Christa Brüster
Presse Deutscher Stahlbautag
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ILEK Exkursion Chicago 2016
Hochhäuser werden unweigerlich die Zukunft des innerstädtischen Bauens darstellen. Auf Grund des Anstiegs der Weltbevölkerung und des zunehmenden Wachstums der Millionenstädte wird dichtes Bauen notwendig und immer gefragter. Im Wintersemester 2016/17 werden 10 Studierende der Architektur am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart einen Hochhaus Entwurf bearbeiten, um sich dieser Thematik anzunehmen. Da Chicago die Geburtsstätte der Gebäudetypologie Hochhaus darstellt, bietet es sich an, das Planungsgrundstück dort anzusetzen und die Recherchephase mit einer Exkursion zu verbinden. Das besondere dabei wird sein, dass auch Studierende des Bauingenieurwesens dabei sein werden, denn Interdisziplinarität ist besonders bei solch großen Bauprojekten essentiell. Zusammen mit der 17-köpfigen Studierendengruppe werden zwei Mitarbeiter des ILEK eine 9-tägige Exkursion im Oktober 2016 unternehmen. Dabei werden wir uns nicht nur der Geschichte des Hochhausbaus widmen, sondern auch neueste Entwicklungen erfahren, sowie die Beziehung zu der Architekturfakultät der Northwestern University weiter vertiefen. Gemeinsame Vorlesungen, Besprechungen sowie ein zusammen organisiertes Symposium werden dabei eine große Rolle spielen. Des weiteren sind Baustellenbesichtigungen und Besichtigungen einiger Architektur- und Ingenieurbüros geplant, wie z.B. zu Helmut Jahn, SOM oder Gill+Smith. Über den Verlauf der Exkursion werden wir auf diesem Blog live berichten und bedanken uns bereits vorab für die freundliche Unterstützung unserer Sponsoren, allen voran: Bauforumstahl.

Deutscher Stahlbau. Gut beraten.Deutscher Stahlbau. Gut beraten.

King Fahad Nationalbibliothek - Riad, Saudi-Arabien

Auszeichnung
Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2015
Kategorie Hochbau

Klaus Bollinger (Bollinger + Grohmann Ingenieure, Frankfurt)
Nationalbibliothek King Fahad, Riad

Dem nüchternen Bestandsbau wird eine aufregende neue Hülle verpasst. Die ganzheitliche Lösung aus Sonnenschutz, Architektur und Aufnahme lokaler Formensprachen in einer modernen, technoiden Konstruktion begeistert. Das Doppelseilnetz mit zwischenliegenden Druckstäben und räumlich gekrümmten Membranelementen ermöglicht eine funktionale und sauber durchkonstruierte Gebäudehülle mit einer wunderbaren klassisch arabischen Anmutung.
Die Bibliothek ist ein gelungenes Beispiel für die Erweiterung und energetische Ertüchtigung eines Bestandsgebäudes, bei dem die Kühllast durch eine neue Hülle erheblich reduziert wird und gleichzeitig eine Werbung für intelligentes und elegantes Bauen mit Stahl.


Erläuterungsbericht von Klaus Bollinger | Bollinger+Grohmann Ingenieure zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues:

Aufgabenstellung

Bibliotheken werden als öffentliche Institution verstanden, deren Charakter den Ort des Wissens und Lernens mit dem einer Begegnungsstätte verbindet. Moderne Bibliotheksarchitektur muss diese vielfältigen Funktionen mit einem entsprechend hohen Maß an technischen Anforderungen in Einklang bringen. Für den Entwurf der neuen König Fahad Nationalbibliothek in Riad galten diese Herausforderungen in einem besonderen Maße. Aufgabe war es, ein der arabischen Kultur entsprechendes Gebäude zu entwerfen, das diesen traditionell behafteten Ort würdigt. Zusätzlich galt es, den kreuzförmigen, von einer Kuppel gekrönten und mit weißem Marmor verkleideten Altbau der Bibliothek aus den 1980er Jahren zu integrieren. Aber insbesondere das Klima mit Außentemperaturen von bis zu 50° Celsius generiert Anforderungen, die weit über das in Europa gebräuchliche Maß hinausgehen.

