Dubai's Museum of the Future: Bouw van een 78-Meter Architectonisch Icoon

Het Museum of the Future dat momenteel in Dubai, Verenigde Arabische Emiraten (VAE), gebouwd wordt, is een van de meest complexe structuren ooit gebouwd. Het 78-meter hoge gebouw huisvest zeven verdiepingen binnen een torus-vormige schil die op een drie-verdiepings podium zit. De buitengevel van de torus omvat 1.024 brandvertragende (FR) composietpanelen. Bekleed met roestvrij staal, is elk paneel een unieke 3D-vorm en integreert gemolde Arabische calligrafie. Het vloeiende schrift vormt gedichten die de visie voor Dubai's toekomst beschrijven door Zijne Hoogheid Sheikh Mohammed bin Rashid Al Maktoum, vice-president en premier van de VAE en heerser van het Emiraat Dubai. Ze dienen ook als de ramen van het gebouw, daglicht door de kolomvrije binnenruimte werpend en een dramatisch effect 's nachts creërend via 14 kilometer geïntegreerde LED-verlichting.

Bedacht door Sheikh Mohammed als een incubator voor innovatie en uitvinding, wordt het Museum of the Future beschouwd als een van de meest geavanceerde gebouwen ter wereld, een plek waar mensen nieuwe technologieën kunnen ervaren en onderzoeken. Het is ook een symbool van architectuur die grenzen verlegt via digitaal ontwerp en gebruik van efficiëntere materialen. Parametrisch ontwerp werd gebruikt om het staal diagrid te ontwikkelen — een framework van 2.400 diagonaal kruisende staalleden — waaraan composiet beton vloerplaten en 17.000 vierkante meter composietbekleding bevestigd zijn, de laatste met 1 miljoen vierkante meter multiaxiale glas- en koolstofvezel-versterkte epoxy prepreg.

Dubai firma Affan Innovative Structures leverde het composietontwerp voor de panelen, alsook fabricatie en installatie-ondersteuning. "Dit is de eerste keer dat zo'n project ondernomen wordt," zegt de CEO van het bedrijf, Dr. Amer Affan. "En ook de eerste keer dat composietpanelen gebruikt worden om meerdere bouwfuncties te integreren via zulke complexe vormen."

Hoofdarchitect Shaun Killa legt uit dat dergelijke complexe exterieurs normaal regenschermen zijn, met een gebouw erachter dat het waterdichte systeem bevat. "Dit vereenvoudigt zaken omdat het een beetje meer vergunnend is bij het creëren van deze zeer driedimensionale vormen," merkt hij op. "In dit gebouw echter, doet de envelop het waterdichten, de luchtdichtheid, de structuur en de verlichting." Affan erkent dat voor zo'n groot project, zijn bedrijf klein is in omvang, "maar we hebben onze technische expertise gebruikt om iets unieks te bereiken en getoond hoe gebouwen in de toekomst gebouwd zullen worden."

Vermogen in complexe, digitale ontwerpen

Affan Innovative Structures werd initieel gecontacteerd door het engineering team van het Museum of the Future. "Er waren niet veel bedrijven die het werk voor de buitenbekleding konden doen," merkt Affan op. "De enige andere concurrent stelde een normale curtain wall voor met aluminium of roestvrij staal panelen aan de buitenkant." Curtain walls, meestal gebruikt naast een structureel staal framework, zijn dun en gemaakt van aluminium frames die glas, metaal en/of dunne stenen buitenpanelen ondersteunen (zie "The building envelope: FRP unitized facades"). Dit werd afgewezen door het engineering team als te moeilijk en onmachtig om dezelfde uitstraling te bieden als mogelijk met een geïntegreerde, multifunctionele composietpaneel gevel. Dus de laatste, voorgesteld door Affan Innovative Structures, werd geselecteerd voor het project. "We hebben ook unieke technologie die ons in staat stelt grote panelen te maken," voegt Affan toe, "tot 3 meter breed bij 9 meter hoog, in beide richtingen gebogen, wat minder vochten betekent."

