Furnierstreifenholz (PSL) sind nun nebst Brettschichtholz (BSH) erhältlich; diese sind stärker, gleichmäßiger und formstabiler als traditionelles Massivholz. Doch selbst mit diesen modifizierten Eigenschaften bleibt die Kenntnis der spezifischen Eigenschaften von Holz unerlässlich für den Entwurf von Holzhochhäusern. EIGENSCHAFTEN VON HOLZ

Die wichtigste Eigenschaft von Holz ist, dass seine Stärke und Stabilität mit der Richtung der Fasern und dem Feuchtigkeitsgehalt variieren, da es sich um ein biologisches Material mit Zellstruktur handelt. Die

3 Das Material  |  25


Furnierschichtholz (FSH) entsteht durch Verkleben dünner Holzfurniere zu einem Block mit einheitlich längs orientierter Faserrichtung. Daher können Bauteile großer Länge produziert werden, die statisch gut berechenbar sind.

Spanstreifenholz (LSL) wird aus abgeschälten Holzstreifen hergestellt, die zu großen Bauteilen verklebt werden, deren Länge lediglich durch die Transportmöglichkeiten begrenzt ist. LSL kann für Decken- und Wandkonstruktionen sowie Stützen verwendet werden, wo große Raumhöhen erforderlich sind.

Furnierstreifenholz (PSL) besteht aus streifenförmigen Furnierstücken, die unter Druck mit Leim zu standardisierten Bauteilen verklebt werden. PSL-Produkte haben gleichbleibende Eigenschaften und eine hohe Belastbarkeit.

28 | GRUNDLAGEN DES HOLZGESCHOSSBAUS

oder Sumpfkiefer hergestellt. Für Außenanwendungen ist jetzt jedoch auch BSH aus Nootka-Scheinzypresse erhältlich. In Nordeuropa und Russland werden am häufigsten Rotkiefer (Pinus resinosa) und Weißtanne zur Herstellung von BSH verwendet. Die Lamellen werden normalerweise in nominalen Stärken von 25 oder 34 mm und (je nach Holzart und Herkunftsland) Breiten von 80 bis 170 mm geliefert. Die Länge beträgt meist 3 m oder mehr, wobei die Stücke je nach Notwendigkeit keilverzinkt und verklebt werden. Die Lamellen werden künstlich auf einen Feuchtegehalt von zwischen 10 – 14 % getrocknet, und dann zum Erhalt der erforderlichen Länge gestoßen in Längsrichtung verklebt. Diese Lamellen werden mit den Breitseiten unter Druck in einer Vorrichtung verklebt, die (falls erforderlich) dem Endprodukt die gewünschte Wölbung, Biegung oder Abschrägung verleiht. BSH kann in jeder Länge hergestellt werden, wodurch es zur Überbrückung weiter Spannen oder für ununterbrochene Spannen mit mehreren Abstützpunkten einsetzbar ist. Es kann auch für Stützen verwendet werden, die über mehrere Stockwerke gehen. Balken aus BSH werden normalerweise so verbaut, dass sie bei Belastung vertikal angeordnet sind (d. h., die Last wirkt senkrecht zur langen Seite der Lamellen). In solchen Fällen kann vorgeschrieben sein, dass die oberen und unteren Lamellen einer höheren Festigkeitsklasse angehören als die Lamellen in der Mitte, da die Druckund Zugkräfte am größten sind. Nordic, ein Hersteller von Produkten aus Holzwerkstoffen im Norden von Quebec, erzeugt BSH-Produkte aus quadratischen Abschnitten mit kleinen Abmessungen, die aus den Spitzen von Schwarztannen geschnitten werden. Diese Abschnitte werden dann sowohl horizontal als auch vertikal zu Balken, Stützen und Platten aus BSH verklebt, die einen Querschnitt mit einem markanten Schachbrettmuster haben. Dieses Material kam bei den Stützen, Balken und Bodenplatten des sechsstöckigen Gebäudes der Fondaction CSN in Quebec City zum Einsatz, entworfen von GHA – Gilles Huot Architecte [Abb. S. 34]. BSH ist lieferbar in verschiedenen Qualitätsklassen für nicht sichtbare oder sichtbare Anwendungen und kann zur Außenverwendung druckimprägniert werden, sofern es mit wasserbeständigen Klebern verklebt wurde.


