Doppelt gekrümmtes Dach für den Linzer Mariendom mit innovativer Betonschalungstechnik

Der Bau von Schalenkonstruktionen aus Beton gehört wohl zu den anspruchsvollsten Aufgaben in der Architektur. Geometrie, Statik und Ästhetik vermitteln Leichtigkeit und schaffen durch gezielte Lichtführung eine Atmosphäre der Transzendenz. Sie vermitteln Gegensätze wie Aufstieg und Absenkung, Schwere und Leichtigkeit. Betonschalenkonstruktionen wie auch doppelt gekrümmten Schalenkonstruktionen aus Beton, sogenannte Hyperbolische Paraboloidschalen oder Hyparschalen, sind nicht nur technische Meisterleistungen, sondern auch spirituelle Symbole der modernen Architektur. Bekannte Beispiele sind u. a. Kenzo Tanges Kathedrale in Tokio von 1966, die Hyparschale von Ulrich Müther in Magdeburg von 1969, die Oper in Sydney von Jørn Utzon von 1973 und das Auditorio de Tenerife von Santiago Calatrava, gebaut 2011. Nun kommen sie auch in Linz zum Tragen.

Innovative digitale und fertigungstechnische Verfahren

Frei geformte Schalenkonstruktionen aus Beton sind nicht nur in der Herstellung anspruchsvoll, sondern auch schalungstechnisch aufwändig, weshalb sie in den letzten Jahren nur noch selten realisiert wurden. Heute jedoch machen innovative digitale und fertigungstechnische Verfahren eine Renaissance möglich. Auftakt für eine solche Wiederentdeckung ist der Anbau für den Mariendom im österreichischen Linz. Planer des neuen Domcenters Linz, das sich durch ein doppelt gekrümmtes Betondach auszeichnet, sind die Architekten Peter Haimerl aus München und Clemens Bauder aus Linz.

Der Mariendom in Linz und die Idee eines Anbaus aus Beton

Der Linzer Mariendom, die größte Kirche Österreichs, wurde zwischen 1862 und 1924 erbaut. Mit seiner neogotischen Architektur dominiert er das Stadtbild. Doch obwohl Wahrzeichen der Stadt, verlor er, bedingt durch den strukturellen Wandel unserer Gesellschaft und damit einhergehender geringerer gesellschaftlicher Bedeutung der Kirchen, zunehmend seinen Stellenwert als Ort der Begegnung. Ein Umstand, unter dem heute viele Sakralbauten leiden.

Anlässlich des hundertjährigen Weihejubiläums des Doms im Jahr 2024 beschloss die Diözese Linz 2022 im Rahmen eines Workshops, dem entgegenzuwirken, das Domgebäude für neue Zielgruppen zu öffnen und attraktiv zu machen. Geplant war zunächst die Schaffung neuer Ausstellungsräume und eines Bookshops innerhalb des Domgebäudes. Im Rahmen des Workshops entwickelten die Architekten Peter Haimerl (zuständig für die Architektur) und Clemens Bauder (zuständig für die Planung der Ausstellungsräume) diese ursprüngliche Idee im Sinne eines Anbaus zur Domkirche weiter: Das neue Domcenter soll als einladender Zugang zur Kirche fungieren, vergleichbar mit dem Foyer eines Museums oder Konzertsaals. Besucherinnen und Besucher werden von einem modernen Café sowie einem Info- und Book-Point empfangen und von dort über eine neue Raumfolge zu den Ausstellungen und dem historischen Eingangsbereich der Kirche im Norden geleitet. Das Domcenter vereint damit touristische und seelsorgerische Angebote und bietet zugleich einen flexibel nutzbaren Raum für kirchliche und nichtkirchliche Veranstaltungen.

Für den Zugang, mit dem sich der historische Kirchenbau auf seiner östlichen Seite zur Stadt hin als Schnittstelle zwischen sakralem Raum und urbanem Leben neu öffnet, so Peter Haimerl, „verfolgten wir damals zwei Grundideen. Zum einen planten wir, eine zeltartige Struktur von außen vor die Kirche zu bauen. Zum anderen sollte diese der Umkehrung der Spitzgewölbe in den Seitenschiffen des historischen Doms entsprechen.“ Für diese Idee, so berichtet der Architekt, ließ er sich auch von dem katalanischen Architekten Antoni Gaudi inspirieren. Gaudi, bekannt u. a. für seine Kirche „Sagrada Familia“ in Barcelona, versuchte ebenfalls, Jochgewölbe durch Hängekonstruktionen zu simulieren. „Was übrigens nicht funktioniert – auch das habe ich hier lernen müssen“, ergänzt Haimerl.

Planung, Materialien und Konstruktionen der Betondachschalen

Für die Realisierung der zeltartigen Struktur des Anbaus – Baldachinen gleich – wurden zunächst, so Peter Haimerl, zwei Varianten entwickelt: eine Holzkonstruktion und ein von Robotern gewebtes Geflecht aus Hanfseilen, das noch näher an die Ideen Gaudis angelehnt gewesen wäre. Beide Varianten jedoch, so Haimerl, fanden beim für den Mariendom zuständigen Bundesdenkmalamt wenig Zustimmung. Das Denkmalamt wünschte sich stattdessen eine dem Dombau entsprechende hochwertige Architekturqualität, „die nachhaltig ist und über Jahrhunderte hält.“ Diesem Wunsch entsprechend, so Haimerl, wurde eine der steinernen Hülle des Doms adäquate, technologisch höchst anspruchsvolle und frei geformte Betonkonstruktion gewählt, die eine schlanke Profilierung erlaubt.