Affan Innovative Structures was uniek geschikt voor dit project. Opgericht in 2004 door Dr. Affan, levert het bedrijf complete turnkey oplossingen — van conceptontwerp tot installatie en gebouwonderhoud — met een neiging naar heel technische uitdagingen. Het bedrijfs CV omvat de complexe, geometrische aluminium scherm/bekleding voor het King Abdullah Sports City Stadium (Jeddah, Saoedi-Arabië), de composiet entreekap en 54 ingewikkeld gepatroniseerde glas en stalen daklichten voor Yas Mall (Abu Dhabi, VAE), het exterieur composiet dak voor Sidra Hospital (Doha, Qatar) en veel andere uitdagende projecten. Deze capaciteit in complexe staal, glas en composietassemblages was precies wat nodig was voor het Museum of the Future's multifunctionele composiet exterieur.

"Binnen elk composietpaneel zit een systeem van plat glas [panelen] binnen het Arabische schrift," legt Affan uit. "Het glas is bijna ingevettet binnen de panelen, tot 200 millimeter diepte." Deze inkeping verandert niet alleen van de top van het gebouw, met minder inkeping om wateropvang te voorkomen, naar de onderkant, waar verticale en ondergesneden panelen diep ingevettet kunnen zijn zonder water op te vangen, maar ook binnen elk paneel, hellend en afnemend om een geleidelijke, natuurlijke rand voor het schrift te produceren. "De locatie en randen van de inkeping varieerden ook per de locatie van het glas binnen het paneel omdat het glas plat was maar de panelen gebogen waren," merkt Affan op. "Dit was alleen mogelijk met digitaal ontwerp en CNC-bewerking." Deze precisie zou ook nodig zijn om ervoor te zorgen dat het schrift, wat verschilde van paneel tot paneel, precies uitgelijnd was als de panelen geïnstalleerd werden, zodat de letters en woorden correct over het gebouwexterieur vloeiden.

Voor Affan was de enige oplossing om het Arabische schrift en inkepingen in elk composietpaneel te vellen. "Versterkingen zouden gelegd worden in precies CNC-gefreesde malen," legt hij uit. Gelukkig is de CATIA software (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, Frankrijk) die Affan Innovative Solutions gebruikt om zijn CNC-machines aan te sturen, ook het 3D CAD-programma dat door de luchtvaartindustrie gebruikt wordt om complexe vliegtuigen en composietstructuren te ontwerpen. Daarnaast zijn Affan's team van 28 ingenieurs ook bekwaam in Tekla BIM software, Rhino 3D (Robert McNeel & Assoc., Seattle, Washington, VS) en AutoCAD door Autodesk. "We deden alle tekeningen in CATIA, evenals het laminaatontwerp, wat ons de mogelijkheid gaf om dergelijke complexe bewerking te doen," zegt Affan.

Het ontwerp was echter niet triviaal, en moest aan een verscheidenheid aan structurele en windlasten voldoen. Bijvoorbeeld, de binnenkant van de torus creëerde een windtunnel effect, legt Affan uit. Deze panelen moeten tot 450 kg/m² (92 lb/ft²) windlast weerstaan. (Let op, de International Building Code noemt windlasten van 71 lb/ft² voor hoog-risico orkaangebieden in West Palm Beach, Florida, VS). De composietpanelen voor het Museum of the Future zijn ook afgestemd om gewicht te minimaliseren. "De panelen gebruiken 9 tot 13 lagen, die variëren per locatie en belasting," zegt Affan. Hij voegt toe dat het Composite Technology Center (Stade, Duitsland), een Airbus-dochter en een langjarige partner via de CFK Valley ev (Stade, Duitsland) handelsorganisatie, "een derde partij check leverde op ons laminaatontwerp, doorbuiging en stijfheidsberekeningen."

