Was definiert einen Wolkenkratzer? Einblicke von Architekt T.J. Gottesdiener

---

Hintergrund

Es gibt keine präzise Definition, wie viele Stockwerke oder welche Höhe ein Gebäude zu einem Wolkenkratzer macht. „Ich glaube nicht, dass es darauf ankommt, wie viele Etagen man hat. Ich denke, es ist die Attitüde“, sagte Architekt T. J. Gottesdiener dem Christian Science Monitor. Gottesdiener, Partner bei Skidmore, Owings & Merrill, Planern zahlreicher Hochhäuser einschließlich des Sears Tower in Chicago, fuhr fort: „Was ist ein Wolkenkratzer? Es ist alles, was Sie innehalten, stehenbleiben, den Nacken in den Nacken legen und nach oben schauen lässt.“

Einige Beobachter wenden das Wort „Wolkenkratzer“ auf Gebäude mit mindestens 20 Stockwerken an. Andere reservieren den Begriff für Strukturen mit mindestens 50 Stockwerken. Weitgehend akzeptiert ist jedoch, dass ein Wolkenkratzer Gebäude mit 100 oder mehr Stockwerken umfasst. Mit 102 Stockwerken erreicht das Empire State Building in New York eine occupied height von 1.224 ft (373 m), und seine Spitze, der sich verjüngende Teil auf dem Dach, ragt weitere 230 ft (70 m) empor. Nur 25 Gebäude weltweit übersteigen 1.000 ft (300 m), wenn man ihre Spitzen zählt, nicht aber Antennen darüber.

Das höchste freistehende Bauwerk der Welt ist der CN Tower in Toronto, Kanada, mit 1.815 ft (553 m); er wurde zur Unterstützung einer Fernsehantenne gebaut und ist nicht für menschliche Besiedlung ausgelegt, außer für ein Restaurant und eine Aussichtsplattform auf 1.100 ft (335 m). Das höchste bewohnte Bauwerk sind die Petronas Twin Towers in Kuala Lumpur, Malaysia, mit 1.483 ft (452 m) einschließlich Spitzen. Der Sears Tower in Chicago hat die höchste bewohnte Ebene; das Dach seines 110. Stockwerks steht bei 1.453 ft (443 m).

In gewisser Hinsicht sind Supertall-Gebäude nicht praktisch. Es ist günstiger, zwei halb so hohe Gebäude zu bauen als ein sehr hohes. Entwickler müssen Mieter für riesige Flächen an einem Standort finden; der Sears Tower umfasst beispielsweise 4,5 Millionen Quadratfuß (415.000 m²). Andererseits müssen Entwickler in überfüllten Städten die bestmögliche Nutzung begrenzter Grundstücke machen. Dennoch basiert die Entscheidung für ein dramatisch hohes Gebäude meist nicht auf Ökonomie, sondern auf dem Wunsch, Aufmerksamkeit zu erregen und Prestige zu gewinnen.

Geschichte

In der späten zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts traten mehrere technologische Fortschritte zusammen, die Wolkenkratzer-Design und -Bau möglich machten. Dazu gehörten die Fähigkeit zur Massenproduktion von Stahl, die Erfindung sicherer und effizienter Aufzüge sowie die Entwicklung verbesserter Techniken zur Messung und Analyse struktureller Lasten und Spannungen. In den 1920er und 1930er Jahren wurde die Wolkenkratzer-Entwicklung durch die Erfindung des Lichtbogenschweißens und von Leuchtstofflampen weiter vorangetrieben (ihr helles Licht ermöglichte es Menschen, weiter von Fenstern entfernt zu arbeiten und erzeugte weniger Wärme als Glühlampen).

Traditionell trugen die Wände eines Gebäudes die Struktur; je höher das Bauwerk, desto dicker mussten die Wände sein. Ein 16-stöckiges Gebäude, 1891 in Chicago errichtet, hatte an der Basis 6 ft (1,8 m) dicke Wände. Die Notwendigkeit sehr dicker Wände entfiel mit der Erfindung der Stahlskelettbauweise, bei der ein starrer Stahlrahmen das Gewicht des Gebäudes trägt und die Außenwände lediglich wie Vorhänge vom Rahmen gehängt werden. Das erste Gebäude mit diesem Design war das 10-stöckige Home Insurance Company Building, 1885 in Chicago erbaut.

