Constructie & uitvoering Utiliteitsbouw
Millenniumtoren Rotterdam
Beton-innovaties maken hoogbouw tot interessante uitdaging ir. C.A.J. Sterken, BAM Planadvies, Bunnik
Aan de sky-line van Rotterdam verrijst op een oppervlakte van amper 30 x 40 m2 één van de weinige multifunctionele hoogbouwprojecten in Nederland: de Millenniumtoren. Met 34 verdiepingen en een hoogte van 134 m (met mast 149 m) is het tevens één van de hoogste gebouwen van ons land. Bij de bouw zijn twee unieke bouwmethoden toegepast, namelijk de inzet van een zelfklimmende gevelbekisting en de toepassing van het innovatieve Bubble Deck vloersysteem. Mede hierdoor kon de ruwbouw met een snelheid van vier werkbare dagen per verdieping worden gerealiseerd.
Samen met de hoofdconstructeur heeft de bouwcombinatie intensief gestudeerd op de keuze van het draagconstructiesysteem in combinatie met de bouwmethode. De keuze van het constructiesysteem is van groot belang voor het beperken van de hoeveelheid benodigd materiaal voor de stijfheid van het gebouw. Bij hoge gebouwen is het stijfheidscriterium altijd maatgevend. Het materiaal wordt het meest efficiënt gebruikt indien zoveel mogelijk verticale belasting wordt afgedragen aan constructie-elementen die de stijfheid van het gebouw verzorgen. Voorts beperken hoogwaardige materialen het constructieoppervlak ter plaatse van de onderste verdiepingen.
Kern met overdrachtsconstructie Indien de binnenkern niet voldoende stijf is, kan extra stijfheid worden toegevoegd door de gevelkolommen stijf aan de kern te verbinden met behulp van een overdrachtsconstructie op één of twee niveaus in het gebouw. Dit zijn stijve vakwerkspanten of betonwanden van kern naar gevel met een hoogte van twee verdiepingen, die ervoor zorgen dat de gevelkolommen het roteren van de kern verhinderen. De overdrachtsconstructies worden bij voorkeur aangebracht ter plaatse van technische ruimten. Aangezien het lastig was de overdrachtsconstructies te integreren in het gebouwontwerp, is dit systeem afgevallen. Een bijkomend nadeel van overdrachtsconstructies is dat zij tijdens de uitvoering een verstorende factor zijn.
Keuze constructiesysteem
Behalve door de hoogte wordt de keuze voor het constructiesysteem mede beïnvloed door nietconstructieve factoren zoals plattegrondvorm, afmetingen, gewenst gevelaanzicht, functie van het gebouw, constructiemateriaal, en locatie en verloop van installaties. De slankheid van het gebouw en de plattegrondvorm spelen bij de keuze een doorslaggevende rol.
34 cement 1999
8
De afmetingen van de hoogbouw bedragen L x B x H = 37 x 27 x 134 m3 (fig. 1). Bij een slankheid H/B = 5 komen de volgende constructiesystemen in aanmerking: - kern met overdrachtsconstructie; - gevelbuis; - kern met raamwerken. De plattegrondvorm is rechthoekig met in de kopgevels de uitkragende erkers. Alle verticale elementen zoals liften, trappen, kabels en leidingen zijn ondergebracht in een centrale kern. De architect had een voorkeur voor een vlakke gevel aan de binnenzijde, bekleed met een ‘regenjas’.
