Dubais Museum of the Future: Bau eines 78 Meter hohen architektonischen Wahrzeichens

Das derzeit in Dubai, Vereinigte Arabische Emirate (VAE), im Bau befindliche Museum of the Future ist eines der komplexesten Bauwerke, die je errichtet wurden. Das 78 Meter hohe Gebäude beherbergt sieben Etagen innerhalb einer torusförmigen Schale, die auf einem dreistöckigen Podest ruht. Die Außenfassade des Torus besteht aus 1.024 feuerhemmenden (FR) Verbundwerkstoffpaneelen. Mit Edelstahl verkleidet, ist jedes Paneel eine einzigartige 3D-Form und integriert eingearbeitete arabische Kalligrafie. Der fließende Text bildet Gedichte, die die Vision für Dubais Zukunft von Seine Hoheit Scheich Mohammed bin Rashid Al Maktoum, Vizepräsident und Premierminister der VAE und Herrscher des Emirats Dubai, beschreiben. Sie dienen auch als Fenster des Gebäudes, lassen Tageslicht in das stützenfreie Innere und erzeugen nachts durch 14 Kilometer integrierte LED-Beleuchtung einen dramatischen Effekt.

Konzipiert von Scheich Mohammed als Inkubator für Innovation und Erfindung, gilt das Museum of the Future als eines der fortschrittlichsten Gebäude der Welt – ein Ort, an dem Menschen neue Technologien erleben und erforschen können. Es ist auch ein Symbol für Architektur, die Grenzen durch digitales Design und effizientere Materialien verschiebt. Parametrisches Design wurde genutzt, um das Stahl-Diagrid – ein Gerüst aus 2.400 diagonal sich schneidenden Stahlträgern – zu entwickeln, an das Verbundbeton-Deckenplatten und 17.000 Quadratmeter Verbundverkleidung angebracht sind, letztere unter Verwendung von 1 Million Quadratmetern multiaxialer Glas- und Kohlefaser-verstärktem Epoxid-Prepreg.

Das Dubai-Unternehmen Affan Innovative Structures lieferte das Verbundwerkstoffdesign für die Paneele sowie Fertigung und Installationsunterstützung. „Dies ist das erste Mal, dass ein solches Projekt durchgeführt wird“, sagt CEO Dr. Amer Affan. „Und auch das erste Mal, dass Verbundwerkstoffpaneele verwendet wurden, um mehrere Gebäude-funktionen über so komplexe Formen zu integrieren.“

Hauptarchitekt Shaun Killa erklärt, dass solch komplexe Außenhüllen normalerweise Regenschirme sind, mit einem dahinterliegenden Gebäude, das die Abdichtung enthält. „Das vereinfacht die Sache, weil es etwas nachsichtiger ist bei der Erstellung dieser sehr dreidimensionalen Formen“, merkt er an. „Bei diesem Gebäude übernimmt die Hülle jedoch die Abdichtung, Luftdichtheit, Struktur und Beleuchtung.“ Affan räumt ein, dass sein Unternehmen für ein so großes Projekt klein ist, „aber wir haben unsere technische Expertise genutzt, um etwas Einzigartiges zu erreichen und gezeigt, wie Gebäude in Zukunft gebaut werden.“

Fähigkeit für komplexe, digitale Designs

Affan Innovative Structures wurde zunächst vom Engineering-Team des Museum of the Future kontaktiert. „Es gab nicht viele Unternehmen, die die für die Außenverkleidung erforderliche Arbeit leisten konnten“, merkt Affan an. „Der einzige andere Wettbewerber schlug eine normale Vorhangfassade mit Aluminium- oder Edelstahlpaneelen außen vor.“ Vorhangfassaden, typischerweise zusätzlich zu einem Stahlgerüst verwendet, sind dünn und bestehen aus Aluminiumrahmen, die Glas, Metall und/oder dünne Steinaußenpaneele tragen (siehe „Die Gebäudehülle: FRP-Elementfassaden“). Dies wurde vom Engineering-Team als zu schwierig und unfähig abgelehnt, das gleiche Erscheinungsbild wie mit einer integrierten, multifunktionalen Verbundwerkstoffpaneel-Fassade zu bieten. Letztere, vorgeschlagen von Affan Innovative Structures, wurde für das Projekt ausgewählt. „Wir haben auch einzigartige Technologie, die es uns ermöglicht, große Paneele herzustellen“, fügt Affan hinzu, „bis zu 3 Meter breit und 9 Meter hoch, in beide Richtungen gekrümmt, was weniger Fugen bedeutet.“

