Geist

Die Wellen des Füllgebäudes im American Museum of Natural History waren selbst mit aufgespritztem Spritzbeton schwer zu formen.Foto von Nadine M. Post/ENR

Vor fast einem Jahrzehnt, zu Beginn des Konzeptentwurfs für den 230.000 Quadratfuß großen Ausfachungsanbau des American Museum of Natural History in Manhattan, zeigten Gespräche mit potenziellen Bauunternehmern, dass herkömmliche starre Schalungen für die wellenförmigen und sich nicht wiederholenden tragenden Innenwände – entworfen in Beton, der an eine 80 Fuß hohe Schlucht erinnert, wäre unerschwinglich teuer und verschwenderisch.

„Beton ist flüssig, Schalung jedoch nicht“, sagte Jeanne Gang, Gründungsdirektorin und Partnerin des Designarchitekten Studio Gang, nach einem Briefing am 26. April im 465 Millionen US-Dollar teuren Richard Gilder Center for Science, Education and Innovation des Museums, das eröffnet werden soll 4. Mai. „Das Hindernis für Kurven ist oft die Schalung“, fügte Gang hinzu.

Das Designteam fand bald eine bessere Möglichkeit, die unzähligen Kurven der sechsstöckigen Atrium-Lobby zu gestalten. Laut Gang sagte der Projektbauingenieur Arup während der Brainstorming-Sitzungen: „Was ist mit Spritzbeton?“

Es folgte ein Ausflug, um die laufenden Arbeiten an den gewölbten Spritzbetonwänden des East Side Access-Eisenbahntunnels in Manhattan zu besichtigen. Gang war von der Methode überzeugt.

Die tragenden Wände des Lobby-Atriums, die an eine Schlucht erinnern sollten, stellten dank der amorphen Formen Komplexität für das Design- und Bauteam dar. Foto von Nadine M. Post/ENR

„Ich habe mit eigenen Augen gesehen“, welches Potenzial Spritzbetonwände haben, um die Schlucht zu formen, sagt sie und fügt hinzu, dass sich Spritzbeton auch dazu eignete, die Struktur der Schlucht und die „Fähigkeiten und das Handwerk der Menschen, die sie hergestellt haben“, zum Ausdruck zu bringen.

Es gibt kein Argument dafür, dass Spritzbeton – eine unter Druck stehende Betonaufschlämmung, die auf Bewehrungsstahl gesprüht wird, der mit einem dichten Metallgeflecht hinterlegt ist – eine einfachere Lösung war als eine starre Schalung für die sechs Ebenen unbeschreiblicher, krummliniger tragender Wände, die das 468.000 Kubikfuß große Atrium mit Oberlicht umgeben.

Aber das Team, das mit der Verwirklichung der Landschaft beauftragt war – komplett mit nicht geradlinigen „Stein“-Brücken über das Volumen auf zwei Ebenen und amorphen „Höhleneingängen“ in das konventionelle Gebäude – befand sich zwischen einem Felsen und einem harten Ort. Nicht nur, dass die Wände des Canyons buchstäblich aus dem Raster fallen, es gibt auch keine Wiederholungen in der Spritzbetonstruktur. Es gab auch keinen Präzedenzfall für eine architektonisch ausgeprägte asymmetrische Spritzbetonkonstruktion dieser Größenordnung.

Also zog das Team alle Register – einschließlich der 3D-Modellierung jedes einzelnen Balkens in den wellenförmigen Wänden sowie der Modellierung der umfangreichen provisorischen Arbeiten, die für den Bau erforderlich waren.

Die Spritzbetonstruktur, die von COST of Wisconsin im Rahmen eines Entwurfsunterstützungsvertrags hergestellt und gebaut wurde, war der Motor des Projekts, aber „es war nicht einfach“, sagt Carla Sciara, Executive Vice President von AECOM Tishman und Bauleiterin. Es war so anspruchsvoll, dass Tishman täglich drei Mitarbeiter vor Ort hatte, nur um den Betrieb zu überwachen und die Qualität sicherzustellen.

