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Museum of the Future in Dubai: Planung und Konstruktion

Die Konstruktion des „Museum of the Future“ in Dubai ist einzigartig. Ohne computergestützte Modellierung wäre sie kaum realisierbar gewesen. Beim Generieren des Gittertragwerks mussten viele Faktoren berücksichtigt werden, inklusive einer Fassade ganz aus Kalligraphien

Dieser Beitrag ist in gekürzter Fassung unter dem Titel „Donut-Diagrid“ im Deutschen Architektenblatt 01-02.2023 erschienen.

Von Thomas Geuder

Dubai lässt sich zweifellos als Stadt bezeichnen, in der nicht gekleckert wird. In der Stadtregion stehen fast 300 Wolkenkratzer (Hochhäuser ab 150 Metern), auch das weltweit höchste Bauwerk, der Burj Khalifa mit einer Höhe von 828 Metern, weitere sind in Planung oder Bau. Dubai ist zudem die Stadt mit den meisten Hochhäusern über 300 Meter auf der Welt. Man könnte also annehmen, dass ein nur gut 81 Meter hohes Gebäude in diesem Umfeld eher wenig Beachtung findet.

Tatsächlich geht das „Museum of the Future“ in der Straßenflucht der „Sheikh Zayed Road“, dem stadtplanerischen Rückgrat, ein wenig unter, was nicht nur an der vergleichsweise geringen Bauwerkshöhe liegt, sondern auch an seiner Positionierung direkt vor den beiden 355 und 309 Meter hohen, kantigen Emirates Towers. Und doch nimmt das Museum eine Sonderstellung in der Wolkenkratzersammlung von Dubai ein, denn es ist gespickt mit Botschaften an das eigene Land und im Grunde auch an die Welt.

Fokus auf Mensch und Natur

Dubai sei, so sollen die Besucher aus aller Welt erfahren, das Zentrum von Wissenschaft und Technik und somit richtungsweisender Vorreiter für eine fantastische Zukunft. Es verwundert also nicht, dass sich in diesem Umfeld einige der international wichtigsten Player aus der Industrie mit ihren Produkten präsentieren möchten und so auch die Botschaft vermitteln, dass die Zukunft eben auch an Konsum und Luxus hängt.

Die eigentlichen, von den Stuttgarter Szenographen Atelier Brückner gestaltete und erfrischend von solchem Gehabe freigemachten Dauerausstellungen „Journey of the Pioneers“, „Tomorrow Today“ und „Future Heroes“ widmen sich Themen wie Bioengineering, Ökosysteme, Wohlbefinden oder Weltraum, stets mit dem Fokus auf Mensch und Natur. Das mutet in diesem Umfeld ungewöhnlich an und ist deshalb die richtige Botschaft an diesem Ort.

Ein Bauwerk für die Zukunft

Aufmerksamkeit im Straßenraum erreicht das Museum of the Future, das sich auf den ersten Blick so gar nicht auf das in der Wüstenstadt Dubai bekannte Spiel „Wer baut den höchsten Turm?“ einlässt, vielmehr durch die spektakuläre Gebäudeform: eine Art gestauchter, unregelmäßiger Torus oder auch Donut, wenn man so möchte, dessen Formfindung einen eher ungewöhnlichen Weg genommen hat. Shaun Killa, Chef-Architekt bei Killa Design in Dubai, erinnert sich an die allerersten Entwurfsintentionen, nach denen das Gebäude in erster Linie futuristisch aussehen sollte. „Doch dann fand ich heraus“, erzählt er aus dieser Projektphase, „dass der Kunde ein großer Anhänger von Feng-Shui ist.“

Nach Feng-Shui stehe eine runde Form sowohl für die fruchtbaren Felder der Erde als auch für die grenzenlose Fantasie des Himmels, im weiteren Sinne auch für die Vergangenheit, die Gegenwart und die Zukunft. Damit war das konzeptuelle Grundgerüst für das Vorhaben eines „Museums der Zukunft“ für Dubai gefunden: Es musste ein Bau sein, der die Geschichte als Basis hat, für den Aufbruch in eine glänzende Zukunft steht und gleichzeitig das noch Unbekannte zeigt. „Menschen, die nach Dingen suchen, die wir heute noch nicht kennen, sind die Erfinder und Entdecker von morgen“, sinniert Shaun Killa über den Entwurf.

Das Auge des Forscherdrangs

Der finale Entwurf ist schnell erklärt: Die äußere Gestalt soll der Form eines menschlichen Auges folgen, das in die Zukunft blickt. Das Loch, die Pupille also, versteht das Gestaltungsteam als das Leere und Unbekannte im Sinne einer ungeschriebenen, noch zu erforschenden Zukunft – frei nach dem Motto: Die Zukunft sehen, die Zukunft gestalten. Der dreieckige Hügel, auf dem das Auge steht, ist das grüne Bett, das für Stabilität und Verwurzelung in der Geschichte steht. Die Reflexion der Fassade wiederum ist als Spiegel zu verstehen, in dem sich die globalen Errungenschaften widerspiegeln, um sie aufzunehmen und auszustellen.