Een extra complexiteit, en innovatie, is dat de panelen ook hun eigen bevestigingssysteem integreerden. "Aan de randen vormen 24 lagen de cassette-achtige bevestigingsgeometrie om te verbinden met het gebouw," legt Affan uit. Een cassettesysteem is een methode voor het bevestigen van buitenbekleding, oorspronkelijk ontwikkeld voor regenscherm-type installaties. Hoewel typen en geometrieën variëren, maken cassettes doorgaans een plat, regenvrij exterieur oppervlak mogelijk dat achteraan bevestigd is aan het lastdragende framework van het gebouw. Voor de Museum of the Future's gevelpanelen waren losse stukken niet nodig om de cassette randen te vormen, maar werden in plaats daarvan in elke maal gefreesd en dus geïntegreerd in elk composietpaneel.

Materialen, malen en paneelproductie

Hoewel Affan Innovative Structures' 10.000 vierkante meter composietfabriceruimte 16 harsinfusiemachines en acht glas-bedekte, staal-gebaseerde harsinfusietafels van 3 meter bij 20 meter heeft, koos het voor prepreg. Waarom? "Het bereiken van de nodige FR-prestaties vereist veel additieven, waardoor de hars dik wordt en niet zal vloeien bij infusie," legt Affan uit. In dit geval was het additief aluminiumtrihydraat (ATH, zie "Withstanding fire without the weight"). Hij gaat verder, "Dus we werkten met Notus Composites [Ras Al Khaimah, VAE] om een FR epoxy prepreg te ontwikkelen. We gebruikten voornamelijk glasvezel maar ook koolstofvezel in bepaalde secties waar er doorbuigingsproblemen waren." Goedgekeurd door de Dubai Civil Defense, heeft Notus Composites EPFR-609 prepreg, in combinatie met NE11-FR oppervlaktefilm, NFPA 285, EN13051-1 en ASTM E1098 en E84 Klasse A brandvereisten gehaald (zie "Fire-retardant prepregs enable..." en "Better, cheaper screening of FRP building materials").

Omdat externe metaaloppervlakken in Dubai in de zomer temperaturen van 80°C (176°F) kunnen bereiken, legt Affan uit, "verhardden we de prepreg op 120°C om voldoende Tg (glasovergangstemperatuur) te garanderen om hittevervorming te weerstaan. Dus de malen werden uit een polyurethaan schuim gefreesd dat die hoge temperatuur kon weerstaan, wat duurder is. We probeerden drie of vier verschillende schuimen, maar alleen één kon de temperatuur plus vacuümdruk weerstaan, en was toch zacht genoeg om gemakkelijk en snel CNC te bewerken."

CNC-bewerking van elke maal duurde 12 tot 72 uur en elk van de 1.024 composietpanelen had zijn eigen maal nodig. Alle vier van Affan Innovative Structures' CMS (Zogno, Italië) 5-as CNC-machines — de grootste meetend 33 meter lang bij 13 meter breed bij 2,5 meter hoog — waren nodig om de eisende productiesnelheid van het museum te halen. "Als er een [machine] voor onderhoud uitviel, hadden we de anderen parallel draaiend," legt Affan uit.

Prepreg lagen werden gesneden en gekit met een (Bulmer, Mehrstetten, Duitsland) geautomatiseerde snijder. "We gebruikten geen kern in de panelen omdat, in tegenstelling tot vandaag, er op dat moment geen schuimkernen waren die de FR-eisen konden halen," zegt Affan.zelfs met dergelijke automatisering, was het bedrijf's werknemersbestand van 250 werknemers, een totaal dat het bereikte in 2015, ook nodig om te leveren op productie, met een gemiddelde van vier panelen per dag. Teams van zes werknemers, elk met een supervisor en gebalanceerde set vaardigheden om efficiënt te zijn, legden de panelen. "Normaal zouden we twee of drie teams hebben aan een project," merkt Affan op, "maar om deze productieschema te halen hadden we 20 teams op elk gegeven moment aan het werk."

