Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau
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expert verlag Tübingen
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Komplexität berechenbar machen - das parametrische Engineering des Kuwait International Airport
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Matteo Brunetti
Lucio Blandini
Der vorliegende Beitrag beschreibt den Einsatz digitaler Werkzeuge zur Parametrisierung der Planung des neuen Terminal 2 am Kuwait International Airport. Im Detail werden die Erstellung der Berechnungsmodelle und das Post-Processing für die Berechnung und Bemessung beschrieben.
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1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 29 Komplexität berechenbar machen - das parametrische Engineering des Kuwait International Airport Matteo Brunetti Werner Sobek AG, Stuttgart, Deutschland Prof. Dr.-Ing. M. Arch. Lucio Blandini Werner Sobek AG, Stuttgart, Deutschland Zusammenfassung Der vorliegende Beitrag beschreibt den Einsatz digitaler Werkzeuge zur Parametrisierung der Planung des neuen Terminal 2 am Kuwait International Airport. Im Detail werden die Erstellung der Berechnungsmodelle und das Post-Processing für die Berechnung und Bemessung beschrieben. 1. Einleitung Die Digitalisierung bietet der Baubranche sowohl bei der Planung als auch bei Fertigung eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten. Dies gilt insbesondere bei der Realisierung von komplexen Geometrien und Tragwerken, wie sie in der Vergangenheit nur schwer vorstellbar, geschweige denn plan- oder baubar waren. Angesichts dieser neuen Möglichkeiten haben sich in den letzten Jahren in vielen Fällen auch die von Architekten entwickelten Entwürfe verändert. Das Streben nach immer komplexeren Gebäuden wiederum hat fast zwangsläufig dazu geführt, dass sich auch die Rolle der Ingenieure weiterentwickeln musste. Die Entwicklung angepasster digitaler Werkzeuge war unerlässlich, um die Komplexität planerisch beherrschbar zu machen. Ziel der Planung ist nach wie vor eine optimale Materialisierung von Kraftflüssen; die neuen Tragwerke lassen sich nicht einfach auf klassische Systemkomponenten zurückführen. Die Vereinfachung durch standardisierte statische Systeme ist zwar weiterhin wichtig für Plausibilitätskontrollen - sie ist aber bei weitem nicht mehr ausreichend: Die mittlerweile erforderliche Rationalisierung eines Entwurfs in der planerischen Umsetzung ist in vielen Fällen nur durch Parametrisierung möglich. Die Optimierung bezieht sich dabei nicht nur auf den Entwurf selbst, sondern auch auf sämtliche Prozesse in Planung und Ausführung. Das Büro Werner Sobek beschäftigt sich bereits seit geraumer Zeit mit den Neuerungen, die durch die digitale Revolution erforderlich bzw. möglich werden [1], [2]. Bei einem Teil seiner Projekte wirkt das Büro bereits bei sehr frühen Entwurfsphasen mit. Bei anderen Projekten liegt der Schwerpunkt auf dem Übergang von der Planung hin zur baulichen Umsetzung [3]. Das Unternehmen konnte so sein Wissen entlang der gesamten Prozesskette konsequent ausbauen und weiterentwickeln. Abbildung 1: Aufsicht auf das neue Terminalgebäude am Kuwait International Airport (Copyright: Foster + Partners, London) Dies ist wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Beratung des jeweiligen Auftraggebers, unabhängig von der Frage, ob es der entwerfende Architekt, der beauftragende Entwickler oder die ausführende Firma ist. Dieses über viele Jahre aufgebaute Know-how spielte auch eine wichtige Rolle für die Beauftragung mit der Planung von Terminal 2 des Kuwait