Greening the Heart of the City: An Urban Rooftop Drainage System Inside a Garden Fence

Ein schöner Weidenzaun in Kopenhagen birgt ein Geheimnis: Er ist ein nachhaltiges städtisches Entwässerungssystem (sustainable urban drainage system, kurz: SUDS), das Regenwasser von den Dächern der umliegenden Wohnhäuser sammelt und ableitet. Durch einen simulationsgestützten Entwurfsprozess wurde diese Struktur zu einer städtischen Anlage, die Lärmbelästigung mindert und verhindert, dass Regenfälle die städtischen Abwassersysteme überfluten.


Von Alan Petrillo

Juli 2021

„Die Grünbereiche der Stadt sind wertvoll“, sagt Marina Bergen Jensen, Professorin für Landschaftsarchitektur und -planung an der Universität Kopenhagen. Häufig stehen sie auch unter Stress. Wir verlangen von diesen oft vernachlässigten Parzellen, dass sie uns helfen, die Luftqualität, die Lärmbelästigung und die Entwässerung zu kontrollieren, während wir gleichzeitig erwarten, dass sie als Oasen der natürlichen Schönheit und Ruhe dienen. Um diesen wichtigen städtischen Raum optimal zu nutzen, leitete Prof. Jensen ein Projekt zur Entwicklung einer neuen Art von Infrastruktur: ein mit Holz ummantelter "Green Screen", der ein dicht besiedeltes Kopenhagener Viertel schützt und aufwertet – und ein ausgeklügeltes System zur Ableitung von Regenwasser von nahe gelegenen Dächern bietet.

Ähnlich wie eine Stadt selbst ist auch der urbane Green Screen eine faszinierende Kombination von Elementen, dessen Gefüge verschiedenen Zwecken dient. Und wie das Leben in der Stadt wurde er von einem breiten Spektrum an Menschen und Organisationen geschaffen, die alle ihre besonderen Talente in das Projekt einbrachten. Ein Team aus Ingenieuren, Architekten und Bürgern ließ sich von Prof. Jensens Vision einer lebenswerteren, nachhaltigen Stadt leiten. Das daraus resultierende Konzept könnte jeder Gemeinde zu Gute kommen, in der Menschen kostbaren Lebensraum mit Gebäuden, Autos und Infrastruktur teilen.

Eine ganzheitliche menschliche Perspektive des Stadtlebens

Es mag überraschen, dass Prof. Jensen ihren Doktortitel nicht in Architektur oder Stadtplanung erworben hat. „Mein Hintergrund sind Bodenkunde und Wasserchemie sowie die Wechselwirkung zwischen Boden, Wasser, Pflanzen und Mikroorganismen“, sagt sie. „Aber städtische Gebiete sind zu meinem Forschungsgebiet geworden, daher arbeite ich mit Planern und Landschaftsarchitekten zusammen. Meine Karriere ist auf eine ganzheitliche menschliche Perspektive des Stadtlebens ausgerichtet.“

In Kopenhagen (Abbildung 1) muss diese Perspektive die häufigen Regenfälle in einer dicht bebauten Umgebung einbeziehen. Anstatt in den Boden zu versickern, fällt das meiste städtische Regenwasser auf Dächer, Straßen und andere undurchlässige Flächen. Dieses Wasser wird in der Regel durch Regenwasserkanäle aufgefangen, was bedeutet, dass starke Regenfälle die Kläranlagen überfordern und manchmal die Straßen der Städte mit einer Mischung aus Regen und Abwasser überfluten können. Um diese Risiken besser zu beherrschen, arbeiten Prof. Jensen und ihre Kollegen an der Entwicklung nachhaltiger Stadtentwässerungssysteme (SUDS).

Abbildung 1. Ein Luftbild der Region Kopenhagen in Dänemark. Der Ausschnitt zeigt eine Region mit etwa 100.000 Einwohnern. Der Regenwasserabfluss in diesem Gebiet verursacht jährlich etwa 200 Überläufe in den Harrestrup-Bach, der in die Kalveboderne-Mündung fließt, die ihrerseits in den Hafen mündet.

