přeskočit na hlavní obsah

Střecha národního stadionu - Singapur

/up/images/featured/images/0-strechasingapur.jpg

Potřeba kvalitního sportoviště se zázemím byla hlavním impulsem k vypsání soutěže na zregenerování území kolem uměle vytvořené vodní plochy Kallang Basin v Singapuru. Vítězný projekt od konsorcia Singapore Sports Hub s architekty a inženýry Arup a lokální podporou architektů DAP je založen na návrhu významné architektury zasazené do několika úrovní veřejného prostoru, který bude místo oživovat během velkých akcí nadnárodního významu i během „všedního" provozu.

Střecha centrální stavby - Národního stadionu - se vyznačuje výjimečnou složitostí, která si zasluhuje hlubší poznání a je předmětem tohoto článku. Díky úzké spolupráci multidisciplinárního týmu vznikl tvar této dominanty, která se během procesu navrhování několikrát měnila. Forma dómu byla vyřešena v jednom parametrickém modelu, který postihl modulaci konstrukčních prvků i obkladového materiálu. Prezentovaný digitální návrh přispívá do diskuze o úloze výpočetní techniky a BIM a objasňuje některé postupy a metody používané v současné praxi na nejvyšší úrovni. Popisovaná velkorozponová konstrukce musí splňovat statická kritéria, jako je ochrana před poškozením od výbuchu, různá zatížení větrem a dynamické namáhání pohyblivé střechy. Vše muselo splňovat zavedená i nově stanovená legislativní pravidla a být navrženo v krátkém časovém programu.

Proces se odehrával v úzké spolupráci architektů a inženýrů, kteří si nejen osvojili existující nástroje pro rychlé navržení hmoty a její vyhodnocení, ale také si vytvořili nové postupy pro nezbytnou spolupráci mezi stavebními obory.

Projekt Singapore Sports Hub

Ideální lokalita na dohled centra města s perfektní dopravní dostupností nabídne obyvatelům i turistům širokou škálu aktivit. Sports Hub se bude rozvíjet kolem zeleného prstence volně přístupné promenády spojující všechna sportoviště s centrální stavbou Národního stadionu. Promenáda se stane krytým společenským prostorem splňujícím požadavky náročného tropického klimatu. Tato pěší zóna spojí všechny provozy nového okrsku s dynamicky se rozvíjejícím městem (obr. 1). Singapore Sports Hub (SSH) bude svou siluetou obohacovat panorama města ve dne i v noci. Stávající budova arény (Singapore Indoor Stadium) od architektonické kanceláře Kenza Tangeho tak dostane kompoziční protipól a obě hmoty vyrostou ze zelené podnože veřejného prostoru, který je oddělí od vodní plochy (obr. 2). Dialog s centrem města kolem Marina Bay je podpořen otevřením tribun a střechy dómu o průměru 312 m s nejvyšším bodem ve výšce 85 m nad hrací plochou. Zastřešení stadionu bude největší svého druhu a díky geometrii a typu konstrukce se stane velice elegantní a delikátní architekturou. V době psaní tohoto článku je projekt ve fázi realizace a dokončení je stanoveno na rok 2014.

Od samého začátku projektu se architekti snažili o trvale udržitelný plně integrovaný sportovně-rekreační areál pro každého, kde bude jasná urbanistická kompozice určena centrální budovou stadionu s navazujícími provozy víceúčelového komplexu sportovních a volnočasových aktivit.

