BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff

BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff

Was uns auszeichnet

2

Das BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff vereint interdiszi­ plinäres Wissen und Kompetenzen über die gesamte Wertschöpfungskette Holz. Von der Gewinnung über die Verwertung und Anwendung des nachwachsenden Rohstoffs entstehen Produkte und Verfahren mit wirtschaftlichem, sozialem und ökologischem Nutzen.

Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile.

Das BFH-Zentrum vereint Institute aus verschiedenen Bereichen der Berner Fachhochschule BFH, die entlang der Wertschöpfungskette der Forst- und Holzwirtschaft angesiedelt sind. Vom Wald zur Sägerei und dem Baustoff, über Kunstwerke, Bauten, der Wiederverwertung und der chemischen Verwertung der Inhaltsstoffe bis hin zu der Verbrennung und der CO2-Rückführung in den Kreislauf: Expertinnen und Experten des BFH-­ Zentrums Holz – Ressource und Werkstoff arbeiten prozessübergreifend zusammen. Komplementäres Know-how und interdisziplinäre Ansätze ermöglichen inte­grierte Lösungen über die gesamte Wert­schöpfungs­ kette. Das BFH-Zentrum vereint mit diesem ganzheit­ lichen Ansatz die stoffliche, chemische und energetische Verwertung der natürlichen Ressource Holz.

Als verbindendes Element über die ganze Wertschöpfungskette legt sich die digitale Vernetzung, die an Bedeutung zunimmt und auch die Forst- und Holz­ wirtschaft nachhaltig verändern wird.

Mehrwert durch Interdisziplinarität

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 Produktion, den Betrieb und Gebrauch von Werken und Fertig­ produkten bis zum Erhalt von Kunst- und Kulturgütern.

Innovative Lösungen für holzbasierte Chemikalien, Werkstoffe, Bau­werke, Produkte und Prozesse schaffen dreifachen Mehrwert: wirtschaftlichen, ökologischen, sozialen.

WERKSTOFF CHEMIE ENERGIE DIGITALE KETTE

Die Wertschöpfungskette Holz: Vom Wald über Holzprodukte und Kunstgegenständen aus Holz zu Holzbau, Recycling sowie der chemischen und energetischen Verwertung von Holz zurück zu CO2, das wiederum im Wald gebunden wird.

3

Prozess

kette

Initiative Wald & Holz 4.0: Gemeinsam in die digitale Zukunft 4

DIGITALE KETTE

Von der Digitalen Transformation und «Industrie 4.0» werden bedeutende Änderungen unserer Prozesse erwartet. Was bedeutet dies für die Wald- und Holzwirtschaft und ihre Unternehmen?

Gemeinsam mit Verbänden, Unternehmen, Experten und Digital Natives unterstützt die Initiative Wald & Holz 4.0 Unternehmen im tiefgreifenden Wandel der digitalen Transformation.

Die digitale Transformation wirkt sich über die ganze Wertschöpfungskette quer durch alle Bereiche aus.

Geschäftsmodelle, Organisation und Prozesse von Unternehmen werden sich mit dem Einsatz digitaler Technologien ändern. Die Wald- und Holzwirtschaft steht vor vielfältigen Fragen und Herausforderungen. Übergeordnet stellt sich die Frage, wie die Unternehmen im Umfeld dieser Veränderungen agieren müssen, um den Wandel erfolgreich zu gestalten und gestärkt aus ihm hervorzugehen.

Unser Ziel: Unternehmen durch die Nutzung digitaler Chancen stärken

Die Initiative entwickelt im Dialog mit Unternehmen, Verbänden, Wissenschaft und Nachwuchs ein einheitliches Gesamtverständnis von Industrie 4.0. Gemeinsam werden Anwendungsszenarien und Umsetzungsempfehlungen erarbeitet, wie die digitale Transfor­ mation in Unternehmen erfolgreich umgesetzt werden kann. Dies mit dem übergeordneten Ziel, die Position der Schweizer Holzwirtschaft national und international zu sichern und auszubauen.

