Egzoszkielety w architekturze: projekt konstrukcji hotelu Morpheus w Makao

Stalowy egzoszkielet hotelu Morpheus projektu biura Zaha Hadid Architects docenił ostatnio brytyjski Instytut Inżynierów Konstruktorów (IStructE), przyznając budynkowi główną nagrodę w kategorii Innowacje budowlane w corocznym konkursie Structural Awards. Prezentujemy szczegółowe założenia projektu egzoszkieletu, nad którym pracowali specjaliści z BuroHappold Engineering.

Hotel Morpheus projektu Zaha Hadid Architects oddano do użytku w 2018 roku. 40-piętrowy hotel mieści 770 pokoi gościnnych, sale konferencyjne, restauracje i basen na dachu. Charakterystyczne przebicia bryły pozwoliły wytworzyć zaskakujące powiązania widokowe i jednocześnie zwiększyć powierzchnię ściany doświetlającej wnętrza o charakterze ogólnodostępnym – lobby, hole, strefy rekreacyjne. Przestrzennie sztywna, stalowa konstrukcja egzoszkieletu stanowi pod względem statycznym strukturę przenoszącą obciążenia pionowe i poziome. Jej projekt opracowali specjaliści z BuroHappold Engineering

W listopadzie 2019 budynek Morfeusz w Makao autorstwa pracowni Zaha Hadid Architects, którego konstrukcję zaprojektowała firma BuroHappold Engineering, zdobył nagrodę w konkursie Structural Awards brytyjskiego Instytutu Inżynierów Konstruktorów (IStructE) w kategorii Innowacje budowlane. Jury uznało obiekt za prekursora nowej, cyfrowej ery budownictwa. Cały projekt, od pierwszych wizualizacji 3D, przez ewolucyjny rozwój i analizę możliwych opcji konstrukcyjnych, po optymalizację, produkcję i montaż elementów struktury, nie mógłby zostać zrealizowany bez ogromnych umiejętności cyfrowych i komunikacyjnych, które charakteryzują dzisiejszego inżyniera – uzasadniali sędziowie. Poniżej przedstawiamy szczególy związane z projektowaniem konstrukcji stalowego „egzoszkieletu” hotelu Morfeusz.

Egzoszkielety w architekturze: kształtowanie formy

Podczas projektowania egzoszkieletu hotelu Morpheus zostały ustalone następujące zasady: wszystkie węzły miały być ustawione poziomo do płaszczyzn stropów, wszystkie połączenia egzoszkieletu miały być ustawione poziomo oraz prostopadle do powierzchni pokrytej szkłem, wszystkie elementy egzoszkieletu miały być płaskie i pojedynczo zakrzywione. Zewnętrzne umiejscowienie struktury diagonalnej w odniesieniu do linii fasady zostało opracowane tak, aby zredukować złożoność formy elewacji. Fakt zewnętrznego umiejscowienia pozwolił na zastosowanie systemu fasady segmentowej.

Wzięto pod uwagę 10 konfiguracji egzoszkieletu. Każda zmiana niosła za sobą uproszczenie geometrii fasady oraz struktury diagonalnej, a każdy następny krok udoskonalał efektywność oraz obniżał ilość zużytej stali. Podczas procesu projektowania opracowano rozwiązanie pozwalające uniknąć zwichrowania elementów w części centralnej o podwójnej krzywiźnie poprzez zastosowanie elementów pojedynczo zakrzywionych w jednej płaszczyźnie. To usprawniło proces wytwarzania i konstrukcji elementów stalowych. Geometryczna różnica pomiędzy środnikami i półkami elementów łączącymi się w węźle oraz nominalnego skręcenia została rozwiązana w detalu połączenia.

Egzoszkielety w architekturze: rozwiązanie konstrukcyjne

Części egzoszkieletu składają się ze spawanych i walcowanych na gorąco rur kwadratowych o rozmiarach od 700 mm x 70 mm x 70 mm z S460 w dolnej części do 350 mm x 350 mm x 19 mm z S355 w części górnej. Maksymalna grubość blachy została zaprojektowana na 70 mm, tak aby pasowała do gatunku stali.

Wytworzone z rur kwadratowych trzpienie przechodzą przez fasadę tak, aby połączyć egzoszkielet z wewnętrznymi stropami zespolonymi. Konstrukcja na poziomach restauracji w części głównej na L21 i L30 składa się z serii wysokich na 3,5 m kratownic o rozpiętości 36 metrów pomiędzy dwoma żelbetowymi trzonami budynku. Podobny zestaw kratownic został umieszczony na poziomie 39, które pracują z egzoszkieletem w celu podparcia basenu oraz górnych apartamentów.