© Christian Richters


Die Architekten entwarfen die Bibliothek als klaren zeichenhaften Glaskubus, in dessen Kern der mit einer Kuppel gekrönte Altbau als zentrales Element integriert wurde. Dieser dient heute als Büchermagazin, während der transparente quaderförmige Neubau die Administration, Ausstellungsflächen, Restaurants sowie ein repräsentatives Entree beherbergt. Das einstige Dach wurde zur offenen Leseebene, von der aus Brücken auf das oberste Geschoss des Neubaus führen, das als Freihandbereich dient. Das helle Atrium mit seinen vier Innenhöfen, das von der Spannung zwischen Alt- und Neubau lebt, dient als Erschließungszone mit hohem Aufenthaltswert und übernimmt zudem Belichtungs- und Belüftungsfunktionen. Unter dem von länglichen Oberlichtern durchbrochenen Dach filtern Membranen das Tageslicht und versorgen alle Räume gleichmäßig mit blendfreiem Licht. Die Kuppel des Altbaus wurde aus Stahl und Glas neu errichtet und krönt nun das neue Gebäude als kulturelles Symbol.
Der Entwurf zielte nicht nur auf eine filigrane, zeichenhafte Architektur, sondern auch auf eine in der Region bisher einmalige Nachhaltigkeit. Angesichts der extremen klimatischen Bedingungen wurde neben energiesparenden Techniken wie Bauteilaktivierung und einer äußerst effizienten Schichtlüftung ein besonderes Augenmerk auf die Fassadenkonstruktion gelegt, für deren Optimierung die Zusammenarbeit zwischen allen Planungsbeteiligten grundlegend war. Gemeinsam mit den Architekten und den Fachplanern für Haus-, Klima- und Lüftungstechnik entwarfen wir ein ganzheitliches Sonnenschutzkonzept. Unsere Aufgabe bestand darin, die Form der Membranhülle mit zu entwickeln und die tragende filigrane Seilnetzkonstruktion entsprechend dem Entwurf zu optimieren, statisch zu berechnen, Detaillösungen zu konzipieren sowie geeignete Materialien zu bemustern. Weiterhin galt es, den Bauherrn und die lokale Stahlbaufirma bei der Montage des Seilsystems zu beraten und zu unterstützen. So bestand eine der größten Herausforderungen darin, die ausführende Firma von der Notwendigkeit einer Montageplanung zu überzeugen, einerseits zur Verbesserung der Sicherheit der Beschäftigten auf der Baustelle und um den Verzug durch unkoordiniertes Arbeiten zu minimieren.
Charakteristisch für unsere Aufgabenstellung war zudem die Kombination aus Tragwerks- und Fassadenplanung. Dabei erwies sich der oben geschilderte ganzheitliche Ansatz auch über die Fassadenplanung hinaus als vorteilhaft. Dies betraf zum Beispiel die Integration des Altbaus in den Neubau. Eine der Hauptaufgaben der Tragwerksplanung bestand hier in der Abschätzung des Tragverhaltens des Altbaus ohne genaue Kenntnis der ursprünglichen statischen Berechnungen.

Lösungsweg

1. Schwebende Membranhülle mit komplexer Seilnetzkonstruktion
Mit einem Abstand von 4,80 Meter zur Ganzglasfassade dient die transluzente Hülle als wirkungsvoller Sonnenschutz und erlaubt zugleich seitliche Durchblicke. Geschosshohe, etwa 5 Meter große Elemente aus einem Glasfasergewebe sind jeweils seitlich an Rundrohren befestigt. Die Unterkonstruktion in zwei parallelen Ebenen besteht aus ca. 400 verzinkten Stahlseilen, die an aufgehängten Stahlgurten des Daches hängen und zu den Betondecken des ersten und zweiten Geschosses zurückgespannt werden. Die Seile sind vorgespannt, um horizontale Bewegungen der rund 1000 Membranflächen unter Windlasten zu minimieren. Die Planung des Stahlseilnetzes erforderte eine nichtlineare dreidimensionale Computer-Analyse, in der die Vorspannung der Seile unter Einbeziehung von Windlasten und thermischen Effekten untersucht und im Tragwerksentwurf, in der Detailplanung und in den Stabnachweisen berücksichtigt wurde. In diesem Zusammenhang wurde das Birkenfelder Büro Wacker Ingenieure mit einem Wind-Tunnel-Test beauftragt, für den eigens ein 1:150 skaliertes Modell des Bibliotheksgebäudes hergestellt wurde.