Wie müssen Unternehmen agieren, um den Wandel erfolgreich zu gestalten und gestärkt aus ihm hervorzugehen?

Intelligente und digital vernetzte Systeme dank der digitalen Transformation.

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: Die Forschenden des BFH-Zentrums Holz – Ressource und Werkstoff entwickeln anwendungsorientierte Lösungen für die Produktion der Ressource Holz.

Vom Wald zum Holz – effektive Bewirtschaftungsprozesse

Holz gehört zu den wenigen natürlichen Ressourcen der rohstoffarmen Schweiz. 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 Holz­ industrie – 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. Zu den Lösungsansätzen des BFH-Zentrums gehören 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 geografischen Informa-

tionssystemen (GIS) über die Produktionsplanung und -steuerung der Holzernte bis hin zum Austausch von Statusmeldungen der am Bereitstellungsprozess be­teiligten Akteure. Nicht zuletzt gilt es, die Rohstoff­ versorgung für neue Produkte zur chemischen Ver­ wendung aufzubauen.

Unsere Kompetenzen

– Kooperationsmodelle zur strategischen Positionierung von Forstbetrieben – Bewirtschaftungsprozesse für eine effiziente Bereitstellung des Rohstoffs Holz – Technologien und Verfahren zur Datenübertragung für eine intelligente und bedarfsgerechte Ernte und Verwertung von Holz

Wir erarbeiten Lösungen für eine effektivere Ernte und Bereitstellung von Holz.

Effiziente Holzauf­ arbeitung durch den Harvester «Snake».

5

Baustoff – Intelligenz für die gebaute Umwelt 6

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: Die Forschenden des BFH-Zentrums Holz – Ressource und Werkstoff entwickeln neue Ansätze.

Vom einfachen Bau zum komplexen Werk – durchdachte Systeme

Holzbauten zeichnen sich heute durch ihre eindrück­ liche 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 Flächen­ effizienz. Das Monitoring von Bautätigkeiten und Materialentscheidungen zeigt auch den Bedarf nach innovativen Umsetzungen, neuen Verfahren und intelligenten Kombinationen verschiedener Materialien und Systeme.

Wir entwickeln sichere und leistungsfähige Bausysteme von der Planung bis zur Montage.

Der Bedarf an verdichtetem Bauen stellt neue kon­ struktive und statische Herausforderungen an Bauteile und Tragkonstruktionen. Heutige Ansprüche an Energieeffizienz, Sicherheit, Behaglichkeit und Dauerhaftigkeit der Produkte werfen material- und bauphysikalische wie auch produktionstechnische Fragestellungen auf. Hybridbau mit Holz, kombiniert mit anderen herkömmlichen oder neuartigen Baustoffen, wie auch die integrierte Planung, Produktion und Bewerkstelligung von Bauteilen und Bausystemen bieten Lösungsansätze für komplette Bauwerke. Die Analyse der Marktentwicklungen in der Bau- und Holzbranche liefert Grundlagen für die bedarfsgerechte Entwicklung von Produkten, Techniken oder Bauwerken.

Unsere Kompetenzen

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

Das Freilager Albisrieden in Zürich steht für die Konkurrenzfähigkeit von Holz bei Gross­projekten.

Von bestehenden Bauten zu neuen Nutzungen – Bauen im Bestand

Im Jahr 2050 werden gemäss Hochrechnungen des Bundesamts für Energie 90 Prozent des Gebäude­ energiebedarfs von Gebäuden verursacht, die vor dem Jahr 2000 erstellt wurden. In den nächsten 20 bis 30 Jahren wird es notwendig sein, einige hunderttausend Gebäude in der Schweiz zu sanieren.

In diesem Kontext nimmt die Bedeutung von Methoden für zer­störungsfreie Prüfungen sowie statische und bau­konstruktive Untersuchungen von Tragkonstruk­ tionen zu. Die Weiterentwicklung entsprechender Techniken und Systeme bedingt ein ausgeprägtes Verständnis für die Beurteilung und Ertüchtigung von historisch wertvollen Gebäuden. Die Kombination von Spezialisten aus unterschiedlichen Bereichen ermöglicht eine Verbindung zwischen konstruktiven, bauphysikalischen und denkmalpflegerischen Ansätzen.

