Umnutzung des denkmalgeschützten „Eckigen Rundbaus“ in Köln

Schutzzielbezogene Brandschutzfachplanung

bauplaner 05/2022
Objekte
Brandschutz
Für die Umnutzung eines denkmalgeschützten Lagergebäudes in ein Hostel mit Restaurant wurde ein Brandschutzkonzept unter anderem mit Methoden des Brandschutzingenieurwesens entwickelt. Herausforderungen stellten hierbei vor allem das offene Atrium zwischen dem Untergeschoss und den oberirdischen Geschossen sowie die historische denkmalgeschützte Gebäudestruktur dar.

Über Jahrzehnte wurden auf dem Gelände der Waggonfabrik van der Zypen & Charlier bzw. der späteren Klöckner-Humboldt-Deutz-Werke an der Deutz-Mülheimer Straße im Kölner Stadtteil Mülheim erst Eisenbahnwaggons und später Motoren produziert. In der Mitte des Werkgeländes befindet sich einer der ungewöhnlichsten historischen Industriebauten Kölns, der sogenannte "Eckige Rundbau". Das Gebäude wurde um 1908 als Magazingebäude errichtet und stellt einen der ersten Stahlbetonzweckbauten in Köln dar [2]. Der auf den ersten Blick ungewöhnliche Name "Eckiger Rundbau" ergibt sich aus der Bauform, welche im Grundriss eine Dreiecksform mit abgeflachten Ecken darstellt, gleichzeitig aber über ein rundes Atrium verfügt, welches sich über alle Bestandsgeschosse erstreckt. Neben dem großen Atrium ist die Tragkonstruktion des Gebäudes ungewöhnlich und für die Bauzeit revolutionär, da sich die Lastverläufe auch sehr kleinteilig in den Abmessungen der Tragkonstruktion widerspiegeln.

Die Planungen des Architekturbüros ROBERTNEUN aus Berlin sehen dabei vor, dass die Tragstrukturen und das Atrium erlebbar und im Blickpunkt bleiben. Insgesamt werden im Erdgeschoss offen ineinander übergehend neben der Rezeption, ein Restaurant und ein kleiner Konferenzbereich angeordnet. Die drei im Bestand vorhandenen Obergeschosse sowie eine eingeschossige Aufstockung werden mehr als 60 Gastbetten aufnehmen.

Die beschriebenen offenen Geschossverbindungen in Kombination mit der Nutzung als Beherbergungs- und Versammlungsstätte sowie die Tragkonstruktion, welche im Bestand nach Überprüfung durch den Tragwerksplaner anstelle der bauordnungsrechtlich notwendigen feuerbeständigen nur eine feuerhemmende Qualität ausweist, sorgen dafür, dass brandschutztechnische “Standardansätze” nicht geeignet sind. Viel mehr werden innovative Lösungsansätze erforderlich, auf die im Nachfolgenden näher eingegangen wird. 

Brandschutztechnische Konzeption
Bauordnungsrechtliche Einordnung

Bauordnungsrechtlich ist das Gebäude entsprechend der zum Zeitpunkt der Bauantragsstellung geltenden BauO NRW 2000als Gebäude mittlerer Höhe einzustufen, es stellt aber gleichzeitig aufgrund der geplanten Nutzung ein Gebäude besonderer Art oder Nutzung (Sonderbau) dar. Um dem Betreiber ein flexibles Nutzungskonzept zu ermöglichen und gleichzeitig potenzielle Risiken abzudecken, werden bei der brandschutztechnischen Konzeption für das Erdgeschoss die Anforderungen aus Teil 1 – Versammlungsstätten und für die Obergeschosse aus Teil 2 – Beherbergungsstätten der Sonderbauverordnung NRW (SBauVO) berücksichtigt.

Brandschutztechnische Abtrennung / System der äußeren und der inneren Abschottungen
Mit einer Ausdehnung im Erdgeschoss von ca. 1.533 m² wird das Gebäude als ein Brandabschnitt bewertet, auch wenn in Ost-West-Richtung eine Länge von 40 m mit insgesamt ca. 59 m deutlich überschritten wird. Wie auch beim zuvor beschriebenen historischen Tragwerk werden durch die Überschreitung der Brandabschnittslänge bauordnungsrechtliche Anforderungen nicht erfüllt, was jedoch u.a. durch eine, in den Bestandsgeschossen installierte flächendeckende selbsttätige Löschanlage kompensiert wird.

