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Taichung Metropolitan Opera House in Taiwan

Digitale Prozesse: Toyo Itos Planung der Oper in Taichung

von Shozo Motosugi und Yasuaki Mizunuma

Das Opera House in Taichung von Toyo Ito demonstriert alle Stufen einer digitalen Planung: von der digitalen Übersetzung analoger Skizzen und Modelle, der softwarebasierten Simulation und Optimierung bis hin zur rechnergesteuerten Fertigung des Baus.

3D-Modell der Oberfläche
3D-Modell der Oberfläche

Das Planungskonzept für das Taichung Metropolitan Opera House geht auf einen Wettbewerbsentwurf Toyo Itos für das Gent Cultural Forum (GCF) aus dem Jahr 2004 zurück. Die Fertigstellung des Opera House ist für 2014 geplant.

Der Entwurf versteht das Thema Kulturzentrum nicht als entkoppelten Ort, sondern als Teil der Stadt. Es handelt sich um eine Gebäudestruktur, die horizontal und vertikal von eingehausten Wegen durchzogen ist. Stadt- und Klanghöhlen sowie Verbindungen zu Park und Dachgarten erzeugen fließende Übergänge zwischen innen und außen.

Analoge Arbeitsweise Toyo Itos
Analoge Arbeitsweise Toyo Itos in Form von Handskizzen

Raumstruktur

Die Raumgestaltung schafft fließende Übergänge zwischen Boden, Wand und Decke; die Räume gleiten ineinander. Die Inspiration für diese Formentwicklung liegt in Konzeptmodellen, in denen gespreizte Membranflächen eine kontinuierliche räumliche Gliederung erzeugen. Um das Raumprogramm als Leitlinie der Formgebung zu nutzen, ist eine bauliche Ordnung erforderlich, die über den gesamten Planungsprozess flexibel auf Änderungswünsche reagiert. Daraus resultiert eine Struktur, die sich wie ein lebender Organismus inneren und äußeren Zwängen anpasst. Das ordnende Raster ist nicht mehr kartesisch, sondern selbsterzeugend (emergent) und organisch.

Digitaler Entwurfs- und Planungsprozess

Ein einzelner Spezialist führt die 3D-Modulation durch. Nachdem jeder beteiligte Planer in seinem Bereich Untersuchungen vorgenommen hat, werden die minimalfunktionalen Anforderungen in einem Computermodell zusammengeführt und Überschneidungen der Programmflächen überprüft. Um die anspruchsvolle Geometrie in eine handhabbare Planung zu überführen, entwickelt man zunächst ein grobes Kreisraster, das abwechselnd versetzt Stadthöhle und Klanghöhle voneinander trennt. Für eine optimale räumliche und statische Dimensionierung wird ein räumlich abstraktes, digitales, sogenanntes Voronoi-Rastermodell erstellt.

Grundprinzip der Raumbildung
Grundprinzip der Raumbildung am Modell

Die Auswirkungen lokal erforderlicher Grundrissanpassungen auf die Gesamtstruktur lassen sich durch Aktivpunkte des digitalen Gebäudemodells steuern. Die Aktivpunkte sind assoziativ mit der sie umgebenden Modellstruktur vernetzt, Veränderungen wirken sich also punktübergreifend aus. Die Zwischenschritte werden regelmäßig mit dem Raumprogramm überlagert, dann in einzelne dreidimensionale Bauteile übertragen und geglättet. Die recheneffiziente Methode resultiert in ähnlichen, immer wiederkehrenden Minimalflächen, den sogenannten Katenoiden. Sie bilden sowohl eigene Raumzonen als auch leistungsfähige Tragwerksteile. Durch ihre Stapelung entsteht der Gesamtkörper der Oper. Ein Glättungsalgorithmus erzeugt schließlich das fließende Erscheinungsbild des Innenraums.

Da das Opernhaus als öffentlicher Raum konzipiert ist, entsteht ein komplexes Gebilde, das gleichzeitig statische Gesichtspunkte, Sicherheitsaspekte, akustische Anforderungen und Kriterien der Behaglichkeit erfüllen muss. Die Entwicklung von Bau- und Strukturentwurf steht in direkter Abhängigkeit. Ein übergreifendes Datenmodell visualisiert die daraus resultierenden Anforderungen und Konsequenzen. Die Grundkonstruktion besteht aus den beschriebenen Katenoiden, die über das Voronoi-Modell geometrisch kontrolliert werden. Um die Gesamtstruktur zu optimieren, wird die Wandungsstärke der Katenoide minimiert. Die Geometrie hat eine maximale Konstruktionseffizienz, wenn man lotrechte Elemente vermeidet, da die mehrsinnig gekrümmten Bauelemente ein flächenaktives Tragwerk ohne hohe Kerbspannungen ausbilden. Eine herkömmliche Leitungsführung in Decken und Schächten ist somit nicht möglich, weswegen die Leitungsführung gesondert zu entwickeln und räumlich zu kontrollieren ist.

Umsetzung des digitalen Modells in die gebaute Struktur

Um die Oper zu bauen, sucht man nach einer effizienten Bauweise für die aufwendige Geometrie der selbst tragenden Katenoide. Da es in Asien keine Erfahrungen mit vergleichbaren tragenden Betonschalen dieser Größenordnung gibt, hat von Planungsbeginn an ein intensiver Gedankenaustausch zur Analyse unterschiedlicher Ausführungsvarianten zwischen Cecil Balmond vom Büro Arup und Toyo Ito stattgefunden.

Die Simulationen der schwierig erfassbaren Abhängigkeiten sind ohne Computerberechnungen nicht möglich. Zu Beginn der Planung wird eine Schalenkonstruktion aus einer tragenden, mit dem CNC-Laser geschnittenen Stahlkonstruktion entwickelt, die beidseitig mit Spritzbeton umhüllt wird. Diese definiert die Geometrie. Auf komplizierte Schalungsformen wird verzichtet. Jedoch erwies sich ein reines Stahltragwerk als zu kostenaufwendig. Die Weiterentwicklung sieht eine Stahl-Beton-Verbundkonstruktion vor. Die sandwichartige Konstruktion besteht aus individuell berechneten spantenförmigen Trägern, die die Geometrie und Wandstärke vorgeben. Sie werden mit dem CNC-Laser aus Stahlblech geschnitten und anschließend mit aufgeschweißten Flanschen versehen. Die Schalenform setzt sich aus einer 2-achsig gekrümmten Armierung und einer Streckmetall-Vorsatzschale zusammen. Die Technikeinbauten sind in die gekrümmte, tragende Katenoid-Konstruktion eingebunden. Die Katenoide sind Tragwerk, Hülle und Leitungsführung zugleich.

Den ausführlichen Beitrag können Sie nachlesen in: Hauschild, Moritz; Karzel, Rüdiger: Digitale Prozesse, München 2010, S. 92ff

Alle Abbildungen: Toyo Ito & Associates, Architects (TIAA), Tokio

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