BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff

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Integration der Prozesskette: Das zeichnet uns aus

Das BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff vereint unter einem Dach inter-disziplinäres Wissen und Kompetenzen über die gesamte Wertschöpfungskette Holz. Aus dem nachwachsenden Rohstoff entstehen hier Produkte und Verfahren mit wirtschaftlichem, sozialem und ökologischem Nutzen.

Wir bündeln Kompetenzen für die wissens-basierte Gewinnung und Verwertung des Rohstoffs, die intelligente Anwendung des Baustoffs und die erweiterte Nutzung des natürlichen Werkstoffs Holz.

KreisläufeDie erstmalige Verwendung der Bezeichnung Nach­haltigkeit im Sinne eines langfristig angelegten verant­wortungsbewussten Umgangs mit einem Rohstoff stammt aus der Forstwirtschaft des 18. Jahrhunderts. In einer Zeit der Schlagworte wie Industrie 4.0, Big Data und Internet der Dinge ist das Bedürfnis nach geschlossenen Kreisläufen in ökonomischer, ökologi­scher und sozialer Hinsicht aber dringender denn je.

Für die gebaute UmweltDie Wertschöpfungskette der Forst­ und Holzwirtschaft nimmt in der gebauten Umwelt eine Pionierrolle für geschlossene Kreisläufe wahr und leistet gesellschaft­lichen Mehrwert. Unsere Forscher und Entwicklerinnen sowie die Fachleute in der Aus­ und Weiterbildung arbeiten im BFH­Zentrum Holz – Ressource und Werk­stoff daran. Sie entwickeln Technologien, Verfahren und Know­how und stellen sie den Anwendern zur Verfügung. Neuste Erkenntnisse, spezifisches Wissen und eine starke praktische Verankerung in den Teil­branchen der Bau­ und Holzwirtschaft sind Erfolgs­faktoren dafür.

Interdisziplinär und prozessübergreifendDas BFH­Zentrum vereint Institute aus verschiedenen Bereichen der Berner Fachhochschule. Expertinnen und Experten aus Forstwesen, Planung, Architektur, Konservierung und Restaurierung, Bauwesen, Holz­technik, Holzbau, Werkstoffen, Chemie, Automati­sierung und Informatik arbeiten prozessübergreifend zusammen. Komplementäres Know­how und inter­disziplinäre Ansätze ermöglichen integrierte Lösungen

über die gesamte Wertschöpfungskette. Forstwirt­schaft, Veredler und Anwender arbeiten Hand in Hand und sichern die bedürfnisgerechte Bereitstellung und Veredelung des Rohstoffs. Aus der interdisziplinären Vorgehensweise ergeben sich einmalige Kombina­tionen für die Pro duktion, den Betrieb und Gebrauch von Werken und Fertigprodukten bis zum Erhalt von Kunst­ und Kulturgütern. Innovative Lösungen für holzbasierte Chemi kalien, Werkstoffe, Bauwerke, Pro­dukte und Prozesse schaffen dreifachen Mehrwert: wirtschaftlichen, ökologischen, sozialen.

Mit vereinten Kompetenzen Expertinnen und Experten des BFH­Zentrums erar­beiten ganzheitliche Lösungen mit Partnern aus Wirt­schaft und Gesellschaft. Die enge Zusammenarbeit mit den Anwendern verknüpft Praxis mit neustem Wissen. Dieses fliesst in die Studiengänge und Weiter­bildungen ein, womit auch der Transfer in die Wirt­schaft gewährleistet ist.

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Rohstoff – Know-how für Gewinnung und Verwertung

Von effizienten und nachhaltigen Waldbewirtschaftungssystemen über Supply Chain Management in der Wald- und Holzwirtschaft bis zur Optimierung der Schnittstellen in der digitalen Datenkette für die Planung und Produktion von Bauwerken aus Holz: Das BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff entwickelt anwendbare Lösungen für die Akteure der Produktionskette.