Affan Innovative Structures war für dieses Projekt einzigartig geeignet. 2004 von Dr. Affan gegründet, bietet das Unternehmen komplette Turnkey-Lösungen – von Konzeptionsdesign bis Installation und Gebäudeinstandhaltung – und graviert zu sehr technischen Herausforderungen. Der Lebenslauf umfasst den komplexen, geometrischen Aluminium-Screen/Verkleidung für das King Abdullah Sports City Stadium (Dschidda, Saudi-Arabien), den Verbundwerkstoff-Eingangsbaldachin und 64 aufwendig gemusterte Glas- und Stahl-Oberlichter für die Yas Mall (Abu Dhabi, VAE), das Außenverbundwerkstoffdach für das Sidra Hospital (Doha, Katar) und viele andere anspruchsvolle Projekte. Diese Fähigkeit in komplexen Stahl-, Glas- und Verbundwerkstoffmontagen war genau das, was für die multifunktionale Verbundwerkstoff-Außenhülle des Museum of the Future benötigt wurde.

„In jedem Verbundwerkstoffpaneel befindet sich ein System aus flachen Glasplatten innerhalb der arabischen Schrift“, erklärt Affan. „Das Glas ist fast versenkt in den Paneelen, bis zu 200 Millimeter Tiefe.“ Diese Versenkung ändert sich nicht nur von der Gebäudespitze mit weniger Versenkung zur Vermeidung von Wasserfang bis zum Boden, wo vertikale und unterschnittene Paneele tief versenkt werden können, ohne Wasser zu fangen, sondern auch innerhalb jedes Paneels, schräg und abnehmend, um einen allmählichen, natürlichen Rand für die Schrift zu erzeugen. „Lage und Kanten der Versenkung variierten auch je nach Lage des Glases im Paneel, weil das Glas flach war, die Paneele aber gekrümmt“, merkt Affan an. „Das war nur mit digitalem Design und CNC-Bearbeitung möglich.“ Diese Präzision war auch nötig, um sicherzustellen, dass die Schrift, die von Paneel zu Paneel variierte, bei der Installation präzise ausgerichtet war, damit Buchstaben und Wörter korrekt über die Gebäudeaußenseite flossen.

Für Affan war die einzige Lösung, die arabische Schrift und Versenkungen in jedes Verbundwerkstoffpaneel einzuformen. „Bewehrungen würden in präzise CNC-gefräste Formen gelegt“, erklärt er. Glücklicherweise ist die CATIA-Software (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, Frankreich), die Affan Innovative Solutions für seine CNC-Maschinen nutzt, auch das 3D-CAD-Programm, das die Luftfahrtindustrie für komplexe Flugzeug- und Verbundwerkstoffstrukturen verwendet. Zudem beherrschen Affans 28 Ingenieure Tekla BIM-Software, Rhino 3D (Robert McNeel & Assoc., Seattle, Washington, USA) und AutoCAD von Autodesk. „Wir haben alle Zeichnungen in CATIA gemacht, sowie das Lagenaufbau-Design, was uns die Fähigkeit zu so komplexer Bearbeitung gab“, sagt Affan.

Das Design war jedoch nicht trivial und musste diverse strukturelle und Windlasten erfüllen. Zum Beispiel erzeugte das Innere des Torus einen Windkanaleffekt, erklärt Affan. Diese Paneele müssen bis zu 450 kg/m² (92 lb/ft²) Windlast standhalten. (Hinweis: Der International Building Code listet Windlasten von 71 lb/ft² für hochriskante Hurrikangebiete in West Palm Beach, Florida, USA). Die Verbundwerkstoffpaneele für das Museum of the Future sind auch auf Gewichtsminimierung ausgelegt. „Die Paneele nutzen 9 bis 13 Lagen, die je nach Lage und Belastung variieren“, sagt Affan. Er fügt hinzu, dass das Composite Technology Center (Stade, Deutschland), eine Airbus-Tochter und langjähriger Partner über die CFK Valley eV (Stade, Deutschland) Handelsorganisation, „eine Drittprüfung unseres Lagenaufbau-Designs, der Durchbiegungs- und Steifigkeitsberechnungen lieferte.“