„Man schätzt, dass mindestens 50 % des gesamten Regenwassers in Kopenhagen von den Dächern abfließt. Der größte Teil dieses Wassers fließt in die städtische Kanalisation, aber das muss nicht sein“, erklärt Prof. Jensen. „Es sollte uns möglich sein, die Prozesse der Natur zu imitieren und mehr Wasser im Boden versickern oder verdunsten zu lassen.“

Weiterleitung von Regenwasser von einem Dach zum anderen

Im Rahmen einer von der Regierung geförderten Initiative begann 2013 ein multidisziplinäres Team damit, ein für einen Zeitraum von fünf Jahren angesetztes SUDS-Programm für ein dicht besiedeltes Kopenhagener Stadtviertel zu entwickeln. Sie schlugen eine Lösung vor, die das Regenwasser aus Dachrinnen und Fallrohren sammelt. Doch damit enden die Ähnlichkeiten mit herkömmlichen städtischen Entwässerungssystemen. Anstatt in die Kanalisation zu fließen, nutzt das System die Schwerkraft, um das Regenwasser an die Oberkante einer freistehenden Wandstruktur zu drücken (Abbildung 2). Mit anderen Worten: Das Wasser wird vom Dach eines Gebäudes abgeleitet, um dann auf einer anderen Struktur abgelagert zu werden. Zu welchem Zweck?

Abbildung 2. Der Weg des Regenwassers als Teil eines SUDS-Vorschlags für einen Wohnkomplex in Kopenhagen. Verdeckte Rohre leiten das Wasser von den Dächern der Gebäude zu einer Verdunstungsanlage, die in einer straßenseitigen Lärmschutzwand verborgen ist. Bild mit freundlicher Genehmigung von Emilia Danuta Lausen und Marina Bergen Jensen.

Dieser kontraintuitive Prozesses soll der Verdunstung dienen. So wie das Wasser in einer Pfütze irgendwann versiegt, verdunstet auch der größte Teil des Wassers, das durch dieses System fließt (Abbildung 3). Die städtische Green-Screen-Struktur funktioniert wie eine Art vertikale Pfütze, die das Wasser über dem Boden hält, wo es durch Verdunstung verteilt werden kann.

Abbildung 3. Schematische Darstellung des Wasserverteilungssystems des städtischen Green Screens. Durch die Schwerkraft wird das Wasser von den Dächern (1, 2) auf die Oberseite der Wandstruktur (4) gedrückt, wo es entlang einer perforierten Rinne (3) fließt. Das Wasser läuft dann von der Rinne in absorbierende Mineralwollblöcke ab, von wo aus es in die Luft verdunstet. Bei Regenereignissen, die das Fassungsvermögen der Struktur übersteigen, wird das überschüssige Wasser in ein mit Hilfe eines kleinen Erddeichs (5) geschaffenes Überlaufbecken umgeleitet, wo es versickern kann. Bilder mit freundlicher Genehmigung der Universität Kopenhagen.

Nachdem das Regenwasser durch die Schwerkraft nach oben gedrückt wurde, fließt es entlang einer offenen, perforierten Rinne. Ein Teil des Wassers rinnt nach unten in den Körper des Green Screens, wo es von Blöcken aus faseriger Mineralwolle absorbiert wird. Dieses Material auf Steinbasis wird in den nordischen Ländern häufig als Wärmedämmung verwendet. Im städtischen Green Screen fungiert es als Schwamm, der das Wasser vom Dach aufnimmt und dann nach und nach an die Luft abgibt. Wenn die Mineralwollblöcke durch starke Regenfälle vollständig gesättigt sind, wird ein Teil des Wassers aus dem Boden der Struktur abgegeben. Dieses überschüssige Wasser wird in einer mit Erde gefüllten Kammer aufgefangen, wo es zur Bewässerung von Weinreben und anderen Zierpflanzen dient. Das Pflanzenkonzept wurde entwickelt, um eine üppige grüne Vegetation zu gewährleisten, welche die Artenvielfalt (z. B. Insekten und Vögel) fördert.