1 | Opengewerkte isometrie
Constructie & uitvoering Utiliteitsbouw
Gevelbuis Een gevelbuis bestaat uit dicht op elkaar geplaatste kolommen, die ter plaatse van elke verdieping buigstijf worden verbonden met hoge gevelbalken. Hierdoor ontstaat een met raamopeningen geperforeerde, in de fundering ingeklemde ‘gevelbuis’ met de vloeren als verstrijvingsschotten, die veel effectiever is dan een stijve binnenkern. Bij de Millenniumtoren zou de effectiviteit van de gevelbuis sterk worden gereduceerd door de relatief grote kolomafstand van 3,60 m en de sparingen voor de uitkragende erkers. Door de erkers wordt op de meest cruciale plaats de gevelbuiswerking verstoord. Uit constructief oogpunt zou het veel gunstiger zijn de erkers in de langsgevels te plaatsen. Dit was echter architectonisch onaanvaardbaar. Kern met raamwerken Uiteindelijk is een stijve binnenkern gekozen, in combinatie met een ‘verzwakte’ gevelbuis: twee Uvormige gevelraamwerken die in de kopgevels ter plaatse van de erkers zijn verbonden door stijve balken (fig. 2). De erkerbalken
zorgen voor de samenwerking van de met raamopeningen ‘doorponste’ U-vormige geveldelen. Het gedrag van de gevelconstructie bij wind op de langsgevels ligt tussen het gedrag van een stijve gevelbuis en het gedrag van twee afzonderlijke U-vormige geperforeerde wanden, belast om hun zwakke as. De gevel met een dikte van 300 mm neemt 50% van de windbelasting voor zijn rekening; de overige 50% wordt opgenomen door de kern met wanddikten van 300 en 400 mm.
Materiaalkeuze
Voor het constructiesysteem zijn vervolgens drie materiaalvarianten onderzocht, met als uitgangspunt een in het werk gestorte betonkern: - in het werk gestorte betongevel in combinatie met een kanaalplaatvloer; - geprefabriceerde betongevel in combinatie met een kanaalplaatvloer; - stalen raamwerkgevel in combinatie met een staalplaatbetonvloer.
Multifunctioneel ontwerp De Millenniumtoren is gesitueerd op één van de spaarzame toplocaties in het centrum van Rotterdam: hoek Weena - Kruisplein, naast het Plazagebouw en het concertgebouw De Doelen. De onderste dertien lagen van de toren zijn bestemd voor een vijfsterrenhotel (fig. A). De 21 verdiepingen daarboven hebben een kantoorbestemming (fig. B). In eerste instantie waren op de twee hoogste etages vier luxe penthouses gesitueerd. Elk penthouse telde twee verdiepingen en beschikte over een sauna, een solarium en een balkon op 124 m hoogte. De penthouses zijn later vervallen en vervangen door kantoren en vergaderruimten. Het gebouw is onderkelderd met twee verdiepingen voor parkeren, die voor een gedeelte buiten de hoogbouw steken. De parkeergarage krijgt een verbinding met het Plazagebouw en het hotel wordt voorzien van een loopA | Hotelbouwlaag 11 - 35500 +P brug naar De Doelen. De technische ruimten zijn geprojecteerd in de parkeerkelder, op verdieping 13-14 en boven in het gebouw op verdieping 33-34. De kantoren en het hotel worden bereikt met twee afzonderlijke liftgroepen. Veel aandacht is besteed aan de flexibiliteit van het gebouwontwerp: de functie van een verdieping moet in de toekomst nog kunnen wijzigen. Dit heeft geresulteerd in de keuze van een B | Kantoorbouwlaag 27 - 99900 +P dieptemaat van 9 m van kern tot gevel. Deze maat is zowel goed voor het kantoordeel (kantoor 7,2 m met gang 1,8 m) als voor hotelkamers inclusief sanitair. Alle verdiepingshoogten zijn 3,4 m, hetgeen ook voor de bouwmethode gunstig is. De kantoorlagen hebben een volledig open, vrij indeelbare plattegrond met een verlaagd plafond met een vrije hoogte van 2,6 m. Op de hotellagen wordt alleen in de gangstrook een verlaagd plafond toegepast. De gevel, opgebouwd uit wit gepolijst graniet in combinatie met blauw-grijze glaspanelen, maakt een lichte en transparante indruk. De verticaliteit en hoogte van het gebouw worden extra versterkt door de uitkragende erkers, voorzien van een glaspui, aan de noord- en zuidgevel van het gebouw en door de afschuining aan de top.
