Forschungsgebäude mit Alleinstellungsmerkmal

Wasserbaulabor der Universität für Bodenkultur in Wien, AT
Forschungsgebäude mit Alleinstellungsmerkmal

Das hochmoderne Wasserbaulabor der Universität für Bodenkultur Wien, ist weltweit einzigartig: Hier können erstmals praxisorientierte Modellversuche im Originalmaßstab (1:1) durchgeführt werden. Die Wasserspiegeldifferenz von drei Metern zwischen Donaukanal und Donau nutzend, ermöglicht das Labor umfassende Forschungsarbeit zu den aktuell brennenden Themen wie Hochwasserschutz, Umweltschutz, Gewässermorphologie, Sedimenttransport sowie Wasserkraft und -straßen. Innovativ verknüpft sind Indoor-, Outdoor- und Public Labs, wo Labor-Rinnen und -Modelle sowohl im Gebäude als auch im Freien betrieben werden. Herzstück des Labors ist der unter dem Wasserspiegel liegende „Main Channel“, durch den ohne Pumpen bis zu 10.000 Liter Donauwasser pro Sekunde geleitet werden können.

Eine Herausforderung an die Planung stellte auch der Spezialtiefbau des teilweise unterirdischen Labors dar. Ein hochkomplexes System aus Stahlbeton sowie konstruktivem Stahl- und Holzbau trägt nun das Gebäude. Über energieaktivierte Bohrpfähle und die Betonkernaktivierung in den Schlitzwänden wird über das Tragwerk Erdwärme für Heizung und Kühlung genutzt.

Nach gewonnenem Wettbewerb (2016) wurden ATP architekten ingenieure, Wien, (Architektur und Tragwerksplanung) in ARGE mit iC Consulenten (Haustechnik und Stahlwasserbau) mit der BIM-unterstützten Integralen Planung dieses ambitionierten Projektes beauftragt.

[historie & lage]
Das Labor des Instituts für Wasserbau, Hydraulik und Fließgewässerforschung der Universität für Bodenkultur Wien in der Muthgasse im 19. Wiener Gemeindebezirk war zu klein und das seit 1913 bestehende Labor des Bundesamts für Wasserwirtschaft in der Severingasse im 9. Bezirk war in die Jahre gekommen – beide Forschungsgebäude ließen nur noch beschränkte Arbeitsmöglichkeiten zu. Daher beschloss die Universität für Bodenkultur Wien (Institut für Wasserbau, Hydraulik und Fließgewässerforschung) 2012 den Bau eines neuen Wasserbaulabors, welches vom Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Regionen und Wasserwirtschaft (Bundesamt für Wasserwirtschaft) mitgenutzt wird. Als Standort bot sich der Brigittenauer Sporn, wo der Donaukanal von der Donau abzweigt, an. Denn die hier herrschende Wasserspiegeldifferenz von rund drei Metern bildet ideale Voraussetzungen für die Konstruktion eines künstlichen Flusses. Das sogenannte „Forschungsgerinne“ – mit rund 30 Metern Länge und fünf Metern Breite – dient nun dem Main Channel des Wasserbaulabors als Wasserzufluss.
Auch verkehrstechnisch bietet die Lage am Brigittenauer Sporn mit Nähe zur Nussdorfer Lände (Autobahn A22), der Uferbahnbrücke und dem Donaukanal-Fahrradweg nicht nur städtebaulich sehr interessante Aspekte, sondern auch optimale Verkehrsanbindungen:
Durch die Josef-von-Schemerl-Brücke ist der Sporn mit Nußdorf im 19. Bezirk und über die Nußdorfer Schleusenbrücke mit dem nördlichsten Abschnitt des Handelskais im 20. Bezirk verbunden. Mit dem Fahrrad ist das Labor (fast) autofrei über den Donaukanal- oder den Donauradweg erreichbar.

[architektur | konzept]
Das neue Wasserbaulabor der BOKU soll langfristig zur Erforschung der Lebensgrundlage Wasser für zukünftige Generationen beitragen. Versuchsaufbauten im großen Maßstab tragen dazu bei, ablaufende Prozesse in Flüssen besser zu verstehen, mathematische Modelle zur Prozessbeschreibung zu entwickeln, die Auswirkungen von flussbaulichen Maßnahmen zu prognostizieren sowie innovative wasserbauliche Methoden zur Verbesserung von Schifffahrt, Energiewirtschaft, Hochwasserschutz und Ökologie zu entwickeln. Außerdem sollen im neuen Labor Maßnahmen zur Problemlösung in verschiedenen wasserbaulichen Themenbereichen entwickelt werden, wie Stauraumverladung, Fahrwassertiefe, Uferrückbau, Sohlstabilisierung und Gewässervernetzung. 