Po dokončení bude SSH poskytovat: nový stadion pro 55 tisíc diváků s pohyblivou střechou, pohyblivými klimatizovanými tribunami; kryté centrum vodních sportů s mezinárodními parametry o kapacitě 3 000 diváků s možností rozšíření na 6 000 diváků; víceúčelovou arénu s kapacitou 3 000 diváků; 41 000 m2 komerčních ploch s 36 000 m2 prodejních ploch; středisko vodních sportů pro špičkové atlety i širokou veřejnost; existující Singapore Indoor Stadium pro 12 000 diváků s flexibilní kapacitou; informační středisko se sportovním muzeem a knihovnou. Celý komplex s mnoha sportovními budovami a flexibilním uspořádáním stanoví nový standard v několika oblastech sportovních budov, a proto je úspěch celého projektu závislý na souhře týmu složeného ze zkušených architektů, urbanistů, stavitelů a budoucích provozovatelů a pořadatelů. Cílem projektu je sportovní okrsek, který bude hostit nejen sportovní akce nadnárodního charakteru, ale stane se i katalyzátorem každodenního veřejného života. Stát Singapur tak staví na základech úspěšných mezinárodních podniků, kterými jsou závody F1 a Olympijské hry mládeže konané v roce 2010. Forma Národního stadionu je ovlivněna několika faktory, jako jsou budoucí funkce plynoucí z centrálního umístění uprostřed nové zástavby a požadavek na „ikonický" vzhled. Samotná střecha sestává ze dvou hlavních elementů: ocelové skořepiny a dvou panelů pohyblivé střechy.

Požadavky na návrh

Forma stadionu vycházela z podmínek kladených na architekty komisaři vyzvané soutěže, ale také designéry samotnými. Lokalita a zadání tak představovaly výzvu pro řešitele, kteří si dali za úkol poskytnout divákům nejvyšší komfort a zároveň zajistit komunikaci a obslužnost s okolím, jít za hranice běžných požadavků na velké stadiony a jejich zázemí. Stadion je navržen stejně jako převážná většina moderních stadionů tak, že ocelová konstrukce střechy je oddělena od betonové superstruktury tribun (např. pekingský olympijský stadion). Návrhem tribun začal architektonický proces plnící požadavky na multifunkční prostor podle soutěžních podmínek. Tribuny jsou uspořádány do tří pater, aby vyhovovaly provozu stadionu a nástupu diváků. Nástup veřejnosti je na úrovni 3. patra stavby a segreguje se tak od nástupu sportovců. Výše zmiňovaná promenáda je tak na úrovni ochozu nejspodnějšího patra sezení. Proměnnost a využitelnost stadionu je podpořena pohybem spodní části tribun. Tyto tribuny se pohybují vpřed ke hrací ploše fotbalového hřiště a zase ustupují vzad, aby vznikl dostatečný prostor pro atletickou dráhu a doskočiště pro atletická klání.

Elegantní tvar nejvyššího patra tribun dal původní impulz k celkovému tvaru střechy. Obvod posledních řad je těsně obepnut ocelovou konstrukcí, která byla optimalizovaná právě tak, aby nevznikaly zbytečné prostory, které by prodražovaly stavbu a byly by nežádoucí pro atmosféru při sportovních a společenských událostech (obr. 5). Diváci si tak mohou vychutnat zážitky z koncertů v obrovském uzavřeném prostoru, ve kterém je možné zavěsit další pomocné konstrukce ze střechy, sportovní klání na přirozeném travnatém hřišti a rozličné show, jakou je například National Day Parade. To všechno v tropickém klimatu za častých a vydatných srážek a při co nejlepším tepelném komfortu diváků. Aby byl zaručen dostatečný přísun vzduchu, byl sestaven multidisciplinární tým z architektů a specialistů na klima a prostředí. Přírodní podmínky Singapuru, který se nachází téměř na rovníku, byly důležitými vstupními daty pro návrh budovy. Tým tak vytvořil několik modelů, které simulovaly pohyb a teplotu vzduchu obsazeného stadionu, a došel k uspokojivým výsledkům pouze za předpokladu použití umělé úpravy vzduchu. V těch ročních obdobích, kdy jsou vysoké hodnoty teplot a vlhkosti, bude pod každou sedačkou vháněn do prostoru pro diváky chlazený vzduch.