Das ursprüngliche Projektbudget betrug 383 Millionen US-Dollar. Das Museum führt den Kostenanstieg um 82 Millionen US-Dollar auf die Eskalation der Bauarbeiten, gelöste Rechtsstreitigkeiten im Zusammenhang mit der Beeinträchtigung des umliegenden Parks durch das Gebäude und die Auswirkungen von COVID-19, einschließlich Unterbrechungen der Lieferkette, zurück. Die Finanzierung erfolgt aus städtischen, staatlichen und privaten Quellen, unter anderem vom Spender Richard Gilder.

Das 230.000 Quadratmeter große Gebäude, das von Studio Gang mit Davis Brody Bond als ausführendem Architekten entworfen wurde, besteht aus einem 190.000 Quadratmeter großen Anbau und 40.000 Quadratmetern renovierter, bestehender Museumsfläche. Gilder schafft 33 Verbindungen zu 10 bestehenden Museumsgebäuden, von denen einige aus dem Jahr 1874 stammen. Dadurch wurden Sackgassen im Museumsrundgang beseitigt, was die Zirkulation und das Besuchererlebnis verbesserte, sagt Gang.

Für das Projekt wurden drei Gebäude abgerissen. Dadurch konnten etwa 80 % des Anbaus innerhalb der Grundfläche des bestehenden Museums untergebracht werden. Und das führte dazu, dass nur 11.600 Quadratfuß des 18 Hektar großen Theodore-Roosevelt-Parks auf dem Campus eingedrungen waren, so das Museum.

Zu den neuen Galerien und Ausstellungen gehören ein 5.000 Quadratmeter großes Insektarium, ein 2.500 Quadratmeter großes Schmetterlings-Vivarium, ein 5.800 Quadratmeter großes immersives Theater, ein Restaurant, ein Museumsshop sowie eine Bibliothek und ein Lernzentrum. Aber der visuelle Hingucker des Designs – und die härteste Nuss, die es für das Team zu knacken gilt – ist die Schlucht.

Die Innenwände aus Spritzbeton der Stahlbetonkonstruktion mit flachen Bodenplatten sind zwischen 6 und 14 Zoll dick. Die Wände verfügen über amorphe Öffnungen für die Zirkulation in die Flure und Räume des Gebäudes.

Der Umfang des versteckten neuen Gebäudes weist, mit Ausnahme der Spritzbetonwand am Westeingang, gewöhnliche Betonsäulen auf. Die Struktur der wellenförmigen Westwand, die in einem diagonalen Muster angeordnete rosa Milford-Granitplatten und die Fenster trägt – mit Glasfritte, um Vogelkollisionen zu verhindern – besteht ebenfalls aus Spritzbeton, ist jedoch nur an der Innenseite freigelegt.

Spritzbeton wird häufig für geschwungene Formen verwendet, da keine starre Schalung erforderlich ist. Für die tragenden Wände des Gilder Centers wurde das Material unter Druck auf die gebogenen Bewehrungsstäbe aufgetragen. Foto mit freundlicher Genehmigung von AMNH / D. Finnin

Beim Spritzbeton handelt es sich um eine Methode zum direkten Auftragen von Nassbeton, der mit hoher Geschwindigkeit geschleudert wird. Nach Angaben des American Concrete Institute wird die Mischung durch einen Schlauch auf eine Aufnahmefläche gepumpt. Die durch die Anwendung erzeugte Wirkung verfestigt den Beton.

Obwohl die ausgehärteten Eigenschaften von Spritzbeton denen von herkömmlichem Ortbeton ähneln, „führt die Art des Platzierungsprozesses zu einer hervorragenden Verbindung mit den meisten Untergründen und zu schnellen oder sofortigen Fähigkeiten, insbesondere bei komplexen Formen oder Gestalten“, heißt es ACI.