„Normalerweise planen wir Häuser so, dass kein Wasser eindringen kann. Beim Wasserbaulabor haben wir alles dafür getan, dass fast ein ganzer Fluss durch das Gebäude geleitet werden kann. Dadurch schaffen wir naturnahe Bedingungen in einem Labor“, so ATP-Architektin und BIM-Managerin Ursula Reiner über das architektonische Alleinstellungsmerkmal des Forschungslabors.

Raumkonzept
Die Nutzer:innen des Wasserbaulabors sind in erster Linie Mitarbeiter:innen der Universität für Bodenkultur, des Bundesamtes für Wasserwirtschaft (BAW), Studierende und wissenschaftliche Mitarbeiter:innen. Zudem gibt es eigene öffentliche Bereiche für Besucher:innen, denen ein Einblick in den Forschungszweig des Wasserbaus gewährt werden soll.

Das Wasserbaulabor gliedert sich funktional in verschiedene Ebenen:
Auf der ersten Hauptebene im 2. Untergeschoss befindet sich der vierzehn Meter hohe, 90 Meter lange und 25 Meter breite Main Channel, der direkt mit dem bereits bestehenden Forschungsgerinne verbunden ist, das als Zulauf dient. In dieser Halle wird das Donauwasser durch – die eigens dafür errichteten – Versuchsaufbauten geleitet.
Auf der zweiten Hauptebene im 2. Obergeschoss ist mit dem River Lab eine weitere Versuchshalle angesiedelt. Ebenso befinden sich hier die hauseigene Holz- und Metallwerkstatt. Der Halle vorgelagert ist das Public Lab und der Hörsaal.
Im Osten des Gebäudes befindet sich auf vier Geschossen (Erdgeschoss bis 3. Obergeschoss) der moderne Büro- und Verwaltungstrakt.
Technikräume wie die Pumpstube, der Wasserkraftversuchsstand und der Tiefbehälter befinden sich im 3. Untergeschoss.

[architektur | labore]
Forschung zum Anfassen
Als Besucher:in betritt man das Gebäude ebenerdig an der Nordseite über eine großzügige Lobby mit Infothek und Sitznischen. Zwei große Sichtfenster und ein innenliegender Balkon gewähren bereits von hier spannende Einblicke in den tiefer liegenden Main Channel.
Über eine Besucher:innen-Treppe – ebenfalls mit Sichtverbindungen zum Forschungslabor – erreicht man direkt das Public Lab im 2. Obergeschoss. Hier befindet sich ein multifunktionaler Saal für Vorträge und Schulungen für rund 200 Personen. Schmale, raumhohe Fenster gewähren Ausblicke auf die Donau und den Donaukanal. Bereits jetzt wurde in der Planung berücksichtigt, dass der Saal in einer späteren Ausbaustufe durch mobile Trennwände in drei kleinere Seminarräume geteilt werden kann.
Ebenfalls im 2. Obergeschoss liegt das großzügige Public Lab, das „Forschung zum Anfassen“ bietet – mit Wechselausstellungen zum Thema Wasser und mit kleineren Versuchsaufbauten. Optisches Highlight im Innenraum ist das sichtbare Holztragwerk, das sich über das gesamte Public Lab und das danebenliegende River Lab spannt. Optisch werden die beiden Hallen wiederum durch drei Sichtfenster verbunden. Dieser öffentliche Bereich erweitert sich zum zentralen Meeting Point für die Studierenden und führt von dort in den Bürotrakt.

Main Channel
Das Herzstück des neuen Wasserbaulabors ist der weltweit einmalige Main Channel im 2. Untergeschoss mit seiner spektakulären Größe von 90 Metern Länge, 25 Metern Breite und 14 Metern Höhe. Durch geschickte Nutzung der herrschenden Wasserspiegel-Differenz zwischen Donau und Donaukanal ist es möglich, Wasser aus der Donau zu entnehmen und es mit einem Durchfluss von 10.000 Litern pro Sekunde durch entsprechende Versuchsrinnen dem Donaukanal wieder zuzuführen – und das vollkommen ohne zu pumpen. Im Main Channel können so Versuchsaufbauten in Original-Dimensionen durchgeführt werden. „Wir können Flüsse je nach Fragestellung maßstabgerecht und naturgetreu nachbilden. In dieser Größenordnung gib es weltweit nichts Vergleichbares“, so Prof. Helmut Habersack vom Wasserbau, Hydraulik und Fließgewässerforschung. Versuche in möglichst großem Maßstab sind insofern unerlässlich, weil Wasser, Sedimente oder Fische und deren Eigenschaften oft nicht ausreichend skaliert werden können.