Vom Wald zum Holz – effektive BewirtschaftungsprozesseDie Gesellschaft muss Ressourcen nachhaltig und schonend einsetzen. Holz als klimaneutraler und rege­nerativer Rohstoff bietet die Möglichkeit der stoff­lichen, energetischen und wirtschaftlichen Kaskaden­nutzung in geschlossenen Kreisläufen. Es ist einer der wichtigsten Rohstoffe der Schweiz mit einem hohen gesellschaftlichen und ökonomischen Wert. Der Bund will die Holznutzung in der Schweiz zeitnah um circa 60 Prozent auf 10 Mio. Festmeter pro Jahr steigern. Dafür muss die schweizerische Forstwirtschaft ihre Bewirtschaftungsstrukturen verbessern, indem zum Beispiel die Bereitstellungsprozesse von Holz optimiert werden und die erste Holzverarbeitungs­stufe, die Säge­ und Holzindustrie, gestärkt wird.

Eine wichtige Voraussetzung für eine leistungsfähige und verlässliche Bereitstellungskette von Holz sind wirtschaftlich erfolgreiche Forstbetriebe, die ihre Wälder kostendeckend bewirtschaften. Dies ist heute in der Schweiz zum Teil nicht der Fall. Für eine grund­legende Verbesserung der wirtschaftlichen Situation müssen die Forstbetriebe ihre aktuellen Struktur­probleme überwinden. Die Lösungsansätze des BFH­Zentrums sind der Zusammenschluss kleinerer Be­triebe zu grösseren Einheiten, die Übertragung der Bewirtschaftung an forstliche Dienstleister sowie das effiziente Zusammenspiel aller Akteure entlang

der Wertschöpfungskette. Neu entwickelte Betriebs­modelle und Technologien unterstützen diese Prozesse. Ihr Einsatz reicht von der rollenden Betriebsplanung auf Basis von geographischen Informationssystemen (GIS) über die Produktionsplanung und ­steuerung der Holzernte bis hin zum Austausch von Statusmeldungen der am Bereitstellungsprozess beteiligten Akteure. Nicht zuletzt gilt es, die Rohstoffversorgung für neue Produkte zur chemischen Verwendung aufzubauen.

Unsere Kompetenzen– Kooperationsmodelle zur strategischen Positionierung von Forstbetrieben– Bewirtschaftungsprozesse und Strukturen für die effiziente und effektive Bereitstellung des Rohstoffs Holz– Technologien und Verfahren zur Datenüber­ tragung unter den beteiligten Akteuren für eine intelligente und bedarfsgerechte Ernte und Verwertung von Holz

Wir erarbeiten Lösungen für eine effek tivere Ernte und Bereitstellung von Holz.

5Von der Planung zum Produkt – die digitale DatenketteDie erfolgreiche Umsetzung von Projekten – unab­hängig von ihrer Grösse – hängt von der Organisation der Bau­ und Fertigungsprozesse ab. Heute erfasst, kombiniert und vernetzt man mit der Gebäudemodel­lierung (auf Englisch «Building Information Modeling» BIM) und mit der digitalen Fabrikation relevante Daten. In einem simulierten Prozess kann damit die Planung, Ausführung und Bewirtschaftung von Ge­bäuden optimiert werden. Im Gegensatz zu herkömm­lichen Techniken erlauben diese Methoden neue Formen der Zusammenarbeit mit interdisziplinären Teams und einen Wiederhol­Effekt. Die nahtlose Verbindung von digitaler Planung und physischem Fabrikationsprozess führt zu Effizienzsteigerung und höherer Qualität. Die Daten aus den Material­ und Informa tionsflüssen werden von der ersten Idee bis zur Bewirtschaftung abgebildet, um Kreisläufe besser zu schliessen.

Digitale Technologien eröffnen neue Möglichkeiten für die Konstruktions­ und Materialsysteme, für die Architektur und Kultur. Ressourcenschonende Produk­tion, effiziente und zugleich flexible Planungs­ und Bauprozesse sowie die Überleitung von der Massen­produktion zur massgeschneiderten industriellen Produktion versprechen einen entscheidenden Ent­wicklungsschritt hin zu einer nachhaltigen Baukultur. Die Herausforderung dabei ist die Kommunikation

in den einzelnen Bereichen der digitalen Kette. Die Schnittstellen zwischen einzelnen Systemen müssen funktionieren, damit die hochkomplexen Abläufe von der Produktion über den Bau bis hin zur Inbetrieb­nahme und eventuell sogar Nutzung und später zum Rückbau von Gebäuden simuliert werden können. Somit werden auch entsprechende umweltfreundliche Prozesse sowie Produktions­ und Verbindungstech­nologien entwickelt.