Der 792 ft (242 m) hohe Woolworth Building, 1913 in New York City errichtet, vereinte erstmals alle Komponenten eines echten Wolkenkratzers. Sein Stahlskelett ruhte auf einem Fundament, das auf Betonpfeilern bis zum Felsgrund (eine Schicht festen Gesteins, stark genug, um das Gebäude zu tragen) ruhte, sein Rahmen war ausgesteift, um erwarteten Windkräften zu widerstehen, und seine Hochgeschwindigkeitsaufzüge boten sowohl Lokal- als auch Express-Service zu seinen 60 Etagen.

1931 ragte das Empire State Building in New York City wie ein 1.250 ft (381 m) hohes Ausrufezeichen empor. Es blieb 41 Jahre lang das höchste Bürogebäude der Welt. Bis 2000 hatten nur sechs weitere Gebäude weltweit seine Höhe übertroffen.

Rohmaterialien

Stahlbeton ist eine wichtige Komponente von Wolkenkratzern. Er besteht aus Beton (einem Gemisch aus Wasser, Zementpulver und Zuschlagstoff aus Kies oder Sand), der um ein Gitterwerk aus Stahlstäben (Bewehrungsstahl) gegossen wird, der den ausgehärteten Beton gegen Biegebewegungen durch Wind stärkt. Beton ist von Natur aus stark unter Druckkräften; jedoch führte das enorme projizierte Gewicht der Petronas Towers dazu, dass die Planer einen neuen Betontyp spezifizierten, der mehr als doppelt so fest war wie üblich. Dieses hochfeste Material wurde durch Zugabe sehr feiner Partikel zu den üblichen Betonbestandteilen erreicht; die vergrößerte Oberfläche dieser winzigen Partikel erzeugte eine stärkere Bindung.

Der andere primäre Rohstoff für den Wolkenkratzerbau ist Stahl, eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Nahegelegene Gebäude begrenzen oft den für Baustellenaktivitäten und Materiallagerung verfügbaren Platz, sodass Stahlträger in festgelegten Größen und Formen just-in-time zur Baustelle geliefert werden. Vor der Lieferung werden die Träger mit einer Mischung aus Putz und Vermiculit (Glimmer, der durch Erhitzen zu schwammartigen Partikeln expandiert wurde) beschichtet, um sie vor Korrosion und Hitze zu schützen. Nach dem Einschweißen jedes Trägers werden die frischen Fugen mit demselben Beschichtungsmaterial besprüht. Eine zusätzliche Isolierschicht, wie Glasfasermatten mit Aluminiumfolie, kann dann um die Träger gewickelt werden.

Um die besten Eigenschaften von Beton und Stahl zu nutzen, werden sie im Wolkenkratzerbau oft kombiniert. Beispielsweise kann ein Stützsäule durch Eingießen von Beton um einen Stahlträger gebildet werden.

Verschiedene Materialien werden verwendet, um den Rahmen des Wolkenkratzers zu verkleiden. Als „Fassade“ (Cladding) bekannt, können die Platten, die die Außenwände bilden, aus Glas, Metallen wie Aluminium oder Edelstahl oder Mauerwerksmaterialien wie Granit, Marmor oder Kalkstein bestehen.

Design

Designingenieure übersetzen die Vision des Architekten in einen detaillierten Plan, der strukturell tragfähig und konstruierbar ist.

Das Design eines niedrigen Gebäudes erfordert die Schaffung einer Struktur, die ihr Eigengewicht (Traglast) und das Gewicht der darin befindlichen Menschen und Möbel (Nutzlast) trägt. Bei einem Wolkenkratzer wirkt die seitliche Windkraft stärker auf die Struktur als das Gewicht des Gebäudes und seines Inhalts. Der Planer muss sicherstellen, dass das Gebäude nicht durch starken Wind umstürzt und auch nicht so stark schwankt, dass die Bewohner körperliches oder emotionales Unbehagen empfinden.

Jedes Wolkenkratzer-Design ist einzigartig. Wichtige Strukturelemente, die allein oder in Kombination verwendet werden können, umfassen ein Stahlskelett hinter nichttragenden Vorhangfassaden, ein Stahlbetonskelett, das mit Verkleidungspaneelen ausgefüllt wird, um die Außenwände zu bilden, einen zentralen Betonkern (offene Säule), groß genug für Aufzugsschächte und andere mechanische Komponenten, und ein Array von Stützsäulen um den Gebäudeperimeter, die durch horizontale Träger miteinander und mit dem Kern verbunden sind.