DIE TECHNOLOGIE

Die Entwicklung der zeitgenössischen Massivholz­ bauweise ist untrennbar mit der Anwendung digitaler Fertigungstechnik auf architektonische Bauteile verbunden. Dies wiederum wurde durch die Entwicklung von Designsoftware möglich, die in der Lage ist, ganze Bauwerke dreidimensional zu modellieren und voll ­bemaßte Fertigungszeichnungen komplett mit Tole­ ranzen für jedes tragende Element zu erzeugen. Diese ­Dateien werden an CNC-Werkzeugmaschinen über­ tragen, die Bauteile fast jeder Größe und Form schneiden, hobeln, bohren und fräsen. Die Genauigkeit der CNC-Fertigung macht außerdem die Integration einer neuen Generation von leistungsstarken, teilweise paten­ tierten Verbindungssystemen möglich.

58  |  GRUNDLAGEN DES HOLZGESCHOSSBAUS

CNC-FERTIGUNG

Der Begriff CNC (Computerized Numerical Control, also „rechnergestützte numerische Steuerung“) bezieht sich auf einen Herstellungsprozess, in dem die Werkzeugmaschine durch ein Computerprogramm ­angewiesen und gesteuert wird. Der Prozess ist auf jedes Material anwendbar und wurde in den 1940er Jahren von der US-Flugzeugindustrie erstmals eingesetzt, um die zunehmend komplizierten Aluminium­ teile zu fertigen. Die Anwendung von CNC-Technologie auf die Herstellung von Holzmöbeln geht zurück auf die 1970er Jahre mit der Einführung von Maschinen, die sich präzise, aber nur entlang einer einzigen Achse zum Bohren


LASTABTRAGUNG

Beim Bullitt Center, Seattle, besteht eine Stahlverbindung zwischen den Stützen, die dieselbe Höhe wie die Brettstapeldecke aufweist. Diese Stahlabstandhalter minimieren die Auswirkung von Quell- und Schwindprozessen im Holz.

Beim Wood Innovation and Design Centre wurde ein System von HSK verwendet, bei dem Metallgewebestreifen mit Epoxidharz in Sägeschnitte geklebt werden, um die oberen und unteren Platten des BSP-Fußbodensystems miteinander zu verbinden.

Beim Earth Sciences Building in Vancouver sorgt eine bewegliche Stahlverbindung der V-förmigen Streben für ausreichende Duktilität, um seismische Kräfte aufzunehmen.

60 | GRUNDLAGEN DES HOLZGESCHOSSBAUS

Wie in Kapitel 4, Konstruktionssysteme, S. 32, erklärt, ist es wichtig, Längsholz nicht in vertikalen tragenden Teilen zu verwenden, um Schwinden, Bruch oder Defor mierung zu vermeiden. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden: bei Stützen durch direkten vertikalen Lasteintrag von Hirnholz auf Hirnholz, wie beim Wood Innovation and Design Centre [S. 124 – 133] unter Verwendung von Stahlplatten und Dübelverbinder realisiert [Abb. S. 61 rechts]; durch die Verwendung von in die Fußbodenplatten eingesetzten Abstandhaltern oder Dübeln wie in der Via Cenni [S. 76 – 81]; oder durch miteinander verzahnte Wandund Bodenplatten, wie sie im Bridport House [S. 64 – 69] zum Einsatz kamen. Jedes Vorgehen hat Auswirkungen auf die Wahl der Verbindungen. Bei Rahmensystemen können die Pfosten-Riegel-Verbindungen auf verschiedene Weise hergestellt werden. Dazu gehören Verbindungen in der Form von „Kästen“ wie beim Bullitt Center [Abb. S. 60 oben; siehe auch S. 118 – 123], nicht sichtbare Epoxidharzverbindungen wie beim Wood Innovation and Design Centre [Abb. S. 60 Mitte] und beim LCT One [S. 142 – 151] oder Flachanker wie beim Treet [S. 158 – 163]. Alternativ sind Verbindungen aus Holz möglich, wie die speziell gefertigten ovalen Dübel, die am TamediaHauptsitz [Abb. S. 61 links; siehe S. 108 – 117] verwendet wurden, oder das Verbindungsdetail innerhalb der Stütze am Earth Sciences Building. Querkräfte können auch auf verschiedene Weise aufgenommen werden, beispielsweise durch Aussteifungen oder Wandscheiben gemeinsam mit Deckenscheiben. Wandscheiben sind mit dem Fundament durch Schubanker und Befestigungsanker verbunden. Aussteifungen werden beim Treet [S. 158 – 163] verwendet, und Diagonalaussteifungen finden sich am Earth Sciences Building [Abb. S. 60 unten; siehe auch S. 102 – 107], wo interne Flachanker und Dübel die erforderliche Duktilität bieten. Innen oder am Gebäuderand angeordnete Wandscheiben bilden einen Teil des Quersystems in den meisten BSH-Tragstrukturen, wobei die Via Cenni eine pragmatische Lösung für die Aufnahme seismischer Kräfte gefunden hat. Dort sind die Wände an den Decken gleichsam „festgenäht“ mithilfe dicht zusammen, im


