Schalentier statt Haut und Knochen
Diese hocheffiziente Leichtbauweise hat sich in der Raumfahrt, im Flugzeug- und Fahrzeugbau, vor allem aber im Schiffsbau durchgesetzt. Als Materialien werden faserverstärkte Kunststoffe oder Metalle eingesetzt. Die Analogie zum Außenskelett von Insekten und Schalentieren ergibt sich schon aus der Etymologie: Das griechische mónos bedeutet allein, das französische coque meint Schale, zum Beispiel bei Nüssen oder Muscheln. Bei fahrenden, fliegenden oder schwimmenden Bauten sind komplex geformte Bauteile letztendlich ökonomisch, weil zum Beispiel die strömungstechnisch optimierte »Nase« am Bug eines Schiffsrumpfs einen geringeren Treibstoffverbrauch zur Folge hat. Doch welche Vorteile bringen geschwungene Formen in der Architektur? Beim Bauen an Land sind die Herausforderungen freigeformter Flächen oft hausgemacht, eine rein gestalterische Vorliebe einzelner Architekten, der Wunsch ambitionierter Bauherren oder eine modische Erscheinung des Zeitgeists – und dennoch bewegen gerade diese Bauten die Menschen in besonderem Maße: Sei es durch ihre künstlerische Poesie oder indem sie das Vertrauen in eine Zukunft ausstrahlen, in der Hochtechnologie mit Natur harmoniert.
Pionierbau von der Schiffswerft
Als eine der ersten Architekten waren Jan Kaplicky und Amanda Levete davon überzeugt, dass Bauten, die den Geist von Mobilität ausstrahlen sollen, auch wie Helikopter, Landefähren oder Schiffe konstruiert sein müssen. Das 1999 von ihrem Architekturbüro Future Systems fertig gestellte Media Centre des Londoner Lord’s Cricket Ground ist das weltweit erste als Monocoque komplett in Aluminium realisierte Gebäude und der Vorreiter der aktuellen Monocoque-Anwendungen in der Architektur (Abb. 1). Die Architekten sprechen von Semi-Monocoque, da die Hauptlasten des Tragwerks nicht von der Hülle, sondern von den vertikalen und horizontalen Spanten getragen werden und die fugenlose Aluminiumkapsel von zwei Aufzugstürmen aus Stahlbeton durchdrungen wird, auf denen sie in 15 Meter Höhe über der Zuschauertribüne des Cricket-Stadions aufgelagert ist. Die aus den Spanten ausgeschnittenen Innentüren sind wie bei Luken eines Schiffs mit abgerundeten Ecken am Sturz und an der Schwelle gestaltet. Realisiert wurde dieser Pionierbau nicht von Bauunternehmern, sondern von Schiffsbauern – der britischen Werft Pendennis und der niederländischen Firma Centraalstaal.
BIM als Innovationsfaktor
Was heute unter dem Begriff BIM als neuester Trend propagiert wird, praktizieren Schiffsbauer seit 40 Jahren: 1973 haben sich um Groningen lokale Firmen zu einem Netzwerk zusammengeschlossen, um gegen die zunehmende Konkurrenz aus den Billiglohnländern bestehen zu können. Durch die Anschaffung der damals leistungsstärksten Computer haben sie eines der wichtigsten Rechenzentren der Region aufgebaut. Heute ist Centraalstaal Teil der CIG Central Industry Group, die mit dem Programm Nupas CADmatic die gesamte Produktionskette als 3D-Modell abbilden kann, bis hin zu den Maschinendaten für das Plasmaschneiden und das vollautomatische Biegen dicker Stahlbleche. Die Firma spezialisierte sich auf Windkraftanlagen, Wasserturbinen und Schiffe und wurde zum führenden Zulieferer geometrisch komplexer Schiffsbauteile für Superyachten. Um in Krisenzeiten der volatilen Schiffsindustrie ein weiteres Standbein im Bauwesen zu errichten, entwickelte Centraalstaal 2007 mit dem Architekten Kas Oosterhuis und der Künstlerin Ilona Lénárd die komplex reliefierte Fassade FZUID aus 6 mm kaltverformtem Aluminium für einen Wohnungsbau in Amsterdam als Pilotprojekt. Seither stammen die meisten der weltweit verbreiteten Monocoques aus Groningen oder dem Partnerwerk in Stralsund. Eine der wenigen Ausnahmen ist der dänische Pavillon der Expo Shanghai 2010, den das Team um Bjarke Ingels, Tragwerksplaner Cecil Balmond und Arup Advanced Geometry Unit aus London mit der Konstruktionsabteilung des dänischen Öltanker- und Containerunternehmens Maersk realisiert hat.