Da jedes Design innovativ ist, werden Modelle vorgeschlagener Supertall-Gebäude in Windkanälen getestet, um die Auswirkungen von starkem Wind auf sie und auch die Auswirkungen auf umliegende Gebäude durch vom neuen Gebäude verursachte Windmuster zu bestimmen. Wenn Tests zeigen, dass das Gebäude bei starkem Wind übermäßig schwankt, Ein Beispiel für ein Wolkenkratzer-Erdgeschoss-Design und Gebäude-Rahmen. können Planer mechanische Vorrichtungen hinzufügen, die die Bewegung entgegenwirken oder begrenzen.

Zusätzlich zur Tragstruktur müssen Planer auch geeignete mechanische Systeme planen, wie Aufzüge, die Menschen schnell und komfortabel bewegen, Luftzirkulationssysteme und Sanitärinstallationen.

Der Bauprozess

Jeder Wolkenkratzer ist eine einzigartige Struktur, die physikalischen Constraints durch Faktoren wie Geologie und Klima angepasst ist, den Bedürfnissen der Mieter entspricht und den ästhetischen Zielen von Eigentümer und Architekt gerecht wird. Der Bauprozess für jedes Gebäude ist ebenfalls einzigartig. Die folgenden Schritte geben eine allgemeine Vorstellung der gängigsten Bautechniken.

Das Unterbauwerk

• 1 Der Bau beginnt meist mit dem Ausheben einer Grube für das Fundament. Die Tiefe hängt davon ab, wie tief der Felsgrund liegt und wie viele Kellergeschosse das Gebäude haben wird. Um Bewegung des umliegenden Bodens zu verhindern und Wasser von der Fundamentstelle fernzuhalten, kann vor dem Ausheben eine Schlitzwand errichtet werden. Dazu wird ein tiefer, schmaler Graben um den geplanten Grubenperimeter gegraben; während der Graben ausgehoben wird, wird er mit Suspension (wasserhaltiger Ton) gefüllt, um ein Einstürzen der Wände zu verhindern. Wenn ein Grabenabschnitt die gewünschte Tiefe erreicht, wird ein Bewehrungskorb hineingelassen. Beton wird dann in den Graben gepumpt und verdrängt die leichtere Suspension. Die Suspension wird zurückgewonnen und in anderen Grabenabschnitten wiederverwendet.
• 2 In manchen Fällen liegt der Felsgrund nahe der Oberfläche. Der Boden auf dem Felsgrund wird entfernt, und genug der Felsgrundoberfläche wird abgetragen, um eine glatte, ebene Plattform für das Fundament zu schaffen. Fundamentplatten (Löcher, in denen die Stützpfeiler des Gebäudes verankert werden können) werden in den Felsgrund gesprengt oder gebohrt. Stahl- oder Stahlbetonpfeiler werden in die Fundamentplatten eingesetzt.
• 3 Wenn der Felsgrund sehr tief liegt, werden Pfähle (vertikale Träger) durch den Boden getrieben, bis sie im Felsgrund verankert sind. Eine Technik besteht darin, Stahlpfähle durch wiederholtes Fallenlassen eines schweren Gewichts auf ihre Spitzen einzurammen. Eine andere Technik beinhaltet das Bohren von Schächten durch den Boden bis in den Felsgrund, das Einführen von Stahlbewehrungsstäben und das anschließende Auffüllen der Schächte mit Beton.

  A. Schlitzwand. B. Fundamentplatte. C. Ein Fundamenttyp für Wolkenkratzer verwendet Stahlpfähle zur Verankerung im Boden. D. Das Rutschschalungsverfahren beim Betongießen.

• 4 Eine Fundamentplatte aus Stahlbeton wird auf die Stützpfeiler gegossen.

Der Überbau und Kern

Sobald der Bau eines Wolkenkratzers läuft, erfolgen mehrere Bauphasen gleichzeitig. Wenn die Stützpfeiler beispielsweise mehrere Stockwerke hoch sind, beginnen Arbeiter mit dem Bau der Böden für die unteren Stockwerke. Wenn die Pfeiler höher reichen, bewegen sich die Bodenbau-Teams zu höheren Stockwerken, und Ausbauteams beginnen an den untersten Ebenen. Diese Überlappung der Phasen nutzt die Zeit nicht nur am effizientesten, sondern stellt auch sicher, dass die Struktur während des Baus stabil bleibt.