Unsere Kompetenzen– Lösungen für integrierte digitale Prozess steuerung– Schnittstellenoptimierung für Datentransfer – Komplettanwendungen mit digital gesteuerten Produktionseinheiten

Wir schaffen Durchgängigkeit der Information zwischen den verschiedenen Planungs- und Produk tionsprozessen.

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Baustoff – Intelligenz für die gebaute Umwelt

Neue Ansätze für leistungsfähige Holzkonstruktionen, die Kombination von Holz mit anderen Baustoffen, Lösungen für energieeffiziente, mehrgeschossige und modulare Bauten, Abläufe und Techniken für den Erhalt und Ausbau bestehender Bauwerke sowie aussagekräftige Marktforschungsdaten: Das BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff nutzt Wissen für Mehrwert.

Vom einfachen Bau zum komplexen Werk – durchdachte SystemeHolzbauten zeichnen sich heute durch ihre eindrück­liche Höhe, ihre hochbeanspruchten und weitgespann­ten Tragwerke, ihre Energieeffizienz, ihre Sicherheit, ihre hohe Vorfabrikation und ihre kurzen Montagezeiten aus. Der Holzbau kommt immer mehr zur Anwendung, auch im städtischen Umfeld. Die Anforderungen an die urbane Gestaltung der Bauwerke nehmen zu, so zum Beispiel Ansprüche an Material­ und Flächeneffizienz. Das Monitoring von Bautätigkeiten und Materialent­scheidungen zeigt auch den Bedarf nach innovativen Umsetzungen, neuen Verfahren und intelligenten Kom­binationen verschiedener Materialien und Systeme.

Der Bedarf an verdichtetem Bauen stellt neue kon­struktive und statische Herausforderungen an Bauteile und Tragkonstruktionen. Heutige Ansprüche an Ener­gieeffizienz, Sicherheit, Behaglichkeit und Dauerhaftig­keit der Produkte werfen material­ und bauphysi ka­lische wie auch produktionstechnische Fragestellun­gen auf. Hybridbau mit Holz, kombiniert mit anderen herkömmlichen oder neuartigen Baustoffen, wie auch die integrierte Planung, Produktion und Bewerk ­ stel ligung von Bauteilen und Bausystemen bieten Lösungsansätze für komplette Bauwerke. Die Analyse

der Marktentwicklungen in den Zielmärkten der ge­samten Wertschöpfungskette der Bau­ und Holzbran­che liefert den Spezialisten aus den Bereichen Forst­ und Bauingenieurwesen, Holztechnik, Architektur und Kunst Grundlagen für bedarfsgerechte Entwicklungen von Produkten, Konstruktions­ und Verbindungstech­niken oder Bauwerken.

Unsere Kompetenzen– Modulare Holzbauten mit hohem Vorfertigungs grad– Ressourceneffiziente und produktionsoptimierte Tragsysteme– Energieeffiziente und dauerhafte Gebäudehüllen– Verbindungstechniken und Materialkombinationen für Hybridbauten mit Holz– Bedarfsgerechte Entscheidungsgrundlagen durch kontinuierliches Baumonitoring

Wir entwickeln sichere und leistungs fähige Bau systeme von der Planung bis zur Montage.

7Von bestehenden Bauten zu neuen Nutzungen – Bauen im Bestand Die Schweiz verfügt über einen sehr hochwertigen Gebäudebestand. Die meisten Bauten wurden zwischen 1850 und 1920 errichtet und weisen bei heute üblicher Nutzung einen hohen Energieverbrauch auf. Im Jahr 2050 werden gemäss Hochrechnungen des Bundesamts für Energie 90 Prozent des Gebäude­energiebedarfs von Gebäuden verursacht, die vor 2000 erstellt wurden. In den nächsten 20 bis 30 Jah­ren wird man einige hunderttausend Gebäude in der Schweiz sanieren müssen. Circa 20 Prozent des Gebäudebestands gilt als historisch und stellt ein wesentliches Element unseres Kulturguts und unserer Stadtbilder dar.

