Die katalanische Gewölbetechnik ist in vielerlei Hinsicht eine Weiterentwicklung gewöhnlicher Ziegelgewölbe aus römischer Zeit (Abb. 1a). Eine Neuerung war damals, dass Ziegel nicht wie üblich hochkant gestellt, sondern flach in meist drei Schichten verbaut wurden. Durch diesen sukzessiven Aufbau leichter Ziegelschichten und dem Einsatz von schnell härtendem Gipsmörtel konnte die erste Schicht meist ohne den Gebrauch von Lehrgerüsten erstellt werden. Diese erste Flachziegellage diente als Trägerschicht für die gegenseitig jeweils um 45° gedrehte zweite und meist dritte Ziegellage. Größere Bogen- bzw. Gewölbeformen wurden lediglich durch leichte Holzkonstruktionen als Formgeber räumlich definiert und lieferten während des Aufmauerns wichtige Orientierungspunkte. Einfache, extrudierte und rotationssymmetrische Gewölbeformen konnten meist ohne diese hölzernen Hilfskonstruktionen errichtet werden. Dieser weitgehende Verzicht auf Lehrgerüste für den Aufbau stellte einen entscheidenden Vorteil gegenüber den meisten Gewölbetechniken dar, der sonst nur bei den schräg verlaufenden Ziegelbögen der nubischen bzw. mexikanischen Gewölbe zu finden ist, die in ihrer Formvielfalt jedoch stark eingeschränkt sind (Abb. 1b). Neben der Materialeinsparung bleibt die Konstruktion im Bauprozess von unten zugänglich und ermöglicht ein sauberes Verfugen der Flachziegel, die üblicherweise in den Dimensionen 12 ≈ 24 ≈ 2 cm verbaut wurden (Abb. 1c, 5). Diese gerüstlose Aufbautechnik bedingte eine statische Stabilität der Konstruktion in jeder Bauabschnittsphase. So ließen sich beispielweise Tonnengewölbe in einzelnen Bögen und Kuppeln durch in sich geschlossene Ziegelringe schrittweise stabil aufmauern. Das statische Prinzip einer rein druckbeanspruchten Form stellte von jeher eine Grundvoraussetzung für die Errichtung katalanischer Gewölbe dar. Diese wurden mittels sorgfältiger Formbestimmung mit Hilfe experimenteller und grafischer Formfindungsmethoden (z. B. durch Hängemodelle bzw. Techniken der grafischen Statik) erfüllt. In Kombination mit der Stärke bzw. dem Gewicht der Ziegelschichten konnten so mögliche Biegemomente aus asymmetrischen Lastfällen auf ein Minimum reduziert werden.
Die Entwicklung des katalanischen Gewölbes
Das katalanische Gewölbe wurde insbesondere in Katalonien kontinuierlich weiterentwickelt. Der Mangel an Bauholz in Spanien erschwerte die Konstruktion von Balkendecken oder aufwändigen Schalungsbauten für gewöhnliche Gewölbe und verlangte nach Alternativen. So entstanden schon 1382 in Valencia ersten Anwendungen dieser materialsparenden Gewölbetechnik. Zu Beginn wurde sie vorwiegend für die Herstellung flacher Geschossdeckengewölbe angewendet, jedoch erfolgte gegen Ende des 19. Jahrhunderts, vor allem durch die Arbeit Antoni Gaudís (1852–1926), eine Überleitung der katalanischen Gotik zu neuen Anwendungen der katalanischen Gewölbetechnik. Sein Entwurf der Sagrada Família (Abb. 6) steht beispielhaft für Innovationen im Bereich der tragstrukturellen Formfindung und der Weiterentwicklung der katalanischen Gewölbetechnik, die beispielsweise in den mit bunten Keramikziegeln errichteten Gewölbedecken zum Einsatz kam. Auch im Bereich großer Indus-triebauten fand die katalanische Gewölbetechnik Verwendung. So kombinierte Lluís Muncunill (1868–1931) schlanke Eisenkons-truktionen mit einer Aneinanderreihung gewölbter Ziegeldächer zu Industriehallen der im Jahr 1908 errichteten Textilfabrik Vapor Aymerich (Abb. 2–4). Diese Entwicklungen gründeten auf der Pionierarbeit des spanischen Industriearchitekten Rafael Guastavino (1842–1908), der 1881 in die USA immigrierte, und die katalanische Wölbungstechnik in Nordamerika verbreitete und weiterentwickelte. Nach anfänglichen Schwierigkeiten gelang ihm und später seinem Sohn der Aufbau einer Baufirma, die für die Konstruktion von katalanischen Gewölben in nahezu 1000 Gebäuden in 30 Staaten der USA zuständig war. Allein in New York und Boston wurden zahlreiche Gewölbe errichtet, die noch heute Banken, Bibliotheken, Kirchenräume, U-Bahnstationen und Wartesäle von Bahnhöfen überdecken (Abb. 8). Diese Gewölbe zeichneten sich durch beeindruckende Spannweiten von bis zu 30 Metern aus, deren nach innen gerichtete Ziegellagen durch verschiedenfarbige, keramikbeschichtete Ziegel zu aufwändigen Mustern angeordnet wurden. Die Guastavinos industrialisierten die katalanische Gewölbetechnik und passten sie den Bedürfnissen der vorherrschenden Bauindustrie an. So entstanden neben Kuppeln und Gewölben auch zahlreiche Treppenkonstruktionen (Abb. 9). Die Guastavinos erkannten den Marktvorteil der feuersicheren Konstruktion gegenüber Holz- und Eisenkonstruktionen, testeten ihre Gewölbe ausgiebig als Nachweis ihrer Leistungsfähigkeit und entwickelten bzw. adaptierten Neuerungen wie Akustikziegel oder Portlandzement für die oberen Ziegellagen.
