Een moderne state-of-the-art koepel overkapt een monumentale binnenplaats. Dit dubbelgekromde dak van ongeveer 30 bij 30 meter bestaat uit een diagonaal grid van stalen kokerprofielen, bedekt met ter plekke koudgebogen glaspanelen. De constructie werkt als reciprocal frame. Omdat de randbalk onderbroken is, houden trekstangen het geheel bij elkaar. Bijzonder is dat alle onderdelen van de net-niet vierkante gridshell uniek zijn qua hoek en afmeting.
Overkapping binnenplaats C30 Shell
Den Haag
Projectinformatie
Algemene projectomschrijving
In 1916 verrees aan de Carel van Bylandtlaan in Den Haag een statig neo-renaissancistisch kantoorgebouw dat fungeerde als hoofdkantoor van de Bataafse Petroleum Maatschappij. Qua stijl roept het gebouw herinneringen op aan de Hollandse architectuur uit de 16e en 17e eeuw. Hoewel de klassieke gevel anders doet vermoeden, was het kantoor van binnen voor die tijd hypermodern. Zo was er buitengewoon veel zorg besteed aan verwarming, verlichting, ventilatie en stofreiniging en had het een eigen telefooninrichting.
De afgelopen jaren heeft het complex - inmiddels hoofdkantoor van Shell - een grootschalige renovatie ondergaan onder leiding van hoofdaannemer De Vries en Verburg Bouw. Net als een eeuw geleden wordt ook in deze renovatie een brug geslagen tussen oud en nieuw. Onderdeel van de renovatie was de overkapping van een van de monumentale binnenplaatsen. Deze overkapping is (technisch) ontworpen, gedetailleerd, geproduceerd en gemonteerd door Octatube.
Waar oud en nieuw elkaar ontmoeten, ontstaan uitdagingen. De net niet-vierkante vorm van de binnenplaats, de aanwezigheid van een drietal torentjes op de hoeken, het niet mogen afdragen van spatkrachten en het niet mogen afsteunen op een steiger tijdens de montage, zorgden voor de nodige complexiteit bij het realiseren van dit stalen gridshelldak.
Het koepelvormige dak bestaat uit een dubbel gekromd stalen grid van ongeveer 30x30 meter met een hoogte van 3,5 meter, met daarop koud gebogen glaspanelen. De afmetingen van het grid zijn het resultaat van een nauwgezet parametrisch optimaliseringsspel. Ieder stalen profiel heeft een andere lengte en hoekverdraaiing en ook ieder glaspaneel heeft unieke afmetingen.
De staalconstructie bestaat uit een randbalk met daartussen 150 unieke knooppunten van 425 unieke kokerprofielen met 141 unieke glaspanelen erop. Dankzij de toepassing van de file-to-factory methode en het gebruik speciale 3D-lasmallen bij het prefabriceren zijn we erin geslaagd de gridshell koepel tot op de millimeter passend te maken. Het middelste gedeelte van de staalconstructie is als een reciproke frame ingehesen: de ladderframes steunen op elkaar af en maken het dak dicht.
Beschrijving staalconstructie en/of gebruik van staal
De staalconstructie is opgebouwd uit een randbalk van kokerprofielen waartussen een grid van lichte kokerprofielen het gebogen dak vormt. Het grid is bekleed met koud gebogen glaspanelen.
De randbalken zijn uitgevoerd als rechthoekige stalen profielen. Omdat de ‘ring’ rondom het dak op drie plekken wordt onderbroken door monumentale torentjes maar toch voldoende stijfheid moest behouden, hebben de randbalken een grotere doorsnede gekregen. Bovendien houden acht trekstangen met een diameter van 45 mm die diagonaal van de ene randbalk naar de aangrenzende randbalk lopen, de randbalken als geheel bij elkaar. De trekstangen bestaan uit meerdere onderdelen die zijn gekoppeld met koppelmoeren en die nauwkeurig zijn voorgespannen en afgesteld.
Door de unieke geometrische vorm van het grid hebben alle 425 stalen kokerprofielen tussen de knooppunten die samen het raster tussen de randbalken vormen, een verschillende lengte en een andere hoekverdraaiing in meerdere richtingen ten opzichte van elkaar. Om een nette gelaste verbinding mogelijk te maken is ieder profiel aan de uiteinden uniek 3D laser gesneden.
De 150 unieke knooppunten bestaan uit een rond staafelement als basispunt. De profielen sluiten slim op elkaar aan met een brievenbusverbinding: het ene deel heeft twee uitstekende stukjes materiaal, terwijl het verbindende deel daarvoor twee sleuven heeft. Sommige knooppunten zijn gelast, andere zijn een combinatie van gelaste en geboute verbindingen. Al het laswerk is uitgevoerd in gecontroleerde omstandigheden in de werkplaats van Octatube. Op de bouwplaats zijn de elementen alleen nog gebout.