2 | Constructiesysteem kern met raamwerken
cement 1999
8
35
Constructie & uitvoering Utiliteitsbouw
Op basis van reële vergelijkingskosten is uiteindelijk gekozen voor een in het werk gestorte betonkern, een in het werk gestorte gevel en een kanaalplaatvloer (later gewijzigd in de Bubble Deck vloer). Om de hoeveelheid wapening en het constructieoppervlak te beperken, is zowel voor kern als gevel gekozen voor B 65. Ter plaatse van de vierde verdieping is een gedeelte van de gevel uitgevoerd in B 85. De U-vormige geveldelen worden buigstijf gekoppeld door ingestorte stalen HE 600 B erkerbalken.
3 | Inhangen van een Bubble Deck vloerelement
De drie varianten zijn getoetst aan de beoordelingscriteria: directe bouwkosten, benodigde cyclustijd, benodigde voorbereidingstijd, bouwtijdrisico, invloed op verdiepingshoogte, eigen gewicht/ invloed op fundering, invloed op gevel, geschiktheid voor het aanbrengen van kabels en leidingen, flexibiliteit voor het aanbrengen van sparingen, benodigde tijdelijke ondersteuningen van de vloer, vereiste organisatiegraad (manbezetting) en benodigd materieel voor verticaal transport.
Kort samengevat kan worden gesteld dat de staalvariant, door de hogere materiaalkosten en de hoge kosten voor het aanbrengen van de brandwerende bekleding, niet kon concurreren met beton. Aangezien de cyclustijd van vier werkbare dagen per verdieping bij alle varianten werd bepaald door de bouw van de kern, werd qua bouwsnelheid geen winst geboekt voor de varianten in staal en geprefabriceerd beton. Bij de variant met de geprefabriceerde betongevel waren de bouwkosten aanzienlijk hoger en trad een verhoogd bouwtijdrisico op in verband met windverlet. Bubble Deck vloer
Na het gereedkomen van het definitief ontwerp heeft de bouwcombinatie een haalbaarheidson-
derzoek opgestart naar mogelijke toepassing van het nieuwe Bubble Deck vloersysteem (foto 3). Aangezien de bouw reeds was begonnen, waren de randvoorwaarden dat het vloergewicht niet mocht toenemen en de constructiehoogte ongewijzigd moest blijven. Uiteraard diende te worden aangetoond dat het vloersysteem zou voldoen aan de Nederlandse regelgeving voor veiligheid, bruikbaarheid, brand en akoestische kwaliteit. Tevens werden nog diverse ontwerp- en uitvoeringsaspecten bestudeerd en is een vloerdeel van 9 x 9 m2 beproefd. Na een onderzoek van circa vijf maanden en na te zijn overtuigd dat deze nieuwe vloer aan alle eisen en wensen voldoet, is de kanaalplaatvloer vervangen door het innovatieve Bubble Deck vloersysteem. Het Bubble Deck vloersysteem is een variant op de breedplaatvloer met als belangrijkste verschil dat in de vloer bolvormige ruimten worden uitgespaard. Door de isotrope eigenschappen van de bollen kan de vloer in twee richtingen dragen. Bij de toegepaste vloerdikte van 330 mm bedraagt de diameter van de kunststof ballen 270 mm. De onder- en bovenschil van de plaat zijn 30 mm dik. De afstanden tussen de ballen bedragen eveneens 30 mm. De geprefabriceerde plaatelemen-
4 | Uitvoering van de klimfasering fase 1: storten van de vloer en sluiten van de buitenkist; fase 2: storten van de gevelwand; fase 3: ontkisten van de sluitwand, lossen van de gevelwandsparingen, ontkisten van de stelwand en treffen van voorbereidingen voor het klimmen; fase 4: aanbrengen van de ophangschoen en hydraulisch klimmen van het klimprofiel; fase 5: hydraulisch klimmen van de gevelwandbekisting; fase 6: stellen van de binnenkist, maatvoeren van de sparing, plaatsen van vloerstempels en inhijsen van de vloerplaten; fase 7: aanbrengen van de prefab kolomwapening, vlechten van de balkwapening en vlechten van de traditionele vloerwapening; fase 8: storten van de vloer en sluiten van de buitenkist.