Um eine brandschutztechnische Trennung zwischen der zuvor beschriebenen Erdgeschossnutzung zu den, an das Atrium offen angrenzenden, notwendigen Fluren in den Obergeschossen zu gewährleisten, erfolgt im Erdgeschoss eine bauliche Trennung zum Atriumauge. Die Herstellung einer geschlossenen feuerbeständigen Trennwand als Ersatz des Deckenverschlusses widersprach den Anforderungen des Denkmalschutzes, dass das Atrium aber auch die zum Zeitpunkt der Gebäudeerrichtung innovative Bauweise der Tragkonstruktion, insbesondere auch vom Erdgeschoss, erlebbar sein soll. Um die hierzu notwendige Blickverbindung zu ermöglichen, wird in Abstimmung mit den Genehmigungsbehörden eine, wie in Abbildung 3 erkennbare, Abtrennung durch eine mehrschichtige VSG-Verglasung in Verbindung mit einer verdichteten Anordnung der Sprinklerköpfe der selbsttätigen Löschanlage vorgesehen.

Durch die Kombination aus der mehrschichtigen VSG-Verglasung, welche eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist ([4]), und der verdichtet angeordneten Sprinklerung, welche eine vollständige Benetzung mit Löschwasser und somit auch Kühlung der Verglasung im Brandfall gewährleistet, kann von einem Raumabschluss von über 90 Minuten ausgegangen werden. In den Obergeschossen werden unter Berücksichtigung der im Gebäude vorhandenen sicherheitstechnischen Infrastruktur, wie der flächendeckenden, selbsttätigen Lösch- und Brandmeldeanlage, die Beherbergungszimmer zu Gruppen von maximal vier Beherbergungszimmern, zusammengefasst. Die Wände zwischen den Zimmern innerhalb einer Gruppe erfüllen abweichend von den Vorgaben der SBauVO, Teil 2, nur die Anforderung rauchdicht, während feuerhemmende Trennwände wie in #Abbildung 5 dargestellt, nur in den Achsen zwischen den Raumgruppen verortet wurden, in denen keine WC-Bereiche mit Installationsschächten vorgesehen sind. Somit konnten hier zusätzliche, bautechnisch aufwendige Abschottungen der technischen Gebäudeausstattung vermieden werden. 

Während im Erdgeschoss der Bereich des Atriums vom umlaufenden Geschoss abgetrennt wurde, sind die Obergeschosse über das Atrium und die anschließenden notwendigen Erschließungsflure offen miteinander verbunden. Eine brandschutztechnische Abtrennung erfolgt erst an den feuerhemmenden Trennwänden zu den Beherbergungszimmern. Da aufgrund von denkmalpflegerischen Forderungen auch aus dem Atrium der Blick auf die Deckenunterseiten mit ihren Unterzügen erhalten bleiben sollte, werden die Zimmerwände im oberen Bereich zum Teil ab einer Höhe von mehr als 1,80 m über dem Fußboden als Verglasung mit einer Feuerwiderstandsklasse G30 ausgeführt. Die Öffnungen in der Wand zwischen Atrium bzw. dem notwendigen Flur und Beherbergungsräumen werden mit rauchdichten und selbstschließend Abschlüssen verschlossen.

Neben der reinen Revitalisierung des Gebäudes soll auch eine Aufstockung um ein Geschoss umgesetzt werden. Brandschutztechnisch erfolgt, wie im Schnitt in #Abbildung 4 erkennbar ist, dabei eine Trennung zwischen der Aufstockung und dem Bestandsgebäude im Bereich des ursprünglichen Daches. Die Aufstockung wird auf den Bestand aufgeständert und auch aus Gewichtsgründen als Stahlbaukonstruktion geplant. Während eine solche Bauweise Vorteile bei der Tragwerksplanung erzielt, birgt sie für den Brandschutz Herausforderungen, da ohne zusätzliche Maßnahmen keine Bauteile vorhanden sind, an die Konstruktionen mit einer Feuerwiderstandsklasse gleichwertig anschließen können. Um technisch umsetzbare Lösungen gewährleisten zu können, wurde die Brandschutzkonzeption auf einer Risikobetrachtung aufgebaut. Während von den geplanten notwendigen Fluren als Erschließungszonen keine wesentliche Brandgefahr ausgehen ist es das Ziel bei einem Zimmerbrand diese Rettungs- und auch Angriffswege für die Feuerwehr so lange wie möglich zu schützen. So werden brandschutztechnische Abtrennungen im Bereich des Stahlrahmenbaus im Dachgeschoss so ausgebildet, dass eine feuerhemmende Qualität von den Beherbergungszimmer (Innen) zu den Rettungswegen (Außen) bautechnisch gewährleistet ist. Dabei wird in Abstimmung mit den Genehmigungsbehörden akzeptiert und über das Brandschutzkonzept detailliert beschrieben, dass die jeweiligen Konstruktionen nicht in Gänze alle Anforderungen der Verwendbarkeitsnachweise erfüllen, aber durch ihre Bauart die Brandausbreitung von Innen nach Außen sicher verhindert wird. 