Die wichtigste Botschaft der Außenansicht jedoch bildet das Fassadenkleid selbst, auf dem die philosophische Vision des Premiers der Vereinigten Arabischen Emirate und Herrschers von Dubai, Scheich Mohammad bin Rashid Al Maktoum in drei Sinnsprüchen als Kalligraphie verewigt ist: „Wir leben vielleicht nicht Hunderte von Jahren, aber die Produkte unserer Kreativität können ein Vermächtnis hinterlassen, lange nachdem wir gestorben sind“, „Die Zukunft gehört denen, die sie sich vorstellen, entwerfen und ausführen können. Sie ist nicht etwas, das man erwartet, sondern etwas, das man schafft“ sowie „Innovation ist kein intellektueller Luxus. Sie ist das Geheimnis der Entwicklung und Verjüngung von Nationen und Völkern“. Architektur wird hier zum Träger frommer Botschaften.

Mehrfach gekrümmte Fassade

Die überdimensionale Fassadenkalligrafie ist allerdings nicht – wie man vielleicht zunächst vermuten mag – aufgedruckt. Vielmehr ist jedes Schriftzeichen ein echtes Fenster. Auf die Fassadenfläche von insgesamt 17.600 Quadratmetern wurden so 1.024 unterschiedliche Edelstahlelemente montiert, was allein einen Zeitraum von gut 18 Monaten beanspruchte. Die Elemente bestehen aus vierschichtigen Verbundwerkstoffplatten, jeweils in 16 Arbeitsschritten hergestellt. Integriert entlang der Fensterausschnitte sind LED-Linien mit einer Gesamtlänge von 14.000 Metern angeordnet, wodurch die gesamte Fassadenkalligrafie auch bei Dunkelheit deutlich lesbar ist und das Gebäude eine außergewöhnliche Nachtansicht erhält.

Eine Herausforderung dabei war, die Schriftzeichen so auf der Torusoberfläche zu platzieren, dass sie lesbar sind, den alten Regeln der Kalligrafie entsprechen, nicht unglücklich verzerrt werden und die Fläche gleichmäßig füllen. Außerdem sollte das dahinterliegende Tragwerk in den Fenstern möglichst nicht sichtbar sein. Deshalb wurden in Dubai bereits früh in der Entwurfsphase 3D-Modelierungssoftwares wie Maya und Rhino eingesetzt, um jedes einzelne Schriftzeichen möglichst exakt auf die dreidimensional gekrümmte Oberfläche zu setzen.

Komplexes Tragwerk aus Stahl und Beton

„Aufgrund der komplexen Geometrie und der präzisen Schnittstellenanforderungen mit verschiedenen Gewerken war die Implementierung von BIM unerlässlich“, beschreibt Shaun Killa. Die Planung der theoretischen Gebäudeform des Museum of the Future erfolgte von einem sehr frühen Zeitpunkt an ausschließlich mit digitalen Mitteln und konnte von da an dynamisch und gewerkeübergreifend parallel durchgeführt werden.

Dennoch könnte man die Planung der Fassade noch als Kür bezeichnen, denn entscheidend für das Gelingen des Projekts war das Generieren eines Tragwerks für die komplexe, amorphe Torusform. Die Basis für die Abtragung aller Lasten bildet ein durch Stahlbeton-Bohrpfähle mit einem Durchmesser von 1,5 Meter unterstütztes Floßfundament über die gesamte Bauwerksfläche. Darüber befindet sich der rund 16 Meter hohe Hügel, im Grunde ein eigenständiges Gebäude, in dem sich die große Eingangshalle, ein Auditorium, ein Parkhaus, Verkaufsflächen und verschiedene organisatorische Räume befinden. Ein Stahlbeton-Erschließungskern führt von hier aus in die oberen Ebenen des Torus-Bauwerks und unterstützt die Gesamtkonstruktion maßgeblich bei der Aussteifung. Als Auflager für das Stahltragwerk darüber dient ein Stahlbetonringbalken.

Stahlkonstruktion aus Dreiecken

Die Torusform, in der sich die eigentlichen Ausstellungsräume befinden, ist alles andere als eine einfache Pfosten-Riegel-Konstruktion mit Abstandsdornen, über die die Fassadenhaut geformt wird. Vielmehr haben sich die Ingenieure des Buro Happold bereits früh für eine Diagrid-Stahlkonstruktion entschieden, die die Gesamtform möglichst deckungsgleich nachzeichnet. Grundlage dieses Diagrids sind Dreiecke aus Stahlrohren mit einem Durchmesser von 457 Millimetern und unterschiedlichen Stärken, um die unterschiedlichen Lasten auffangen zu können.