„Die Struktur ist so konzipiert, dass sie so viel Wasser wie möglich ableitet und dabei so wenig Platz wie möglich beansprucht“, erklärt Kristoffer Ulbak, Bauingenieur mit Schwerpunkt Wassermanagement, der das städtische Green-Screen-Projekt mitgestaltet hat. „Wir dachten auch, dass es eine Lösung für mehr als nur das Wasserproblem sein könnte. Der Green-Screen dient als Lärmschutzwand und könnte möglicherweise die Feinstaubbelastung durch die Straßen absorbieren“, sagt er. Außerdem kann die Verdunstung einen kühlen Ort schaffen, an dem sich die Menschen abkühlen können, und auf diese Weise den städtischen Wärmeinseleffekt abschwächen, bei dem es in Städten oft deutlich wärmer ist als auf dem Land.

Ein Zaun, keine Mauer: Die Notwendigkeit einer städtischen Nachbarschaftsteilung

Neben diesen funktionalen Anforderungen musste das Designteam auch die „ganzheitliche menschliche Perspektive“ berücksichtigen, wie Prof. Jensen es beschrieb. Eine hohe, massive Wand, die mit langsam verdunstendem Wasser gefüllt ist, mag zwar funktionale Vorteile bringen, wäre aber in den Vorgärten der Menschen nicht willkommen. „Schon früh im Projektverlauf suchten wir das Gespräch mit den Anwohnern“, erklärt Prof. Jensen. „Einige von ihnen befürchteten, dass sich ihre Gemeinde durch die Wand wie ein Gefängnis anfühlen würde.“

Abbildung 4. Die fertiggestellte städtische Grünfläche und die Landschaftsgestaltung schaffen eine gartenähnliche Atmosphäre in einem dicht besiedelten Stadtviertel (das verbundene Gebäude befindet sich hinter dem Fotografen).

Die Bedenken der Anwohner erinnerten daran, dass die Anlagen eines Wohngebiets nicht nur der Infrastruktur dienen, sondern auch architektonische Aspekte berücksichtigen müssen . Aus diesem Grund sind der Stahlrahmen und die Mineralwollblöcke des Urban Green Screen weitgehend unsichtbar. Er sieht aus wie ein Holzzaun, nicht wie eine Mauer aus Metall und Mauerwerk. Die entstandene Parzelle ist außerdem mit Sitzbänken und einer Wiesenvegetation angelegt (Abbildung 4). Zwei Fenster geben den Blick auf die Straße frei, und ein Fenster an jedem Ende des Green Screens bietet den Fußgängern Sicherheit, damit sie sehen können, was hinter der Ecke vorgeht, wenn sie vorbeigehen. Diesen strukturell soliden Entwurf umzusetzen, der sowohl die Wasserwirtschaftsziele erfüllt als auch attraktiv ist, war eine Herausforderung für das Projektteam.

„Ich bin Bauingenieur“, sagt Ulbak. „Ich weiß eine Menge darüber, wie man Wasser verdampft! Aber wir mussten auch andere Probleme angehen. Wir hatten Sitzungen, bei denen einige Leute fragten: 'Können Sie nicht einfach eine Glaswand aufstellen? Sie waren besorgt, dass sie die Straße nicht sehen könnten. Der Auftrag für das Projekt lautete jedoch, eine Wand zu bauen, die Wasser ableitet, und aus Glas heraus kann man nicht viel Wasser verdunsten“, erklärt er. „Das sind nur einige der Hindernisse, die wir überwinden mussten. Jeder Schritt nach vorn konnte Monate des Hin und Her nach sich ziehen, bis zu einer besseren Lösung.“

Ein "Weidengebäude" als Versteck eines Entwässerungssystems

Zu diesem Zeitpunkt stieß der beratende Bauingenieur und Simulationsspezialist Tim Larsen zu dem Projekt. Seine Fähigkeiten und Erfahrungen mit Infrastrukturprojekten halfen dem Team bei der Bewältigung der zahlreichen Herausforderungen des Green Screens. „Als ich zu dem Projekt stieß, lagen viele Ideen auf dem Tisch. Man präsentierte mir einige architektonische Zeichnungen eines Entwurfs, der nicht standhalten würde, wenn Wind weht“, erinnert sich Larsen. „Ich schlug eine komplette Stahlkonstruktion vor, aber mir wurde gesagt, dass die Gemeinde das nicht akzeptieren könne. Da machte ich den Vorschlag, sich an Pilebyg zu wenden.“

Abbildung 5. Links: eine Pilebyg-Lärmschutzwand entlang einer dänischen Autobahn. Rechts: Vibe Gro und ihr Team bei der Installation der neuartigen Green-Screen-Struktur. Bilder mit freundlicher Genehmigung von Pilebyg.