SKELETTBAUWEISE Bei Systemen in Skelettbauweise erfolgt die vertikale Lastabtragung mithilfe eines Skeletts aus miteinander verbundenen Stützen und Trägern. Sie sind vor allem geeignet für Bauaufgaben, die größere und flexiblere Innenräume benötigen wie zum z. B. Gewerbebauten, öffentliche Gebäude und Versammlungsstätten. Systeme in Skelettbauweise ermöglichen einen größe­ ren Glasanteil an der Fassade und dadurch einen an­ deren architektonischen Ausdruck als etwa Wohnge­ bäude. Sie erfordern stets zusätzliche Maßnahmen wie z. B. eine Queraussteifung oder aussteifende Wand­ scheiben, um auch Horizontalkräfte aufnehmen zu können. Unterschiedliche Entwurfsansätze für Holzskelett­ bauten werden auf den folgenden Seiten präsentiert:

–– Das Earth Sciences Building kombiniert eine klas­ sische Pfosten-Riegel-Konstruktion mit der zeitgenös­ sischen Detaillierung von Verbindungsknoten sowie einer Holz-Beton-Verbundkonstruktion. –– Der Tamedia-Hauptsitz lotet die Potenziale digitaler Fertigungsmethoden aus, um eine vom japanischen Holzhandwerk inspirierte Konstruktion zu schaffen. –– Das Bullitt Center verfügt über eine Pfosten-Riegel-­ Konstruktion aus Brettschichtholz sowie Geschoss­ decken aus Brettstapel-Elementen und erinnert an die Gewerbegebäude des späten 19. und frühen 20. Jahrhunderts. –– Das Wood Innovation and Design Centre weist eine ausgeklügelte Deckenkonstruktion komplett aus Holz auf, die innerhalb des Deckenaufbaus die Haustech­ nik aufnehmen kann.

100  |  PROJEKTAUSWAHL: 9 SKELETTBAUWEISE


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TAMEDIA-HAUPTSITZ Zürich, Schweiz

[Shigeru Ban Architects] 2013  Fertigstellung Tamedia AG  Bauherr Creation Holz GmbH  Tragwerksplanung Blumer-Lehmann AG  Holzbau HRS Real Estate AG  Bauausführung Büro  Nutzung

Der komplexe, durch traditionelle japanische Zimmermanns­ techniken inspirierte Holzskelettbau wurde erst mithilfe der Präzision digitaler Fertigungsmethoden möglich.

108  |  PROJEKTAUSWAHL: 9 SKELETTBAUWEISE


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Detailschnitt 1

Externer Sonnenschutz (Stoff)

2

Stahl­Vierkantrohr 140 × 140 mm

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Brettschichtholz (Fichte)

4

Holzträger 200 × 267 mm

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Dreifachverglasung

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Dreischichtplatte 45 mm und Mineralwolle 60 – 160 mm

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Stahl­Unterkonstruktion für Doppelboden

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Teppich und Doppelboden

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Installationsraum

10 Kühl­/Heizplatte 11 Sand 80 mm 12 Holzauflager

Montage auf der Baustelle reibungslos ablaufen wür­ de. Die Präzision der CNC­Fertigung war entscheidend für den Erfolg dieses Projekts. Die Holzverbindungen erforderten ein hohes Maß an Präzision zur Erreichung von Passgenauigkeit, und die Vermeidung des Eindrin­ gens von Feuchtigkeit in den verschiedenen Holzkom­ ponenten stellte sicher, dass die maximale Leistung über die Lebensdauer des Gebäudes realisiert werden konnte. Um Schweizer Brandschutzvorschriften zu ent­ sprechen und die erforderliche Feuerwiderstandsklasse zu erreichen, wurden alle freiliegenden Tragwerke in jeder Richtung mit 40 mm überdimensioniert. Dies schafft eine abbrennbare Schicht, die im Brandfall die statische Stabilität des Gebäudes für die erforderliche Dauer von 60 Minuten erhält.