Von der Stahlplatte zum Schiff
Basierend auf dem 3D-Modell des Architekten mit der Geometrie der Hüllfläche ermittelt das Programm Nupas Blechstärken in Abhängigkeit von den Materialkennwerten.Ein Grund, weshalb es nur wenige Anbieter für hochwertige Monocoques auf dem Weltmarkt gibt, liegt in den Materialeigenschaften des Stahls begründet. Es genügt nicht, ein 3D-Modell mit der Geometrie des Endprodukts zu erstellen und auf 2D-Flächen zu projizieren. Während der gesamten Produktionskette ändern vor allem dicke Stahlbleche ihre Dimensionen, was große Auswirkungen für die Maßhaltigkeit mit sich bringt. Materialspezifische Verformungen, die im späteren Verlauf durch das Plasmaschneiden, Biegen oder Schweißen auftreten, müssen von Beginn an in die Abmessungen der ebenen Bauteile eingerechnet werden. Nur das Kaltverformen garantiert Maßhaltigkeit, warm verformtes Metall ändert seine Abmessungen im Nachhinein.
Bei Stahlplatten liegen die Standardmaße der Zulieferfirmen bei 3 ≈ 12 Meter, Aluminiumplatten sind in der Regel 2 ≈ 6 Meter groß. Ein Computerprogramm verteilt die Werkstücke auf den unbearbeiteten Halbzeugen so, dass möglichst wenig Verschnitt anfällt (Nesting). Sämtliche Querbleche, die später aufgeschweißt werden, werden bereits jetzt mit der genauen Angabe der Qualität der Schweißnähte markiert. Ein vollautomatisierter Plasmaschneider trennt die Platten aus dem Halbzeug heraus (Abb. 7). Die Technologie des High Definition Dry Plasmacutting erreicht zwar nicht die Präzision von Lasern – das ist bei den dicken Schweißnähten auch nicht erforderlich – dafür ist sie schnell und bewältigt Blechstärken bis zu 30 mm. Bis zu 120 mm dicke Bleche können im autogenen Brennschneideverfahren getrennt werden. Das stärkste je von CIG verarbeitete Blech war 80 mm stark als Teil einer Skulptur für Anish Kapoor.