International Airport. Bei diesem Projekt waren verschiedene parametrische Modelle ebenso wie selbst entwickelte Programme unabdingbar, um die geometrische und konstruktive Komplexität des Tragwerks planerisch zu meistern und realisierbar zu machen. Im Folgenden wird dieser Prozess näher beschrieben. Komplexität berechenbar machen - das parametrische Engineering des Kuwait International Airport 30 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 2. Projektbeschreibung und Tragwerk Der internationale Flughafen von Kuwait wird in den kommenden Jahren konsequent ausgebaut, um das Emirat zu einem neuen Luftdrehkreuz in der Golfregion zu machen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird bis 2022 ein von Foster + Partners entworfenes Terminalgebäude (T2) realisiert [4]. Mit einer Kantenlänge von fast 1,2 km, einer lichten Höhe von bis zu 25 m und einer Dachfläche von rund 320.000 m² ist das Gebäude schon allein aufgrund seiner Größe ein außergewöhnliches Projekt. Die besondere Herausforderung für die Ingenieure lag aber hauptsächlich in dem komplexen Tragwerk aus Stahl und Stahlbeton, das es hier zu planen, zu bemessen und zu realisieren galt. Das Dachtragwerk spannt bis zu 145 m und kragt bis zu 50 m aus. Es bietet so einen natürlich verschatteten Eingangsbereich und einen großzügigen und flexiblen Innenbereich. Abbildung 2: Die markante Auskragung des Daches sorgt für einen großzügigen sonnengeschützten Eingangsbereich (Copyright: Foster + Partners, London) Die Tragwerks- und Fassadenplanung für das neue Terminal wurde bis zur Ausschreibung von Arup London erbracht. Nach der Ausschreibung übernahm Werner Sobek die Ausführungsplanung. Der Auftrag von Werner Sobek umfasste dabei sowohl die Berechnung, Bemessung und Weiterentwicklung des Tragwerks auf Grundlage der Ausschreibungsunterlagen als auch die Vorbereitung und Koordination des BIM-Modells bis zu einer Detailgenauigkeit von LOD 400. Außerdem wurden für einige komplexe Bauteile (wie zum Beispiel das Schalentragwerk des Dachs) parametrische 3D-Modelle definiert, die als Grundlage für die Fertigung dienen. Im Tragwerk des Terminals erkennt man fünf Hauptsysteme: 1) Das Haupttragwerk aus Stahlbeton; 2) das Schalentragwerk aus Stahl und Stahlbeton; 3) die Stahlfachwerkträger; 4) das Sekundärdachtragwerk; 5) die Fassade. Das Haupttragwerk aus Stahlbeton ist durch Elemente gekennzeichnet, die typisch für den Brückenbau sind. Es besteht aus 90 Haupthohlstützen mit einer max. Seitenlänge von 3 bis 9 m und einer Höhe von 25 bis 45 m. Die Ausmaße und die Lasten dieser Stützen sind vergleichbar mit Brückenpfeilern und Gebäudekernen. Zwischen den Stützen spannen rippenartige Bogenträger („Ribs“). Die Querschnittshöhe dieser Träger liegt zwischen 2,2 m für die kleinen Achsen und 5,4 m für die größte Spannweite. Die Auskragungen im Außenbereich werden ebenso von „Ribs“ unterstützt, die durch ein System von Schrägkabeln kurzgeschlossen sind. Entlang der Außenkante des Gebäudes spannen Längsrippen („Spines“), die auch die Lasten aus der Fassade übernehmen. Abbildung 3: Querschnitt durch das Tragwerkssystem des neuen Terminal; 1) Hohlstützen 2) Querrippen („Ribs“) 3) Schrägkabel (Copyright: Werner Sobek, Stuttgart) Quer- und Längsrippen bestehen aus vorgespannten Stahlbetonfertigteilen; sie unterteilen das Terminalgebäude in insgesamt 136 Felder. Den oberen Abschluss dieser Felder bildet jeweils eine aussteifende doppelt gekrümmte Schale, die aus vorgefertigten Kassetten („Shell Cassettes“) besteht. Die Kassetten bestehen aus seitlichen ebenen Stahlblechen und aus Stahlbetonpaneelen. Die Höhe der Stahlbleche variiert in Abhängigkeit von der Schalenkrümmung; dadurch sind die Bleche am Rand (wo die Krümmung üblicherweise stärker ist) höher. Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Tragverhalten aus. Die Stahlbleche übertragen die Lasten in axialer Richtung und auf Biegung. Abbildung 4: Explosionsdarstellung der „Shell Cassettes“ mit entsprechendem Kraftfluss (Copyright: Werner Sobek, Stuttgart) Komplexität berechenbar machen - das parametrische Engineering des Kuwait International Airport 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 31 Die 160 mm dicken Stahlbetonpaneele sind für die Übertragung der Membrankräfte quer zu den Stahlblechen zuständig. Mit ihrer Oberfläche aus sandfarbenem Sichtbeton prägen sie in der Unteransicht gleichzeitig auch das Erscheinungsbild des Terminals. Eine weitere Besonderheit des Schalentragwerks sind die Fugen zwischen den Kassetten. Die Auswirkungen thermischer Effekte auf das Tragwerk können so durch kleine Bewegungen deutlich reduziert werden; dies ist wichtig, da das Tragwerk ansonsten keine Bewegungsfugen hat. Da es durch diese Fugen keinen direkten Kontakt zwischen den Paneelen gibt, erfolgt der Kraftfluss zwischen angrenzenden Kassetten über exzentrische geschraubte Verbindungskreuze. Am Rand des auskragenden Bereichs und entlang der Symmetrieachsen wird das Schalentragwerk des Dachs durch räumliche Fachwerkträger ausgesteift; auch im Zentralbereich, wo das Schalentragwerk eine Spannweite von bis zu 105 m hat, wird das Schalentragwerk durch einen Stahlfachwerkträger ausgesteift. Diese Fachwerkträger tragen wesentlich dazu bei, das Ausmaß von Verformungen so gering wie möglich zu halten, gleichzeitig aber das leichte Erscheinungsbild, das den architektonischen Entwurf prägt, zu gewährleisten. Ein gedämmtes Aluminiumdach bildet den oberen Abschluss des Terminals. Trotz seiner großen Abmessungen wurde das Dach ohne Dehnfugen geplant, um Risiken hinsichtlich Funktionalität und Wartung auszuschließen. Diese Wahl hatte umfangreiche Auswirkungen auf das hochgradig unbestimmte statische System. Hinzu kamen komplexe Langzeiteffekte aus der Interaktion zwischen Stahl und Stahlbeton sowie die komplexe Geometrie. All dies machte die Planung des neuen Terminals zu einer besonders anspruchsvollen Herausforderung. 3. Parametrische Modellierung des Gesamtmodells Angesichts der oben geschilderten Randbedingungen stellte die Entwicklung eines statischen Gesamtmodells die Planer vor besondere Herausforderungen. Die komplexe Interaktion aller Elemente und die Empfindlichkeit des Systems für Steifigkeitsänderungen erforderten manche Vereinfachungen, um den Rechenaufwand unter Kontrolle zu halten. Diese Annahmen wurden mit Sensitivitätsanalysen und durch die Prüfung von Grenzzuständen validiert. Das Schalentragwerk besteht aus 37.000 Kassetten, für die Stahlbleche mit variabler Dicke (zwischen 10 und 20 mm) und Höhe (zwischen 560 und 1300 mm) verwendet wurden. Die Verbundwirkung der variablen Stahlbleche mit den aussteifenden Betonpaneelen wurde mit mehreren FE-Modellen untersucht, um im Gesamtmodell die richtige Steifigkeitsänderung zu treffen. Zusätzlich zur Grundparametrisierung der Geometrie und zu den komplexen Kassetten-Elementen erhöhten das nichtlineare Verhalten, die Bedeutung der Bauzustände und die Langzeiteffekte die Parameter des Gesamtmodells deutlich. Das FE-Modell wurde von den Tragwerksplanern durch eine intern programmierte Schnittstelle zwischen Grasshopper und SOFiSTiK erstellt. Abbildung 5: FE-Steifigkeitsuntersuchungen des Dachschalentragwerks in Abhängigkeit von Blechstärke und Blechhöhe (Copyright: Werner Sobek, Stuttgart) Alle Parameter wurden mithilfe von Grasshopper und C# zugewiesen; die Geometrie wurde als Text-File für SO- FiSTiK exportiert. Die Kassetten wurden mit einzelnen FE-Schalenelementen und einzelnen Stäben modelliert, jeweils mit modifizierten Steifigkeitseigenschaften, um die o.g. Untersuchungen widerzuspiegeln. Angesichts dieser Randbedingungen war eine parametrische Modellierung des Gesamtmodells der einzige gangbare Weg, um das Gesamtbild mit vertretbarem Aufwand vor Augen zu behalten bzw. um unterschiedliche Optionen in einem angemessenen Zeitraum prüfen zu können. Die unterschiedlichen Bauteile wurden mit getrennten Scripts generiert, so dass bei jeder Änderung gezielt nur bestimmte Komponenten geändert werden konnten. Die Elemente wurden so gruppiert und nummeriert, dass eine Reproduktion der Bauphasen in der Planung möglich war. Dies war allein schon wegen der bereits genannten komplexen Interaktion aller Bauteile Grundvoraussetzung für eine richtige Abbildung des Tragverhaltens. Die große Menge an Finite Elemente im Gesamtmodell hätte ohne entsprechende Maßnahmen zu unangemessen langen Rechenzeiten geführt. Hilfreich war hier die Erzeugung kleinerer Teilmodelle. Ermöglicht wurde diese Flexibilität durch die parametrische Erstellung der FE- Komplexität berechenbar machen - das parametrische Engineering des Kuwait International Airport 32 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 Modelle. Durch die Input-Parameter bei Grasshopper und die programmierten Komponenten konnten in kurzer Zeit 20 Teilmodelle erzeugt werden. Die Auswirkungen unterschiedlicher Lösungsansätze konnten in diesen Teilmodellen sehr schnell und mit überschaubarem Aufwand untersucht werden, bevor sie dann zum Gesamtmodell hinzugefügt wurden. Abbildung 6: Gesamtmodell mit unterschiedlichen Bauzuständen (Copyright: Werner Sobek, Stuttgart) Insgesamt wurden über hundert Revisionen des Gesamtmodells und der 20 Teilmodelle gerechnet, was einer Gesamtrechenzeit von ca. 20 Millionen Sekunden bzw. 230 Tagen entspricht. Jede Revision des Gesamtmodells hatte eine Gesamtanzahl von ca. 360.000 Punkten und eine Datenmenge von ca. 130 GB. 4. Workflow und Post-Processing Angesichts der schieren Menge an zu verarbeitenden Daten waren die Auswertung und die Interpretation der Ergebnisse eine weitere Herausforderung. Nachdem detaillierte Modelle entwickelt worden waren, mussten die hierbei erzielten Ergebnisse wieder auf überschaubare Informationen heruntergebrochen werden. Auch bei dem Post-Processing kamen selbst entwickelte Scripts zum Einsatz, um den Informationsaustausch zwischen unterschiedlichen Programmen zu ermöglichen. So wurden zum Beispiel die Daten zwischen Rhino oder Excel und SOFiSTiK gegenseitig ausgetauscht. Zusätzlich zu der schon beschriebenen Erstellung der Geometrie aus Grasshopper wurden umgekehrt auch Informationen aus SO- FiSTiK in Grasshopper exportiert, z.B. um die verformte Geometrie des Tragwerks zu erstellen oder um komplexe Nachweise direkt in einer geeigneter Programmierumgebung zu führen und zu visualisieren. Fast alle Standardbemessungsmodule kamen bei diesem Projekt an die Grenze, so dass diese Module nur selten verwendet werden konnten. Die Führung der Nachweise in Grasshopper hatte auch den Vorteil, die einzelnen Schritte nachvollziehen zu können. Dies machte die Nachweisführung transparenter als dies bei herkömmlichen Bemessungsmodulen der Fall ist. Abbildung 7: Open BIM Workflow (Copyright: Werner Sobek, Stuttgart) Das ist ein Beispiel eines erweiterten BIM Prozesses, durch den die geometrischen Informationen des zentralen