FAZIT

Der Tamedia­Hauptsitz bestätigt die Eignung von Holz als tragendes Material in einem anspruchsvollen Büro­ umfeld, in dem Ästhetik und Langlebigkeit mit der Sorge um die Ökologie und die Gesundheit der Mitar­ beiter Hand in Hand gehen. Der Erfolg dieses Projekts ist sowohl gestalterisch als auch technisch das Ergeb­ nis einer hoch entwickelten und nahtlos integrierten Planung und Ausführung. Das fein gegliederte Trag­ werk mit seinen geschwungenen Elementen verdeut­ licht die Präzision und Ausdruckskraft der digitalen Fertigung. Während die Verarbeitung des Tragwerks ein unverkennbares Unikat ist und sich nicht ohne wei­ teres vervielfältigen lässt, sind diese zugrunde liegen­ den Botschaften doch problemlos übertragbar.

Tamedia­Hauptsitz | 113


Details der CNC-gefrästen Komponenten

CNC-Fertigung Die CNC­Maschine bei Blumer­Lehmann AG fertigte die einzelnen Holzkomponenten als präzises „Baukastensystem“. 1 Brettschichtholz­ Platte 2 Ein 3D­Modell von jedem Bauteil steuert die CNC­Fertigung. 3 Die große CNC­Anlage 4 Präzise gefräste ovale Öffnungen für die Querbalken sorgen für eine formschlüssige Verbindung. 5 Die CNC­Maschine kann durch Fünf­Achs­Bearbeitung Winkel erzeugen. 6 Aufgrund des großen Durchmessers der Teile wurde eine lange Fräse benötigt. 7 Die fertigen Teile werden vor dem Transport von Hand

geprüft. 8 Feine Details werden von Hand nachbearbeitet.

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114 | PROJEKTAUSWAHL: 9 SKELETTBAUWEISE

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Die Holzverbindungen zusammen mit den ovalen Querbalken sorgen für eine stabile Rahmenkonstruktion.

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Rahmenaufbau 1 CNC-gefräster ovaler Querbalken  2 CNC-gefräster Hauptbalken  3 Formschlüssiges Stützensystem  4 Die Stütze wird

durch das Balkenraster fixiert.  5 Die Hauptbalken tragen die Lasten aus dem Gebäude ab.  6 Ovale Querbalken machen das System formstabil und steifen es gegen Querkräfte aus.

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Die Publikation gibt eine systematische Einführung in den mehrgeschossigen Holzbau. Sie erläutert dann die verschiedenen Konstruktionsarten wie Massivholzbauweise, hybride Holz/Betonoder Holz/Stahl-Konstruktionen sowie Konstruktionen aus Holzwerkstoff-Platten und dokumentiert die Vielfalt im Einsatz dieses Materials anhand 13 gebauter internationaler Beispiele. Eigens erstellte Konstruktionszeichnungen zeigen Aufbau und Detaillierung der Gebäude. Die Autoren sind ausgewiesene Experten für den Holzbau: Michael Green, MGA | Michael Green Architecture, und DBR | Design Build Research Institute, Vancouver, ist praktizierender Architekt und hat sich seit Jahren mit Holzhochhäusern einen Namen gemacht. Jim Taggart, Vancouver, ist Architekt, Publizist und Herausgeber der Zeitschrift Sustainable Architecture and Building Magazine. Er lehrt am British Columbia Institute of Technology in Vancouver.

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Der vielgeschossige Holzbau hat sich seit einigen Jahren als zukunftsträchtige Bauweise etabliert: In vielen Städten entstehen derzeit Holzgebäude mit bis zu 18 Geschossen, Projekte mit bis zu 40 Stockwerken sind in der Entwurfsphase. Ermöglicht haben diese rasante Entwicklung der Systembau, neu entwickelte Holzwerkstoffe sowie flexiblere Brandschutzbestimmungen. Zahlreiche aktuelle Forschungsvorhaben und Prototypen treiben derzeit die Evolution weiter voran und loten die Möglichkeiten der Technologie aus. Hinzu kommt die tadellose CO2-Bilanz des häufig regional verfügbaren Materials. Als nachwachsender Werkstoff leistet Holz einen aktiven Beitrag zum nachhaltigen Bauen.

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