Eine zusätzliche Komplexität und Innovation: Die Paneele integrierten auch ihr eigenes Befestigungssystem. „An den Kanten bilden 24 Lagen die kassettenartige Befestigungsgeometrie zur Verbindung mit dem Gebäude“, erklärt Affan. Ein Kassetten-System ist eine Methode zur Befestigung externer Verkleidung, ursprünglich für Regenschirm-Installationen entwickelt. Zwar variieren Typen und Geometrien, aber Kassetten ermöglichen typischerweise eine flache, regendichte Außenfläche, die hinten am tragenden Gerüst des Gebäudes gesichert ist. Für die Fassadenpaneele des Museum of the Future waren separate Teile zur Bildung der Kassettenkanten nicht nötig, sondern wurden in jede Form eingearbeitet und so in jedes Verbundwerkstoffpaneel integriert.

Materialien, Formen und Paneelfertigung

Obwohl Affan Innovative Structures' 10.000 Quadratmeter Verbundwerkstoff-Fertigungsfläche 16 Resininfusionsmaschinen und acht glasgedeckte, stahlbasierte Resininfusionstische von 3 mal 20 Metern hat, wählte man Prepreg. Warum? „Das Erreichen der notwendigen FR-Performance erfordert viele Additive, sodass das Harz dick wird und bei Infusion nicht fließt“, erklärt Affan. In diesem Fall war das Additiv Aluminiumtrihydrat (ATH, siehe „Feuer widerstehen ohne Gewicht“). Er fährt fort: „Daher arbeiteten wir mit Notus Composites [Ras Al Khaimah, VAE] zusammen, um ein FR-Epoxid-Prepreg zu entwickeln. Wir nutzten hauptsächlich Glasfaser, aber auch Kohlefaser in bestimmten Abschnitten, wo Durchbiegungsprobleme bestanden.“ Vom Dubai Civil Defense genehmigt, haben Notus Composites EPFR-609 Prepreg in Kombination mit NE11-FR Oberflächenfolie NFPA 285, EN13051-1 und ASTM E1098 und E84 Klasse A Brandanforderungen bestanden (siehe „Feuerhemmende Prepregs ermöglichen...“ und „Bessere, günstigere Prüfung von FRP-Baumaterialien“).

Da äußere Metalloberflächen in Dubai im Sommer Temperaturen von 80 °C (176 °F) erreichen können, erklärt Affan: „Wir härteten das Prepreg bei 120 °C aus, um ausreichend Tg (Glasübergangstemperatur) für Hitzebeständigkeit zu gewährleisten. Daher wurden die Formen aus Polyurethanschaum gefräst, der diese hohe Temperatur aushielt, was teurer ist. Wir probierten drei oder vier verschiedene Schäume, aber nur einer konnte Temperatur und Vakuumdruck standhalten, war aber weich genug, um leicht und schnell CNC-gefräst zu werden.“

Das CNC-Fräsen jeder Form dauerte 12 bis 72 Stunden und jedes der 1.024 Verbundwerkstoffpaneele benötigte eine eigene Form. Alle vier CMS (Zogno, Italien) 5-Achs-CNC-Maschinen von Affan Innovative Structures – die größte misst 33 Meter lang, 13 Meter breit und 2,5 Meter hoch – waren nötig, um die anspruchsvolle Produktionsrate des Museums zu erfüllen. „Wenn eine Maschine zur Wartung ausfiel, liefen die anderen parallel weiter“, erklärt Affan.

Prepreg-Lagen wurden mit einem automatisierten Schneidesystem (Bulmer, Mehrstetten, Deutschland) geschnitten und gekittet. „Wir nutzten keinen Kern in den Paneelen, weil es zu dieser Zeit keine Schaumkerne gab, die die FR-Anforderungen bestanden“, sagt Affan. Selbst mit solcher Automatisierung war die Belegschaft von 250 Mitarbeitern, die 2015 erreicht wurde, nötig, um die Produktion zu liefern – im Durchschnitt vier Paneele pro Tag. Teams von sechs Arbeitern, jeweils mit einem Vorarbeiter und ausgeglichenem Skillset für Effizienz, legten die Paneele per Hand. „Normalerweise hätten wir zwei oder drei Teams an einem Projekt“, merkt Affan an, „aber um diesen Produktionsplan zu erfüllen, hatten wir 20 Teams gleichzeitig am Arbeiten.“