Egzoszkielety w architekturze: specjalny interface

Analizy oraz projekt konstrukcji wykonało BuroHappold Engineering, wykorzystując specjalnie stworzony interface pomiędzy programami do tworzenia geometrii (Rhino/Grasshopper) oraz analizy (Robot/Midas). Pojedyncze elementy egzoszkieletu, biorąc pod uwagę każdą jego konfigurację, były najpierw optymalizowane za pomocą procesu obliczeniowego. Pozwoliło to osiągnąć minimalną wagę danego rozwiązania dla każdego zespołu elementów i dla kilkuset kombinacji obciążeń, łącznie z sejsmicznymi oraz wiatrowymi spowodowanymi przez tajfuny.

Połączenia stalowe są zwykle projektowane za pomocą znormalizowanych metod oraz są dokumentowane przy użyciu standardowego oprogramowania do rysunków. Po uważnej analizie zdecydowano, że standardowe metody nie mają w przypadku budowy egzoszkieletu zastosowania ze względu na nieregularną geometrię i złożone stany naprężeń w węzłach. Inżynierowie z BuroHappold doszli do wniosku, że zastosowanie Metody Elementów Skończonych (FEA) do weryfikacji jest jedynym rozwiązaniem. Jasne było również to, że użycie standardowego oprogramowania nie będzie pomocne w stworzeniu dokumentacji projektu, szczególnie dla centralnej części z nieregularną geometrią.

Model do analizy globalnej budynku został utworzony przy użyciu oprogramowania Midas, ale w związku z wielkością oraz złożonością obliczenia (pojedynczy cykl) zajmowały 12 godzin. Praktycznie oznaczało to, że modelowanie i analizowanie połączeń w modelu globalnym było nieracjonalne. Jedyne praktyczne rozwiązanie opierało się na utworzeniu osobnych „lokalnych” modeli połączeń i przeniesienie odpowiadających im momentów i sił z rezultatów otrzymanych z pliku modelu globalnego od 105 kombinacji obciążeń.

Egzoszkielety w architekturze: 2500 połączeń

Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, jako że egzoszkielet miał być pokryty aluminium, wszystkie łączenia oraz towarzyszące mu blachy i śruby musiały pozostać poza strefą pokrycia opracowanej przez architekta w pliku Rhino3d. To właśnie niewątpliwie ograniczało rozwiązania geometryczne połączenia i wymagało zastosowania rozwiązań przestrzennych. W celu zrealizowania powyższych rozwiązań w strefie pokrycia fasady, oprócz opracowania modelu analizy FE dla każdego połączenia, BuroHappold stworzyło również modele Rhino3d powierzchni zewnętrznej geometrii do wykrywania kolizji.

Napięty program budowy wymagał, aby wszystkie projekty połączeń, dokumentacja oraz analizy wykrywania kolizji były ukończone w ciągu 12 miesięcy. Mając ponad 2500 połączeń w samym egzoszkielecie, należało wykonywać projekt średnio 50 połączeń w tygodniu. W celu dotrzymania harmonogramu, zastosowano nowoczesne podejście do zaprojektowania połączeń stalowych. Oznaczało to pełną analizę każdego z połączeń osobno, wykorzystując niezależne modele ROBOT z naniesionymi siłami/momentami ze wszystkich 105 przypadków obciążeniowych uzyskanych w programie MIDAS. Następnie przeprowadzono całe przedsięwzięcie przy pomocy stworzonego wyłącznie do tego projektu procesu parametrycznego w oprogramowaniu Grasshopper, które połączyło w sobie oprogramowanie MIDAS, ROBOT, Rhino3d oraz Excel.

Skrypty w programie Grasshopper pozwoliły inżynierom BuroHappold Engineering szybko przetworzyć ogromne ilości danych i uwzględnić kontrole wizualne na wszystkich etapach. Skrypty zostały zaprojektowane tak, aby stanowić przedłużenie ręki inżyniera, a nie być tak zwaną czarną skrzynką z narzędziami – ograniczenie prozaicznych czynności dało więcej czasu na skoncentrowanie się na wyzwaniach projektowych. Pozwoliło to skonstruować ponad 350 unikatowych łączeń egzoszkieletu przed planowanym terminem, zapewniając wyższą jakość w porównaniu z konwencjonalnymi metodami projektowania.

O hotelu Morpheus w Makao pisaliśmy też w numerze „A-m” 08/2018.