King Fahad Nationalbibliothek

Aus der Planung

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© Bollinger+Grohmann Ingenieure


Zentraler Teil der Planung war die Entwicklung der komplexen Knotenpunkte und Stahlbaudetails. Eine besondere Aufgabe stellten dabei die anspruchsvollen Geometrien an den Gebäudeecken dar. Sechs unterschiedliche Membranelemente wurden entwickelt, neben den Standardelementen auch die entsprechenden Zuschnitte für Sockel-, Trauf- und Eckbereiche. Die dreidimensionale Wirkung der Elemente entsteht dadurch, dass die hintere Spitze der routenförmigen Textilmembranen nach oben und die vordere nach unten geführt werden. So ergibt sich eine komplexe Struktur, die den Innenraum mit einer Lichtdurchlässigkeit von lediglich 7 Prozent vor der Sonne schützt und damit Wärmelasten vermeidet sowie gleichzeitig Transparenz mit Durchblicken in beide Richtungen erlaubt.
Unsere Leistung umfasste die Formfindung unter Berücksichtigung der Membranstatik, der unterschiedlichen Steifigkeiten und der Webrichtungen der Flächen mithilfe des Finite-Elemente-Programms ANSYS sowie eigens entwickelter Scripte. Der Ausgangsentwurf wurde dabei nicht wesentlich verändert, lediglich die Geometrien wurden leicht modifiziert, um gleichmäßige Spannungszustände innerhalb der Membranelemente herzustellen. 
Weiterhin galt es, den Bauherrn und die lokale Stahlbaufirma bei der Montage des Seilsystems zu beraten und zu unterstützen. Da das gesamte System am weichen Dachtragwerk befestigt ist und das Spannen eines Seils zum Entspannen des Nächsten geführt hätte, konnten diese nicht beliebig nacheinander gespannt werden. Besondere Untersuchungen waren aufgrund der enormen Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht notwendig. So kann sich beispielsweise Stahl bei direkter Sonneneinstrahlung auf bis zu 80°Celsius aufheizen und entsprechend ausdehnen. Nachts sinken dagegen die Temperaturen in den Wintermonaten sogar bis unter den Gefrierpunkt, was das Material wiederum schrumpfen lässt und in diesem Fall entsprechende Auswirkung auf den Spannungsgrad der Stahlseile hat. Die starke Sonneneinstrahlung machte außerdem eine spezielle UV-Beständigkeit der Membranen nötig. Auch hier waren wir bei der Materialsuche und -ausführung beratend tätig.