• 5 Werden Stahlpfeiler und Aussteifungen verwendet, wird jeder Träger per Kran in Position gehoben. Zunächst steht der Kran am Boden; später kann er auf der höchsten bestehenden Ebene des Stahlskeletts positioniert werden. Facharbeiter bolzen oder schweißen das Trägerende fest (Nieten werden seit den 1950er Jahren nicht mehr verwendet). Der Träger wird dann mit einer Isolierjacke umwickelt, um Überhitzung und Schwächung im Brandfall zu verhindern. Als alternative Hitzeschutzmaßnahme bestehen Stahlträger in manchen Gebäuden aus Hohlrohren; nach Fertigstellung des Überbaus werden die Rohre mit Wasser gefüllt, das während der gesamten Lebensdauer des Gebäudes kontinuierlich zirkuliert.
• 6 Beton wird oft für den Bau des Gebäude-Kerns verwendet und kann auch für Stützpfeiler dienen. Eine Technik namens „Rutschschalung“ wird häufig angewendet. Holzschalungen der gewünschten Form werden an einen Stahlrahmen befestigt, der mit einem Kletterheber verbunden ist, der einen vertikalen Stab greift. Arbeiter bereiten einen Bewehrungsstahlabschnitt vor, der höher ist als die Holzschalungen. Dann beginnen sie, Beton in die Schalungen zu gießen. Während der Beton gegossen wird, hebt der Kletterheber die Schalung langsam und kontinuierlich an. Die Zusammensetzung der Betonmischung und die Klettergeschwindigkeit werden so abgestimmt, dass der Beton im unteren Bereich der Schalung bereits erhärtet ist, bevor die Schalung darüber hinausragt. Während der Prozess fortgesetzt wird, erweitern die Arbeiter das Bewehrungsstahlgitter, das über der Schalung hinausreicht, und fügen Verlängerungen an den vertikalen Stab an, den der Kletterheber greift. Auf diese Weise wird die gesamte Betonsäule als kontinuierliches vertikales Element ohne Fugen gebaut.
• 7 In einem Stahlskelett-Gebäude werden Böden auf den Ebenen der horizontalen Aussteifung gebaut. In anderen Designs werden Böden von horizontalen Stahlträgern getragen, die am Gebäude-Kern und/oder an Stützpfeilern befestigt sind. Stahlprofile (dünne, wellblechartige Stahlplatten) werden auf die Träger gelegt und verschweißt. Eine Betonschicht von ca. 5–10 cm Dicke wird auf das Profil gegossen, um den Boden zu vervollständigen.

Das Empire State Building.

Das Empire State Building sollte den Wettbewerb um das höchste Gebäude beenden. Es sollte 102 Stockwerke, 1.250 ft (381 m) über Manhattans Straßen ragen. Die Entwickler John J. Raskob und Pierre Samuel Du Pont, zusammen mit dem ehemaligen New Yorker Gouverneur Alfred E. Smith, kündigten im August 1929 ihre Absicht an, das höchste Gebäude der Welt zu bauen. Sie wählten die Baufirma Starrett Brothers and Eken und das Architekturbüro Shreve, Lamb, and Harmon mit William F. Lamb als Chefdesigner. Es ist ab dem fünften Stock von der Straße zurückversetzt und steigt dann ununterbrochen über 1.000 ft (305 m) bis zum 86. Stock. Die Fassade besteht aus Kalkstein und Granit, und vertikale Chrom-Nickel-Stahl-Legierungssäulen erstrecken sich vom sechsten Stock bis zur Spitze. Das Gebäude enthielt 67 Aufzüge und 6.500 Glasfenster, gekrönt von einem 200 ft (61 m) hohen Anlegemast für Luftschiffe.

Das Empire State Building wurde am 11. April 1931 fertiggestellt, 12 Tage vor Plan, und offiziell am 1. Mai 1931 eröffnet. Es nahm seinen Platz in der Geschichte als je gebautes höchstes Gebäude ein und hielt diesen Titel über 40 Jahre. Erst 1972, als die 1.348 ft (411 m) hohen Zwillingstürme des World Trade Center fertiggestellt wurden, wurde das Empire State Building in der Höhe übertroffen. Der World Trade Center wurde wiederum 1974 vom Sears Tower in Chicago übertroffen, der mit 1.453 ft (443 m) zum höchsten Gebäude der Welt wurde.