Verdrängung durch Stahl und Beton
Steigende Lohnkosten und neue Techniken der Baukonstruktion unter Verwendung von Stahl und Beton führten schließlich zur immer selteneren Anwendung der Guastavino-Gewölbetechnik für größere Bauwerke. Gegenüber neuen Baumaterialien wie Eisen- bzw. Stahlbeton galt Ziegel zunehmend als altmodisch und ungeeignet in Bezug auf die industrielle Verarbeitung. Die lineare Formensprache der Moderne zeigte vielmehr die neuen Möglichkeiten einer schlanken Bauweise aus Stahl, Glas und Beton auf. Mies van der Rohes Ikone der Moderne, der Barcelona-Pavillon (1929), steht für die Transparenz, Schlichtheit und Präzision der neuen Bauweise und dennoch gibt es einen interessanten Zusammenhang zwischen diesem Bauwerk und der katalanischen Gewölbetechnik. Vermutlich aus Zeit- und Kostengründen wurde anstelle eines Betonfundaments für den Pavillonbau eine Flachgewölbekonstruktion mittels katalanischer Ziegeltechnik errichtet. Es ist ironischer Weise bezeichnend, dass diese historische, regional bewährte und effiziente Bautechnik zwar als Fundament für den Ausstellungspavillon diente und dennoch, mit dem vorherrschenden Zeitgeist der Moderne, zunehmend an Bedeutung verlor. So trat das Flachziegelgewölbe mehr und mehr in den Hintergrund. Der Ziegel an sich jedoch fand in der Moderne durchaus Vertreter. Le Corbusier unternahm mit den Maisons Jaoul (1956) den Versuch, die katalanische Gewölbetechnik für moderne Bauwerke zu nutzen, doch ergab sich daraus kein Impuls für weitere Anwendungen dieses effizienten und eleganten Trag- bzw. Konstruktionssystems in der modernen Architektursprache.
Wiederentdeckung als nachhaltige Bauweise
Gegenwärtig zeichnet sich ein Wendepunkt ab: Das Interesse an der katalanischen Gewölbetechnik und ihren unterschiedlichen Anwendungen sowie an ihrer wissenschaftlichen Erforschung ist in den vergangenen Jahren stark gewachsen. Die einstmals vorherrschende Ablehnung des Ziegels zugunsten neuer Baumaterialien hat sich aus heutiger Sicht unter Aspekten der Nachhaltigkeit und Haltbarkeit gewandelt, insbesondere im Hinblick auf die lokale Verfügbarkeit von Baumaterialien und deren Ökobilanz. Hinzu kommt eine erhebliche Materialeinsparung durch die Einfachheit einer schalungsfreien Konstruktion und effizienten Tragkonstruktion. Das im Jahr 2006 erbaute Pines Calyx-Kongresszentrum in Dover zeigt eindrücklich, wie lokale Materialien und katalanische Ziegelgewölbe in effizienter Weise in einem außergewöhnlichen Bauwerk zum Einsatz gebracht wurden, dessen graue Energie gegenüber einer vergleichbaren Betonkonstruktion um 30 % gesenkt werden konnte (Abb. 11).