Darüber hinaus ermöglicht der Main Channel auch parallel mehrere Versuche nebeneinander oder räumlich hintereinander aufzubauen. „Unsere Möglichkeiten vergrößern sich enorm, weil wir praxisnahe Modellversuche mit Donauwasser durchführen können, aber gleichzeitig Laborbedingungen haben. Wir müssen beispielsweise nicht mehr auf bestimmte hohe Wasserführungen warten, sondern können diese künstlich herstellen und deren Auswirkungen untersuchen“, so Habersack.

Der Zufluss in den Main Channel kann über verschieden groß dimensionierte und verschließbare Zulauföffnungen bzw. Schützen gesteuert werden. Die Hauptöffnung ist fünf Meter breit und kann durch ein Stahlschütz verschlossen werden. Daneben befinden sich zwei weitere Öffnungen für den Wasserkraftversuchsstand. Für die Forscher:innen besteht auch die Möglichkeit, hier Turbinen einzubauen und deren Integration im Gesamtsystem zu untersuchen. Ergänzend zur Hauptöffnung kann Wasser auch über drei Rohre mit Schiebern in kleineren Mengen und damit mit hoher Genauigkeit zugeführt werden. Am Ende des Main Channels fließt das Donauwasser über ein Auslaufbauwerk wieder zurück in den Donaukanal.

„Die gigantische Forschungshalle darf man sich nicht wie ein steriles Labor vorstellen, vielmehr handelt es sich um einen Bauhof, der – je nach Versuch – komplett umgebaut wird. Beispielsweise können sogar Staumauern oder ganze Flussabschnitte maßstabsgetreu modelliert werden“, so Architektin und BIM-Managerin Ursula Reiner von ATP Wien.

River Lab
Direkt über dem Main Channel und neben dem Public Lab im 2. Obergeschoss liegt die zweite Versuchshalle: das River Lab mit eigenem Wasserkreislauf für Klarwasser. Hier werden ebenfalls kleinere Versuchsaufbauten errichtet, um etwa flussmorphologische Untersuchungen im kleineren Maßstab in Schnittmodellen oder Strömungsversuche mit neigbaren Rinnen durchzuführen. Für das River Lab wird großteils Klarwasser verwendet, das in einem Tiefbehälter gespeichert wird mit einem Fassungsvolumen von 3.120 m³, was der Wassermenge von fast eineinhalb olympischen Schwimmbecken entspricht. Dieser Behälter befindet sich im 3. Untergeschoss, wo auch die Technikräume wie die Pumpstube untergebracht sind.
Im Außenbereich ist ein Outdoor Lab vorgesehen.

Wasserkreisläufe
Zur Beforschung stehen im Labor zwei verschiedene Wasserkreisläufe zur Verfügung:
a) Kreislauf: Klarwasser
Klarwasser wird künftig über einen Hochbehälter mit einem Fassungsvermögen von bis zu 70 m³ in das River Lab gepumpt. Für diese Variante galt es in der Planung, die Dimension der Zuleitungsrohre mit einem Durchmesser von bis zu 80 Zentimetern zu berücksichtigen.
b) Donauwasser
Daneben bestehen jeweils ein eigener Donauwasserzulauf und -ablauf, die direkt an das bestehende Forschungsinnere angeschlossen sind. Über ein Verteilbecken mit ca. 230 m³ Umfang wird Donauwasser in das Gebäude geleitet.

Werkstatt
Die verschiedenen Versuchsaufbauten sollten möglichst einfach und direkt vor Ort vorbereitet werden können. Das ist in der hauseigenen Werkstatt im 2. Obergeschoss möglich. Die Einbringöffnung für die Materialien mit 3 x 6 Metern Größe befindet sich an der Schnittstelle zwischen Eco River Lab und der Werkstatt. „Die Öffnung ist groß genug, um mit der eingebauten Krananlage eine ganze Schuttmulde sowohl in den Main Channel aus auch in das River Lab zu heben“, beschreibt ATP-Gesamtprojektleiterin Angelika Welkovits die gigantischen Dimensionen. Der dafür notwendige Ladehof befindet sich an der Südseite des Gebäudes im 1. Untergeschoss.