36 cement 1999
8
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Fase 4
Constructie & uitvoering Utiliteitsbouw
ten met afmetingen van 3 x 9 m2 worden compleet met onder- en bovenwapening en tussengeklemde ballen aangevoerd en in het werk afgestort. In totaal zijn circa een kwart miljoen ballen in de toren verwerkt. Om het beton goed rondom de ballen te laten vloeien is B 35 toegepast met een plastificeerder en een grootste zeefmaat van 16 mm. De vloeren zijn monoliet afgewerkt. De belangrijkste voordelen van het Bubble Deck vloersysteem zijn: - relatief lichte vloerconstructie. De vloer met een dikte van 330 mm heeft een gewicht gelijk aan een massieve vloer van 215 mm (reductie van 35%); - vlakke vloerconstructie. Als gevolg hiervan heeft de opdrachtgever besloten om in de hotelkamers het verlaagd plafond te laten vervallen; - grote elementen van 3 x 9 m2, waardoor het aantal kraanhandelingen tot een minimum kan worden beperkt; - relatief weinig toegevoegde arbeid op de bouwplaats. De stekkenbakken bij de kern en de gevel moeten worden uitgebogen en bovenwapening ter plaatse van de kern, alsmede koppel- en voegwapening moeten in het werk worden aangebracht; - geen oplegnokken ter plaatse van de kern en de gevel. Dit betekent een vlakke bekisting
Fase 5
waarin voor de koppeling stekkenbakken worden aangebracht; - grote flexibiliteit bij het aanbrengen van sparingen, hetgeen met name in het hoteldeel voordelen opleverde; - en zeker niet onbelangrijk: het is een concurrerend vloersysteem. Uitvoering en logistiek
Bouwen op de locatie van de Millenniumtoren is als het ware bouwen onder je voeten (zie coverfoto). Nauwelijks ruimte voor opslag; de bouwvloer is de bouwplaats. Door het enorme bouwvolume op de zeer kleine bouwplaats was de logistieke planning van groot belang voor het welslagen van dit project. Voor de bouw is zoveel mogelijk gerekend op montage vanaf de wagen, in combinatie met beperkte opslag op het voorterrein, in de kelder en op de verdiepingen. De afroep en aanvoer wordt door een logistiek manager geregeld volgens een transportschema met als uitgangspunt alle leveringen ‘exact op tijd’ en ‘klaar voor gebruik’. Bij het streven naar een minimale bouwtijd is het verticale transport de kritieke factor, waarbij vooral de maximale kraancapaciteit van doorslaggevende betekenis is. In verband met de beperkte ruimte konden op dit project slechts twee torenkranen worden geplaatst.
Fase 6
Deze kraancapaciteit als gegeven, in combinatie met de wens van een cyclustijd van vier werkbare dagen per verdieping, heeft geleid tot een aantal kraanonafhankelijke bouwsystemen. De belangrijkste zijn zelfklimmende bekistingen voor kern en gevel, een vaste betonpomp in de kern en kraanloze gevelmontage. Het verticaal transport wordt uitgevoerd met twee torenkranen, een goederenlift en drie personenliften. De definitieve liften zijn pas in een laat stadium van de bouw gereed en kunnen maar beperkt worden ingezet voor het transport van lichte materialen en personen in de fijne afbouwfase. Een minimale bouwtijd kan enerzijds worden bereikt door de bewerkingstijden (cyclustijden) te verkorten en anderzijds door de intervallen tussen de diverse bewerkingen te beperken. Het verkorten van de cyclustijden betekent in de ruwbouwfase het toepassen van geavanceerde arbeidsextensieve bouwmethoden en uitvoeringstechnieken. Bij de Millenniumtoren is de hoeveelheid toegevoegde arbeid op de bouwplaats beperkt door de wapening zoveel mogelijk te prefabriceren, de inzet van zelfklimmende bekistingen en de keuze van het Bubble Deck vloersysteem (fig. 4).