Rettungswegführung
Wie in #Abbildung 5 zu erkennen ist, werden in den Obergeschossen die beiden baulichen Rettungswege jeweils über zwei entgegengesetzt angeordnete notwendige Treppenräume sichergestellt, welche im Bestand vorhanden sind. Die Besonderheit ist dabei, dass im 1. bis 3. Obergeschoss alle Rettungswege offen über das als notwendigen Flur ausgebildete Atrium geführt werden. Eine Rettungsweglänge von 35 m wird in den Obergeschossen von jeder Stelle aus eingehalten, wobei von den Türen der Beherbergungszimmern die maximale Lauflänge bis zum Zugang zum notwendigen Treppenraum ca. 15 m beträgt. Bauordnungsrechtlich wird diese Lauflänge auch bei notwendigen Fluren, über die beide Rettungswege geführt werden und eine zulässige Rauchabschnittslänge von bis zu 30 m aufweisen dürfen, akzeptiert, obwohl eine Verrauchung aufgrund von Türen zu Nutzungseinheiten ohne Selbstschließfunktion, nicht ausgeschlossen werden kann. Da bei dem Objekt jedoch die notwendigen Flure von drei Obergeschossen miteinander verbunden sind, steigt auch das grundsätzliche Risiko einer Beeinträchtigung des Rettungsweges durch ein Brandereignis. Um trotzdem nachzuweisen, dass die Rettungswege der nicht vom Brand betroffenen Geschosse für einen ausreichend langen Zeitraum nicht beeinträchtigt werden, wurde ein ingenieurtechnischer Nachweis mittels Brandsimulation geführt.

Simulation Atrium
Schutzziele und Leistungskriterien

In enger Abstimmung mit den Genehmigungsbehörden, insbesondere der Brandschutzdienststelle, wurden für den Simulationsnachweis im Bereich des Atriums verschiedene Schutzziele festgelegt, denen anschließend konkrete Leistungskriterien zugeordnet wurden. Das Hauptschutzziel besteht in der Gewährleistung der Selbstrettung der Personen aus den Beherbergungszimmern über das Atrium in die notwendigen Treppenräume. Als Leistungskriterium wurde hierzu eine mindestens 2,5 m hohe raucharme Schicht oberhalb des Fußbodens, in den nicht vom Brand betroffenen Geschossen, definiert. Der Extinktionskoeffizient, von welchem sich Sichttrübungen ableiten lassen, sollte in diesen Bereichen einen Wert von 0,2 m-1 nicht überschreiten. Auch für die Exposition der Flüchtenden gegenüber entstehender Wärme wurde eine Temperatur in der raucharmen Schicht von weniger als 50°C und in der Rauchschicht von 200°C festgelegt. Für die Phase der Brandbekämpfung wurden diese Temperaturvorgaben beibehalten. Die Höhe der raucharmen Schicht wurde jedoch unter Berücksichtigung des umluftunabhängigen Atemschutzes der Feuerwehrkräfte auf mindestens 1,5 m gesenkt, wobei auch hier ein Extinktionskoeffizient von 0,2 m-1 nicht überschritten werden sollte. Die vorher genannten Werte wurden in Anlehnung an [4] und [5] als konservative Werte für die Leistungskriterien gewählt. Da durch die Auslösung der flächendeckenden selbsttätigen Löschanlage von einer Eindämmung bzw. sogar von einer Löschung des Brandes ausgegangen werden konnte, wurde die Nachweisführung in Abstimmung mit der Brandschutzdienststelle mit Auslösung der Löschanlage beendet.