Productiestappen

1. Polyurethaan schuim wordt gefreesd tot precisie malen.
2. Glasvezel/epoxy prepreg wordt handmatig in de malen gelegd.
3. Prepreg opbouw wordt vacuüm-gezakken en 6 uur gecureerd in een oven bij 120°C.
4. Ontmalde panelen worden voorbereid voor lijmbevestiging van roestvrij staal afwerking.
5. Roestvrij staal hexagonen worden gelijmd en mechanisch bevestigd aan FRP panelen.
6. Klaar panelen worden getild voor installatie.
7. Elk paneel wordt aangepast via een unieke 3D "universele schakeling".
8. Elk paneel wordt aangepast via unieke 3D "universele schakeling" om glad uitgelijnde exterieur gevel te bereiken.

Opbouwen werden handmatig gelegd, vacuümgezakken en 6 uur gecureerd in ovens van 20 meter lang bij 8 meter breed bij 3 meter hoog. "Elke CNC-machine had zijn eigen oven," zegt Affan. "We bundelden niet veel panelen per verhardingscyclus. In plaats daarvan, zodra elk paneel klaar was, verhardden we het direct om zo hoog mogelijke productiestroom te behouden. We ontmoldeden de panelen en gebruikten een 3D-scanner om te controleren of het gemaakte paneel overeenkwam met het CATIA-bestand. Per ons totale kwaliteitscontrolesysteem, moesten we controleren tegen de digitale bestanden op elke stap in het proces."

Klaar panelen kregen dan de roestvrij staal exterieur afwerking. "Het roestvrij staal wordt aan elk paneel gelijmd en vervolgens met mechanische bevestigingen vastgemaakt, wat een kunst op zich is," zegt Affan. "Het metaal werd in kleine hexagonen gesneden om over de 3D panelen te draperen. Het hexagonale rooster varieerde per deel afhankelijk van de hoeveelheid kromming. Hoewel we ervaring en vertrouwen in lijmen hebben, kon er geen risico zijn dat een enkele hexagon tijdens de levensduur van het gebouw loskwam. Dus elke hexagon moest bevestigd worden — wat zo veel als 200 tot 300 bevestigingen voor een enkel paneel vereiste." Klaar panelen werden toen naar de locatie gestuurd voor installatie.

NASA-geholpen, probleemloze installatie

Installatie werd eigenlijk voltooid door het bouwbedrijf van het gebouw BAM International (Gouda, Nederland). "We leverden alleen supervisors voor installatie om te helpen met hoe de panelen te hanteren," merkt Affan op. "De manier waarop elk getild wordt is cruciaal. De panelen waren ontworpen om sterk genoeg te zijn voor elk zijn specifieke positie in het gebouw. Echter, ze moeten op een specifieke manier getild worden, via ten minste twee tillpunten, net als het ophangen van cassettes in meer traditionele bouwmethoden."

Er was een additioneel issue dat Affan uniek gekwalificeerd was om op te lossen. "Om elk paneel op de staalstructuur te laten zitten en toch het gladde oppervlak te vormen, hadden we de mogelijkheid nodig om het paneel in diepte, oriëntatie en kromming in 3D aan te passen — met andere woorden, een soort universele schakeling met drie vrijheidsgraden. In 1985 werkte ik als student bij NASA in Californië aan demping van ruimtestatiestructuren. De sleutel was om elke structuur te kunnen bewegen en aan te passen wanneer de shuttle dokkt zodat trilling snel gedempt wordt, een beetje als ruisonderdrukking. Ik gebruikte dezelfde technologie voor de paneelbevestiging en aanpassing tijdens installatie."