Bijzondere aspecten bouwkundig concept / ontwerp
We hebben de ideale geometrische vorm van de gridshell gedefinieerd met ons parametrisch computermodel in Rhino in combinatie met Grasshopper. Daarbij hebben we gezocht naar de meest optimale balans tussen een vrije vorm met maximale hoogte, gelijke verdeling van zo groot mogelijke glaspanelen (transparantie), minimale constructieve afmetingen van staal en glas (minimaal gewicht op de bestaande constructie) en het koud buigen van het glas.
Elke verbinding van lijnen in het parametrisch model werd een knooppunt en kreeg een uniek nummer. Zodra we het knooppunt in het model hadden bepaald, kreeg het een reeks parameters. Vanaf dat moment, tot het einde van de productie, was deze knoop en dit nummer een belangrijk basispunt.
De verbindingen tussen meerdere gelaste frames zijn op het werk aan elkaar gebout. Deze boutverbindingen zijn niet momentvast, maar ook niet scharnierend. De stijfheid van de verbindingen is echter wel bepalend voor de verdeling van de krachten over het dak, hoe alle aansluitingen eruit komen te zien en of ze sterk genoeg zijn. Om de verbindingen te controleren op sterkte, stijfheid en stabiliteit maken we normaal gesproken één model. Maar voor dit project hebben we er twee gemaakt: het ene model representeert de ondergrens in stijfheid (waarbij het dak dus veel vervormd) en de andere de bovengrens. De stijfheid van de verbindingen heeft uiteindelijk de verdeling van de belasting over het dak en dus het ontwerp van alle verbindingen bepaald.
Tijdens de ontwerpfase hebben we ook verschillende rasterverdelingen overwogen. Het ontwerp kwam bij Octatube binnen met een griddeling van ~1,6m en vertrok met ~2,6m. Tijdens bovengenoemde parametrische optimalisatie hebben we gezocht naar een balans tussen een zo groot mogelijk glaspaneel in combinatie met zo min mogelijk staal en de grenzen die zitten aan het koud buigen van het glas in combinatie met de belasting onder spanning op het glas. Hoe groter het glaspaneel, hoe makkelijker het koud buigen is, maar ook hoe meer verdraaiing nodig is om binnen de vorm te blijven en hoe hoger de spanningen zullen oplopen door een groter oppervlak voor externe belastingen als sneeuw en wind.
Nauwkeurige constructieberekeningen valideerden de maximale vervorming van 126mm door de torsie die in het dak optreedt. Dit betekent dat één hoek van het glas 126mm omhoog of omlaag wordt gezet, terwijl de andere 3 in hetzelfde vlak liggen. Dit resulteert in een dubbel gekromd glasoppervlak, dat de vrije-vorm van het stalen grid volgt.
Bijzondere constructieve slimmigheden / detailleringen
De verbinding tussen de oude monumentale gebouwen en het nieuwe dak was constructief uitdagend. Het dubbelgekromde dak is namelijk een soort omgekeerd vergiet: de doorlopende randbalk komt onder spanning te staan wanneer het dak wil afvlakken en houdt zo de koepelvorm bijeen. De omtrek van de binnenplaats omvat echter een drietal monumentale torentjes die de doorlopende randbalk onderbreken. Daarom hebben we trekstangen toegepast die in een ruitvorm de vier randen van de randbalk verbinden en de randbalk in evenwicht houden. De trekstangen zijn verticaal opgehangen aan het dak.
De driedimensionale boogconstructie van het dak zakt bij neerwaartse belasting in de hoogte in en zet in de breedte en diepte uit. De spatkrachten die hierdoor ontstaan worden normaal gesproken opgevangen door de aansluiting naar de omringende bebouwing. Maar in dit geval is de monumentale bebouwing niet in staat deze krachten op te nemen. Daarom hebben we de meeste oplegpunten constructief gezien in het horizontale vlak los gehouden van het onderliggende beton: ze hebben een glijdende verbinding en kunnen hierdoor horizontaal vrij bewegen. Elke zijde van de randbalk heeft alleen in het midden één vaste horizontale oplegging in het vlak van de gevel die het dak op zijn plaats houdt, maar die loodrecht op de gevel nog steeds kan schuiven. Uitzettingen vinden dus plaats vanuit het midden van elke vaste oplegging. Daarmee voorkomen we de rotatie van de hele constructie. De randbalk fungeert als stijf element om de krachten naar de trekstangen te leiden.
Bijzondere aspecten uitvoering
Na optimalisatie en toetsing van het constructieve ontwerp volgde de praktische uitvoering.