Brandszenarien und Bemessungsbrände
Das Atrium mit den angrenzenden Erschließungsflächen wird in der Qualität und Funktion entsprechend eines notwendigen Flures hergestellt, so dass davon ausgegangen werden kann, dass diese Flächen keine wesentlichen Brandlasten aufweisen und somit ein kritischer Brand in diesem Bereich sehr unwahrscheinlich ist. Als Brandort wurde daher ein Beherbergungszimmer im 1. Obergeschoss als kritisches Szenario festgelegt, da ein Brand von dort geschossübergreifend die größtmögliche Anzahl von Rettungswegen mit Rauch beaufschlagen kann. Obwohl die Türen von den Beherbergungszimmern in das Atrium als rauchdichte und selbstschließende Türen ausgeführt werden, musste in Abstimmung mit der Brandschutzdienststelle als zusätzliche Sicherheit in der Nachweisführung die Tür zum Brandraum als nicht vollständig geschlossen (0,5 m breite Öffnung) angenommen werden. Dadurch sollte z.B. ein in der Tür stehender Koffer, der während der Flucht zurückgelassen wird, abgebildet werden. 

Als Brandszenarien wurden nach VDI 6019 Blatt 1 ein Hochenergiebrand und ein niedrigenergetischer Brandverlauf mit einer maximalen Wärmefreisetzungsrate von 150 kW simuliert. Als Szenario für einen hochenergetischen Brand (maximale Wärmefreisetzungsrate 680 kW) wurde dabei der Brand eines Doppelstockbetts in einem der Beherbergungszimmer angenommen. Der Niedrigenergiebrand stellte den Brand eines Papierkorbs im Zimmer dar. 

Aufgrund der deutlich höheren Brandleistung sowie der ungünstigen Lage stellt der Hochenergiebrand das maßgebende Szenario für die Auslegung der RWA dar. Dabei ist zu beachten, dass die vom Simulationsmodell prognostizierte Rauchausbreitung mit Auslösung der Sprinkleranlage zu einer Störung der Rauchausbreitung führt, welche nicht im Simulationsmodell abgebildet wird.  

Simulation
Als Simulationsprogramm wurde STAR-CCM+ von der Firma Siemens eingesetzt, welches für den Einsatzzweck entsprechend verifiziert und validiert ist.
Die Gittergröße wurde grundsätzlich auf 0,3 m festgelegt und in strömungstechnisch relevanten Bereichen zur besseren nummerischen Auflösung auf die Gittergröße auf 0,1 m verfeinert. Insgesamt wurden so über das ganze Modell ca. 2 Millionen Zellen erzeugt.

Das Bestandsgebäude liegt unmittelbar an einer ICE-Trasse, so dass die Fenster der Beherbergungszimmer aufgrund der Anforderungen des Schallschutzes zu großen Teilen geschlossen ausgeführt werden. Zusätzlich ist damit zu rechnen, dass aufgrund der flächendeckenden selbsttätigen Löschanlage in Verbindung mit einer hochwertigen mehrschichtigen Schallschutzverglasung, eine Zerstörung der Fenster im Beherbergungszimmer durch den Brand über den gesamten Verlauf der Simulation nicht erfolgt. [4] Im Brandraum konnte eine Beeinflussung durch Wind somit vernachlässigt werden.

Zur Sicherstellung eines optimalen Planungsergebnisses wurden zahlreiche Simulationsdurchgänge mit sehr unterschiedlichen Ausgangsparametern durchgeführt. Sie reichten von rein natürlichen Nach- und Abströmungen zu Kombinationen mit maschinellen Komponenten bis hin zu Versuchen mit sehr hohen Entrauchungs- und Nachströmvolumenströmen. Auch bei der Anordnung der Entrauchungs- und Nachströmöffnungen wurden zahlreiche Varianten untersucht und sich so an ein Ergebnis iterativ angenähert. Hierbei wurde frühzeitig klar, dass der Ansatz "Viel hilft viel" eher kontraproduktiv ist. Wie zu erwarten stellten sich in jedem Geschoss als große Herausforderung, Verwirbelungen vor allem am Ende der Geländer als Abrisskanten ein. 
 

Die Verwirbelungen, welche auch in #Abbildung 7 gut zu erkennen sind, führten dazu, dass sich frühzeitig signifikante Rauchgasmengen auch in die nicht vom Brandereignis betroffenen Geschosse ausbreiteten. 

Die zweite große Herausforderung bildete das oberste Geschoss unterhalb des Atriumdaches, da die entstehenden Rauchgasmengen nicht gleichwertig mit einem akzeptablen Aufwand abgeführt werden konnten. Hier wurden zusätzliche bauliche Lösungen in Form von den in #Abbildung 8 erkennbaren Rauchschürzen erforderlich, welche über einen ausreichend langen Zeitraum eine Rauchstauung im mittleren Dachbereich bewirken, sodass die angrenzenden Rettungswege von Brandrauch freigehalten werden.