Für die Herstellung von Monocoques müssen einerseits lineare Profile für die Streben, aber auch Platten für die Querstreben und die Hülle in zwei Richtungen frei verformt werden. Für beide unterschiedliche Halbzeuge hat der niederländische Schiffsbauer die Maschinen zur Verformung selbst entwickelt und immer wieder optimiert. Sogar große HEA-Träger lassen sich so computergesteuert und von einem Laser überwacht fast beliebig krümmen und verdrehen. Noch spektakulärer ist das vollautomatisierte Krümmen dicker Stahlplatten in zwei Richtungen: Krankrallen an Ketten greifen die Platte an den Enden und führen sie zwischen Stempel und Ambos einer Hochleistungspresse. Während die Presse mit bis zu 6000 kN durch vielfaches Auf und Ab wie ein vollautomatisierter Schmiedehammer, jedoch viel dosierter den Stahl bearbeitet, bewegen die Krallen das Blech synchron in der vorprogrammierten Bewegungslinie (Abb. 8). Wichtig ist hier das Aushängen der Platten zur Relaxierung des Materials. Durch spezielle Stempel mit Rollen lassen sich Stahlbleche recken wie Teig mit dem Nudelholz. Weiche Stempel sind für die Bearbeitung von Aluminium, harte Stempel für Stahl. Blechstärken von 8 bis 10 mm sind bei stärkeren Verformungen die Regel, 10 cm sind möglich, wenn die Verformungen entsprechend gering sind. Der perfekte Verlauf der Krümmungen wird von speziell ausgebildeten Facharbeitern anhand von Schablonen aus Holzwerkstoff überwacht, die später den Kunden zur Protokollierung der Qualitätskontrolle mitgeliefert werden. Im Werk werden die verformten Stahlplatten zu Bauteilen verschweißt. Die Bauteilgröße sollte so groß wie möglich sein, um die Anzahl von Montagestößen und Schweißarbeiten auf der Baustelle zu minimieren. Oft geben die Transportabmessungen, etwa die 4 ≈ 24 Meter große Ladefläche eines Schwerlast-Lkw, die Maximalgröße vor, meistens aber die lokalen Verhältnisse auf der Baustelle.
Solitäre in Kunst und Architektur
Monocoques aus Metall sind prädestiniert, als Einzelobjekte zum spektakulären Blickfang zu werden. Auf der Expo 2015 in Mailand sind es die vier künstlerisch gestalteten weit ausladenden Multimedia-Stelen »Wings« von Daniel Libeskind, die dem Schnittpunkt der Hauptachsen Cardo und Decumanus das »besondere Etwas« verleihen. Die Monocoque-Skulpturen sind ganz aus Aluminium. Mit rotierenden Schleiftellern schmirgelten Bildhauer die Oberflächen, bis sie den gewünschten Glanzgrad erreichten und von innen heraus zu leuchten scheinen (Abb. 2). Weltbekannt sind die Skulpturen aus Cortenstahl von Anish Kapoor, etwa der glockenartige Trichter von 2012, der im Sockel des 114 Meter hohen Aussichtsturms ArcelorMittal-Orbit im Londoner Olympiapark hängt. Ursprünglich in GFK geplant, brachte die Ausführung als Monocoque aus 117 individuell gebogenen Stahlblechen mit 84 Tonnen wesentlich mehr Gewicht, aber dennoch eine deutliche Kostenreduzierung. Skulptural wirkt auch die knallrote hochglanzpolierte Hülle des aufgeständerten Seminarraums im Atrium der Southampton Solent University. Hier ermöglicht die Monocoque-Bauweise durch die steife Schale nur wenige Auflagerpunkte für die filigranen Stützen, sodass der Vortragssaal mit darüber liegendem Aussichtsdeck wie eine Blase in der großen Halle zu schweben scheint. Architekt Scott Brownrigg wollte eine Oberfläche, die der Qualität eines Autolacks nahekommt. Da das perfekte Lackieren und Polieren von Epoxylack auf einer mehrfach gekrümmten fugenlosen Monocoque-Oberfläche äußerst schwierig ist, unterteilen vertiefte Scheinfugen die Fläche in Arbeitsabschnitte, die an einem Stück behandelt werden können (Abb. 9 –10). Monocoques setzten sich zunehmend auch im skulpturalen Ingenieurbau durch: So wurde das hügelige Dach der Tram-Haltestelle »Münchner Freiheit« von OX2-Architekten, im Wettbewerb als Kunststoffbau prämiert, letztendlich von RPM 2009 als Stahlbau mit vorgefertigten gebogenen Stützen aus dickem Blech realisiert (Abb. 11). Im Londoner Olympiapark werden die Lasten der 84 Meter hohen Seilbahnmasten von Wilkinson Eyre in offene Röhren eingeleitet, die aus helixartig gebogenen Stahlblechen verschweißt sind. Ein integraler Teil der Architektur ist die zweigeschossige Brückenröhre, die beide Gebäudeteile des Yas-Viceroy-Hotel in Abu Dhabi verbindet. Die verglaste Netzschale spannt über die Formel-1-Strecke und wurde von den Architekten Asymptote in der Ästhetik der Yachten der umgebenden Marina gestaltet (Abb. 17). Die besondere Herausforderung lag nicht nur in der Statik und Formgebung, sondern im äußerst ambitionierten Zeitplan bis zum unverrückbaren Termin des ersten Rennens. Nur 45 Wochen nach Auftragsvergabe war die gesamte Brücke vor Ort montiert. Durch die unmittelbare Lage am Meer konnte die obere Hälfte an einem Stück als ein vorgefertigtes Bauteil per Schiff angeliefert werden.