Die Fassade

• 8 In den meisten hohen Gebäuden wird das Gewicht der Struktur und ihres Inhalts von den Stützpfeilern und dem Gebäude-Kern getragen. Die Außenwände selbst umschließen lediglich die Struktur. Sie werden gebaut, indem Platten aus Materialien wie Glas, Metall und Stein am Gebäuderahmen befestigt werden. Eine gängige Technik ist das Verschrauben an Winkelhaltern, die an Geschossdecken oder Stützpfeilern gesichert sind.

Ausbau

• 9 Wenn ein Stockwerk des Gebäudes von Außenwänden umschlossen ist, ist es bereit für den Innenausbau. Dazu gehören Installation von Elektroleitungen, Telefonleitungen, Sanitärrohren, Innenwänden, Deckenplatten, Badezimmerarmaturen, Beleuchtung und Sprinkleranlagen zur Brandbekämpfung. Auch mechanische Komponenten wie Aufzüge und Systeme für Luftzirkulation, Kühlung und Heizung werden installiert.
• 10 Wenn der gesamte Überbau fertiggestellt ist, wird das Dach durch Installation eines Daches abgeschlossen. Dies kann ähnlich wie ein Boden gebaut und dann mit einer Gummi- oder Kunststoffschicht wasserdicht gemacht werden, bevor es mit einer attraktiven, wetterfesten Schicht aus Ziegeln oder Metall bedeckt wird.

Qualitätssicherung

Verschiedene Faktoren werden bei der Qualitätssicherung berücksichtigt. Aufgrund der enormen Größe von Wolkenkratzern wird ein kleiner Positionierungsfehler an der Basis bei Verlängerung bis zum Dach vergrößert. Neben normalen Vermessungsinstrumenten können ungewöhnliche Geräte wie GPS-Sensoren und Flugzeugbombenzieler verwendet werden, um die Platzierung und Ausrichtung von Strukturelementen zu überprüfen.

Bodensensoren rund um die Baustelle dienen der Erkennung unerwarteter Erdbewegungen durch die Bautätigkeit.

Nebenprodukte/Abfall

Die Aushebung der Fundamentgrube und der Kellergeschosse erfordert die Entfernung enormer Mengen Erde. Beim Bau der 110-stöckigen World Trade Center Türme in New York in den frühen 1970er Jahren wurden mehr als 1 Million Kubikyard (765.000 m³) Boden und Fels entfernt und in den Hudson River gekippt, um 23,5 Acres (95.100 m²) neues Land zu schaffen, auf dem später ein weiterer Wolkenkratzer errichtet wurde.

Die Zukunft

Pläne für mehrere neue Wolkenkratzer wurden entwickelt, die bestehende Höhenrekorde brechen würden. Beispielsweise sollte ein 108-stöckiges Gebäude an der 7 South Dearborn Street in Chicago, voraussichtlich bis 2004 fertiggestellt, 1.550 ft (473 m) hoch sein. Es würde 43 Acres (174.000 m²) umbaute Fläche auf einem Grundstück von nur 200 ft (61 m) Quadrat bieten.

1956 kündigte der amerikanische Architekt Frank Lloyd Wright Pläne für einen meilenhohen (1,6 km hohen) Wolkenkratzer an, in dem 100.000 Menschen arbeiten könnten. 1991 entwarf ein anderer amerikanischer Architekt, Dr. Eugene Tsui, ein 2 Meilen (3.220 m) hohes Gebäude, das Platz für Wohnen, Arbeiten und Freizeit für 1.000.000 Menschen bieten würde. Obwohl solche Gebäude theoretisch konstruierbar sein mögen, sind sie derzeit unpraktisch. Beispielsweise begrenzen menschliche Komfortgrenzen Aufzugsgeschwindigkeiten auf maximal 3.000 ft/min (915 m/min). Um die 100.000 Menschen in Wrights vorgeschlagener Struktur unterzubringen, hätte die Anzahl der Aufzugsschächte zu großen Teil der Gebäudefläche eingenommen.

Verbesserungen in der Aufzugstechnologie werden für zukünftige Wolkenkratzer-Designs wichtig sein. Selbstfahrende, seillose Aufzugskabinen, die sich horizontal und vertikal bewegen, wurden vorgeschlagen, befinden sich aber noch in der Entwicklung. Computergestützte Fahrkorb-Dispatching-Systeme mit Fuzzy-Logik könnten verfeinert werden, um Menschen effizienter zu befördern, indem Passagiere mit nahen Zielen gruppiert werden.