In diesem Kontext nimmt die Bedeutung von Methoden für zerstörungsfreie Prüfungen sowie statische und baukonstruktive Untersuchungen von Tragkonstruktio­nen zu. Die Weiterentwicklung entsprechender Tech­niken und Systeme bedingt ein ausgeprägtes Verständ­nis für die Beurteilung und Ertüchtigung von bestehen­den, historisch wertvollen Gebäuden. Damit wird der Erhalt kulturhistorisch wertvoller Bausubstanz sicher­gestellt und die Kriterien für nachhaltiges Bauen weiterentwickelt. Die Kombination von Spezialisten aus unterschiedlichen Bereichen ermöglicht die Er­weiterung des kulturhistorischen Verständnisses sowie eine Verbindung zwischen konstruktiven, bau­physikalischen und denkmalpflegerischen Ansätzen.

Unsere Kompetenzen– Beurteilung und Ertüchtigung von bestehenden Gebäuden– Zerstörungsfreie Prüfung und Schutz kultur­ historisch wertvoller Bausubstanz– Statische und baukonstruktive Untersuchungen historischer Tragkonstruktionen– Architektonische Restaurierung, städtebauliche Aufwertung und Verdichtung im kultur ­ histo rischen Kontext

Wir vereinen Innovation mit Tradition im Spannungsfeld der Sanierung und Nachverdichtung.

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Werkstoff – Innovation für Produkte und Kultur

Multifunktionale Holz- und Verbundwerkstoffe, Produkte für die Holz- und Bau-wirtschaft, Technologien und Verfahren für den Erhalt von Kunst- und Kulturgütern aus Holz: Die Forschenden des BFH-Zentrums Holz – Ressource und Werkstoff sprengen die Grenzen des traditionellen Werkstoffs und eröffnen den Weg für neue Möglichkeiten in verschiedensten Anwendungsbereichen.

Vom Holz zum Naturwerkstoff – intelligente MaterialanwendungenHolz kommt seit vielen Jahrhunderten als Grundstoff für Möbel, Geräte und Alltagsgegenstände zum Einsatz. Weiterhin besteht ein grosses Potenzial für einen effizienteren Einsatz von Holz mit neuen Funktionen. So dominieren im Bereich der Holzwerkstoffe etab­lierte Platten mit synthetisch hergestellten formalde­hydhaltigen Klebstoffsystemen. Ressourcenschonende Leichtbauplatten geringerer Dicke sind aus Preis­gründen bislang noch nicht konkurrenzfähig. Chemi­sche und thermische Holzmodifikationen zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit heimischer Hölzer bieten ein grosses Potenzial. Durch verbesserte Herstellungspro­zesse werden diese wirtschaftlich attraktiv. Holzschutz im Aussenbereich bedarf meist noch aufwändiger Schutzanstriche mit bioaktiven Substanzen. Auch die Möglichkeiten, erdölbasierte Grundchemikalien, Polymere und weitere Materialien durch holzbasierte Stoffe und Produkte zu ersetzen, sind noch lange nicht ausgeschöpft.

Im Hinblick auf einen nachhaltigen Ressourceneinsatz sind optimierte und multifunktionale Holz­ und Verbundwerkstoffe sowie innovative Zusatzstoffe zum Kleben und Schützen in der Holz­ und Bauwirtschaft wie auch im Kultur­ und Denkmalschutzbereich gefragt. Mit umfassenden Kenntnissen des Rohstoffs Holz und weiteren nachwachsenden Rohstoffen

können marktgerechte Produkte und Anwendungen entwickelt werden: naturverträgliche multifunktionale Holz­ und Verbundwerkstoffe, Lösungen zum Schutz von holzbasierten Werkstoffen mit Lacken, Ober­flächenmodifikationen und Imprägniersystemen, inno­vative und emissionsarme Klebstoff­ und Verbund­werkstoffsysteme, Materiallösungen für holzbasierte Extraktstoffe. Auch designorientierte Anwendungen von Holzprodukten für Interieurs sind ein wichtiger Bestandteil des BFH­Zentrums.