Ook, omdat de panelen de waterdichte afdichting van het gebouw leverden, mochten er geen gaten tussen hen zijn. "De panelen konden niet direct aanliggen, of ze kunnen barsten," zegt Affan, uitleggend dat door een hoge levende last van 1,5 ton op de uitsteek 6e verdieping tentoonstellingsruimte, de staalstructuur eigenlijk beweegt. "We handhaafden een precies gespatieerde opening tussen panelen en dit werd gevuld met een speciale pakking." Deze pakking, zacht genoeg om uit te rekken, maar stijf genoeg om belasting te weerstaan, leverde afdichtingsfunctionaliteit terwijl het het esthetische uiterlijk van het gebouw mogelijk maakte.

Zoale oplossingen zijn een voordeel, merkt Affan op. "Omdat we uit een structuren achtergrond komen, zijn we in staat om veel materialen te combineren. Dit is heel belangrijk. Composieten zijn slechts één materiaal dat we gebruiken. Dit was niet alleen een composietproject." De resultaten spreken voor zich. "De installatie ging goed; er waren helemaal geen issues," zegt Affan, die merkt op dat er geen manier was om te checken of het paneel zou passen behalve conformiteit met het digitale bestand te garanderen. "We hebben nog geen paneel gehad dat niet paste of de verkeerde vorm had of het woord verkeerd gespeld was," getuigde Buro Happold projectmanager Bauly in een BBC-artikel door Elizabeth Bains.

Toekomstige modulaire bouw

"We hebben het hele proces samen gemanaged," voegt Affan toe. "Teamwork binnen ons bedrijf zelf was ook cruciaal; ontwerp- en opbouwgroepen moesten met elkaar coördineren. We hebben nooit een klus zo groot als deze gedaan, en het was een uitdaging, maar we houden van uitdagingen."

Helaas heeft COVID-19 zijn tol geëist. "We hebben deze klus net voor de pandemie lockdown afgerond," zegt hij. "Nu zijn we teruggevallen tot minder dan 30 mensen. Het is verwoestend. Maar dit heeft iedereen geraakt, niet alleen ons." En toch ziet Affan hoop voor de toekomst en voor de rol die composieten zullen spelen bij het bereiken van de duurzaamheid en innovatie die de wereld in de bouw nodig heeft. "Vooral in Dubai en de GCC (Gulf Cooperation Council), willen mensen nieuwe ideeën uitproberen. Het demonstreert de toekomst van architectuur en bouw."

Die toekomst, benadrukt hij, zal zijn voor degene die modulaire bouwsystemen kunnen gebruiken, "en COVID-19 versnelt dit eigenlijk. Bedrijven zullen in modules bouwen en die naar de locatie sturen. Dit zal zich ontwikkelen omdat het onwirschijfheid van de locatie naar een fabriek verplaatst, controle en kwaliteit verhogend. Op de locatie moet u alle mensen coördineren. Het verspilt tijd, wachten op andere subaannemers. U bent ook afhankelijk van het weer en werkstakingen. Fabricatie in een fabriek elimineert al dit. Omdat ze sterk, licht en duurzaam genoeg zijn om gemakkelijk te transporteren en te installeren, laten composieten dit type modulaire bouw toe en kunt u elke vorm maken die u wilt."

Affan merkt op dat modulaire bouw al jaren in cruiseschepen gebruikt wordt, waar elke hut voorgefabriceerd is, compleet met verwarming/luchtbehandeling, elektrische en sanitairesystemen, en dan geassembleerd in het staalframework van het schip als LEGO-blokken. "Stel u voor hoeveel tijd u bespaart wanneer elke module al uitgekleed is. We kijken nu naar een project om een hoogbouw op deze manier met composieten te maken," zegt hij. "Als u FR harsen heeft, dan hoeft u de onderdelen die vroeger metaal waren niet." Citierend een Marriott hotel die op deze manier gebouwd is en vorig jaar in New York City voltooid werd, voegt Affan toe, "dat gebouw was staal en hout, maar we kunnen het in composieten bouwen."