Музей Будущего в Дубае: строительство 78-метровой архитектурной иконы

Музей Будущего, строящийся в Дубае, ОАЭ — одна из самых сложных структур, когда-либо возводимых. 78-метровое здание размещает семь этажей внутри тороидальной оболочки, сидящей на трехэтажном подиуме. Внешняя фасад тороида состоит из 1024 огнеупорных (FR) композитных панелей. Обобранные нержавеющей сталью, каждая панель — уникальная 3D-форма с интегрированной формовочной арабской каллиграфией. Текущий скрипт образует стихи, описывающие видение будущего Дубая от Шейха Мохаммеда бин Рашида Аль Мактума, вице-президента и премьер-министра ОАЭ и правителя Эмирата Дубай. Они также служат окнами здания, пропуская дневной свет через бесколонный интерьер и создавая драматичный эффект ночью через 14 километров интегрированного LED-освещения.

Задуманный Шейхом Мохаммедом как инкубатор инноваций и изобретений, Музей Будущего считается одним из самых передовых зданий мира — местом, где люди могут переживать и исследовать новые технологии. Это также символ архитектуры, проталкивающей границы через цифровой дизайн и более эффективные материалы. Параметрический дизайн использовался для разработки стальной диаграммы — каркаса из 2400 диагонально пересекающихся стальных элементов — к которым крепятся композитные бетонные перекрытия и 17 000 кв.м композитного обшивания, в том числе 1 млн кв.м мультиаксиального стекловолокнисто- и углеродноволокнисто-усиленного эпоксидного препрега.

Дубайская фирма Affan Innovative Structures предоставила композитный дизайн панелей, а также изготовление и поддержку монтажа. «Это первый раз, когда такой проект предпринимается», — говорит CEO компании др Амер Аффан. «И первый раз, когда композитные панели используются для интеграции множества строительных функций через такие сложные формы».

Главный архитектор Шон Килла объясняет: такие сложные экстерьеры обычно — дождезащитные экраны, за которыми здание содержит гидроизоляцию. «Это упрощает дело, потому что это более простительно при создании таких очень трехмерных форм», — отмечает он. «В этом здании, однако, оболочка обеспечивает гидроизоляцию, герметичность, структуру и освещение». Аффан признает, что для такого грандиозного проекта его компания мала по размеру, «но мы использовали нашу техническую экспертизу, чтобы достичь чего-то уникального и показать, как будут строиться здания в будущем».

Возможности в сложных цифровых дизайнах

Affan Innovative Structures изначально была связана с инженерной командой Музея Будущего. «Не было много компаний, способных выполнить работу по внешнему обшиванию», — отмечает Аффан. «Единственный другой конкурент предложил обычную занавесную стену с алюминиевыми или нержавеющими панелями снаружи». Занавесные стены, обычно используемые в дополнение к стальному каркасу, тонкие и сделаны из алюминиевых рам, поддерживающих стеклянные, металлические и/или тонкие каменные внешние панели. Это было отклонено инженерной командой как слишком сложное и не способное дать тот же внешний вид, что интегрированная многофункциональная композитная панельная фасада. Таким образом, предложенный Affan вариант был выбран. «У нас также уникальная технология, позволяющая делать большие панели — до 3 метров шириной на 9 метров высоты, изогнутые в обоих направлениях, что означает меньше стыков», — добавляет Аффан.

Affan Innovative Structures уникально подходила для этого проекта. Основанная в 2004 году др Аффаном, компания предоставляет полные turnkey решения — от концептуального дизайна до монтажа и обслуживания зданий — гравитируя к очень техническим вызовам. Резюме компании включает сложные геометрические алюминиевые экраны/обшивку для стадиона King Abdullah Sports City (Джидда, Саудовская Аравия), композитный входной козырек и 64 изыскано узорчатые стеклянные и стальные люки для Yas Mall (Абу-Даби, ОАЭ), внешнюю композитную крышу для больницы Sidra (Доха, Катар) и многие другие сложные проекты. Эта способность к сложным стальным, стеклянным и композитным сборам была именно тем, что требовалась для многофункционального композитного экстерьера Музея Будущего.