Spritzbeton wird häufig für nicht geradlinige Formen verwendet, beispielsweise für Ausstellungsstücke in Museen, Freizeitparks und Zoos. Den Museums- und Geschichtsbüchern zufolge erfand der Tierpräparator Carl Akeley 1907 die Auftragsmethode, zunächst Gunite genannt, ein paar Jahre bevor er seine Arbeit am American Museum of Natural History aufnahm. Die erste Anwendung war eine Putzmischung, die zur Reparatur der bröckelnden Fassade des Field Museum of Natural History in Chicago verwendet wurde.

Spritzbeton verzichtet auf die herkömmliche zweiseitige starre Schalung. Stattdessen dient ein flexibles, dichtes Metallgeflecht, das nach dem Schießen an Ort und Stelle bleibt, als Hintergrund, um zu verhindern, dass der Spritzbeton beim „Schießen“ an der Rückseite herausläuft. Im Museum formt Bewehrungsstahl die Wand und dient im Wesentlichen als Form.

Die strukturelle Gestaltung der Canyonwände wurde durch die Notwendigkeit erschwert, Lastpfade zu nur sechs Hauptaufsetzpunkten zu finden, da direkt unter dem Gebäude ein Wirtschaftshof vorhanden war. Die Analyse der spritzbetontragenden Wände, die die Schlucht bilden, zeigt die beiden Brücken (Mitte des Modells), die das Atrium überspannen. Strukturanalysemodell der Schluchtwände mit freundlicher Genehmigung von Arup

Die Teams errichteten zunächst die konventionellen Stahlbeton-Umfangssäulen um drei Seiten des Gebäudes herum, gefolgt von flachen Bodenplatten, die ebenfalls konventionell gebaut wurden, außer dass sie vorübergehend von der Umfassungskonstruktion bis zum Traggerüst reichten, bevor die Spritzbetonwände angebracht wurden.

Der Bauleiter ließ die temporären Arbeiten in 3D modellieren, was untypisch ist, sagt Michelle Roelofs, stellvertretende Direktorin von Arup. Anschließend überlagerte Arup das temporäre Baumodell mit seinen eigenen 3D-Modellen für die Gesamtstruktur und die Bewehrung der Canyonwand.

Arup modellierte jedes einzelne Stück Bewehrung in den Canyonwänden. Bewehrungsmodell der Canyonwand mit freundlicher Genehmigung von Arup

Die Canyonarbeiten überschatteten das Projekt. Aber es gab noch andere Probleme. Ein großes Hindernis war der Standort. Das im Grundriss etwa 250 Fuß x 200 Fuß große Gebäude befindet sich auf dem unterirdischen Versorgungshof mit zahlreichen aktiven Versorgungsleitungen und der Laderampe für den gesamten 18 Hektar großen Campus, der während der vierjährigen Bauzeit geöffnet blieb. Sämtliche Gebäudesysteme mussten betriebsbereit bleiben.

AECOM Tishman wusste von Anfang an, dass in bestimmten Gebieten sorgfältiges Graben von Hand anstelle von Baggern und Erdbewegungsmaschinen erforderlich sein würde, um das Risiko einer Beschädigung von Abwasserrohren, Stromleitungen und anderen Versorgungsleitungen zu verringern. „Es war fast so, als würden wir retten und nicht abreißen“, sagt Sciara.

Auch die Kellerbedingungen banden die Hände des Statikers, da sie die Standorte für die Kellersäulen der Canyonwand und ihre Fundamente auf sechs Hauptpunkte beschränkten, sagt Roelofs.

Nachdem Arup die Lastpfade von Hand gezeichnet hatte, erstellte er ein eigenes 3D-Modell unter Verwendung eines von Studio Gang generierten 3D-Geometriemodells und wandelte dieses in das Strukturanalysemodell um. „Beim Entwurf war es ein Hin und Her“, um die Wandöffnungen und Canyon-Brücken auf der Grundlage programmatischer Anforderungen zu lokalisieren und dennoch logische Lastpfade zu den Aufsetzpunkten zu schaffen, sagt Roelofs. „Der Schervorgang des Modellierens war eine technische Herausforderung“, fügt sie hinzu.