Aus denkmalpflegerischen Gründen wurde der Anbau konstruktiv vom Dom entkoppelt, was noch einmal eine besondere Herausforderung darstellte: Drei baldachinähnliche Schalenkonstruktionen, zusammengesetzt aus mehreren Betonfertigteilen, ruhen jeweils ausbalanciert auf einer Stütze im Zentrum und ragen vor der historischen Fassade nach oben, ohne diese zu berühren. Die feinen Stützen an der Längsfassade übernehmen in einem seltenen Lastzustand eine Zugfunktion, um ein Kippen zum Dom hin zu verhindern. Die tragende Unterschale der Konstruktion ist dreidimensional gekrümmt, um im Inneren eine weiche, angenehme Atmosphäre zu schaffen. Gleichzeitig sorgt sie für eine spannende Raumatmosphäre. Die obere, auf einer Zwischendämmung aufgelegte Schale ist nur zweidimensional gebogen und entspricht somit der Umkehrung der zweidimensionalen Spitzgewölbe in den Seitenschiffen des historischen Domes.

Realisierung des doppelt gekrümmten Betondachs

Die architektonische Ausformulierung des Anbaus und die Wahl der Materialien im denkmalgeschützten Kontext fand von Projektbeginn an in enger Abstimmung mit dem Bundesdenkmalamt und den verantwortlichen Dombaumeistern Wolfgang Schaffer und Michael Hager sowie Bischof Rudigier Stiftung statt.

Mit der Herstellung der Detailplanung und Produktion des doppelt gekrümmten Betondachs des Domcenters wurde die Firma Puracrete GmbH aus Übelbach in der österreichischen Steiermark beauftragt, die u. a. auf komplexe Schalungen für Ortbeton und Betonfertigteile spezialisiert ist. „Die von Architekt Peter Haimerl entworfenen Formen des Betondachs“, so Gernot Parmann, Geschäftsführer von Puracrete, „wurden im Rahmen des Planungs- und Herstellungsprozesses kontinuierlich optimiert und entsprechend neu aufgebaut. Die für die Fertigung notwendigen Daten wurden dafür aus den CAD-Modellen des Architekturbüros extrahiert. Die Umsetzung der Konstruktion erfolgte in Rhinoceros 3D, einer Softwareumgebung für den Einsatz von parametrischen Werkzeugen und die Verarbeitung von freigeformten Flächen.

Bei geometrisch derart aufwändigen Flächen sind die Auswirkungen auch noch so kleiner Änderungen extrem: Eine kleine Änderung der Gesamtform bedingt die Anpassung der Bewehrungslagen, der Einbauteile, des Lehrgerüsts der Schalungen sowie des Statikmodells. Im konkreten Fall wurden noch während der Fertigung Änderungen an den Schalen vorgenommen, die die gesamte Planung immer wieder beeinflussten.

Innovative Schalungstechniken

Die drei baldachinähnlichen Betonschalendächer des Domcenters wurden als zweischalige Fertigteilkonstruktionen realisiert. Diese bestehen jeweils aus einer unteren tragenden Schale mit einer Dicke von 6 bis 36 cm und einer oberen, als Deckschale bezeichneten 6 cm starke Schicht aus ultrahochfestem Beton (UHPC).

Zur Herstellung der höchst komplexen Schalungen wurden spezielle von Puracrete entwickelte Formelemente eingesetzt, die nicht nur die Schalhaut, sondern auch das gesamte tragende Schalungssegment abbilden. Dieser innovative Werkstoff ist trotz hoher Belastbarkeit frei formbar. Die von Positiven abgenommenen Schalungssegmente wiesen eine nominale Dicke zwischen 8 und 10 cm und eine Regelgröße von 90 x 200 cm auf. Die so entstandene Gesamtschalung war für eine Betonierhöhe von bis zu 4,20 cm ausgelegt. Alle Schalungssegmente wurden nach der Betonage recycliert und wieder dem Werkstoffkreislauf zugeführt.

Betonage und Montage

Die Betonage der Tragschalenelemente erfolgte mit einem Weißzement-SCC C50/60. Die einzelnen Segmente wogen bis zu 14 t bei einer Längenausbreitung von 7,20 m und einer Höhe von 4,20 m. Die Transporte der Elemente vom Werk zum Mariendom erfolgten durch Tieflader und konnten durch eine besonders gewählte Segmentierung minimiert werden. Bis auf die obersten Aufsatzteile wurden die Fertigteile in Betonierlage transportiert. Das Drehen in Einbaulage erfolgte vor Ort bei der Montage bzw. dem Verheben vom LKW auf das Lehrgerüst. Die hierzu notwendigen Anker wurden von Beginn an eingeplant.

Die endgültige Montage erfolgte auf zwei Grundgerüsten und einem versetzbaren Formholzrahmen. Nach dem Ablegen und Ausrichten der Fertigteile erfolgte die Verschweißung der Fugenbleche. Der Zwischenraum zwischen den Blechen wurde aus bauphysikalischen Gründen mit Kunstharz ausgegossen, die Schweißfugen an der Außenseite wurden dann verspachtelt und dem Beton angeglichen. Die abschließende Verbindung der Fertigteile erfolgte durch das Verschweißen der jeweiligen Verbindungselemente.

Zeitgemäße Formensprache

Die Architektur des neuen Domcenters greift historische Bezüge auf und transformiert sie in eine zeitgemäße Formensprache. Die Dachstruktur aus drei innovativen Baldachinen aus Beton knüpft an die Tradition leichter Zeltdächer an. Die hier eingesetzten innovativen digitalen und fertigungstechnischen Verfahren bieten die Chance für eine Wiederentdeckung hyperbolischer Paraboloidschalen aus Beton.