54 thema Complexe gevel vraagt bijzondere modellering 1 Ontwerp en productie prefab-betonnen gevel Naturalis in Leiden thema Complexe gevel vraagt bijzondere modellering 7 2018 55 Een bijzonder onderdeel van de nieuwbouw voor Naturalis vormt de 'Kroongevel' (foto 1). De vorm van deze gevel vroeg een inventieve oplossing, waarmee tegemoet werd gekomen aan architecto - nische, constructieve en uitvoeringstechnische wensen. Om de juiste vorm van de gevelelementen te kunnen bepalen, is gebruikgemaakt van een reeks programma's en een parametrische benadering.   Naturalis Biodiversity Center is een van de topvijfinstituten in de wereld op het gebied van biodiversiteit. Door de groei van de collectie, de toename van het aantal onderzoekers en sterk stijgende bezoekersaantallen van het museum, besloot Natura - lis tot uitbreiding van het instituut. De door Neutelings Riedijk Architecten ontworpen uitbreiding heeft een zeer onderschei - dend en expressief uiterlijk. Een bijzonder onderdeel in het ontwerp vormt de 'Kroongevel' (fig. 2 en 3). De 40 m hoge gevel vormt de afscheiding van een bijzondere binnenruimte.     Eerste ontwerp: monoliete constructie Er is veel aandacht besteed aan de vormgeving van de gevel. Om met de architect tot een goed ontwerp te komen, heeft de afdeling Computational Design Solutions van ABT de vormge - ving in een parametrisch 3D-model gevat. Door een directe koppeling van het parametrische model met een 'virtual reali - ty'-omgeving (Enscape) kon de invloed van diverse parameters op het uiterlijk eenvoudig worden beleefd en een definitieve keuze snel worden gemaakt.   Op basis van het oorspronkelijke ontwerp is Lievense een traject gestart om tot een meer gedetailleerd uitvoeringsmodel te komen. Het ging daarbij vooral om de maakbaarheid, waarin alle detailrandvoorwaarden zijn opgenomen.   Oorspronkelijk was het plan de gevel uit te voeren als een monoliete betonconstructie. Bij de uitwerking bleek dit uitgangspunt tot enkele problemen te leiden. Door de bijzon - dere geometrie zouden bij een monoliete constructie de verti - cale zwaartekrachten worden ontbonden in horizontale componenten. Daardoor zouden deze samenvallen met optre - dende horizontale thermische krachten als gevolg van opwar - ming en afkoeling van het geveloppervlak. Wanneer alles aan elkaar vast zou zitten, zou dit leiden tot behoorlijk forse vervor - mingen. Voor een gevel met een hoogte van 41,5 m en een breedte van 48 m waren er in deze ontwerpvorm geen moge - lijkheden deze vervormingen vrij te laten plaatsvinden. Dit zou leiden tot onacceptabele spanningen en problemen met uitvoe - ring, waterdichting en detaillering. Daarom was een alternatief ? binnen het gestelde budget ? noodzakelijk.     Alternatief ontwerp: hybride constructie Lievense (destijds Bartels Ingenieursbureau) is door de aanne - mer gevraagd mee te denken over alternatieven voor het constructieve ontwerp van de gevel. Op basis van de probleem - analyse bij de monoliete constructie is een oplossing gezocht om de zwaartekrachten onafhankelijk van de horizontale ther - mische krachten af te voeren. De oplossing is ? met behoud van vormgeving ? gevonden in een staalconstructie voor opname van de horizontale windbelastingen (werkend lood - recht op de gevel), afdracht van de dakconstructie (fig. 4) en stapeling in prefab elementen via oplegnokken voor de verti - cale belastingsafdracht.   Opdeling in elementen Vanwege de detaillering en de fabricage van de prefab elemen - ten bestond er een wens de gevelopeningen met één betonnen element te omsluiten. Zo ontstaan 'kaderelementen', waarin een volledig stelkozijn kan worden opgenomen. Deze stelkozijnen bestaan uit speciaal voor dit project gevormde kunststofprofie - len. De profielen zijn zorgvuldig samengesteld en in de hoeken 'gelast'. Uitvoeringstoleranties in het prefab beton hebben op deze manier geen invloed op de kozijnen en de waterdichtheid kan eerder worden gegarandeerd.   