Unsere Kompetenzen– Naturverträgliche multifunktionale Holz­ und Verbundwerkstoffe– Systeme zum Schutz von holzbasierten Werkstoffen– Innovative und umweltgerechte Klebstoffe und Lacksysteme– Holzextraktstoffe als Alternative zu erdölbasierten Grundstoffen und Materialien

Wir nutzen die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Holz für umweltverträgliche Produkte.

9Vom Kulturerbe zum Kulturgut – verstehen, erhalten und nutzenZukunft braucht Herkunft: Kunst und Kultur vergange­ner Epochen bilden einen wichtigen Eckpfeiler unserer Gesellschaft, zeugen sie doch direkt vom Wissen und Leben ihrer Zeit. Konservierung und Restaurierung helfen dabei, kulturhistorisch besonders relevante Werke für die Gegenwart und Zukunft zu erforschen und möglichst unverfälscht verständlich und lesbar zu erhalten. Dazu sind neben kulturhistorischem Wissen auch technologische Expertise und Know­how zu modernen Konservierungsverfahren notwendig. Holz wird seit Urzeiten verwendet und ist eines der wichtigsten Materialien in und an Kulturgütern. Trotz­dem werden wichtige Aspekte ihrer Zersetzung, der Schadens prävention und die Wirkungsmechanismen und Nebenwirkungen historischer und aktueller Konservierungsverfahren noch zu wenig beherrscht. Beispielsweise treten unerwünschte Nebenwirkungen historischer Holzschutzmittel auf, was effiziente Dekontaminationsverfahren und alternative Schutz­strategien erfordert.

In Zusammenarbeit mit Expertinnen und Experten unterschiedlicher Disziplinen erarbeiten wir einen innovativen und qualifizierten Umgang mit historisch wertvoller Substanz. Gefragt sind ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Holz­bestandteilen, Konservierungsstoffen, anderen Materia lien und Umgebungsbedingungen sowie effizi­ente Prozesse bei der zeitgemässen und respekt ­ vollen Behandlung historischer Werke.

Unsere Kompetenzen– Kulturhistorische und technologische Einordnung und Dokumentation historischer Holzobjekte– Entwicklung und Konzeption schadenspräventiver und kurativer Erhaltungsmassnahmen– Verfahren der De­Restaurierung

Wir entwickeln in einem interdiszi pli-nären Ansatz Methoden und Verfahren zur Erhaltung von Kulturgut.

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Forschung, die wirkt

Das BFH-Zentrum bietet mit neustem Wissen und praxisnaher Erfahrung an-wendungsreife Lösungen für eine Kundschaft aus der gesamten Wertschöpfungskette Holz und verwandten Sektoren: vom Wald bis zum High-Tech-Produkt, von der Bau- bis zur Immobilienwirtschaft und der Kulturbranche, von der Zulieferindustrie wie Glas und Chemie bis zur zugehörigen Industrie wie Informatik und Anlagenbau. Folgende Projektbeispiele geben einen Einblick.

FOCUS: Advances in Forestry Control and Automation Systems in EuropeDie Forstwirtschaft und die mit ihr verbundenen Branchen gehören zu den wichtigsten Wirtschaftszweigen in den ländlichen Regionen Europas. Eine der grössten Schwie­rigkeiten bei der Verbesserung der forstbasierten Wert­schöpfungsketten ist der Mangel an integrierten Kontroll­ und Planungsmechanismen. Mit Fallstudien in der Schweiz, Finnland, Belgien, Deutschland, Österreich und Portugal zeigen die Forschenden im Projekt «FOCUS», wie innovative Sensortechnologien und Kontrollmethoden dieses Problem lösen können. Ziel ist, Nachhaltigkeit, Produktivität und Marktfähigkeit der betroffenen Branchen zu steigern.

