Weiterbildung: Stampflehm

DL-Atelier konzipierte das San Bao Peng Art Museum in der Nähe von Jingdezheng, China, als ein 300 Fuß langes und 27 Fuß breites Gelände, das durch Umfassungsmauern aus Stampflehm begrenzt wird. Die Galerien sind in mit Titanzink verkleideten Volumen eingeschlossen.

Foto © Haiting Sun

Anstelle von Sperrholzplatten wurden die Wände des Museums mit horizontal ausgerichteten Brettern gegossen, um der Stampflehmoberfläche zusätzliche Struktur zu verleihen.

Foto mit freundlicher Genehmigung von DL-Atelier

Bild mit freundlicher Genehmigung von DL-Atelier

Spring Ranch in der Nähe von Hollister, Kalifornien, verfügt über mächtige Stampflehmwände mit einer Dicke von bis zu 24 Zoll.

Foto © Joe Fletcher

In Verbindung mit der Strahlungsheizung und -kühlung der Betonböden trägt die thermische Masse der Stampflehmwände dazu bei, angenehme Innentemperaturen aufrechtzuerhalten.

Foto © Joe Fletcher

Bild mit freundlicher Genehmigung von Feldman Architecture

SmithGroupJJR stellte sich eine 20 Fuß breite und 19 Fuß hohe Stampflehmwand als Mittelpunkt eines Bürogebäudes in Santa Clara, Kalifornien, vor. Das 10-Tonnen-Element besteht aus vier Segmenten, die außerhalb des Standorts in Napa hergestellt werden.

Foto © Michael David Rose Photography, mit freundlicher Genehmigung von SmithGroup JJR

Weiterbildung

Einen elementareren Baustoff als Stampflehm kann man sich kaum vorstellen. Die frühesten Beispiele dieser Technik werden durch das Komprimieren einer sandigen Erdmischung in Formen hergestellt und sind an 7.000 Jahre alten archäologischen Stätten in China erhalten. Die Methode zur Herstellung von Wänden mit ihren Schichten aus satten Farben und Texturen wird von Architekten wiederentdeckt, die sie mit raffinierten Mischungen und innovativer Technologie ins 21. Jahrhundert übertragen.

Als der Architekt Lui Yang, Leiter des Pekinger Büros DL-Atelier, den Entwurf für das Kunstmuseum San Bao Peng in der Nähe von Jingdezheng, China, entwarf, stellte er sich eine streng geometrische Form vor, die im Kontrast zur umgebenden idyllischen Berglandschaft aus dem Boden auftauchen würde. Das 2017 fertiggestellte, 300 Fuß lange und 27 Fuß breite Museum, das sich auf die berühmte Porzellankeramik der Region konzentriert, wird durch 12 Fuß hohe Stampflehmwände begrenzt. Innerhalb des Komplexes ordneten die Architekten Innenhöfe und Galerieräume auf mehreren Ebenen an und krönten die Komposition mit einer Reihe von mit Titanzink verkleideten Volumen mit Stahlrahmen.

Der Architekt wählte zusätzlich zum Stampflehm eine „geologische“ Palette aus Travertin und Schiefer. Die Oberflächen sind langlebig, sollen aber die Abnutzung durch menschlichen Kontakt und Witterungseinflüsse im Laufe der Zeit aufzeichnen. Während die Form eindeutig linear ist, wollte Lui laut Lui die Besucher dazu ermutigen, auf organische Weise durch die Räume zu fließen, sodass ihr Fortschritt eine Reihe von Optionen und zufälligen Entdeckungen darstellt. Es gibt mehrere mögliche Einstiegspunkte – einen an jedem Ende und einen weiteren über eine breite Öffnung in einer Seitenwand, die ein Wasserspiel und Travertin-Trittsteine umfasst.

Das Grundmaterial für den Stampflehm – ein vor Ort abgebauter gemahlener Stein – ist derselbe Grundbestandteil, der auch im Porzellan der Region zu finden ist. Die rot gefärbten Materialien aus Stein, Ton und Schlick für die Mauern stammten von einem nahegelegenen Hügel. Es wurden zehn maßstabsgetreue Modelle angefertigt, die als dauerhafte Landschaftselemente dienen sollten, um verschiedene Kombinationen von Zuschlagstoffen (Schotter, Kies und Sand) sowie Abdichtungsdetails zu testen. Da das lokale Klima eher regnerisch ist, enthält der Stampflehm etwa 8 Prozent Portlandzement. Sogenannter „stabilisierter“ Stampflehm enthält etwa 5 bis 10 Prozent Zement – etwa die Hälfte der Menge in einer typischen Betonmischung – was ihn fester und witterungsbeständiger macht.