«Внутри каждой композитной панели есть система плоского стекла [панелей] внутри арабского скрипта», — объясняет Аффан. «Стекло почти вдавлено внутрь панелей, до 200 мм глубины». Эта впадина меняется не только от верха здания (меньше впадина, чтобы не задерживать воду) к низу (вертикальные и подрезанные панели могут быть глубоко вдавлены без задержки воды), но и внутри каждой панели, наклоняясь и уменьшаясь для создания плавного естественного края скрипта. «Расположение и края впадини также варьировались в зависимости от расположения стекла в панели, потому что стекло было плоским, а панели изогнутыми», — отмечает Аффан. «Это было возможно только с цифровым дизайном и ЧПУ-обработкой». Эта точность также нужна для того, чтобы скрипт, варировавший от панели к панели, выравнивался точно при монтаже, чтобы буквы и слова текли плавно по экстерьеру здания.

Для Аффана единственным решением было формовать арабский скрипт и впадины в каждой композитной панели. «Армирование укладывалось в точно ЧПУ-обработанные формы», — объясняет он. К счастью, ПО CATIA (Dassault Systèmes, Велизи-Вилякбле, Франция), которое Affan Innovative Solutions использует для управления ЧПУ-станками, также является 3D CAD-программой, используемой авиапромышленностью для проектирования сложных самолетов и композитных структур. Кроме того, команда Аффана из 28 инженеров также владеет Tekla BIM, Rhino 3D (Robert McNeel & Assoc., Сиэтл, США) и AutoCAD от Autodesk. «Мы делали все чертежи в CATIA, а также дизайн ламината, что дало возможность такой сложной обработке», — говорит Аффан.

Дизайн, однако, был не тривиален и должен был соответствовать разным структурным и ветровым нагрузкам. Например, внутренность тороида создавала эффект ветрового туннеля, объясняет Аффан. Панели должны выдерживать до 450 кг/м² (92 фунт/фут²) ветровой нагрузки. (Примечание: Международный строительный код указывает ветровые нагрузки 71 фунт/фут² для высокорисковых ураганных зон в Вест-Палм-Бич, Флорида, США). Композитные панели Музея Будущего также адаптированы для минимизации веса. «Панели используют 9-13 слоев, варьирующихся по расположению и нагрузке», — говорит Аффан. Он добавляет, что Composite Technology Center (Штаде, Германия), дочерняя компания Airbus и давний партнер через торговую организацию CFK Valley ev (Штаде, Германия), «предоставил независимую проверку нашего дизайна ламината, расчетов дефлекции и жесткости».

Одна дополнительная сложность и инновация — панели интегрировали собственную систему крепления. «На краях 24 слоя образуют кассетоподобную геометрию крепления для соединения с зданием», — объясняет Аффан. Кассетная система — метод крепления внешнего обшивки, изначально разработанный для дождезащитных установок. Хотя типы и геометрии варьируются, кассеты обычно обеспечивают плоскую дождезащитную внешнюю поверхность, закрепленную за несущим каркасом здания. Для фасадных панелей Музея Будущего отдельные детали для формирования краев кассет не требовались — они обрабатывались в каждой форме и таким образом интегрировались в каждую композитную панель.

Материалы, формы и изготовление панелей

Хотя у Affan Innovative Structures 10 000 кв.м композитного производства с 16 машинами для инфузии смолы и восемью стеклянными столами для инфузии 3х20 метров, они выбрали препрег. Почему? «Достижение необходимой огнестойкой производительности требует много добавок, смола становится густой и не течет при инфузии», — объясняет Аффан. В данном случае добавкой был тригидрат алюминия (ATH). Он продолжает: «Поэтому мы работали с Notus Composites [Рас-эль-Хайма, ОАЭ] над разработкой FR эпоксидного препрега. В основном использовали стекловолокно, но также углеродное волокно в отдельных секциях, где были проблемы с дефлекцией». Одобренный Дубайской гражданской обороной препрег Notus Composites EPFR-609 в комбинации с пленочным покрытием NE11-FR прошел требования NFPA 285, EN13051-1 и ASTM E1098 и E84 Class A по пожарной безопасности.