Fase 7
Fase 8
cement 1999
8
37
Constructie & uitvoering Utiliteitsbouw
Organisatie Bij de realisering van de Millenniumtoren heeft de opdrachtgever gekozen voor een ‘Design and Build’-opdracht. Zowel tijdens de ontwerp- als de bouwfase trad de bouwcombinatie op als coördinator en budgetbewaker van het bouwteam. Vanaf het begin is gewerkt aan een gezamenlijke benadering en een goede afstemming van de verschillende disciplines, met als doel een complete integratie van het bouwkundig, constructief en installatietechnisch ontwerp en de bouwmethode. Telkens weer zijn alle gepresenteerde oplossingen en alternatieven getoetst aan de criteria tijd, geld en kwaliteit en aan de invloed op de andere disciplines. Bij dit soort complexe hoogbouwprojecten grijpen de diverse disciplines zodanig in elkaar, dat alleen een integrale aanpak in bouwteamverband kan leiden tot innovaties en een goed resultaat. Vooral de integrale aanpak, gericht op samenwerking van alle bij het bouwproces betrokken partijen, heeft bijgedragen aan het uiteindelijke optimale resultaat.
Een derde invloedsfactor op de bouwtijd, die vaak wordt vergeten, is verlet door weersinvloeden of verstoringen. Vooral het windverlet kan bij hoogbouw behoorlijk oplopen; bij teveel wind moeten de kranen buiten werking worden gesteld. Voor de beperking van het windverlet is het dus eveneens gunstig om te streven naar kraanonafhankelijke systemen. Door de procesbeheersing van de betonverharding kon het vorstverlet worden beperkt. Door de relatief zachte winter en de toegepaste betonsterkteklasse B 65, was het niet noodzakelijk de klimbekistingen te isoleren. 5 | Vloerveld binnen de gevelbekisting. Linksboven de ‘galgconstructie’; linksmidden de stalen balk die de U-vormige gevelraamwerken met elkaar verbindt
38 cement 1999
8
De kans op verstoringen is het grootst bij onderdelen met een hoge organisatiegraad op de bouwplaats en bij het niet op tijd nakomen van verplichtingen door
de diverse bouwpartners. Door het grote repetitie-effect ontstaat een soort productietrein die bij een verstoring van het proces volledig stagneert, omdat er geen uitwijkmogelijkheid is naar een ander gebouwdeel. Bij het optreden van verstoringen is het bouwtijdrisico dan ook erg groot. Uiteraard stelt het voorkómen van storingen hoge eisen aan een tijdige informatieverstrekking en aan de organisatie van werkvoorbereiding, uitvoering en logistiek van het project. Zelfklimmende gevelbekisting
Bij de bouw van de Millenniumtoren wordt voor de eerste keer in Nederland een zelfklimmende gevelbekisting toegepast. Deze bekisting is al veelvuldig gebruikt bij hoogbouw in de Verenigde Staten, Zuid-Oost Azië, Australië en Duitsland, maar nog niet eerder in Nederland. De zelfklimmende gevelbekisting is, in combinatie met een zelfklimmende kernbekisting, toegepast om de benodigde kraancapaciteit en het windverlet te beperken. Zelfklimmende kernbekistingen zijn in Nederland eerder toegepast bij de Zürichtoren in Den Haag en de Rembrandt-toren in Amsterdam. De zelfklimmende gevelbekisting is opgebouwd uit klimprofielen met daaraan bevestigd de kistconstructie. De klimprofielen worden bevestigd aan ophangschoenen die in het beton zijn verankerd. Het draagframe van de bekisting bestaat uit een zogenoemde galgconstructie, waaraan de binnenbekisting is opgehangen en die naar binnen kan worden verplaatst. Het grote voordeel van de galgconstructie is dat er geen klimconstructie aan de binnenzijde van de gevel aanwezig is, waardoor de vloer direct aansluitend aan het wandstort kan worden aangebracht (foto 5). Op de binnenbekisting zijn eenvoudig te lossen stalen gevelraamsparingen gemonteerd, die