Fertigungsschritte

1. Polyurethanschaum wird in präzise Formen gefräst. Quelle aller Fertigungsschritt-Bilder: Affan Innovative Solutions
2. Glasfaser/Epoxid-Prepreg wird per Hand in die Formen gelegt.
3. Prepreg-Lagen werden vakuumbeutelt und 6 Stunden bei 120 °C im Ofen ausgehärtet.
4. Entformte Paneele werden für Klebebonding der Edelstahloberfläche vorbereitet.
5. Edelstahl-Sechsecke werden auf die FRP-Paneele geklebt und mechanisch befestigt.
6. Fertige Paneele werden zur Installation gehoben.
7. Jedes Paneel wird via einzigartigem 3D-„Universal-Gelenk“ justiert.
8. Jedes Paneel wird via einzigartigem 3D-„Universal-Gelenk“ justiert, um glatt ausgerichtete Außenfassade zu erreichen.

Lagen wurden per Hand gelegt, vakuumbeutelt und 6 Stunden in Öfen gehärtet, die 20 Meter lang, 8 Meter breit und 3 Meter hoch waren. „Jede CNC-Maschine hatte ihren eigenen Ofen“, sagt Affan. „Wir bündelten nicht viele Paneele pro Aushärtzyklus. Stattdessen härteten wir jedes Paneel sofort aus, sobald es bereit war, um den höchstmöglichen Produktionsfluss zu halten. Wir entformten die Paneele und nutzten einen 3D-Scanner, um sicherzustellen, dass das gefertigte Paneel der CATIA-Datei entsprach. Pro unserem Gesamtheitlichen Qualitätskontrollsystem mussten wir an jedem einzelnen Prozessschritt gegen die digitalen Dateien prüfen.“

Fertige Paneele erhielten dann den Edelstahl-Außenfinish. „Der Edelstahl wird auf jedes Paneel klebebonded und dann mit mechanischen Befestigern angebracht, was eine Kunst für sich ist“, sagt Affan. „Das Metall wurde in kleine Sechsecke geschnitten, um sich über die 3D-Paneele zu legen. Das Sechseck-Gitter variierte von Teil zu Teil je nach Krümmungsgrad. Obwohl wir Erfahrung und Vertrauen in das Kleben haben, konnte kein Risiko bestehen, dass sich ein einziges Sechseck während der Lebensdauer des Gebäudes löst. Daher musste jedes einzelne Sechseck befestigt werden – was bis zu 200 bis 300 Befestigungen für ein einzelnes Paneel erforderte.“ Fertige Paneele wurden dann zur Baustelle geschickt zur Installation.

NASA-unterstützte, problemlose Installation

Die Installation wurde tatsächlich von der Baufirma des Gebäudes, BAM International (Gouda, Niederlande), durchgeführt. „Wir lieferten nur Supervisoren für die Installation, um beim Handling der Paneele zu helfen“, merkt Affan an. „Die Art, wie jedes Paneel gehoben wird, ist entscheidend. Die Paneele waren so ausgelegt, dass sie stark genug für ihre jeweilige Position im Gebäude sind. Sie müssen jedoch auf eine spezifische Weise gehoben werden, über mindestens zwei Hebepunkte, genau wie beim Aufhängen von Kassetten in traditionelleren Bauweisen.“

Es gab ein weiteres Problem, das Affan einzigartig qualifiziert war zu lösen. „Damit jedes Paneel auf der Stahlstruktur sitzt und doch die glatte Oberfläche formt, brauchten wir die Fähigkeit, das Paneel in Tiefe, Orientierung und Krümmung in 3D zu justieren – also eine Art Universal-Gelenk mit drei Freiheitsgraden. 1985 arbeitete ich als Student bei der NASA in Kalifornien an der Dämpfung von Raumstationsstrukturen. Der Schlüssel war, jede Struktur bewegen und justieren zu können, wenn das Shuttle andockt, damit Vibration schnell gedämpft wird – ähnlich wie Geräuschunterdrückung. Ich nutzte dieselbe Technologie für die Paneelbefestigung und -justierung während der Installation.“

Auch weil die Paneele die Wasserdichtigkeit des Gebäudes lieferten, durften keine Lücken zwischen ihnen sein. „Die Paneele konnten nicht direkt anstoßen, sonst könnten sie reißen“, sagt Affan und erklärt, dass aufgrund einer hohen Nutzlast von 1,5 Tonnen auf dem kragarmartigen 6. Ausstellungsbereich die Stahlstruktur sich tatsächlich bewegt. „Wir hielten einen präzise abgestimmten Spalt zwischen den Paneelen und füllten diesen mit einer speziellen Dichtung.“ Diese Dichtung, weich genug zum Ausdehnen, aber steif genug zum Standhalten der Belastung, bot Dichtungsfunktionalität, während sie das ästhetische Erscheinungsbild des Gebäudes ermöglichte.