Kostengünstig durch lokale Ressourcen
Der arbeitsintensive Herstellungsprozess katalanischer Gewölbe stellte schon zur Zeit der Guastavinos ein wirtschaftliches Problem dar, das sich mit zunehmender Industrialisierung weiter verschärft hat. Dieses scheinbare Hindernis kann sich in weniger industrialisierten Regionen allerdings auch zu einem Vorteil entwickeln. Das menschliche Bauteilmaß des Ziegels und die simple Konstruktion schaffen ideale Grundvoraussetzungen für eine Partizipation am Bauprozess durch lokale Arbeitskräfte; ein entscheidender Vorteil der katalanischen Ziegelgewölbetechnik, die auch im Entstehungsprozess des Mapungubwe National Park Interpretation Centre in Südafrika genutzt werden konnte (Abb. 12). Das Gebäudeensemble umfasst eine Ausstellungsfläche von 3000 m2, die durch eine Reihung von Kuppeln und Gewölben unterschiedlicher Spannweite überdacht wird. Mit großem Erfolg konnten lokale Arbeiter für die Errichtung der Gewölbe und die örtliche Herstellung der luftgetrockneten Erdziegel in das Projekt integriert werden, was gleichzeitig einen aktiven Wissenstransfer förderte und lokale Arbeitsplätze in der strukturschwachen Region generierte. Die ungebrannten Erdziegel wurden unter Beimischung von ca. 8 % Zement mittels manueller Pressen vor Ort produziert und ermöglichten so eine äußerst energieeffiziente Herstellung. Das Forschungsprojekt zur SUDU (Sustainable Urban Dwelling Unit), das als Kooperationsprojekt der BLOCK Research Group an der ETH Zürich mit dem Ethiopian Institute of Architecture, Building Construction and City Development gemeinsam durchgeführt wurde, befasst sich ebenfalls mit der Entwicklung wirtschaftlich und ökologisch nachhaltiger Konstruktionssysteme in äußerst ressourcenarmen Regionen (Abb. 10). Das Konzept der prototypischen Mauerwerksbauten basiert auf der Ressourcenverfügbarkeit lokaler Materialien (Flachziegel, Stampflehm) und Arbeitskräfte und verringert zugleich den Verbrauch importierter Materialien wie Stahl, Beton und Bauholz. Mit Gesamtbaukosten von weniger als 60 €/m2 eignet sich die Baukonstruktion in idealer Weise für arme Regionen mit Bedarf an verdichtetem Wohnraum.
Formgebung mit 3D-Computermodellen
Ungeachtet der vorteilhaften technischen Eigenschaften des katalanischen Gewölbes für die Anwendung in strukturschwachen Regionen der Welt üben sie eine bleibende Faszination aus, die auf ihre Eleganz und Ästhetik zurückzuführen ist und bereits in den Bauwerken Gaudís und Kuppeln der Guastavinos zutage trat. Nicht zuletzt diese Faszination muss jüngst die Architekten Herzog & de Meuron dazu bewegt haben, eine arkadenartige Deckenkonstruktion in katalanischer Gewölbetechnik für den Entwurf des Lord’s Cricket Ground in London vorzuschlagen.
Die Ästhetik der katalanischen Gewölbe ist einerseits abhängig von dem eingesetzten Material bzw. dem Verlegemuster, andererseits von der räumlichen Qualität des Bauwerks und der Gewölbeform, die aufgrund ihrer Druckbeanspruchung tragstrukturell definiert ist. Die bisher bekannten, teils aufwändigen Techniken zur Formfindung druckbeanspruchter Strukturen lassen Formvariationen nur in begrenztem Umfang zu. Um dieses eingegrenzte Entwurfsspektrum zu erweitern, hat die BLOCK Research Group an der ETH Zürich einen ihrer Forschungsschwerpunkte auf die Entwicklung neuartiger, dreidimensionaler Formfindungsverfahren auf Basis der grafischen Statik gelegt. Hierzu wurde eine Software (RhinoVAULT) entwickelt, die dem Entwerfer eine interaktive Umgebung für Formfindungsstudien druckbeanspruchter Konstruktionen bereitstellt. Dieses digitale Entwurfswerkzeug fügt sich in den frühen Entwurfsprozess ein und erlaubt dem entwerfenden Architekten ein interaktives und gezieltes Entwickeln druckbeanspruchter Formen. Mittels dieser Software wurde ein katalanisches Freiformgewölbe entworfen, bemessen und als 7,5 ≈ 5,5 m großer Prototyp an der ETH Zürich umgesetzt (Abb. 13–18). Entgegen der ersten intuitiven Annahme hat das Ergebnis dieser Prototypstudie gezeigt, dass die komplex gekrümmte Gewölbeform die tragstrukturellen Kriterien einer rein druckbeanspruchten Form, respektive jene eines katalanischen Ziegelverbands, erfüllt.