Monocoque aus Edelstahl
Beim Porsche-Pavillon in der Autostadt Wolfsburg von Henn Architekten und den Bauingenieuren von schlaich bergermann und partner lagen die Anforderungen neben einem straffen Zeitplan von nur sieben Monaten für Planung und Errichtung in einer perfekten Oberflächenqualität. Neben der optimalen Form übernahmen die Planer als Zielsetzung den Leitgedanken des damaligen Aufsichtsratsvorsitzenden der Volkswagen AG Ferdinand Piëch mit dem bezeichnenden Spitznamen »Fugen-Ferdl«, der sich immer für schmalste Fugen und Spaltmaße eingesetzt hat. Die ersten Tragwerkskonzepte einer Gitterschale und einer paneelierten Verkleidung wurden deshalb durch eine fugenlose Konstruktion ersetzt. Für die baureife Ausarbeitung einer Variante als fugenlose CFK-Schale waren die Bedenken, den Fertigstellungstermin nicht halten zu können, zu groß. Unter den gegebenen Rahmenbedingungen erwies sich somit ein Moncoque aus Edelstahl als die optimale Bauweise (Abb. 4 , 5). Der Pavillon ist in zwei Nutzungsbereiche unterteilt, die sich in zwei unterschiedlichen Ausführungen der Konstruktion widerspiegeln. Über den innenliegenden Showroom spannt sich eine Viertelkuppel aus Quer- und Längsstreben, bei der die Außenseite mit Stahlblech als geschlossene Fläche ausgebildet ist. Als sichtbarer Raumabschluss wurde eine unabhängige innere Raumschale in Trockenbauweise eingestellt. Der Showroom wird durch eine Betonscheibe von den Technikräumen getrennt. Vor der Betonwand, wo der Monocoque zum rundum sichtbaren Vordach wird, ist er zusätzlich auf der unteren Seite mit einem Deckblech versehen. Statisch entspricht das Monocoque vereinfacht einem gebogenen Einfeldträger, der am Boden verankert ist und in der Mitte auf der Stahlbetonwand aufliegt, von der er über das Wasserbassin auskragt. Räumlich betrachtet handelt es sich je nach Bereich um ein membranartiges Schalentragwerk bzw. ein Plattentragwerk. Die kurze Planungszeit ist auch der Expertise des Prüfingenieurs zu verdanken, der die Freigabe kurzfristig erteilte. Die statische Optimierung mit Blechdicken von nur 10 bis 12, in Teilbereichen maximal 25 mm, hat erst möglich gemacht, die Bleche in einer Weise kalt zu verformen, dass der Entwurf des Architekten umgesetzt werden konnte. Entscheidend für die Einhaltung des Fertigstellungstermins trotz schwieriger Montagebedingungen war der hohe Vorfertigungsgrad. Die Bauzeit fiel in die Wintermonate, außerdem durfte nur nachts auf der Baustelle gearbeitet werden. Da der an die Autostadt führende Kanal zugefroren war, wurden die 51 Elemente über die Straße angeliefert. Die Ausführung komplett in Edelstahl bedeutet einen Aufpreis von ungefähr 15 Prozent, hat aber wesentliche Vorteile für das Endergebnis: Sämtliche Wartungsarbeiten für Korrosionsschutz entfallen – nicht nur an der Außenhaut, sondern auch im Inneren der Konstruktion. Bei einer Ausführung der im Inneren verborgenen