Konstrukce skořepiny

Všechna kritéria musí splňovat konstrukce celkového zakrytí velkorozponovým zastřešením pouze s obvodovými podporami, a proto bylo výzvou navrhnout hmotu s minimálním použitím materiálu a ceny stavebních prací. Pevná střecha je ocelová prostorová skořepina tvořená soustavou protínajících se hlavních a vyplňujících nosníků (obr. 13, 15), kdy se síly přenášejí do kruhového železobetonového věnce pod úrovní promenády. Mezi hlavní nosníky také patří 6 paralelních oblouků, které nesou mechanismus umožňující pohyb panelů po pevné části střechy.

Multidisciplinární přístup k navrhování umožnil vstup statiků přímo v průběhu architektonického navrhování. Proto byl sestaven parametrický model, který určoval tvar a detaily střechy. Hlavní nosníky se protínají v několika místech a vytvářejí tak stabilní konstrukci, která vykazuje odolnost a stabilitu i při náhlém selhání jedné podpory (například v případě teroristického útoku). Celek tak nekolabuje a umožňuje dostatek času na bezpečné opuštění stadionu. Střecha je celkově symetrická podle dlouhé osy hrací plochy a díky svému otevření k centru města je asymetrická podle krátké osy hřiště. Nosníky nesoucí koleje posuvných střešních panelů překlenují otvor ve střeše. Rozestup nosníků a velikost otvoru jsou navrženy dle požadavku na dostatečný prostor pro přistání parašutistů na stadionu a na dostatečné oslunění hrací plochy.

Celkově je geometrie střechy řízena dvěma kulovými plochami: horní plocha má poloměr 208 m. Hloubka střechy se mění se vzdáleností od ideálního průmětu středu koule na její vrchní plochu. Na úrovni promenády je vzdálenost mezi plochami 2.5 m a na vrchlíku je to 5 m. Všechny nosníky primární i sekundární osnovy jsou trojúhelníkové ve svém tvaru a sestávají z trubek o různém průřezu (od 160 mm do 508 mm). Nosníky jsou při vrcholu asi 3,5 m široké a zachovávají si poměr stran, které se zužují podle toho, jak se blíží k podporám na promenádě. Tento poměr je vyjádřen jednoduchým matematickým vzorcem, kdy šířka nosníku se rovná hloubce konstrukce násobené konstantou 0.8 (obr. 6). Tento poměr je kritický pro celou geometrii střechy a udává tak velikost všem elementům. Obrázek 7 ukazuje globální vztah nosníků a jejich velikost určenou pomocnými geometriemi koulí.

Převažující materiál je hliníkový obklad na pevné části, kilometr dlouhou kruhovou promenádu chrání před sluncem a deštěm lamely z průsvitné PTFE membrány. Pohyblivé panely kryjí ETFE polštáře.

Pohyblivá střecha Tribuny a hrací plocha jsou plně chráněny před deštěm a sluncem (na obr. 3 je řez budovou se zavřenou pohyblivou střechou), pokud jsou panely u sebe, a naopak v otevřené poloze umožňují přístup vzduchu a slunečních paprsků a udržovat tak přirozené travnaté hřiště. Obrázek 4 srovnává velikost stadionu se siluetou opery v Sydney. Zároveň se otevírá pohled na panorama centra Singapuru. Tento fakt je důležitý pro dobrou viditelnost akce ve vzduchu nad stadionem během pořádání leteckých show a přehlídek. Soustava na sobě nezávislých podvozků se pohybuje po kolejnicích integrovaných do krytiny střechy. Panely jsou tvořeny soustavou příhradových nosníků s flexibilním spojením, které umožňují pohyb střechy a zaručují celkovou minimální spotřebu materiálu. Mnoho kloubních spojení a geometrických souvislostí spojených s vlastnostmi ETFE membrán dalo vzniknout několika variantám vzorů, které byly posuzovány architekty a příslušnými státními orgány z hlediska estetické a technické kvality. Střecha s konstrukcí o hloubce 2,5 m navržená do extrémních podmínek s větrem o rychlosti 13 m/s, teplotě 45° C a vlhkosti 95 % se otevře během 20 minut. Jako důležitá součást urbanismu bude průsvitná krytina o ploše 20 000 m2 podsvícena soustavami LED světel a oživí tak večerní siluetu města.