Unsichtbare und sichtbare Rippen
Durch die asymmetrische Formgebung ist der zweischichtige Aufbau jedoch auf ein dreidimensionales Lehrgerüst angewiesen, das hauptsächlich der räumlichen Vorgabe zur Bestimmung der Form während des Aufmauerns dient. Teile des Gewölbes mit starker Druckbeanspruchung wurden durch die lokale Einbettung einer innenliegenden dritten Ziegellage als »unsichtbare« Rippenkonstruktion verstärkt (Abb. 14). Einfache Lastversuche mittels Aufbringen einer Drei-Tonnen-Last an kritischen Stellen ergaben keinerlei messbare Verformung oder Rissbildung und bestätigten die enorme Stabilität der Konstruktionsart. Auf Basis dieser Erkenntnisse erforscht die BLOCK Research Group weiterführende Ansätze im Bereich der virtuellen Formbestimmung im Bauprozess und der exakten Definition in sich stabiler Bauabschnittsbereiche, um Strukturen ähnlicher Art ohne jegliche Verwendung von Lehrgerüsten zu errichten. Neben »unsichtbaren« Rippenkonstruktionen in der Ziegelzwischenschicht lassen sich freigeformte katalanische Gewölbe auch explizit in Rippenstrukturen auflösen. Die ersten Ansätze dieser Technik wurden jüngst in Form eines Prototyps an der University of Technology in Sydney in Kooperation mit der BLOCK Research Group erkundet und experimentell überprüft (Abb. 19).
Dünne Ziegelgewölbe als verlorene Schalung
Darüber hinaus erfolgt die Entwicklung neuartiger Schalen, die sowohl in tragstruktureller als auch materialtechnischer Hinsicht als Hybridstrukturen bezeichnet werden können. Mit Hilfe der erwähnten Neuentwicklungen in der Formfindung können neben den wirkenden Druckkräften gezielt Zugkräfte in ein zusammenhängendes Zugband integriert werden, um Formen zu generieren, die bislang primär als Betonschalenkonstruktionen ausgeführt wurden. Eine Hybridkonstruktion aus einer Ziegellage im Verbund mit einer dünnen Schicht aus speziellem Faserbeton wird den hohen statischen Anforderungen dieser Formen gerecht. Die Konstruktion verbindet die Vorteile katalanischer Ziegelgewölbe, beispielsweise den minimalen Einsatz von Lehrgerüsten, mit der tragstrukturellen Leistungsfähigkeit moderner Baustoffe. Die architektonisch hochwertige Untersicht aus Ziegeln ist statisch wirksam und muss nicht weiter behandelt werden. Dieses Verfahren wird erstmalig 2014 für einen Pavillon auf dem Campus der ETH Zürich angewandt und erprobt.
Gewölbe aus Naturstein-Formsteinen
Neben diesen Ziegelkonstruktionen untersucht die BLOCK Research Group auch Gewölbe aus Stein. Dies erfolgt einerseits im Bereich der Tragwerksuntersuchung bzw. Stabilitätsprüfung bestehender Steingewölbe wie beispielsweise gotischer Kathedralen. Andererseits werden erwähnte Formfindungstechniken sowie innovative Entwicklungen in der Steinverarbeitung und -fügung für neuartige, frei geformte Steingewölbe eigesetzt. Die auf der Architekturbiennale 2012 in Venedig ausgestellte Projektstudie zum MLK Jr. Park Stone Vault in Austin zeigt dies auf anschauliche und beindruckende Weise (Abb. 21). Das in der Planung befindliche Gewölbe ist in eine neue Parklandschaft integriert und überdacht eine Freilichtbühne sowie multifunktionale Nutzungsbereiche mit einer Gesamtfläche von 650 m2 und einer maximalen Spannweite von 26 m. Im Gegensatz zu den einheitlichen Ziegeln ist jedoch jeder der Natursteine individuell geformt, um ausschließlich Druckkräfte zu übertragen. Um den Steinschnitt der jeweiligen Schalengeometrie entsprechend optimal anzupassen, wurde eigens ein Computerprogramm entwickelt und an Modellversuchen überprüft.
Ausblick
Diese Forschungsanstrengungen und die neuesten Beispiele katalanischer Gewölbetechnik – von einfachen Wohnbauten in strukturschwachen Regionen bis hin zu komplexen Schalentragwerken im Kontext moderner Bauwerke – lassen das Potenzial dieser traditionellen Technik für zeitgenössische Architektur erahnen. Vor dem Hintergrund einer nachhaltigen und ökologischen Bauweise erhoffen sich die Autoren die Wiederentdeckung und Weiterentwicklung dieser faszinierenden Bautechnik – eine Renaissance katalanischer Gewölbe.