Quer- und Längssteifen aus Schwarzstahl hätten die Hohlräume größer bemessen werden müssen, um die Zugänglichkeit für das Auftragen bzw. Entfernen von Anstrichen zu ermöglichen. Die dünne Zungenspitze des Dachs hätte dann nicht so elegant gestaltet werden können. Im innenliegenden Ausstellungsbereich findet zwischen der frei eingestellten Raumschale des Innenausbaus und der tragenden Monocoque-Schale eine Luftzirkulation statt, die die Metallkonstruktion im Winter erwärmt. So erübrigen sich störende Schneefanggitter. Die für eine Monocoque-Konstruktion außerordentliche Ebenheit der Oberfläche aus 620 Deckblechen konnte nur durch die Vorgabe geringster Toleranzen und filigraner Arbeitsfugen, eine umfassende Bemusterung, die Abstimmung sämtlicher Schweißprozesse sowie eine durchgehende Güteüberwachung über alle Arbeitschritte gewährleistet werden: Die Edelstahlbleche wurden im Werk in Groningen geschnitten und verformt. Zu Bauteilen verschweißt wurden sie in Stralsund, in einer Halle, die komplett von der üblichen Stahlverarbeitung getrennt ist, um jegliche Verunreinigungen und chemische Korrosion zu vermeiden. Bei Edelstahl gilt äußerste Sorgfalt, da versehentliche Kratzer nicht mit Farbe überstrichen werden können.
Monocoques eignen sich nicht nur für Solitäre, sondern auch als gestalterisch »dienende« Bauteile innerhalb eines Raumkonzepts, wobei die Abgrenzung von Monocoque und Raum bis zur Unkenntlichkeit verschwimmen kann: Das wohl komplexeste Bauteil im Bauwesen wurde vergangenes Jahr in der Transferhalle des Bahnhofs Arnheim von UNStudio montiert. Nach 20 Jahren Planung und schrittweiser Fertigstellung bildet die Transferhalle den Schlussstein und das Bindeglied zwischen Hauptbahnhof, Busbahnhof, Tiefgarage und Fahrradabstellplätzen. Die Komplexität und Dynamik der Aufgabe kulminiert in einem integrierten tragenden Bauteil, das in der Mitte der Transferhalle die unterschiedlichsten Funktionen als Rampe, Stütze und Oberlicht in einer organischen Bewegung fast spielerisch aufnimmt: der »Twist«. Die Monocoque-Bauweise aus möglichst großen vorgefertigten Teilen, an die das Stahltragwerk des Dachs einfach anzuschließen ist, erwies sich als realisierbare Lösung, nachdem die ursprünglich geplante Ausführung in Stahlbeton gescheitert war. Allerdings dauerte es ein weiteres Jahr bis die Prüfingenieure die Statik genehmigten. Die Halle soll im November 2015 eröffnet werden (Abb. 12 –16).
Die mit 30 000 Quadratmetern größte bisher realisierte Monocoque-Schale ist die höhlenartige Untersicht des National Kaohsiung Center for the Arts in Taiwan, das 2016 eröffnet werden soll. Konzertsaal, Oper, Theater und Bibliothek schweben über dem Boden in einer hügeligen, an den Ecken weit auskragenden Scheibe aus einem rechteckigen stählernen Raumfachwerk, von dem die Monocoque-Untersicht mit starken Stahlfedern abgehängt ist, um Bewegungen (Wind, Erdbeben) abzufedern (Abb. 18).