Obwohl Portlandzement die Haltbarkeit verbessert, hält Stampflehm dem direkten Kontakt mit dem Boden nicht gut stand. Daher verwendeten die Architekten Beton für das Fundament und die unterirdischen Ebenen des Gebäudes mit einem travertinverkleideten Sockel im Erdgeschoss. Um die Übergänge mehrerer großer Öffnungen zu stützen, die den Blick auf die Landschaft rahmen, betteten sie Stahlträger in die Stampflehm ein. Und um ein elegantes Abschlussdetail zu schaffen, verkleideten sie die Wände und Fensterbänke mit Abdeckplatten aus Edelstahl, die wiederum mit Travertin abgedeckt wurden.

Die Wände wurden in einem ähnlichen Verfahren wie Ortbeton errichtet, mit Bewehrungsgittern zur Verstärkung. Die Schalung wurde in einer Reihe von Hüben aufgestellt und bei jedem weiteren Betoniervorgang vertikal bewegt. Anstelle der üblicheren Sperrholzplattenformen entschied sich DL-Atelier für horizontal angeordnete Bretter mit einer Breite von 20 cm, um der Oberfläche der Wände zusätzliche Struktur zu verleihen. Der Boden wurde schichtweise in die Formen eingebracht und dann mit pneumatischen Stampfern verdichtet. Die Methode ahmt im Wesentlichen die Art und Weise nach, wie Sedimentgestein in der Natur entsteht: Durch die intensive Kompression und Inhaltsstoffe wie Ton, die als Bindemittel dienen, verschmelzen die Elemente. Die daraus resultierende steinartige Dichte unterscheidet es von weicheren erdbasierten Materialien wie Adobe.

Auf der anderen Seite des Pazifischen Ozeans in der Nähe von Hollister, Kalifornien, basiert ein 6.500 Quadratmeter großes, zweistöckiges Ferienhaus von Feldman Architecture aus San Francisco auf einer ähnlichen Strategie, bei der das Gebäude mit massiven Stampflehmwänden am Gelände verankert wird. In diesem Fall entsprechen drei konzentrische, sanft geschwungene Wände mit einer Höhe von bis zu 20 Fuß den Konturen des Hügels, auf dem das Haus steht, und bilden ein Gerüst, in dem die Wohnräume mit Stahl- und Holzrahmen durchsetzt sind.

Das als Spring Ranch bekannte Haus verfügt über LEED-Gold und Netto-Null-Energie, und die Stampflehm spielt eine wichtige Rolle in seiner Erhaltungsstrategie. Die nicht isolierten Stampflehmwände stellen in Kombination mit den Betonböden reichlich thermische Masse für die passive solare Heizung und Kühlung bereit. Im mediterranen Klima im Landesinneren Kaliforniens ist die Kühlung an heißen Sommertagen das wichtigste thermische Problem für das Haus, sagt Jonathan Feldman, Geschäftsführer der Firma. Allerdings bieten die relativ kühlen Nächte – mit Temperaturen, die selbst im Juli und August bis in den 50er-Bereich fallen – ideale Bedingungen, um die thermische Masse zu spülen und Kühlenergie für den Tagesgebrauch zu speichern. Zusätzlich zu diesen passiven Strategien verfügt das Haus über eine 7,6 Kilowatt starke Photovoltaikanlage auf dem Dach, die seinen gesamten Strombedarf deckt. Eine große Solarthermieanlage sorgt für die Warmwasserbereitung und die Beheizung der Fußbodenheizung.

Stampflehm ist wie Beton, Mauerwerk und Stein ein bekanntermaßen schlechter Isolator – nur etwa R-2 für eine 18 Zoll dicke Wand. Aber trotz der nicht isolierten Stampflehmwände von Spring Ranch übertraf es, als Gesamtgebäude modelliert, die kalifornischen Energiestandards aufgrund der Fähigkeit der Struktur, Wärmeenergie zu speichern und zu übertragen, deutlich.