2. Tragwerk Gesamtkomplex
Wie bereits erwähnt, bestand eine der Hauptaufgaben der Tragwerksplanung in der Abschätzung des Tragverhaltens des Altbaus ohne genaue Kenntnis der ursprünglichen statischen Berechnungen. Ein lokaler Gutachter wurde mit einer ausführlichen Bestandsaufnahme beauftragt, um die Korrektheit bestehender Bewehrungs- und genereller Positionspläne zu überprüfen und neue Bestandspläne zu erstellen. Auf deren Grundlage wurde das Tragvermögen des Gebäudes ermittelt und darauf aufbauend das Bestandsgebäude konstruktiv so ergänzt, dass die zusätzlichen Lasten durch die neue Nutzung gleichmäßig in die Fundamente geleitet werden können. Der gesamte Gebäudekomplex wird von einem Stahldach überdeckt, das eine maximale Spannweite von 50 Metern und eine Höhe von vier Metern besitzt. Die vorhandene Stahlbetonkuppel wurde als Stahl-Glas-Konstruktion neu gestaltet und überragt das neue Dach. Für die großzügige Gestaltung der durch den Neubau entstandenen Innenhöfe wurden jeweils nur zwei Innenstützen eingesetzt. 
Das Dach liegt auf den Obergeschossen des Neubaus auf, seine Lasten werden über acht Hauptstützen und 56 Außenstützen abgetragen. Auf den Hauptstützen ruhen die Hauptträger, die im Grundriss ein Quadrat bilden. Orthogonal zu diesen stehen auf jeder Seite 13 Fachwerkträger zur Verfügung, die sich jeweils von den Randstützen über den Hauptträger zu einem zentralen Innenring spannen, der die Kuppel umschließt. Die Eindeckung erfolgte mit Trapezblechen, die von Pfetten getragen werden. Diese formen in Verbindung mit Kreuzverbänden eine starre Scheibe, welche das Dach gegen Horizontallasten aussteift.


Zusammenfassung
Auf Wunsch des Bauherrn sollte die neue King Fahad Bibliothek wegweisend eines der ersten Niedrigenergiegebäude in Saudi-Arabien werden. Das gemeinsam mit den Architekten und den Fachplanern entwickelte, an Klima und Sonnenverlauf angepasste Sonnenschutzkonzept ermöglicht ein Maximum an Transparenz mit entsprechend hoher Tageslichtautonomie in Kombination mit einer zu nahezu 100 Prozent vollflächig verschatteten Fassade. Die von uns entwickelte innovative Konstruktion schützt damit die hinter dem Sonnenschutz liegende Glasfassade zu jeder Tageszeit vor direkter Sonneneinstrahlung. Durch die deutlich reduzierten Kühllasten konnten die Raumklimakonzepte mit Kühlboden und Schichtlüftungskonzeption ebenfalls auf hohe Temperaturen und damit auf höchste Energieeffizienz bei dennoch bestem Komfort getrimmt werden. Im Vergleich mit standardmäßigen außen liegenden Verschattungssystemen und deren Nachteilen im Wüstenklima ist die bei der King Fahad Biblilothek realisierte vorgehängte Membranfassade ein dauerhaftes, wartungsarmes und zugleich ästhetisch herausragendes Lowtech-System.

Komplexe Simulationen, ein intensiver Wissenstransfer, insbesondere zur örtlichen Stahl- und Membran-Baufirma und eine integrale Planung haben auch unter diesen speziellen Bedingungen die Realisierung eines nachhaltigen Gebäudes ermöglicht, das hohe architektonische Ansprüche und vielfältige Nutzungsanforderungen erfüllt sowie durch Respekt für die regionale Kultur gekennzeichnet ist. Durch die gelungene Verbindung von Alt und Neu, Tradition und Moderne zeigt sie ein einheitliches und repräsentatives Erscheinungsbild. Der moderne Bibliotheksbau mit seiner charakteristischen ornamental wirkenden Hülle wird dem Anspruch, städtisches und kulturelles Wahrzeichen zu sein, in zeitgemäßer Weise gerecht. Die ausgeführte Segelstruktur verweist auf traditionelle Ornamentik ebenso wie auf klassische arabische Zeltkonstruktionen und kann trotz moderner Ingenieurbaukunst und Technologie als Zeichen kultureller Kontinuität interpretiert werden.

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Fertigstellung
2013

Ingenieur
Klaus Bollinger
Bollinger+Grohmann Ingenieure
Frankfurt am Main
www.bollinger-grohmann.de

Architekt
Gerber Architekten
Dortmund
www.gerberarchitekten.de

Weitere Fachingenieure
Schlaich, Bergermann und Partner (Wettbewerb), Stuttgart
www.sbp.de

Saudi Consulting Servieces (Ausführung)
Saudi Arabia
www.saudconsult.com

Bauherr
Königreich Saudi-Arabien 
vertr. durch die Arriyadh Development 
Saudi Arabien

Foto Seitenkopf (Ausschnitt)
© Christian Richters