Wärmegedämmte Gebäude
Werden Monocoques als wärmegedämmte, gekühlte oder beheizte geschlossene Räume ausgeführt, sind ihre bauphysikalischen Eigenschaften und die Themen Wärmebrücken und Kondensatbildung besonders zu beachten. Außerdem spielt der Brandschutz eine entscheidende Rolle.
Seit einem Jahr fertiggestellt ist das sogenannte Infoversum von Archiview in Groningen. In nur sechs Monaten war das wissenschaftliche Planetarium-Kino mit 260 Sitzplätzen komplett errichtet. Die verschweißte 65 Tonnen schwere Kugelkalotte über dem Vortragssaal wurde als ein Bauteil vom Autokran auf den Sockel gesetzt und ist von einer Schleife aus Cortenstahl für Foyer und Erschließungsflächen umgeben (Abb. 19). Die Kuppel der 360°-Leinwand im Inneren wurde im Nachhinein abgehängt. Die Monocoque-Schale ist mit einer Innendämmung bekleidet. An einigen thermisch unbedenklichen Stellen wurde sie sichtbar gelassen und unterstreicht den technischen Charakter des Gesamtkonzepts (Abb. 20).
Bei den drei Oberlichtkuppeln der Martin-Luther-Kirche in Hainburg, die von barocken Zwiebeltürmen inspiriert sind, hat Wolf Prix das formale Potenzial von der Monocoque-Bauweise voll ausgeschöpft. Hier wird der silberne Glanz auf den Fertigteilen aus Stahl durch einen Farbanstrich erreicht (Abb. 3). Die ebenso geschwungene Untersicht der Decke im Innenraum besteht nicht aus einem geschlossenen Stahlblech, sondern aus Stahlflanschen, die mit einen Drahtnetz umgeben und nach handwerklicher Technik von Stuckateuren verputzt wurden (s. DETAIL 4/2012, S. 356ff.Peter Cook realisiert gerade mit seinem Crab Studio ein Gebäude mit Zeichensaal im Garten der Bournemouth Art University mit organisch geformten Oberlichtern.
Ausblick
Monocoques aus Metall werden bisher bevorzugt für Kunstwerke, objekthafte Architektur und komplex gekrümmte Einraumbauten eingesetzt. Erste Beispiele zeigen aber, dass auch bauphysikalisch anspruchsvollere Gebäude in dieser Bauweise funktionieren. Während sich Schalen aus faserverstärkten Kunststoffen noch im Pilotstadium befinden, sind Schalen aus Metall etablierter Stand der Technik. Im Vergleich zu Stahlbetonkonstruktionen punktet die Monocoque-Bauweise, da zur Herstellung der Krümmungen kein Aufwand für Schalungen anfällt und sich Nachbehandlungen mit Betonkosmetik erübrigt. Im Vergleich zu Stahlrahmen mit vorgehängten Paneelen werden bei statisch tragenden Monocoques aufwändige Unterkonstruktionen und Justierarbeiten der Paneele eingespart. Noch bedeutet das Denken in dicken lastabtragenden gekrümmten Stahlplatten für viele Tragwerksplaner, Architekten und Bauherren Neuland. Im handwerklich geprägten Bauwesen ist es schwer vorstellbar, dass heute bis zu 10 cm dicke Bleche computergesteuert mit industrieller Präzision frei verformt werden können.
Im Bereich der Luxusyachten werden High- End-Oberflächen von Monocoques mit aufwändigsten Lackierungen versehen – zu horrenden Preisen. Um eine nur annähernd vergleichbare Perfektion in der Architektur zu erreichen, ist eine klare Definition des Qualitätsstandards nötig. Bei üblicher Ausführungsqualität wird sich immer in gewissem Maße das Muster der innenliegenden Steifen an der Oberfläche abbilden. Wer diesen rauen Charme des Schiffsbaus für seine Architektur nicht akzeptieren möchte, sollte jeden einzelnen Verarbeitungssschritt, besonders aber die Schweißarbeiten, genauestens überwachen.