Unsere Kompetenzen

7

– Beurteilung und Ertüchtigung von bestehenden Gebäuden – Zerstörungsfreie Prüfung und Schutz kulturhistorisch wertvoller Bausubstanz – Statische und baukonstruktive Untersuchungen historischer Tragkonstruktionen – Architektonische Restaurierung, städtebauliche Aufwertung und Verdichtung im kultur-historischen Kontext

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

Aufstockung mit vier Geschossen in Holz: das SZU-Gebäude in Zürich.

Werkstoff – leistungsfähig, innovativ und nachhaltig 8

Multifunktionale Holz- und Verbundwerkstoffe sowie Produkte, Technologien und Verfahren für die Holz- und Bauwirtschaft: Die Forschenden des BFH-Zentrums Holz – Ressource und Werkstoff sprengen die Grenzen des traditionellen Werkstoffs und öffnen den Weg für neue Möglichkeiten in verschiedensten Anwendungs­ bereichen.

Vom Holz zum Naturwerkstoff – intelligente Materialanwendungen

Holz ist als Bau- und Werkstoff seit Jahrhunderten bekannt. Für einen effizienteren Einsatz mit neuen Funktionen besteht aber weiterhin ein grosses Potenzial. So dominieren im Bereich der Holzwerkstoffe etablierte Platten mit synthetisch hergestellten formaldehydhaltigen Klebstoffsystemen. Ressourcenscho­ nende Leichtbauplatten geringerer Dicke sind aus Preisgründen bislang noch nicht konkurrenzfähig.

Bei chemischen und thermischen Holzmodifikation zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit heimischer Hölzer ist noch Potenzial vorhanden. Auch die Möglichkeiten, erdölbasierte Grundchemikalien, Polymere und weitere Materialien durch holzbasierte Stoffe und Produkte zu ersetzen, sind noch lange nicht ausgeschöpft.

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

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.

Umfassende Kenntnisse des Rohstoffs Holz ermöglichen die Entwicklung marktgerechter Produkte und Anwendungen: naturverträgliche multifunktionale Holz- und Verbundwerkstoffe, Lösungen zum Schutz von holzbasierten Werkstoffen mit Lacken, Oberflächenmodifikationen und Imprägniersysteme, innovative und emissionsarme Klebstoff- und Verbundwerkstoffsysteme, Materiallösungen für holzbasierte Extraktstoffe.

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

Holzwerkstoff kurz vor dem Pressen.

Kunst- und Kulturgüter aus Holz – verstehen, erhalten und nutzen Zukunft braucht Herkunft: Kunst und Kultur vergangener Epochen bilden einen wichtigen Eckpfeiler unserer Gesellschaft, zeugen sie doch direkt vom Wissen und Leben ihrer Zeit. Die Forschenden des BFH-Zentrums Holz – Ressource und Werkstoff erarbeiten einen innovativen und qualifizierten Umgang mit historisch wertvoller Substanz.

Innovativer Umgang mit historisch wertvoller Substanz

Konservierung und Restaurierung helfen dabei, kulturhistorisch besonders relevante Werke zu erforschen und möglichst unverfälscht sowie lesbar zu erhalten.

Dazu sind neben kulturhistorischem Wissen auch technologische Expertisen zu zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden, Mikroproben und Entwicklung möglichst minimalinvasiver Konservierungsverfahren notwendig.

Holz wird seit Urzeiten verwendet und ist eines der wichtigsten Materialien in und an Kulturgütern.