Lamely nad promenádou

Konstrukce lamel je určena dvěma řídicími kulovými plochami stadionu a je pokryta průsvitnou PTFE membránou. Nejspodnější lamela koresponduje s výškou ochozu 4. patra stadionu, dalšími parametry byly přesah 30 ° lamel (pro srážky), maximální viditelnost z ochozů stadionu a odstínění přímých slunečních paprsků na promenádě při zachování maximálních hodnot osvětlení. Spojení parametrického modelu s programem pro světelnou analýzu umožnilo testování tisíců hmotových kombinací, které byly vyhodnoceny pomocí optimalizačních algoritmů. Pro tento úkol autor článku sestavil automatický proces zahrnující programy Generative Components, Radiance a Matlab (obr. 8). Výsledek byl získán schopností počítače vybrat nejideálnější konfiguraci pro zadaná kritéria, a ačkoliv se zdají varianty velice podobné, konečné délky a plochy na cca 350 m dlouhých a 7 m širokých lamelách je významný. Celková plocha membrány tvořící spolu s konstrukčními prvky lamely dosahuje 19 000 m2. Statika Pro Národní stadion byly vyvinuty postupy, které integrovaly software pro parametrické definování formy a platformy pro statickou analýzu. Procesy vyvinuté skupinou Arup kombinují programy pro modelování formy - Digital Project, Rhinoceros, Generative Components a GSA (program vyvinutý firmou Oasys pro analýzu a navrhování konstrukcí). Díky tomu bylo možno provést techniku hledání formy v několika iteracích a vyhodnotit nejlepší variantu. Model byl vždy zachován „živý" s aktivními parametry s tím, že se nadále měnil tak, jak bylo potřeba podle architektonických a statických požadavků. Obrázek 9 dokumentuje testování několika scénářů z původního digitálního hledání formy. Sloupec A znázorňuje průběh tlakových sil a sloupec B ohybové síly. Pro finální posouzení byla importována data ve formě číselné databáze z modelu v Digital Project do GSA a zase zpět pro posouzení architektonické způsobilosti velikosti kruhových průřezů konstrukčních prvků. Vše se odehrálo pomocí speciálně sestavených programů pro tyto účely. To umožnilo architektonické části týmu svobodu tvarové změny za přímé zpětné vazby od statiků. Konstrukce tak mohla být posouzena při každé změně bez opětovného definování zatížení, které je mnohdy zdlouhavé a vyžaduje pozornost inženýrů-designérů.

Statické schéma dómu a architektonické vize estetiky se vyvinuly v soustavu již  zmíněných nosníků, které dodávají budově charakteristický vzhled. Mezi jinými estetickými požadavky byly dva hlavní, které se dají vyjádřit matematicky: všechny oblouky musí mít stejnou šířku v místě křížení a všechny konstrukční prvky na spodní řídicí ploše se musí protínat v jednom bodě. Toto bylo opět vyřešeno pečlivým definováním parametrů ve fázi návrhu. Pro osnovu hlavní a „výplňové" konstrukce (která je ovšem nedílnou součástí skořepiny) byly navrženy soustavy konstrukčních os, které udávají pozici všech konstrukčních komponentů na střeše. Obrázek 10 ukazuje řešení os. Autoři návrhu, architekti i statici, se snažili o co nejlepší zaintegrování masivní konstrukce do veřejného prostoru promenády. Stalo se tak minimalizováním železobetonového zakončení ocelových podpor. Podstavy komplexního tvaru navazují na geometrii ocelových nosníků a kryjí složitou síť výztuže a kotevních prvků ocelových desek. Na obrázku 11 je foto jednoho z několika fyzických modelů, které pomohly studovat vztah střechy a promenády.