Datenmodells mit der statischen Berechnung von SOFiS- TiK verbunden wurden, um genaue Detailnachweise machen zu können. Die Zuordnung der Ergebnisse zur jeweils passenden Geometrie war eine Herausforderung, die sich durch das ganze Projekt zog, da die komplexe Geometrie keine sinnvolle Vereinfachung der Nachweise ermöglichte. Durch die API (Application Programming Interface) von SOFiSTiK war es möglich, einen direkten Zugang zu den statischen Ergebnissen in der CDB (Datenbank von SOFiSTiK) zu erstellen, sei es aus Grasshopper oder aus Excel, so dass alle Nachweise automatisch mit den aktuellen Kräften geführt wurden. Aus Grasshopper ermöglichte man den direkten Zugang mit Hilfe eines Plugins, welches alle Informationen des Berechnungsmodells (Ergebnisse, FE-Geometrie, Eigenschaften, lokale Koordinatensysteme etc.) jederzeit in der visuellen Programmierumgebung zur Verfügung stellte. Aufgrund der Komplexität des Tragwerks und der verwendeten Werkzeuge war es wichtig, die Ergebnisse der Komplexität berechenbar machen - das parametrische Engineering des Kuwait International Airport 1. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Mai 2022 33 Berechnungen durch einfachere Plausibilitätsanalysen permanent zu validieren. So war es möglich, über den gesamten Planungsprozess ein Grundverständnis für das Tragverhalten und die komplexen Zusammenhänge zu bewahren und die entsprechende Kontrolle zu behalten. 5. Fazit Digitale Methoden und Werkzeuge verändern das Bauwesen bereits heute in erheblichem Umfang; in der Zukunft werden sie noch wesentlich stärker dazu beitragen, die Prozesse von der Planung bis zur Ausführung zu beeinflussen und zu verbessern. Die Ingenieurbaukunst nutzt diese Entwicklung, um komplexe Tragwerke immer besser berechen- und baubar zu machen. Der menschliche Faktor verliert dabei keineswegs an Bedeutung - er wird im Gegenzug immer wichtiger. Der Ingenieur kann und muss digitale Werkzeuge bewusst steuern. Die größte Gefahr bei der Erstellung großer und detaillierter Berechnungsmodelle mit parametrischer Eingabe ist eine Auswertung ohne ausreichenden Verstand: Wenn Ergebnisse nicht angemessen bewertet und im Gesamtkontext hinterfragt und verifiziert werden, kann dies zu fatalen Fehlern in der Planung führen. Trotz aller Leistungskraft von digitalen Werkzeugen - letztlich muss immer der Mensch kritisch hinterfragen, interpretieren und verstehen. Nur durch eine solche interaktive und kreative Rolle kann sichergestellt werden, dass die Digitalisierung einen echten Mehrwert für die gebaute Umwelt schafft, der über die bloße Realisierung ikonischer Architekturobjekte hinausgeht. Abbildung 8: Baustellenbild - Schalentragwerk im mittleren Bereich mit max. Spannweite gleich 105 m (Copyright: Limak Insaat) Literatur [1] Sobek, W.; Klein, D.; Winterstetter, T. Hochkomplexe Geometrie. Das neue Mercedes-Benz-Museum in Stuttgart. In: Beratende Ingenieure 10, 2005, S. 16-21. [2] Blandini, L.; Schuster, A.; Sobek, W. The Railway Station Stuttgart 21 - Structural Modelling and Fabrication of Double Curved Concrete Surfaces. In: Proceedings of the Design Modelling Symposium Berlin 2011, Springer Edition, S. 217-224. [3] Winterstetter, T.; Toth, A.; Sobek, W. et al. National Museum of Qatar. Stahlbau 86, Heft 4 (2017), S. 346-350. [4] Joseffson, K. Symmetry as Geometry Kuwait International Airport. Architectural Design 83, 2 (2013). [5] Blandini, L.; Nieri, G.; Sobek, W. Das Schalentragwerk des Kuwait International Airport Terminal 2 - Bemessung und Ausführung einer komplexen Megastruktur in Zeiten der Digitalisierung. Stahlbau 88, Heft 3 (2019), S. 194-202.