Nachdem das statische System zum Bau des Torus definiert war, mussten die Ingenieure eine Konstruktionssystematik finden. Auch hier waren der Einsatz digitaler Planungswerkzeuge und letztlich die komplette Planung in BIM unerlässlich, da einige Schlüsselparameter wie die Elementgröße und -länge, die Anzahl der Verbindungen, eine einfache und schnelle Herstellung sowie die Kosten berücksichtigt werden mussten. Das Diagrid würde außerdem teilweise in den Fenstern sichtbar sein, weswegen ein gewisses Maß an visueller Regelmäßigkeit wünschenswert war.

Flexible Formfindung in Dubai

„Erste Tests zum Entwurf des Diagrids“, so erläutert das für die Gestaltung des Tragwerks verantwortliche Buro Happold, „umfassten eine UV-basierte Topologie, Gitter nach Prinzipspannungen und Standardvernetzungsalgorithmen wie Kangaroos mesh machine, ein Plugin für Grasshopper. Keines dieser Verfahren erwies sich allerdings für diese spezielle Aufgabe als ausreichend, sodass ein benutzerdefinierter Gittergenerierungsprozess als maßgeschneiderter Algorithmus entwickelt werden musste.“ Damit wurde das theoretische Tragwerk zunächst in horizontale Ebenen eingeteilt, die dann durch diagonale Stützen verbunden wurden, wobei möglichst gleichseitige Dreiecke entstehen sollten.

Waren die Schenkel zu lang, wurden die Dreiecke durch Hinzufügen weiterer Punkte zweigeteilt. Ebenso wurden Punkte, die zu nahe beieinander lagen, zusammengeführt. Gab es wiederum Zwänge aus dem internen Struktursystem der Geschossebenen oder der Fassade, wurden die Punkte ebenfalls verschoben. Um in dem nun entstandenen Diagrid die Bandbreite an unterschiedlichen Gliederlängen zu verringern, wurde das gesamte Konstrukt durch einen Relaxationsalgorithmus geleitet, der an die definierten Zwangspunkte und -kurven gebunden ist. Der Vorteil der digitalen Planung dabei: Die einzelnen Schritte waren so flexibel, dass manuelle Eingriffe jederzeit möglich sind.

Bauen mit geringen Toleranzen

Die Modellierung, Analyse und Dokumentation der Diagonalstäbe erfolgte in Rhinoceros 3D, ETABS beziehungsweise Revit, wobei eine Grasshopper-Definition im Wesentlichen als Schnittstelle diente, um Eingaben zu machen und die Variablen des Algorithmus zu steuern. Deswegen war ein gewisses Maß an Integration der Programme untereinander erforderlich, damit nicht jedes Element in jeder Software für jede Entwurfssituation neu modelliert werden musste. Die Integration dieser Umgebungen bedeutete nicht zuletzt eine große Zeitersparnis und eine enorme Verringerung der Fehlerrisiken. So konnten allen 2.469 Elementen eindeutige geometrische Daten zugewiesen werden, um diese später herstellen zu können.

Die Windlasten des Standorts in Dubai wurden an einem realen Modell in einem Windkanal gemessen und die Ergebnisse ebenfalls in der Berechnung des Diagrids berücksichtigt. Der Bau allein des stählernen Diagrids dauerte 14 Monate. Während des gesamten Bauprozesses wurden Laserscanner eingesetzt, um die Position der einzelnen Elemente stets mit dem theoretischen 3D-Modell zu vergleichen und die geringen Toleranzen einzuhalten.

Nachhaltigkeit und Open Source

Eine wichtige Triebfeder der Planung war die Nachhaltigkeit, mit dem Ziel, die LEED-Platin-Zertifizierung zu erhalten und so auch ein Vorreiter für zukünftige Bauten in den VAE zu sein. In diesem Rahmen wurden einige passive Maßnahmen, energie- und wassersparende Lösungen, Energie- und Wasserrückgewinnungsstrategien sowie die Erzeugung von solarem Strom auf einem nahegelegenen Parkhaus eingesetzt. Eine Heizung gibt es in Dubai selbstredend nicht, die Lüftungsanlage ist ausschließlich für die Kühlung ausgelegt.

Rund zwei Drittel der Fläche befinden sich im Hügelbauwerk, was das Erreichen der Ziele maßgeblich erleichterte und somit die Zertifizierung erreicht werden konnte. Zum Nachhaltigkeitsgedanken schließlich gehört auch, dass sämtliche Daten und Erfahrungen schließlich im Open-Source-Projekt „Buildings and Habitats object Model (BHoM)“ zugänglich gemacht wurden, um die wertvollen Erfahrungen mit anderen Ingenieuren zu teilen und somit das Bauwesen wieder ein Stück voranzubringen.

Thomas Geuder ist Raumjournalist in Stuttgart.

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