Allerdings hätten strengere Energiestandards, die seit der Fertigstellung des Hauses vor fünf Jahren eingeführt wurden, wahrscheinlich eine Isolierung der Wände erfordert, so David Easton, der Stampflehmberater des Projekts. Der aktualisierte Code stellt ein Rätsel für neuere Projekte dar – wie die Haltbarkeit des Stampflehms und die Kontinuität der Oberfläche innen und außen aufrechterhalten werden können. Eine Lösung ist eine Doppelwand, in die eine starre Dämmschicht eingelegt wird. „Im Wesentlichen erhält man am Ende zwei 7-Zoll-Wände aus Stampflehm auf beiden Seiten einer 4 Zoll dicken, starren Isolierung, eine Art Eiscreme-Sandwich“, sagt Easton. Das Detail sorgt für eine gute thermische Masse im Innenraum. Aber in manchen Klimazonen, erklärt er, kann es auch die vorteilhafte Übertragung von Wärmeenergie durch die Wand beeinträchtigen. Außerdem erhöht es die Komplexität des ohnehin schon arbeitsintensiven Bauprozesses und erhöht somit die Kosten.

Stampflehm ist am nachhaltigsten, wenn seine Rohstoffe vom Standort oder seiner Umgebung stammen. Laut Feldman wurde ein Teil der Erde für den Aushub des Hollister-Hauses in die Mischung eingearbeitet. Um jedoch deutliche horizontale Farblinien zu erzielen, wurden die meisten Komponenten an verschiedenen nahegelegenen Orten gewonnen und in unterschiedlichen Tiefen abgebaut. Für die tiefroten Schichten der Wände wurde eine kleine Menge Material aus Arizona verwendet.

Diese Vielfalt an Zutaten sei in zeitgenössischen Stampflehmgebäuden nicht ungewöhnlich, sagt Easton. „Früher bestand es zu 30 Prozent aus Ton und Schluff und zu 70 Prozent aus Sand und Kies.“ Aber die Mischungen seien extrem nuanciert und komplex geworden, um das Leistungsniveau und die Endqualität zu erreichen, die Architekten jetzt verlangen, sagt er. Der Begriff „gestampfte Erde“ ist etwas irreführend, da die Zutaten – gemahlener Stein, Sand, Schluff und Kies – selektiv abgebaut werden und kein organisches Material enthalten dürfen.

Wie das Museum in Jingdezheng sind auch die Wände der Spring Ranch mit Zement stabilisiert. Laut Easton ist es jedoch möglich, eine ähnliche Festigkeit und Haltbarkeit ohne den Zusatzstoff zu erreichen, abhängig von der Verfügbarkeit raffinierter Materialien wie zerkleinertem Granit. Easton fügt hinzu, dass in den USA nur stabilisierter Stampflehm verwendet wird, vor allem weil sich Verbraucher und Baubehörden mit der Zugabe von Zement sicherer fühlen. In Europa sei unstabilisierter Stampflehm immer noch weit verbreitet.

Baubehörden verlangen häufig spezielle Tests für alternative Materialien wie Stampflehm. Im Fall von Spring Ranch befolgten die Bezirksbeamten eine Richtlinie für nicht standardmäßige Betonanwendungen, die eine Mindesttragfähigkeit von 2000 Pfund pro Quadratzoll (psi) vorsah.

Stampflehmwände können nur einem Druck von 800 bis 1600 psi standhalten, aber da sie oft viel dicker als typische Betonwände sind, kann die Gesamttragfähigkeit genauso gut oder besser sein. (Mit anderen Worten, die Festigkeit pro Quadratzoll kann geringer sein, aber es gibt mehr Quadratzoll Tragkraft als eine typische 8-Zoll-Betonwand bietet.) Nach einer Reihe von Tests, die auf die spezifischen Eigenschaften von Spring Ranch-Wänden zugeschnitten sind, die bis zu 24 Zoll dick sind, hätten die Beamten grünes Licht gegeben, sagt Feldman.

Neben Bedenken hinsichtlich der Tragfähigkeit gab es auch seismische Einschränkungen, da das Haus nur wenige hundert Meter von der San-Andreas-Verwerfung entfernt liegt. Die Ingenieure des Projekts spezifizierten für jede Wand zwei Käfige (Gitter) aus Bewehrungsstäben. Die Lasten der Dachkonstruktion und der Bodenplatten werden über mit den Stampflehmelementen eingebettete Stahlbeton-Verbundträger auf die Wände übertragen.