de wanden opdelen in kolommen en balken. De binnenkist fungeert als stelkist, waartegen de wapening wordt aangebracht. Om de hoeveelheid vlechtwerk te beperken zijn de wapeningskorven van de kolommen geprefabriceerd. De buitenkist is de sluitkist en kan over een afstand van 750 mm naar buiten worden gereden. Het hydraulisch klimmen van de klimprofielen en de gevelbekisting duurt circa twintig minuten. De bouw van de kern loopt twee verdiepingen voor op de gevel. Om het betonstorten te vereenvoudigen wordt het verdichtingsarme betonmengsel met kraan en kubel gestort. De kern en de vloeren worden met de betonpomp gestort. Kraanloze gevelmontage
De gevel van de Millenniumtoren is voor het grootste gedeelte opgebouwd uit een aluminium gordijngevel in kadersysteem. De kaderelementen met afmetingen van 1,8 x 3,4 m2 worden volledig, met beglazing en graniet, in de fabriek geprefabriceerd. De prefab elementen worden aan de gevel bevestigd volgens het aanschuifsysteem. Per verdieping worden de elementen in horizontale richting aansluitend geplaatst. Als laatste wordt een sluitelement aangebracht met een afwijkende detaillering. De prefab kaderelementen worden aan de betongevel bevestigd met ingestorte ankerrails en omegaprofielen. De verankeringen hebben stelmogelijkheden van 20 mm in drie richtingen. Het grote voordeel van dit systeem is de snelle kraanloze plaatsing van binnenuit in twee à drie dagen per verdieping. De productie van één verdieping wordt verpakt in pallets met zes elementen. De pallets worden met de bouwkraan via uitsteeksteigers op de verdieping gelost. De montage zelf gebeurt met een monorailsysteem. De monorail wordt zes à acht verdiepingen hoger beves-
Constructie & uitvoering Utiliteitsbouw
Fundering en bouwput Het gebouw is gefundeerd op 350 geheide prefab betonpalen 450 x 450 mm2 met een maximale belastingscapaciteit van 3800 kN. De palen zijn vanaf maaiveld met een oplanger op diepte geheid. Ondanks het zware heiwerk hebben vrijwel alle palen de juiste diepte van circa NAP - 25 m bereikt. De 8 m diepe bouwput werd omsloten door een zware Larssen 430 damwand, op 1,7 m diepte gesteund door een betonnen stempelraam.
6 | Kantelen van een natuursteenplaat
Storten van de funderingsplaat onder het betonnen stempelraam
foto: DA’S KRAS
Het stempelraam met stempels 0,6 x 0,6 m2 en gordingen 0,6 x 1,2 m2 werd gedragen door hulppalen, die tevens definitieve paal in de fundering waren. Om opbarsten van de bouwput te voorkomen is in de eerste zandlaag een spanningsbemaling toegepast. De hoogbouw staat op een 2 m dikke funderingsplaat, tijdens een continustort van 27 uur met twee betonpompen gestort. Hiervoor is een aangepast betonmengsel met lage hydratatiewarmte toegepast.
tigd aan de op maat gestelde verankeringen van de gevelelementen. Met een op afstand bedienbare katrol met hijshaak worden de elementen aangepikt, naar buiten getransporteerd en van binnen uit gemonteerd (foto 6 t.m. 8). Ten slotte
In oktober 1999 is het hoogste punt bereikt van dit boeiende gebouw en in juni 2000 zal het project worden opgeleverd. Rotterdam is dan weer een hoogbouw rijker, waarbij door meervoudig grondgebruik op een zeer klein oppervlak een verblijf- en werksituatie ‘hoog in de lucht’ wordt geleverd. Met dit project is bewezen dat voor beleggers en bouwers met een langetermijnvisie hoogbouw een interessante uitdaging biedt. ■
P roje c tg e g evens
opdrachtgever: Kintel Rotterdam bv architect: Webb Zerafa Menkes Housden (Canada) projectarchitect: AGS Architekten & Planners constructeur: D3BN Civiel Ingenieurs hoofdaannemer: Bouwcombinatie Weenatoren, gevormd door Ballast Nedam IGB en BAM Utiliteitsbouw leverancier gevel: Belgo Metal (België) leverancier bekisting: Doka Nederland leverancier Bubble Deck vloerelementen: Dycore Verwo Systems in opdracht van Bubble Deck Nederland
7 | Draaien van een natuursteenplaat
8 | Natuursteenplaat gemonteerd
cement 1999
8
39