Trotzdem werden wichtige Aspekte der Zersetzung, der Schadensprävention und der Wirkungsmechanismen historischer und aktueller Konservierungsverfahren noch zu wenig beachtet. Beispielsweise treten unerwünschte Nebenwirkungen historischer Holzschutzmittel auf, was effiziente Dekontaminationsverfahren und alternative Schutzstrategien erfordert. Wie können degradierte Holzsubstanzen schonend mit zum Beispiel Biopolymeren gefestigt werden? Welche natürlichen Bindemittelsysteme haben sich über die Jahrhunderte bewährt und könnten helfen, ein mo­ dernes System zu entwickeln? Durch die Zusammen­

arbeit verschiedener Disziplinen erarbeiten wir im BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff einen innovativen und qualifizierten Umgang mit historisch wertvoller Substanz. Gemeinsam entwickeln wir Methoden und Verfahren zur Erhaltung von Kulturgut.

Unsere Kompetenzen

– Verfahren der De-Restaurierung – Kulturhistorische und technologische Einordnung sowie Dokumentation historischer Holzwerke (Vermessung, Röntgen, Polychromieuntersuchung (UV, VIS, Mikro-Proben: FTIR, FTIR-FPA, Raman, REM) – Entwicklung und Konzeption schadenspräventiver und kurativer Erhaltungsmassnahmen

Wir entwickeln in einem inter­ disziplinären Ansatz Methoden und Verfahren zur Erhaltung von Kulturgut.

Voruntersuchungen zur Verklebung eines mittelalterlichen Reliefs an der Hochschule der Bildenden Künste Bern, Atelier für Konservierung und Restaurierung von Gemälden und Skulpturen.

9

Forschung, die wirkt Das BFH-Zentrum nimmt relevante, aktuelle Fragestellungen der Praxis auf und bietet wissenschaftlich fundierte Lösungen.

Folgende Projektbeispiele geben einen Einblick.

10

FOCUS: Advances in Forestry Control and Automation Systems in Europe

DIGITALE KETTE

Die 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 Kontakt: Prof. Dr. Christian Rosset, christian.rosset@bfh.ch

Sägerei 4.0 – Unterstützende Qualitäts­ beurteilung von Rundholz mittels Bildanalyse

DIGITALE KETTE

Verfahren basierend auf Kameras und Bildanalysealgo­ rithmen stellen eine kostengünstige Möglichkeit zur Unterstützung der in Klein- und Mittelbetrieben gängigen manuellen Rundholzsortierung dar. Die Herausforderungen in der Entwicklung solcher Methoden bestehen darin, die verwendeten Algorithmen ausreichend flexibel zu gestalten. Diese müssen trotz Variationen, die auf Verunreinigungen, Risse oder ähnliches zurückzuführen sind, robuste Aussagen liefern. Neben der Implementierung von Bildanalyseverfahren beschäftigt sich das Projekt auch mit der Entwicklung geeigneter Bildaufnahmeapparaturen.

Forschungspartner: Reinhardt Holz AG Förderorganisation: Bundesamt für Umwelt (BAFU), Wald- und Holzforschungsfonds Kontakt: Prof. Eduard Bachmann, eduard.bachmann@bfh.ch

Wood Cell Model

Über Molecular Modeling soll ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen kleiner Moleküle mit den lignifizierten Sekundärwänden von Holzzellen aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin erreicht werden. Dies u. a. mit dem Ziel, die Steuerbarkeit von Holzbehandlungen zu verbessern, zum Beispiel beim Entfernen (Dekontamination) oder Einbringen von Holzschutzmitteln im Rahmen konservatorisch-restauratorischer Massnahmen.

Forschungspartner: Universität Bern Förderorganisation: BFH Kontakt: Prof. Stefan Wuelfert, stefan.wuelfert@hkb.bfh.ch

Additive Robotic Fabrication of Complex Timber Structures

Die robotergestützte Fabrikation komplexer Holztragwerke bietet einen Ansatz für eine effiziente Holz­ nutzung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken erlaubt diese Methode, geometrisch unterschiedliche Tragwerksformen präzis und ressourceneffizient her­ zustellen wie auch alternative Konstruktionstechniken an­zuwenden, die die Nutzung von Werkstoffen minderer Qualität fördern. Dabei entstand ein robotergestützter Fabrikationsprozess und kostengünstige, schnelle Holzverbindungen wurden entwickelt und getestet.