Oplegnokken Met schuine raakvlakken kun je door de aanwezige zwaarte - kracht onmogelijk krachtsspreiding in horizontale richting voorkomen. Maar omdat het gevelontwerp geen horizontale lijnen bevat, enkel schuine zichtbare raakvlakken tussen de prefab elementen, leek opdelen van de elementen met een hori - zontaal raakvlak onmogelijk.   De ruitvormige elementen hebben niet-prismatische doorsneden; zowel de breedte als de dikte varieert. In de knooppunten waar horizontale gestapelde opleggingen gewenst zijn, bleek na studie voldoende dikte aanwezig om een verborgen oplegvlak te ontwer - pen (fig. 5). Het eigen gewicht van de elementen wordt met deze verborgen stapelnokken en inkassingen volledig doorgestapeld tot aan de kolommen op beganegrondniveau. De onderste elementen zorgen ervoor dat de krachtslijnen worden verzameld in de hart-op-hart 6,0 m uit elkaar staande kolommen. Doordat de opleggingen zijn uitgevoerd als glijoplegging zijn horizontale vervormingen mogelijk.   ing. Robin van Gerwen PMSE, ir. Frank Luyben Lievense adviseurs en ingenieurs 1 De Kroongevel van het nieuwe gebouw voor het Naturalis Biodiversity Center in aanbouwbron: Lievense Complexe gevel vraagt bijzondere modellering 7 2018 56 thema     Van 'virtual reality' naar realiteit Voordat met de uitwerking op elementniveau kon worden begonnen, moesten eerst de definitieve vorm en maatvoering worden vastgelegd. Voor optimalisatie van het aantal transport - bewegingen is er gekozen om de in het initiële ontwerp aange - houden maximale elementdiktes van 1 m te reduceren. Hierbij moest uiteraard wel de constructief minimaal benodigde dikte in acht worden gehouden. De grenzen werden gelegd op een mini - mumdikte van 200 mm en een maximum van 600 mm. Deze beperking zou de dieptewerking van de gevel wel flink beïnvloe - den. De aanpassingen moesten uiteraard de goedkeuring van de architect kunnen wegdragen. De invloed op de beleving is met behulp van parametrische VR-modellen door ABT onderzocht. Op basis van dit principe zijn de gevelelementen tot op detail - niveau uitgewerkt door Lievense. De opzet van het ontwerp heeft geleid tot in hoofdlijnen drie elementen, genaamd A, B en C. De elementen A en B (gespiegeld) zijn de staande ruitvor - men en C is de liggende vorm (fig. 8). Het gevelpatroon wordt Bevestiging staalconstructie De elementen zijn met ingestorte boutankers aan de staalcon - structie bevestigd voor de winddruk en met name -zuiging (foto 6). Daarbij is er altijd voor gezorgd dat er kleine horizon - tale verplaatsingen, evenwijdig aan de gevel, kunnen plaatsvin - den zonder dat er spanningen worden opgebouwd. De thermische krachten bouwen zo niet op over de gevel en blijven beperkt binnen één enkel element.   Betonoppervlak Besteksmatig was prefab beton voorgeschreven. In het alterna - tieve ontwerp veranderde weliswaar het materiaal van de draagconstructie (staal i.p.v. beton), maar het aanzicht is in prefab beton gebleven. Het toegepaste prefab beton heeft als toeslagmateriaal Noors hardsteen. Door de nabehandeling (stralen) komen de fijne natuurstenen delen aan het oppervlak (foto 7). Een eigenschap van Noors hardsteen is dat deze door lichtinval een prachtige schittering geeft, passend bij deze eyecatcher van de uitbreiding. horizontaaloplegvlak 2 3 5 4 Complexe gevel vraagt bijzondere modellering 7 2018 57   In het oorspronkelijke ontwerp van de architect waren regels opgenomen op basis waarvan alleen developable surfaces (uitvouwbare oppervlakken) werden gegenereerd. Deze vlakken waren slechts enkel gekromd en daarmee makkelij - ker te produceren. Met complexe vorm van het paneel