[architektur | büro & verwaltung]
Büro- und Verwaltungstrakt
Im Osten des Gebäudes liegt der der viergeschossige Bürotrakt. Die als abgeschlossene Kleinraumbüros gestalteten Offices sind für jeweils zwei bis sechs Mitarbeiter:innen ausgelegt und fördern dadurch die konzentrierte Forschungsarbeit. Hier sind die Offices der Bundesanstalt für Wasserwirtschaft (1. Obergeschoss), Speziallabore für Chemie und Biologie sowie für die elektrische Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (2. Obergeschoss) und die Büros für Institut für Wasserbau, Hydraulik und Fließgewässerforschung (3. Obergeschoss) untergebracht. Im Erdgeschoss sind weitere Speziallabore für Sedimentuntersuchungen sowie Schulungs- und Besprechungsräumen.

[architektur | fassade]
Um nicht in Konkurrenz mit den bestehenden denkmalgeschützten Nachbarbauten wie der Josef-von-Schemerl-Brücke von Otto Wagner zu treten, entschied man sich für eine zurückhaltende, technisch anmutende Außengestaltung.
Die Fassade der Laborhallen mit verspiegelten und gewellten, gedämmten Metall-Paneelen lässt das Gebäude je nach Witterung hinter den Spiegelungen des Wassers, des Himmels oder der Vegetation verschwinden. Dadurch entsteht ein markanter architektonischer Gegenpool zu den historischen Bauwerken der Umgebung.
Das Fassadenkonzept des Verwaltungs- und Bürotraktes ist im 1,35-m-Büroraster angelegt und orientiert sich an den Proportionen der klassizistischen Fensterordnung des Verwaltungsgebäudes von Otto Wagner. Die hinterlüfteten Fassade aus vorgehängten Aluverbundplatten wurden aufgrund ihrer Langlebigkeit und dem klaren Erscheinungsbild gewählt.

[tragwerksplanung]
Hallen mit hohen Lasten
Das Gebäude besteht grundsätzlich aus zwei übereinanderliegenden und stützenfreien Hallen mit einem komplexen Tragwerkssystem aus Stahlbeton sowie konstruktivem Stahlbau (Stahlfachwerksträger und Stahlkonstruktionen) und konstruktivem Holzbau (Pult- und Satteldach). Eine doppelt gekreuzte Struktur aus gekreuzten Holzleimbindern überspannt die 25 Meter breite Halle im 2. Obergeschoss, während 3-Gurtträger die Decke über der darunterliegenden Halle tragen, bei Nutzlasten von 20 bis 40 kN/m². Die dafür erforderlichen Stahlfachwerkträger mussten extra in der Nacht angeliefert werden. Die spektakuläre Tragstruktur bleibt auch nach Fertigstellung des Gebäudes in den beiden übereinanderliegenden Hallen sichtbar und bildet somit das gestalterische Element im Innenraum.

Anspruchsvoller Spezialtiefbau
Aufgrund von fehlendem Feinsand und des daraus resultierenden lockeren Gefüges im Untergrund waren Niederdruckinjektionen notwendig, um den Boden zu stabilisieren.
Die Baugrubensicherung erfolgte durch eine 60 Zentimeter dicke Schlitzwand mit verschiedenen Höhenniveaus sowie Abstützungen (Anker und Stahlaussteifung). Gehalten wird die Schlitzwand durch eine ein Meter dicke Bodenplatte (als weiße Wanne) sowie durch Stahlbetondecken.
Die Baugrubensicherung des Einlaufbauwerks erfolgte durch eine aufgelöste Bohrpfahlwand im Bereich des bestehenden Fischaufstiegs sowie eine Spundwand im restlichen Teil des Ein- und Auslaufbauwerks. Der Übergang zwischen Spundwand und den anderen Baugrubensicherungssystemen ist mit DSV-Säulen abgedichtet.

Wasserhaltung
Da der Grundwasserspiegel deutlich über der Baugrubensohle liegt, waren Wasserhaltungsmaßnahmen notwendig. Im Hauptgebäude erfolgte die Grundwasserabsenkung innerhalb der Kiese mit ca. zehn Bohrbrunnen, die man in die Schluffe, also fein verwittertes Gestein des Miozäns, führte. Zusätzlich wurden im Bereich der tieferliegenden Baugrubensohle die Grundwässer in den miozänen Sanden entspannt. Hierzu dienten vier Vakuumbrunnen. Mit dem Beginn der Wasserhaltung wurden die Vakuumbrunnen mit Unterdruck beaufschlagt. Im tieferliegenden Bereich wurden Entspannungsbrunnen mit einem Raster von 8 x 8 Metern gebaut. Zu deren Überwachung gibt es sechs Kontrollpegel.
Auch das Auslaufbauwerk erhielt acht Entspannungsbohrungen für Brunnen zur Grundwasserabsenkung, zwei mit einem Kontrollpegel. Im Bereich des Bypasses führte man zwischen der Schlitzwand des Hauptgebäudes und der äußeren Baugrubenumschließung zwei Bohrungen für die Grundwasserabsenkung durch.