Prostorový vzor z konstrukčních elementů

Navrhování střechy v parametrickém programu je důležité pro rychlé reakce na měnící se požadavky na funkčnost a estetiku hmoty. Digitální model sestává z několika vrstev, které jsou na sobě závislé, ale umožňují snadnou ovladatelnost. Způsob práce se dá popsat jako spirálovitý, kdy na začátku vznikají studie pro pozici a umístění nosníků, způsob napojení protínajících se elementů a stavební proveditelnost prvků. Poté se přidávají další parametry reprezentující počet a pozice oblouků pro vynesení pohyblivé střechy, pozice nosníků definující otevřený prostor ve střeše a vztah konstrukce a tepelně izolované obkladové vrstvy střechy. (Obr. 12 dokumentuje vývoj geometrie pevné střechy). Všechny parametry iniciovaly počáteční rozvahu nad rozmístěním hlavních nosníků, končící estetickým zhodnocením celkového vzhledu stadionu. Po dobu několika měsíců vznikal zhruba každý druhý den kompletní model střechy dómu, který byl zhodnocován na vizualizacích a pracovních fyzických modelech. Tyto modely byly exportovány z parametrického modelu, který ale do samotného závěru výroby konstrukčních výkresů zůstal aktivní s možností změny. Tento model byl také dále měněn ve fázi kontroly výrobních výkresů specializovaných dodavatelů, kteří byli vybráni v tendrovém řízení a podávali návrhy na dílčí změny návrhu. Nikdy se tak nestal statickým, naopak slouží jako robustní aktivní databáze 3D dat obsahující celkově přes 112 km konstrukčních prvků (obr. 13) a téměř 100 000 m2 obkladového materiálu (obr. 14).

Závěr

Návrh Národního stadionu do Singapuru by nebylo možno uskutečnit bez intenzivního využití počítačové techniky a programů umožňujících parametrické navrhování. Vše začalo instrumentalizováním základních principů v podobě parametrů do geometrie tribun a poté do výrazu fasád a střechy. Skripty psané pro různé programy (Microstation, Rhinoceros, Digital Project, Generative Components) umožnily rychlou manipulaci s daty a generování kvalitního prostoru pro diváky a konstrukce vysoké estetické kvality (obr. 15). Kombinace a upravování dostupných programů se jeví jako nejlepší cesta od prvotních skic až po komplexní statické hledání formy konstrukcí. Automatizace a zhodnocování nejen jednotlivých prvků konstrukce, ale celkového působení hraje velkou roli v dosažení nejlepších výsledků, které jsou později pomocí moderních CNC technologií přeneseny do výroby a na stavbu samotnou. Ovšem i zde platí, že digitální technologie je sice na vysoké úrovni sofistikovanosti, ale vždy se jedná pouze o nástroj. Od 70. let minulého století se diskutuje architektonický návrh, který je plně v moci počítačů a jeho automatických algoritmů. Ačkoliv byly procesy použité pro návrh popsané střechy na vysoké úrovni sofistikovanosti mnoha automatizačních skriptů, vždy se tak stalo na uvážlivý popud autora - architekta.

Ve své podstatě je střecha nejen obálka, která chrání před povětrnostními vlivy, ale jedná se i o membránu ovlivňující prostředí a výrazně určující mikroklima uvnitř stadionu. Komplexnost stavby je výrazně podmíněna nejen tvarem, ale i tepelně izolačními vlastnostmi zvoleného materiálu. Teoretické hodnoty teploty a vlhkosti jsou závislé na zvoleném materiálovém systému, což v porovnání s ostatními stadiony přináší další podnět, který je třeba zohlednit v návrhu.

PAVEL HLADIK, CLIVE J. LEWIS / ARUP 

zdroj: časopis ARCHITEKT­­

Líbil se vám článek?

ano: 288     ne: 323

Doporuč


 

Poslat známému


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Ochrana údajů –  Podmínky při poskytování služeb