Bei den im Bestand vorhandenen Geländern handelt es sich um denkmalgeschützte Bauteile, an denen nur bedingt Veränderungen vorgenommen werden durften. In Abstimmung mit dem Architekturbüro ROBERTNEUN wurde daher die in #Abbildung 9 dargestellte Variante erarbeitet, welche ein vom Bestand unabhängiges neues Geländer vorsieht. 

Die Abströmung des Rauches und der Wärme erfolgt über insgesamt 10 Öffnungen im Bereich der sogenannten Laterne mit einer aeordynamisch wirksamen Fläche von insgesamt 16,4 m². 
Sowohl die Nachströmung als auch die Öffnungen zur Rauchableitung werden im Brandfall über die Brandmeldeanlage ohne Verzögerung angesteuert.
Ergebnisse

Wie in der #Abbildung 10 zu erkennen, kann der Rauch beim hochenergetischen Brandereignis mit einer hohen Energiefreisetzungsrate durch die getroffenen Maßnahmen wirkungsvoll in der Atriummitte konzentriert werden, so dass in den nicht vom Brand betroffenen Geschossen die festgelegte erforderliche Höhe der raucharmen Schicht für die Selbstrettung bis zur Auslösung der Löschanlage nach 4 Minuten eingehalten wird. Auch bei dem niedrigenergetischen Brandereignis mit Auslösung der Löschanlage erst nach 7 Minuten würden die zuvor abgestimmten Schutzziele erreicht. 

Zusammenfassung
Unter Berücksichtigung des im Bestand vorhandenen denkmalgeschützten Gebäudes wurde unter anderem durch ingenieurmäßige Nachweise des Brandschutzes ein ineinandergreifendes Gesamtkonzept unter Beachtung der geplanten Nutzung entwickelt und erfolgreich mit den Genehmigungsbehörden abgestimmt. Insbesondere wurde hierbei berücksichtigt, dass die historisch wertvollen Merkmale des Gebäudes unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit der Revitalisierung für die Gäste und Besucher erlebbar bleiben. Auch eine Fachjury eines Verlages für Brandschutz zeichnete das Konzept mit dem "Brandschutzkonzept des Jahres 2021" aus. Dabei wurde von der Fachjury insbesondere gewürdigt, dass gleichermaßen die Anforderungen des Denkmalschutzes als auch der Maßstab der Wirtschaftlichkeit Berücksichtigung gefunden haben. Es zeigt sich, dass durch moderne und schutzzielbezogene Brandschutzfachplanung der Brandschutz "keinesfalls stets als Bremsklotz und Kostentreiber wahrgenommen werden muss". [7]
 

Quellen
[1] ROBERTNEUN Architekten; Berlin
[2] Alexander Kierdorf; rheinische-industriekultur.de; abgerufen am 08.09.2021 unter www.rheinische-industriekultur.de/objekte/koeln/KHD,%20Eckiger%20Rundbau/eckiger_rundbau.html
[3] CG Elementum; Berlin
[4] Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.V.; Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes; 3. überarbeitete und ergänzte Auflage November 2013; Altenberge, Braunschweig
[5] Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen; VKF Brandschutzrichtlinie 27-15 Nachweisverfahren im Brandschutz; Stand 22.03.2017; Bern 
[6] Gruner Deutschland GmbH
[7] FeuerTrutz Ausgabe Dezember 6.2021, Brandschutzkonzept des Jahres: Auszug aus der Jurybegründung

Autoren
Gruner Deutschland GmbH, Niederlassung Köln
Dipl.-Ing. (FH) Christoph Vahlhaus
s.a. SV für die Prüfung des Brandschutzes; Prüfingenieur für Brandschutz NRW; Geschäftsführer und Niederlassungsleiter Köln

Ing. Patrick Sonntag, M.Sc.
Projektleiter Brandschutz

Die brandschutztechnischen "Standardansätze" sind für den Eckigen Rundbau nicht geeignet. Dies hat den Hintergrund, dass die beschriebenen offenen Geschossverbindungen in Kombination  mit der Nutzung als Beherbergungs- und Versammlungsstätte sowie die Tragkonstruktion nur eine feuerhemmende Qualität aufweisen.
 

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