Die Anordnung des Canyon-Bewehrungsstahls, der als Form für die amorphen Konturen dient, erforderte die Anwendung einer Koordinatengeometrie. Viele der Stäbe mussten vorgebogen werden. Die Toleranzen für Wandeinbettungen waren eng, sowohl um die Flachböden aufzunehmen als auch um die Außenverkleidungsplatten aus Granit aufzuhängen.

COST of Wisconsin fertigte die Bewehrungskäfige für die westliche Eingangswand in seinem Werk vor, installierte jedoch auf herkömmliche Weise Bewehrungsstäbe für die Canyonwände.

Bei den Wänden bestand der erste große Schritt vor Ort in der Installation vertikaler Rohrformen, die den allgemeinen Konturen der zukünftigen Wände folgten, um den Landeweg der vorgefertigten Bewehrungskörbe zu leiten. Die Teams hängten die Rohrformen, die sich von Stockwerk zu Stockwerk erstreckten, an der Unterseite der darüber liegenden Platte auf oder stellten sie auf das darunter liegende Stockwerk.

Jede Rohrform wurde auf ihre genaue Position hin vermessen. Rohre, die alle ein bis zwei Fuß voneinander entfernt waren, hatten Abstandshalter – geschweißte Gewindemuttern, die jeweils farblich gekennzeichnet waren, um sie einem ähnlich kodierten Bolzen an einem Bewehrungskorb zuzuordnen.

Die Teams befestigten das Metallgitter „Back Splash“ an den Abstandshaltern und dann den Bewehrungsstab – ebenfalls präzise ausgelegt, um die Geometrie zu formen. Jeder Riegel war individuell beschriftet und markiert, damit er an einem bestimmten Ort aufbewahrt werden kann.

Anschließend folgte ein zertifizierter Düsenführer mit der grauen Spritzbetonschicht, beginnend am Sockel. Es gab keinen typischen Sprühabschnitt. Die Größe variierte je nach Komplexität des Abschnitts, von 5 Fuß bis 20 Fuß Länge, obwohl die Höhe eines Aufzugs typischerweise 8 Fuß betrug. Auch die Tiefe variierte.

Vorhangfassadenpaneele werden an Einbettungen aufgehängt, die in den Spritzbeton der geschwungenen Außenwand des Anbaus zwischen bestehenden Gebäuden eingelassen sind. Foto mit freundlicher Genehmigung von AMNH

Die Arbeiten an der grauen Schicht begannen am Sockel und gingen bis zur Spitze des Gebäudes. Die Teams begannen mit der weißen Deckschicht oben und arbeiteten sich nach unten vor.

Die graue Schicht sollte das Gebäude im temporären Zustand unter Baulasten stützen, so dass das Traggerüst entfernt werden konnte.

Laut AECOM Tishman arbeiteten zwei Teams am Spritzbeton. Der Bewehrungsstab musste von einem 1/2-Zoll umhüllt werden. dicker Bezug aus grauem Material.

Beim Bau der beiden Brücken, die das Atrium überspannen, trugen temporäre Stahlträger das Gewicht des Spritzbetons. Die Reihenfolge des Brückenbaus bestand aus Stahlträgern, Bewehrungsstahl, Spritzbeton und dem Entfernen der Träger.

Der Spritzbetonvorgang wurde durch das kalte Wetter und die Notwendigkeit, den Arbeitsbereich zu heizen, damit der Beton richtig aushärten konnte, erschwert. Die Aushärtung der tragenden Wände dauerte etwa 30 Tage.

Es waren keine Steuergelenke erforderlich, sagt Arup. Doch COST of Wisconsin musste die Kaltfugen für die architektonische weiße Schicht mit dem Architekten ausarbeiten, der nicht wollte, dass vertikale oder horizontale Nähte das natürliche Aussehen beeinträchtigen.