Bis vor Kurzem war der Einsatz von Stampflehmwänden aufgrund ihrer Beschaffenheit und ihres Herstellungsprozesses auf Projekte beschränkt, bei denen sie vor Ort gegossen werden konnten. Aber neue, externe Herstellungstechniken haben andere Anwendungen ermöglicht. SmithGroupJJR hat kürzlich eine 20 Fuß breite und 19 Fuß hohe vorgefertigte Stampflehmwand zum Mittelpunkt der Hauptlobby des Stadium Tech Center in Santa Clara, Kalifornien, gemacht – einem sechsstöckigen Bürogebäude, das 2016 mit einem Rohbau fertiggestellt wurde entworfen von der Firma Arc Tec aus der Bay Area.

SmithGroupJJR betrachtete die vorgefertigte Platte als perfekte Kulisse für den 25 Fuß hohen Empfangsbereich und stellte es sich als „ein großes, elementares Werk vor, wie ein Gemälde von Mark Rothko“, sagt der leitende Designer Matt Smialek. Aber in diesem Fall wäre die Wand selbst das Kunststück, sagt er. Die Platte, die die geschichteten Schichten des traditionelleren, vor Ort gegossenen Stampflehms beibehält, dient auch dazu, die ästhetische Kühle der polierten Betonböden und der glatten weißen Wände der Lobby auszugleichen. Die Designer versenkten das Panel hinter einem breiten Rahmen aus gebeizter Eiche und beleuchteten es dann von außen.

Obwohl viel leichter als herkömmlicher Stampflehm, wog die gesamte 6 Zoll dicke Fertigteilplatte, die in einem Werk in Napa, Kalifornien, hergestellt wurde, über 10 Tonnen. Um den Transport und die Montage zu ermöglichen, wird die Installation von einem Stahlrahmen gehalten und besteht aus vier horizontal gestapelten Segmenten mit einer Länge von 22 Fuß und einer Höhe von 5 Fuß. Da sich unterhalb der Lobby ein offenes Parkdeck befindet, hängt das Gewicht des Paneels größtenteils an der darüber liegenden Stahlkonstruktion des Gebäudes, die zur Aufnahme der zusätzlichen Last verstärkt wurde.

Fabrikfertigungstechniken, wie sie beim Santa Clara-Projekt eingesetzt werden, ermöglichen eine genaue Kontrolle der Mischung und der Schalung sowie anderer Faktoren. Sie ermöglichen die Herstellung von Platten mit einer Dicke von bis zu 3 Zoll, beispielsweise für Außenwandpaneele. Diese Entwicklung von einer massiven tragenden Wand zu einer Verkleidung zeigt, wie weit dieser bescheidene Ansatz in seiner langen Geschichte gekommen ist. Und es werden weiterhin neue Anwendungen entstehen. Im vergangenen Jahr gewannen mehrere chinesische Universitäten den World Architecture Award 2017 für ihre Arbeit beim Ersatz von Wohnhäusern im vom Erdbeben zerstörten Dorf Guangming durch verstärkte Stampflehmkonstruktionen. Am anderen Ende des Spektrums hat Peter Zumthor vorläufige Pläne für einen Anbau aus Stampflehm am Beyeler-Museum in Basel (Schweiz) veröffentlicht, der von seinem Pritzker-Preisträger Renzo Piano entworfen und 1997 fertiggestellt wurde. Angesichts der Fülle an Rohmaterial Angesichts der steigenden Anforderungen an Materialien und des wachsenden Bedarfs an nachhaltigen Baugruppen ist davon auszugehen, dass Architekten die Grenzen von Stampflehm noch weiter ausdehnen werden.

Lernziele

1 Definieren Sie den Begriff „gestampfte Erde“ und erklären Sie, wie Wände aus diesem Material typischerweise gebaut werden.

2 Besprechen Sie die strukturellen und regulatorischen Herausforderungen, die der Stampflehmbau mit sich bringt.

3 Erklären Sie, wie die thermische Masse einer Stampflehmwand zur Klimatisierungsstrategie eines Gebäudes beitragen kann.

4 Beschreiben Sie die Vorteile werkseitig hergestellter Stampflehmelemente.

AIA/CES-Kurs Nr. K1802A

Um CEU-Credits zu erhalten, lesen Sie „Continuing Education: Rammed Earth“ und nehmen Sie am Quiz unter continueeducation.bnpmedia.com teil oder nutzen Sie unsere Architectural Record Continuing Education-App, die im iTunes Store erhältlich ist.

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