Solche Lösungen sind ein Vorteil, merkt Affan an. „Weil wir aus dem Strukturbereich kommen, können wir viele Materialien kombinieren. Das ist sehr wichtig. Verbundwerkstoffe sind nur eines der Materialien, die wir nutzen. Das war nicht nur ein Verbundwerkstoffprojekt.“ Die Ergebnisse sprechen für sich. „Die Installation lief gut; es gab überhaupt keine Probleme“, sagt Affan, der anmerkt, dass es keine Möglichkeit gab zu prüfen, ob das Paneel passt, außer die Konformität zur digitalen Datei sicherzustellen. „Wir hatten noch kein Paneel, das nicht gepasst hat oder die falsche Form hatte oder das Wort falsch geschrieben war“, bezeugte Buro Happold Projektmanager Bauly in einem BBC-Artikel von Elizabeth Bains.

Zukünftiger modularer Bau

„Wir managten den gesamten Prozess zusammen“, fügt Affan hinzu. „Teamwork innerhalb unseres Unternehmens war ebenfalls entscheidend; Design- und Legruppen mussten sich gegenseitig abstimmen. Wir haben noch nie einen Job dieser Größe gemacht, und es war eine Herausforderung, aber wir mögen Herausforderungen.“

Leider hat COVID-19 seine Spuren hinterlassen. „Wir beendeten diesen Job gerade vor dem Pandemie-Lockdown“, sagt er. „Jetzt sind wir auf weniger als 30 Mitarbeiter geschrumpft. Es ist verheerend. Aber das betrifft alle, nicht nur uns.“ Und doch sieht Affan Hoffnung für die Zukunft und die Rolle, die Verbundwerkstoffe bei der Erreichung der Nachhaltigkeit und Innovation spielen werden, die die Welt im Bauwesen braucht. „Besonders in Dubai und dem GCC (Golf-Kooperationsrat) wollen Menschen neue Ideen ausprobieren. Es demonstriert die Zukunft von Architektur und Bauwesen.“

Diese Zukunft, betont er, wird für diejenigen sein, die modulare Bausysteme nutzen können, „und COVID-19 beschleunigt das tatsächlich. Unternehmen werden in Modulen bauen und diese zur Baustelle schicken. Das wird sich entwickeln, weil es Ineffizienzen vom Bauplatz in die Fabrik verlagert, Kontrolle und Qualität erhöht. Auf der Baustelle muss man alle Leute koordinieren. Es verschwendet Zeit, auf andere Subunternehmer zu warten. Man ist auch vom Wetter und Arbeitsstopps abhängig. Fertigung in der Fabrik eliminiert all das. Weil sie stark, leicht und langlebig genug für einfachen Transport und Installation sind, ermöglichen Verbundwerkstoffe diese Art modularen Bauens und man kann jede Form herstellen, die man will.“

Affan merkt an, dass modulare Bauweise seit Jahren bei Kreuzfahrtschiffen genutzt wird, wo jede Kabine vorgefertigt ist – komplett mit Heizung/Klima, Elektrik und Sanitär – und dann wie LEGO-Steine in den Stahlrahmen des Schiffs montiert wird. „Stellen Sie sich vor, wie viel Zeit Sie sparen, wenn jedes Modul bereits ausgestattet ist. Wir schauen jetzt auf ein Projekt, ein Hochhaus so zu bauen, mit Verbundwerkstoffen“, sagt er. „Wenn man FR-Harze hat, braucht man die Teile nicht mehr, die vorher Metall waren.“ Zitiert ein Marriott Hotel, das so gebaut und letztes Jahr in New York City fertiggestellt wurde, fügt Affan hinzu: „Jenes Gebäude war Stahl und Holz, aber wir können es in Verbundwerkstoffen bauen.“