Projektpartner: 13 Partner aus Forschung und Wirtschaft aus sechs europäischen Staaten Förderorganisation: 7th European Framework Programme for Research and Technological Development FP7

Extraktion von Tanninen aus Rinden heimischer Nadelhölzer Die stoffliche Nutzung von Rinde ist noch nicht gewinnbringend. Ziel des Projekts ist es, einen Extrak­tionsprozess zu entwickeln, der zur Gewinnung von Tanninen aus heimischen Nadelholzrinden geeignet ist und in bestehende Prozesse von Sägewerken und holzverarbeitenden Industrien integriert werden kann. Die Forscherinnen und Forscher untersuchen den Einfluss einzelner Extraktionsparameter auf die chemi­sche Struktur und Eigenschaften der extrahierten Tannine. Sie formulieren formaldehydfreie Klebstoffe auf Basis der gewonnenen Tannine und analysieren die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der daraus hergestellten Holzwerkstoffe.

Projektpartner: ZHAW Wädenswil, Universität Liechtenstein Förderorganisation: Schweizerischer Nationalfonds, NFP 66 «Ressource Holz»

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Additive Robotic Fabrication of Complex Timber StructuresDie robotergestützte Fabrikation komplexer Holztrag­werke bietet einen Ansatz für eine effiziente Holz­nutzung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken erlaubt diese Methode, geometrisch unterschiedliche Tragwerksformen präzis und ressourceneffizient her­zustellen wie auch alternative Konstruktionstechniken an zuwenden, die die Nutzung von Werkstoffen minderer Qualität fördern. Dabei entstand ein robotergestützter Fabrikationsprozess und kostengünstige, schnelle Holzverbindungen wurden entwickelt und getestet. Diese drei Forschungsergebnisse – Fabrikationspro­zess, Tragwerkssystem und Holzverbindung – wurden in einem 1:1­Demonstrationsobjekt erfolgreich zu sammengeführt und umgesetzt.

Forschungspartner: ETH Zürich, Architecture and Digital Fabrication (Projektleitung); Nolax AG Förderorganisation: Schweizerischer Nationalfonds, NFP 66 «Ressource Holz»

Molecular Modeling der Sorption kleiner Moleküle an lignocellulotischen HolzzellwändenZur Optimierung von Behandlungs­ und Dekontami­nationsverfahren für Holzobjekte ist ein verbessertes Verständnis der chemisch­physikalischen Wechsel­wirkungen zwischen Wirkstoffmolekülen und ligno­cellulotischen Substraten notwendig. Im laufenden Projekt werden über Computersimulationen (Molecular Dynamics) Wechselwirkungsmodelle zwischen chlor­haltigen Agentien und Modellsystemen aus Cellulose, Hemicellulose sowie Lignin etabliert und getestet. Die Simulationsresultate werden über die analytische Lokalisierung der Wirkstoffe in behandelten Holz­problingen validiert.

Forschungspartner: Universität Bern Förderorganisation: Berner Fachhochschule

Berner FachhochschuleBFH-Zentrum Holz – Ressource und WerkstoffSolothurnstrasse 102CH­2500 Biel/Bienne 6Telefon +41 32 344 02 02wood@bfh.chbfh.ch/wood

Kontakte

Prof. Andreas MüllerLeiter BFH­Zentrum Holz – Ressource und WerkstoffLeiter Institut für Holzbau, Tragwerke und ArchitekturTelefon +41 32 344 03 19andreas.mueller@bfh.ch Prof. Dr. Frédéric PichelinLeiter Institut für Werkstoffe und HolztechnologieTelefon +41 32 344 03 42frederic.pichelin@bfh.ch

Prof. Dr. Bernhard PauliAbteilungs­ und Studiengangleiter WaldwissenschaftenTelefon +41 31 910 21 07bernhard.pauli@bfh.ch

Prof. Sebastian DobrusskinLeiter Forschungsschwerpunkt Materialität in Kunst und KulturTelefon +41 31 848 38 87sebastian.dobrusskin@bfh.ch

Fotos: S. 2 Corinne Cuendet, Clarens / LIGNUM; S. 4 Waldwirtschaft Schweiz; Restliche Bilder BFH

6/2015