Om verwarring bij de productie van de 425 unieke kokervormige profielen te voorkomen, hebben we een slim digitaal ontwerp bedacht. Met behulp van een in eigen huis ontwikkeld script hebben we een file-to-factory methode kunnen toepassen die van elk uniek stalen profiel 2D- en 3D-bestanden genereert met daarin alle relevante informatie voor dat profiel. Deze bestanden hebben we rechtstreeks naar een 3D-lasersnijder gestuurd, zonder bijkomend tekenwerk. De snede van de unieke hoeken, inclusief de lashoeken, kon zo exact worden ingesteld. Door de afzonderlijke onderdelen in de juiste volgorde van fabricage te produceren, te verpakken en te voorzien van nummers die overeenkomen met nummers van de knooppunten, hebben we het prefabricageproces geoptimaliseerd.
Voor een dak dat uit zoveel unieke onderdelen bestaat is prefabriceren ideaal. Er kan goed controle gehouden worden op de maatvoering en er is zicht op vervormingen die mogelijk een kritische rol kunnen spelen bij de montage. Bij cruciale montagestappen hebben we extra inmetingen gedaan. Hierdoor was een hoge montagesnelheid op de bouw mogelijk. Bovendien bereiken lassen en afwerkingen die in een gecontroleerde omgeving worden aangebracht een hogere en constantere kwaliteit. Ook waren vanwege de ligging en de gelijktijdige andere werkzaamheden op de bouwplaats minimale hijsacties en een snelle montage van de staalconstructie van groot belang.
In de werkplaats van Octatube in Delft zijn de diverse ladderframes waarin we het dak hebben opgedeeld geprefabriceerd. De langste frames zijn 20 meter. Elk profiel heeft een andere lengte en hoekverdraaiing ten opzichte van de aansluitende profielen. Om de profielen in de juiste hoek ten opzichte van elkaar te krijgen, hebben we een verstelbare mal op poten ontworpen. Deze mal is voor elk knooppunt in de exacte positie gezet met de juiste draaihoeken om te kunnen lassen.
De installatie startte met de randbalk met zijn schuifbeugels. Daarna hebben we de trekstangen in positie gebracht. Deze stabiele begrenzing vormde de basis voor het plaatsen van de vier grote zelfspannende ladderframes en de hoeken. Hiermee is de uiteindelijke positie van de randbalk verder gestabiliseerd en gefixeerd. Vervolgens vond de meest complexe handeling van de installatie plaats.
In verband met de relatief lage belastbaarheid van de kelder onder de binnenplaats was het niet mogelijk om tijdens de montage naar beneden af te steunen. Het stalen grid is daarom constructief ontworpen als reciproke frame: een constructie die zichzelf ondersteunt doordat ieder segment het vorige draagt. We hebben het grid hiervoor verdeeld in een aantal zo groot mogelijke zelfdragende ladderframes (tussen de 16 en 20 meter in lengte) die op het werk in een specifieke volgorde aan elkaar en aan de randbalk zijn gebout, zonder enige tijdelijke ondersteuning en met behulp van twee hijskranen. Een van de vier frames werd de hele dag met één hijskraan op zijn plaats gehouden. Met een andere kraan zijn de drie andere frames hier één voor één aan verbonden.
Met twee hijskranen zijn de laatste vier ladderframes ingehesen. Deze frames werken samen als een zelfspannende, stabiele structuur. Ze zijn met bouten aan elkaar vastgezet en met de andere ladderframes verbonden, zonder enige ondersteuning naar beneden. Een van de vier frames werd de hele dag met één hijskraan op zijn plaats gehouden. Met een andere kraan zijn de drie andere frames hier één voor één aan verbonden.
Ondanks de complexiteit van de dakconstructie en de installatie ervan, paste alles perfect. Alle frameverbindingen werden ter plaatse met bouten vastgezet en er hoefde geen slijpgereedschap te worden gebruikt. Dit maakte het mogelijk het volledige stalen dak in slechts twee weken te installeren.
Bijzondere functionele aspecten van het bouwwerk
Een standaard beglazingssysteem met secundaire waterweg werd geïnstalleerd op het stalen rooster onder het glas. Normaal worden deze systemen gebruikt voor rechte structuren, zoals vlakke gevels of platte/schuine daken. Daarom werden voor deze toepassing naast impacttesten ook lucht- en waterdichtheidstesten uitgevoerd op een proefmodel om het systeem te valideren.
Om de esthetiek te verbeteren, maar ook om de productie- en installatiemethoden te testen en aan te passen, werd in een vroeg stadium van het project ook een visuele mock-up gebouwd. Deze mock-up bestond uit een hoek van het dak met 3 glaspanelen en het grootste deel van de uiteindelijke detaillering erin. Naar aanleiding van deze mock-up zijn er in overleg met de klant meerdere verbeterslagen gemaakt om tot het juiste resultaat te komen.