Diese drei Forschungsergebnisse – Fabrikations­pro­ zess, Tragwerkssystem und Holzverbindung – wurden in einem 1:1-Demonstrationsobjekt erfolgreich zu­sammengeführt und umgesetzt.

11

DIGITALE KETTE

Projektleitung: ETH Zürich, Architecture and Digital Fabrication Forschungspartner: Nolax AG Förderorganisation: Schweizerischer Nationalfonds, NFP 66 «Ressource Holz» Kontakt: Prof. Eduard Bachmann, eduard.bachmann@bfh.ch

Holzbausanierung

Die Sanierung von Anschlüssen im Holzbau ist häufig aufwändig, vor allem im Bereich der historischen Holzverbindungen. Die Verformungen der Bauteile stellen eine grosse Herausforderung für die Aufnahme dar. Die Entwicklung einer praxisnahen Hilfestellung zur digitalen Aufnahme der Holztragwerke bietet eine optimale Lösung. Im CAD-Programm wird ein digitaler Sanierungsvorschlag entwickelt, der die Abmessungen und Strukturschädigungen des Bauteils berücksichtigt. Im Anschluss wird das Ersatzbauteil auf einer Abbundanlage hergestellt und mit allen Informationen aus Planung und Herstellung sowie zur Positionierung am Gebäude versehen.

Forschungspartner: bbp geomatik ag, Holzing Maeder GmbH, Lauber Ingenieure AG, Leica Geosystems Förderorganisation: Wald- und Holzforschungsfonds des Bundesamts für Umwelt, BAFU Kontakt: Prof. Andreas Müller, andreas.mueller@bfh.ch

Schutz von Bindemitteln durch bioaktive Extraktstoffe

Aus Reststoffen der Forst- und Sägeindustrie – zum Beispiel Rinde, Nadeln, Feinästen oder Sägespänen – können mithilfe geeigneter Extraktionsprozesse bio­aktive Holz­inhaltsstoffe gewonnen werden. Diese können in Disper­sionen eingebracht werden, wo sie eine bakterizid wirkende Topkonservierung bewirken. Durch die Anwendung der so behandelten Beschichtungssysteme für den Aussenbereich können durch die fungizide und algizide Eigenschaften die Lebensdauer der Beschich-­ tungen erhöht werden.

Forschungspartner: Forst- und Sägereibetriebe, Bindemittelhersteller Förderorganisation: Kommission für Technologie und Innovation des Bundes KTI Kontakt: Prof. Dr. Ingo Mayer, ingo.mayer@bfh.ch

DIGITALE KETTE

Berner Fachhochschule BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff Solothurnstrasse 102 CH-2500 Biel/Bienne 6 Telefon +41 32 344 02 14 wood@bfh.ch bfh.ch/wood Kontakte Leitung BFH-Zentrum Holz – Ressource und Werkstoff Prof. Dr. Ingo Mayer Telefon +41 32 344 03 43 ingo.mayer@bfh.ch Ansprechperson Waldwissenschaften Prof. Dr. Bernhard Pauli Telefon +41 31 910 21 07 bernhard.pauli@bfh.ch Ansprechperson Holzbau und Tragwerke Prof. Andreas Müller Telefon +41 32 344 03 19 andreas.mueller@bfh.ch Ansprechperson Werkstoffe und Holztechnologie Prof. Dr. Frédéric Pichelin Telefon +41 32 344 03 42 frederic.pichelin@bfh.ch Ansprechperson digitale Bau- und Holzwirtschaft Prof. Rolf Baumann Telefon +41 32 344 17 22 rolf.baumann@bfh.ch Ansprechperson Materialität in Kunst und Kultur Prof. Karolina Soppa Telefon +41 31 848 38 97 karolina.soppa@bfh.ch

Fotos: S. 4 Waldwirtschaft Schweiz; S.7 Hector Egger Holzbau, Langenthal/LIGNUM; S.9 Chris Richter, Hochschule der Künste Bern; S. 11 Hirsbrunner Holzbau AG, Horben Restliche Bilder BFH November 2017