Так как внешние металлические поверхности в Дубае летом достигают 80°C (176°F), Аффан объясняет: «мы отверждали препрег при 120°C для обеспечения достаточной Tg (температуры стекловидного перехода) для сопротивления термической дефлексии. Поэтому формы обрабатывались из полиуретановой пены, выдерживающей такую высокую температуру, что дороже. Мы пробовали три-четыре разные пены, но только одна могла выдержать температуру плюс вакуумное давление, и при этом была достаточно мягкой для легкой и быстрой ЧПУ-обработки».

ЧПУ-обработка каждой формы занимала 12-72 часа, и каждая из 1024 композитных панелей требовала свою форму. Все четыре 5-осевых ЧПУ-станка CMS (Зоньо, Италия) Аффана — крупнейший 33х13х2,5 метра — были нужны для собственного темпа производства. «Если один [станок] был на обслуживании, остальные работали параллельно», — объясняет Аффан.

Препрег-слои резались и комплектались на автоматическом резаке (Bulmer, Мёрштеттен, Германия). «Мы не использовали сердцевину в панелях, потому что, в отличие от сегодня, в то время не было пенных сердцевин, проходящих FR-требования», — говорит Аффан. Даже с такой автоматизацией, штат 250 сотрудников, достигнут к 2015 году, также был необходим для выполнения производства, в среднем четыре панели в день. Команды по шесть рабочих, каждая с супервайзером и сбалансированным набором навыков для эффективности, укладывали панели. «Обычно у нас две-три команды на проекте, но для соблюдения графика у нас было 20 команд одновременно».

Этапы производства

1. Полиуретановая пена фрезуется в точные формы.
2. Стекловолокно/эпоксидный препрег укладывается в формы вручную.
3. Укладки вакуум-пакуются и отверждаются в печи 6 часов при 120°C.
4. Снятые с форм панели готовятся к клеевому соединению нержавеющей стальной отделки.
5. Нержавеющие шестиугольники клеятся и механически крепятся к ВПС-панелям.
6. Готовые панели поднимаются для монтажа.
7. Каждая панель регулируется через уникальный 3D «универсальный шарнир».
8. Каждая панель регулируется через уникальный 3D «универсальный шарнир» для достижения гладко выровненного внешнего фасада.

Укладки укладывались вручную, вакуум-паковались и отверждались 6 часов в печах 20х8х3 метра. «У каждого ЧПУ-станка была своя печь», — говорит Аффан. «Мы не группировали много панелей в один цикл отверждения. Вместо этого, когда панель была готова, мы сразу её отверждали, чтобы поддерживать максимально высокий производственный поток. Затем снимали панели с форм и использовали 3D-сканер для проверки соответствия изготовленной панели CATIA-файлу. По нашей системе тотального контроля качества, мы проверяли соответствие цифровым файлам на каждом этапе процесса».

Готовые панели получали внешнюю отделку нержавеющей сталью. «Нержавеющая сталь клеится на каждую панель, а затем крепится механическими крепежами — это искусство само по себе», — говорит Аффан. «Металл резали на маленькие шестиугольники, чтобы драпироваться над 3D-панелями. Шестиугольная сетка варировалась от панели к панели в зависимости от величины изгиба. Несмотря на опыт и уверенность в клеении, не могло быть риска, что один шестиугольник отсоединится за время жизни здания. Таким образом, каждый шестиугольник должен был быть закреплен — требуя до 200-300 креплений на одну панель». Готовые панели отправлялись на объект для монтажа.

Монтаж без проблем с помощью NASA

Монтаж фактически выполнила строительная фирма здания BAM International (Гауда, Нидерланды). «Мы только снабдили супервайзеров для монтажа, чтобы помочь с обращением с панелями», — отмечает Аффан. «Способ подъема каждой панели ключевичен. Панели проектировались достаточно прочными для своей конкретной позиции в здании. Однако их нужно поднимать особым способом, через минимум две точки подъема, как при монтаже кассет в традиционных методах».