resul - teerde dit echter in een extra kniklijn, zoals te zien in figuur 11. De verwachting was dat deze lijnen zouden wegvallen na het aanbrengen van schijnvoegen in deze gebieden. Echter het bleek dat deze niet in dezelfde lijn zouden komen te liggen. Dit is opgelost door de voorwaarden voor het bepalen van de vorm, namelijk de voorgeschreven hellingshoeken van de rechte randen en het uitgangspunt van uitvouwbare opper - vlakken, los te laten. Daardoor kon wel een consistent dubbel gekromd vlak worden gecreëerd zonder kniklijnen. Om goedkeuring te verkrijgen op deze modificatie, is de vorm in figuur 12 weergegeven voor presentatie aan de architect. samengesteld door een combinatie van deze vormen. Naast deze elementen zijn er bijzonder hoek- rand- en dak elementen gemodelleerd. Het vervaardigen van het model en de element - tekeningen was niet eenvoudig.  Dynamo Om de consequenties van de diktereductie te kunnen visualise - ren met de mogelijkheid snel verschillende varianten te kunnen presenteren, is de basisvorm van het type A-, B- en C-element met behulp van Dynamo gegenereerd (fig. 9). De gekromde vlakken bleken te complex om met de in Revit aanwezige tools goed gemodelleerd te krijgen. Daarom is de standalone versie van Dynamo gebruikt (Dynamo Sandbox). Door middel van het aanpassen van enkele, voor de gevelele - menten specifieke parameters in het Dynamo-script, konden de drie basiselementen met verschillende combinaties van dikten binnen de gestelde randvoorwaarden worden gegene - reerd en vervolgens geëxporteerd naar Revit om een totaal - beeld te schetsen.   Rhinoceros3D Na het vaststellen van de gewenste afmetingen, is de overstap naar Rhinoceros3D (Rhino) gemaakt om de vormen verder te verfijnen (fig. 10). Hoewel Rhino vaak niet tot de standaardge - reedschappen van de constructeur behoort, is het programma in de wereld van onder andere de architectuur alom bekend om zijn mogelijkheden er de meest complexe vormen mee te kunnen modelleren. Het is dus ook uitermate geschikt om de dubbelgebogen vlakken van deze elementen mee vorm te geven, daar waar Revit op dit vlak afhaakt. Omdat aanvankelijk niet voldoende kennis van Rhino/Grasshopper beschikbaar was, is niet al vanaf het begin in Rhino gewerkt. 2 Maquette van de nieuw - bouw voor Naturalisbron: Neutelings Riedijk3 Impressie van het nieuwe museumbron: Neutelings Riedijk4 Rendering gevel met achterliggende staal-constructie5 Doorstapeling gevel-elementen op nokken6 Bevestiging gevelelemen - ten aan staalconstructie7 Het toegepaste prefab beton heeft als toeslag-materiaal Noors hardsteen dat door de nabehande - ling (stralen) aan het oppervlak komt8 Het gevelontwerp bestaat in hoofdlijnen uit drie elementen, A, B en C A B C 6 7 8 Complexe gevel vraagt bijzondere modellering 7 2018 58 9 Screenshot Dynamo-script met resulterend basiselementtype A 10 Verfijning elementen in Rhinoceros 11 Uitwerking vorm met door architect gewenste afmetingen. Het uitgangspunt van developable surfaces (uitvouwbare oppervlakken) resulteert in een extra kniklijnbron: ABT 3D-prints Van deze modellering zijn op schaal (1 op 50) 3D-prints gemaakt. Deze prints gaven de juiste indruk voor alle betrok - kenen, inclusief van alle aanpassingen. Ook de functie van de nokken kon zo in het echt worden ervaren. Voor veel mensen gaven deze fysieke vormen de doorslag, en konden zij hierdoor de variant van de gevel omarmen.   