COST hatte geplant, mit dem Wandbau, einschließlich Rohren, Bewehrungsstäben und der grauen Schicht, auf der Nordseite des Atriumraums auf Ebene eins zu beginnen und sich dann zur Südseite vorzuarbeiten, wobei man sich wie ein Korkenzieher am Gebäude entlang nach oben bewegte, bevor man mit der weißen Schicht nach unten kam Endanstrich. Meistens folgte der Spritzbeton jedoch dem komplexen Bewehrungseinbau, der den Zeitplan vorgab. Die Wände des Canyons enthalten 453 Tonnen Bewehrungsstahl.

Die Arbeiter gelangten über eine provisorische Plattform im Hohlraum des Atriums, eine sogenannte Tanzfläche, und auf andere Weise in den Raum. Jeder Trieb war 5 bis 50 Kubikmeter groß, je nachdem, was verfügbar war.

Die allgemeinen Bauarbeiten begannen im Frühjahr 2019. Zuvor arbeiteten das Museum und AECOM Tishman mehr als zwei Jahre lang daran, das Gelände zu räumen und/oder bei Bedarf „lebende“ kritische Infrastruktur vom Servicehof des Museums umzuleiten.

Die Aushub- und Fundamentarbeiten begannen im Mai 2019 und wurden im Oktober 2020 abgeschlossen. Aufgrund von COVID-19 gab es jedoch eine Bauunterbrechung für etwa viereinhalb Monate, von Mitte März bis Mitte August 2020. Nach Angaben des Museums kam es aufgrund von unterbrochenen Versorgungsleitungen zu weiteren COVID-19-Verzögerungen bei dem Projekt, aber nichts davon führte zu einer vollständigen Unterbrechung der Bauarbeiten.

Von September 2020 bis April 2021 erfolgte die konventionelle Überbaubetonierung, einschließlich Randstützen und Platten, die von temporären Decks und dynamischen Stützen für die Plattenenden gestützt wurden, bevor der strukturelle Spritzbetoneinbau erfolgte.

Anschließend installierten die Teams von April 2021 bis letzten September die Rohre und Bewehrungsstäbe für die Spritzbetonwände, gefolgt von der tragenden Schicht. Als dies abgeschlossen war, entfernten die Teams das dynamische Traggerüst für die Platten. Anschließend wurde von oben nach unten die weiße Spritzbetonschicht geschossen und mit der Kelle bearbeitet.

Von November 2021 bis letzten Dezember bauten Arbeiter die Vorhangfassade. Seit Januar 2021 sei das Gebäude geschlossen und wetterfest, so das Museum. Die wesentliche Fertigstellung erfolgte letzten Monat, einschließlich der meisten Ausbauarbeiten.

Nach Ansicht des Planungs- und Bauteams gilt der Spritzbetonvorgang als der schwierigste, obwohl es unzählige Herausforderungen gab. „Alle Einschränkungen waren zum Zeitpunkt der Ausschreibung bekannt“, sagt Sciara von AECOM Tishman. Sie fügt hinzu: „Wir kannten die Hindernisse im Voraus und haben sie in den Zeitplan eingearbeitet.“

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde am 5. Mai aktualisiert.

Nadine M. Post, ENR-Chefredakteurin für die Planung und den Bau von Gebäuden, ist eine preisgekrönte Journalistin mit mehr als 40 Jahren Erfahrung in der Berichterstattung über gebäudebezogene Trends, Probleme, Innovationen und herausfordernde Projekte. Post hat über viele Branchenriesen geschrieben, darunter neun Gewinner des ENR Award of Excellence. Und sie hat über Katastrophen, Misserfolge und Angriffe berichtet, darunter den Bombenanschlag von 1993 und die Zerstörung des World Trade Centers im Jahr 2001. Eine Auswahl der Projektgeschichten von Post umfasst die Sanierung des World Trade Centers; der 828 Meter hohe Burj Khalifa; Disney Concert Hall in Los Angeles; und Seattles Experience Music Project, Central Library, Bullitt Center und Rainier Square Tower. 1985 schrieb Post McGraw-Hills Buch Restoring the Statue of Liberty (1986) für die Architekten der Restaurierung – Richard S. Hayden und Thierry W. Despont.