Der Name Pilebyg setzt sich aus den dänischen Wörtern für "Weide" und "Gebäude" zusammen. Seit mehr als 30 Jahren baut das Unternehmen innovative Strukturen aus Weidenbäumen. Ihr Verfahren besteht darin, Weiden so zu kultivieren, dass ihre Stämme zu relativ gleichmäßigen, gebogenen Formen heranwachsen. Die geschlagenen Stämme können dann um einen Stützrahmen aus Stahl oder anderen Holzarten geflochten werden (Abbildung 5). Durch eine spezielle Behandlung kann die Weidenummantelung jahrzehntelang halten, wodurch die Struktur geschützt wird und sich gut in die Landschaft einfügt. „Man würde einen Baum nicht als hässlich bezeichnen, nur weil er alt ist“, sagt Vibe Gro, Miteigentümer von Pilebyg und Projektleiter für das Green-Screen-Projekt. „Wir bieten eine Fassade, die wunderschön altern kann.“

Simulation unterstützt den Design- und Modellierungsprozess

Pilebyg-Lärmschutzwände sind ein vertrauter Anblick entlang dänischer Autobahnen, aber das Unternehmen hatte zuvor noch nie einen Zaun gebaut, der ein Entwässerungs-/Verdunstungssystem verbarg. Um mehrere Materialien und Funktionen zu einer robusten und harmonischen Struktur zu kombinieren, entwickelte Tim Larsen, der einen Master-Abschluss in Bauingenieurwesen hat, Entwürfe (Abbildungen 6-8), die er anschließend mit der Software COMSOL Multiphysics® analysierte (Abbildung 9).

_Abbildung 6. Eine Illustration des finalen Entwurfs für den städtischen Greenscreen. Ein Stahlfundament und ein struktureller Rahmen stützen die weidenummantelten Mineralwollblöcke und die Dach-/Rinnenkonstruktion. Bild mit freundlicher Genehmigung von TL-Engineering. _

„Es war schon komisch, denn Tim war nicht Teil des Projekts, als wir anfingen, aber seine Arbeit war entscheidend dafür, dass wir zu einer brauchbaren Lösung kamen“, erklärt Ulbak. Er vergleicht den Einsatz der Simulation mit einer Bauanleitung für ein Spielzeug; die Projektbeteiligten konnten sich die Simulationsergebnisse ansehen und erkennen, wie alle Teile ihres Projekts zusammenpassen.

Tim Larsen nutzte die Simulation, um sicherzustellen, dass die Struktur für die klimatischen Bedingungen in Kopenhagen stabil genug war. Mit Hilfe der Strukturanalyse wurde überprüft, ob das Gebäude dem Winddruck, den unterschiedlichen Belastungen durch Wasser, das durch die poröse Außenseite fließt, und dem Wasser, das den Mineralwollkern durchtränkt, standhalten kann.

Abbildung 7. Modellgeometrie für den städtischen Greenscreen. Bild mit freundlicher Genehmigung von TL-Engineering.
Abbildung 8. Verschiedene Ansichten der für die Berechnungen verwendeten Geometrie des städtischen Greenscreen-Modells. Bilder mit freundlicher Genehmigung von TL-Engineering.
Abbildung 9. Ergebnisse der Spannungsanalysen des städtischen Green Screens. Modellbilder mit freundlicher Genehmigung von TL-Engineering.

„Bei einem Bauwerk wie diesem sind viele Materialien im Spiel, und kleine Veränderungen können große Auswirkungen haben“, sagt Larsen. „Ein kleiner Überhang an der Oberkante sieht nicht nach viel aus, aber wenn er sich mit Wasser füllt, kann er ein starkes Biegemoment erzeugen, besonders wenn es windig ist“, erklärt er.