Была дополнительная проблема, которую Аффан был уникально квалифицирован решить. «Чтобы каждая панель сидела на стальной конструкции и при этом образовывала гладкую поверхность, нам нужна была возможность регулировать панель в глубине, ориентации и кривизне в 3D — своего рода универсальный шарнир с тремя степенями свободы. В 1985 году я работал студентом в NASA в Калифорнии по демпфированию структур космческой станции. Ключ был в способности двигать каждую структуру и регулировать её при стыковке шаттла, чтобы вибрация быстро гасилась, немного как шумоподавление. Я использовал ту же технологию для крепления и регулировки панелей при монтаже».

Также, поскольку панели обеспечивали гидроизоляцию здания, между ними не могло быть зазоров. «Панели не могли стыковаться напрямую, или они могли треснуть», — говорит Аффан, объясняя, что из-за высокой полезной нагрузки 1,5 тонны на консольной 6-й выставочной площадке стальная конструкция действительно движется. «Мы поддерживали точно рассчитанный зазор между панелями, заполненный специальной прокладкой». Эта прокладка, достаточно мягкая для расширения, но жесткая для выдержки нагрузки, обеспечивала герметичность, сохраняя эстетику здания.

Такие решения — преимущество, отмечает Аффан. «Потому что мы из структурного фона, мы можем комбинировать много материалов. Это очень важно. Композиты — лишь один материал, который мы используем. Это был не просто композитный проект». Результаты говорят сами за себя. «Монтаж прошел хорошо, проблем не было вообще», — говорит Аффан, отмечая, что не было способа проверить, подойдет ли панель, кроме обеспечения соответствия цифровому файлу. «У нас не было ни одной панели, которая не подошла бы или была бы неправильной формы или с ошибкой в слове», — подтвердил менеджер проекта Buro Happold Боули в статье BBC Элизабет Бейнс.

Будущее модульного строительства

«Мы управляли всем процессом вместе», — добавляет Аффан. «Командная работа внутри самой компании тоже была ключевой; группы дизайна и укладки должны были координироваться. Мы никогда не делали работу такого масштаба, это был вызов, но мы любим вызовы».

К сожалению, COVID-19 ударил. «Мы закончили эту работу прямо перед пандемийным локдауном», — говорит он. «Теперь мы снизились до менее 30 человек. Это разорение. Но это затронуло всех, не только нас». И все же Аффан видит надежду на будущее и роль композитов в достижении устойчивости и инноваций, которых мир нуждается в строительстве. «Особенно в Дубае и ГСС (Совет сотрудничества арабских государств Персидского залива) люди хотят пробовать новые идеи. Это демонстрирует будущее архитектуры и строительства».

Это будущее, подчеркивает он, для тех, кто может использовать модульные системы строительства, «и COVID-19 ускоряет это. Компании будут строить модули и отправлять их на объект. Это развивается, потому что переносит неэффективности с объекта на завод, повышая контроль и качество. На объекте нужно координировать всех людей. Теряется время, ждешь других подрядчиков. Зависишь от погоды и остановок работ. Фабрикация на заводе устраняет всё это. Поскольку они прочны, легки и долговечны для транспортировки и монтажа, композиты позволяют такой модульный строитель и можно делать любые формы».

Аффан отмечает, что модульное строительство годами используется в круизных лайнерах, где каждая каюта изготовлена полностью с отоплением/кондиционером, электрикой и сантехникой, а затем собирается в стальной каркас корабля как LEGO. «Представьте, сколько времени сэкономите, когда каждый модуль уже полностью оборудован. Сейчас смотрим проект высотки таким способом с композитами», — говорит он. «Если есть FR смолы, то не нужны детали, которые раньше были металлом». Приводит пример отеля Marriott, построенного так и завершенного в прошлом году в Нью-Йорке: «то здание было из стали и дерева, но мы можем построить его из композитов».