[nachhaltigkeit]
Bohrpfähle als Energiepfähle
Die 60 Bohrpfähle, die Schlitzwand, die Bohrpfahlwand und auch Wände sowie Bodenplatte haben nicht nur einen statischen Nutzen, sondern dienen darüber hinaus auch einer nachhaltigen Energieversorgung: Über die energieaktivierten Bohrpfähle und die Betonkernaktivierung in den Schlitzwänden wird Erdwärme für Heizung und Kühlung genutzt. Hierfür installierte man in jedes Gründungselement, jeden einzelnen Schlitzwandkorb und jeden Bohrpfahlkorb eine Geothermie-Leitung. Damit konnten ATP und iC Consulenten die erforderliche Nennleistung von 280 kW gewährleisten.
In der Gebäudestruktur über dem „Main Channel” befindet sich eine umfangreiche Haustechnikebene, in der ein Kalt- und ein Warmwassertank als Wärmetauscher dienen. Dieses System versorgt nachhaltig und umweltfreundlich die Heizung bzw. Kühlung des Gebäudes.

Sonnenenergie
Eine großflächige Photovoltaik-Anlage auf den Dachflächen der Halle minimiert den Stromverbrauch erheblich und versorgt das Gebäude mit grünem Strom.

[integrale planung mit bim]
Die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den Planungspartner:innen und die Integrale Planung mit Building Information Modeling (BIM) ermöglichten neben einem schlanken Planungsprozess ein optimiertes Gebäudekonzept, das alle Anforderungen an ein anspruchsvolles, zukunftsweisendes Forschungslabor erfüllt.

„Bei der Planung und in der Kommunikation mit dem Auftraggeber und den Nutzer:innen arbeiteten wir intensiv mit dem 3D-Modell und teilweise sogar mit VR-Brille. Diese neuen Darstellungsarten vermittelten den Beteiligten nicht nur einen entsprechenden Raumeindruck, sondern ermöglichten auch ein gemeinsames Verständnis für die fachübergreifende Koordination und die tatsächlichen Dimensionen“, erklärt BIM-Managerin Ursula Reiner von ATP Wien.

BIM lieferte im zentralen Datenmodell tragfähige Entscheidungsgrundlagen für den Auftraggeber zu einem sehr frühen Zeitpunkt und unterstützte das Planungsteam dabei, Ressourcen zu schonen, Verschwendung im Errichtungsprozess zu vermeiden und Einsparungspotenziale über den gesamten Lebenszyklus darzustellen.
 

[Projektdaten]

Auftraggeber: BOKU – Wasserbaulabor Errichtungs- und Betriebs-Gesellschaft m.b.H.
Ort: Wien, AT
Baubeginn: 12/2019
Fertigstellung: 06/2023
Bruttogeschossfläche: 14.900 m²
- Bürotrakt Technik: 2.360 m²
- Bürotrakt Verwaltung inkl. Erschließung: 3.400 m²
- Versuchshallen inkl. Technik: 5.870 m²
- Öffentliche Bereiche (Saal, Public Lab): 1.000 m²
- Wasserwege: 2.300 m²
Bruttorauminhalt: 110.000 m³


Integrale Planung (Architektur und Tragwerksplanung): ATP architekten ingenieure, Wien

Externe Planungspartner:
Wasserbau, Stahlwasserbau, HKLS, Elektro, Bauphysik: iC Consulenten (ARGE Partner)
Bodengutachten und Baugrubensicherung: 3P Geotechnik
Verkehrsplanung und Entwässerungsplanung: zieritz + partner ZT GmbH
Laborplanung: das Planungslabor
Einrichtungsplanung: MO Design
Lichtplanung: hailight Lichtplanung

Die Gesamtkosten von rund 49 Mio. Euro werden vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (über vier EU-Projekte mit Ungarn, Slowakei und Tschechien sowie über das Programm Investitionen in Wachstum und Beschäftigung Österreich), der Stadt Wien und dem Land Niederösterreich sowie den Bundesministerien für Bildung, Wissenschaft und Forschung, dem Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus, dem Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie und dem Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaft getragen.