Als sich das Projekt der Fertigstellung näherte, wurden die Bilder der COMSOL-Modelle mit anderen Beteiligten ausgetauscht. Dieselben Schemata, die den Bauarbeitern zur Verfügung gestellt wurden, halfen auch den Organisationen, die das Projekt finanzierten, bei der Erklärung der Konstruktion. „Die Simulation war ein Analysewerkzeug, das auch unsere Designdiskussionen unterstützte, und jetzt hilft es uns, das Konzept bei anderen zu bewerben“, sagt Kristoffer Ulbak.

Die Saat für mehr Green Screens legen

Nach rund sechs Jahren Entwicklungszeit wurde der urbane Green Screen 2019 in Kopenhagen installiert (Abbildung 10). Das fertige Bauwerk berücksichtigt die Prioritäten aller, die an seiner Gestaltung mitgewirkt haben – auch derjenigen, die eine Barriere aus Glas bevorzugt hätten. Eine Reihe von vertikalen Fenstern unterbricht die mit Weiden verkleidete Fläche und sorgt für "Augen auf der Straße", um die Sicherheit der Nachbarschaft zu gewährleisten.

Abbildung 10. Ein Ausschnitt des fertiggestellten städtischen Greenscreens im Jahr 2019 (links) und im Jahr 2020. Man beachte das vertikale Glasfenster und das Wachstum heimischer Pflanzen zwischen dem Schirm und den Gebäuden.

Bislang ist die Struktur erfolgreich in der Lage, sowohl die Feuchtigkeit zu verteilen als auch den Verkehrslärm für die Bewohner zu dämpfen (Abbildung 11). „Wenn man von der Straße auf die Wohnseite des Screens wechselt, kommt man sich vor wie im Paradies“, sagt Prof. Jensen. Die Reaktionen der verschiedenen Interessengruppen waren positiv, obwohl die weltweite COVID-19-Pandemie und andere Faktoren die Versuche, die Installation im Detail zu untersuchen, erschwert haben. Prof. Jensen möchte, wie es sich für eine Wissenschaftlerin gehört, weitere Untersuchungen durchführen, bevor sie die Anlage für einen Erfolg erklärt.

„Wir sind davon überzeugt, dass die Luftqualität auf der Wohnseite des Zauns besser ist und dass die Verdunstungskühlung dazu beitragen sollte, den städtischen Wärmeinseleffekt zu verringern. Um dies zu bestätigen, brauchen wir mehr Tests“, sagt sie. „Es ist auch eine Frage der Wahrnehmung. Wir wollen beobachten, wie die Menschen den Raum nutzen, und die Bewohner befragen, die jeden Tag mit der Struktur leben.“

Abbildung 11. Eine Draufsicht auf die fertige Struktur (links) und eine Nahaufnahme mit Schlingpflanzen auf der Weidenummantelung (Mitte). Die wasserverteilenden Mineralwollblöcke sind im Inneren der Struktur sichtbar. Rechts ist eine Ansicht des städtischen Greenscreens von der Straßenseite aus zu sehen.

Auch wenn das Projekt bisher nicht weiterverfolgt wird, gibt es bereits einige aufschlussreiche Belege für die Akzeptanz des Greenscreens: Er zieht keine Graffiti an. Vibe Gro von Pilebyg ist nicht überrascht. „Unsere Strukturen befinden sich oft in Gegenden, in denen Vandalismus vorkommt, aber es scheint, dass sich die Leute in der Nähe von Bäumen anders verhalten, selbst wenn sie als Teil einer Struktur installiert sind“, sagt sie. „Wir haben eine Regenwasserlösung, die ein Lärmproblem löst, und es ist eine Struktur, mit der die Menschen gerne leben“, sagt Gro. „Auf Dänisch sagen wir: 'Es schlägt zwei Fliegen mit einer Klappe!'“

Erfahren Sie mehr über Pilebyg: https://pilebyg.dk/en/sound-barrier/