Revit Bij de volgende stap in het modelleerproces zijn de in Rhinoce - ros gegenereerde vormen geëxporteerd en opgenomen in twee Revit-families, één voor de elementen van type A en B, en één voor de elementen van type C. Binnen deze families zijn de laatste aanpassingen aan de vorm gedaan. Daarna konden hieruit alle varianten van deze elementtypen (= merken) gemaakt worden (fig. 13a en b). Wat betreft de aanpassingen aan de vorm gaat het hierbij onder andere om het toevoegen van extra volume of juist het verwijderen van een deel van de basisvorm, sponnin - gen, waterholen of onderdorpels. Tevens worden in de familie alle instortvoorzieningen toegevoegd, zoals de verankering voor de achterliggende staalconstructie, stelkozijnen, voorzieningen ten behoeve van de waterdichting en uiteraard alle benodigde hijsvoorzieningen voor de ontkistings-, transport- en montage - fase. De volledige gevel omvat 40 verschillende merken en telt in totaliteit 341 individuele elementen.   Aanvullend op de hoofdvormen zijn bij de modellering in Rhinoceros tevens de oplegnokken en bijbehorende inkassin - gen meegenomen alsmede de benodigde ontkistingsschuinte voor de ovale raamsparingen. Naast basiselementtype A en C zijn ook de hoofdvormen van enkele speciale elementen in Rhino gegenereerd indien deze te veel afweken van de drie basiselementen. Dit betrof bepaalde hoek- en randelementen, zogenoemde ¼-, ½- en ¾C-elementen en een deurelement.   Type B is, in de basis althans, het spiegelbeeld van A en is derhalve niet expliciet gemodelleerd in Rhino. Het verschil tussen beide typen is pas gemaakt bij de overstap naar Revit.   12 Voorstel definitieve elementvorm 13 Elementtype ¾C in Rhinoceros (a) en het eindresultaat in Revit (b) 14 Elementtekening betonvorm elementtype A 9 10 11 12 thema Complexe gevel vraagt bijzondere modellering 7 2018 59 13a 13b 14 Complexe gevel vraagt bijzondere modellering 7 2018 60 thema een belangrijke taak. Dankzij de goede voorbereiding en het overleg is het gelukt de modelleerwerkzaamheden op een juiste, effectieve manier over te dragen naar de mallenbouwer. Waarbij opgemerkt wordt dat er op zeer vakkundige wijze is gewerkt om het schitterende resultaat te realiseren (foto 15). De elementen zijn zeer maatvast en hebben een kwalitatief hoge mate van afwerking. Montage van de Kroongevel Bij de uitvoering op de bouw is meegedacht over de mogelijk - heden om de elementen te monteren. Omwille van voortgang is gekozen de staalconstructie op te delen. Na de bouw van het eerste deel van de staalconstructie is een gedeelte van de gevel - elementen geplaatst (foto 16). Na voltooiing van het dak zijn pas de resterende elementen geplaatst. In totaal zijn er 341 elementen geplaatst, daarmee wordt het een van de bijzonder - ste gevels van Nederland. ?   ? PROJECTGEGEVENS project Naturalis Biodiversity Center opdrachtgever Museum Naturalis architect Neutelings Riedijk Architecten, Michiel Riedijk bouwkundige uitwerking ABT aannemer TBI-onderneming J.P. van Eesteren betonfabriek Hibex constructeur uitbreiding Aronsohn staalconstructie Buiting Machinebouw & Staalconstructie constructeur gevel Lievense Bouw B.V. Eindhoven (voorheen Bartels Ingenieursbureau) bouwtijd 2017-2019   Ook de 2D-elementtekeningen (fig. 14) werden in Revit gemaakt, drie per element, één voor de globale maatvoering en alle instortvoorzieningen, één voor een meer gedetailleerde maatvoering van de betonvorm en één voor de wapening. Deze tekeningen werden gebruikt voor bijvoorbeeld malaanpassingen, het positioneren van instortvoorzieningen en maatcontroles.   AutoCAD Naast de 'platte' 2D-elementtekeningen zijn de betonvormen van alle verschillende elementen ten slotte in 3D-CAD-formaat aangeleverd aan de mallenmaker, zodat hij hiermee machinaal de gebogen vormen nauwkeurig kon overbrengen naar de mallen. Fabricage van mallen en elementen Het uitwerken van het tekenwerk is steeds in overleg gebeurd met de mensen van de betonfabriek. Zij hadden immers ook 15 Mal van een gevel-element 16 Na de bouw van het eerste deel van de staalconstructie is een gedeelte van de gevel - elementen geplaatst 15 16 Complexe gevel vraagt bijzondere modellering 7 2018