Eleganz in Stahl und Holz: Wie CityWave in Mailand ingenieurtechnisches Neuland betritt

Mitten im futuristischen Stadtquartier CityLife in Mailand entsteht ein Bauwerk, das mehr ist als nur ein Abschlussprojekt – es ist ein architektonisches wie konstruktives Statement. CityWave, entworfen vom international renommierten Architekturbüro BIG – Bjarke Ingels Group, setzt mit seinem weit geschwungenen Dach neue Maßstäbe in Sachen Tragwerksdesign, Materialeinsatz und Nachhaltigkeit. Die Dachkonstruktion, ein 140 Meter langer Bogen aus Stahl und Brettsperrholz, scheint über der Piazza zu schweben – filigran, technisch komplex und energetisch durchdacht.

Für die ingenieurtechnische Umsetzung dieser anspruchsvollen Vision ist das Südtiroler Ingenieurbüro Holzner Bertagnolli Engineering (HB) verantwortlich. Das Team um Claudio Bertagnolli und Oswald Holzner übernahm die komplette Tragwerksplanung der Dachstruktur – inklusive Wind- und Schwingungsanalysen, Detailplanung der hybrid aufgebauten Bauteile und Integration der Photovoltaik in die tragende Hülle.

Wie aber bringt man eine Idee dieser Größenordnung zur baulichen Reife? Wo liegen die statischen Grenzen – und wie verschiebt man sie, ohne an Sicherheit oder Effizienz einzubüßen? Im Gespräch geben die Projektverantwortlichen von Holzner Bertagnolli Engineering Einblicke in die komplexe Entstehung eines Bauwerks, das bereits vor seiner Fertigstellung internationale Beachtung findet.

INTERVIEW

Tragwerksplanung & Strukturkonzept

Redaktion ingenieurmagazin.com: Die doppelt gekrümmte Dachstruktur ist zweifellos das technische Herzstück von CityWave. Wie sind Sie bei der Entwicklung des Tragwerks vorgegangen, insbesondere im Hinblick auf das Zusammenspiel von Seiltragwerk und Brettsperrholzauflage?

Holzner Bertagnolli Engineering: Da es sich um eine Hängekonstruktion handelt wird die Form der Struktur durch die Belastung bestimmt. Die aktuelle Form des Canopy ist das Ergebnis einer intensiven Interaktion zwischen Architektur und Gewichtsverteilung des Canopy selbst.

Das Canopy ist im Grundriss, im Querschnitt und in der Ansicht unsymmetrisch. Die ersten Entwürfe mit axial verlaufenden und im Grundriss gekrümmten Tragseilen zeigten Verwindungen der Dachfläche, die durch die Asymmetrie hervorgerufen werden. Die Horizontallasten waren nicht im Gleichgewicht.

Durch im Grundriss geradlinig verlaufenden Tragseilen wurden Horizontallasten vermieden, und die Struktur konnte ins Gleichgewicht gebracht werden. Durch die Krümmung im Grundriss ergaben sich 3 Lagen kreuzender geradlinig verlaufender Tragseile.

Nun war es notwendig, eine Struktur zu finden, die die Dachfläche bildet, die Seile in Position hält, Schubsteifigkeit für die Aufnahme der Windkräfte garantiert und leicht ist, um die Kräfte auf die zwei Gebäude zu begrenzen. „Ehrlichkeit – Honesty“ war der architektonische Leitfaden von BIG: Das Tragwerk war zugleich Architektur, das heißt, die Untersicht der Canopy durfte keine Verkleidung sein. Wir haben uns am Portugal Pavillon in Lissabon, entworfen von Álvaro Siza Vieira, inspirieren lassen und sind so auf die Idee gekommen, dass eine Scheibe aus Holz alle Vorgaben erfüllt. Es war ein längerer Prozess mit unterschiedlichen Konzepten, bis wir uns schließlich für die fünfschichtige orthotrope BSP-Platte entschieden haben. Die Tragseile bestehen aus Spanngliedern von 12 und 16 Monolitzen.

Redaktion ingenieurmagazin.com: Welche spezifischen Herausforderungen ergaben sich durch die Verwendung einer Kettenlinie als statisches Grundprinzip – insbesondere im Hinblick auf variable Windlasten und dynamische Einwirkungen?

Holzner Bertagnolli Engineering: Bei einer Kettenlinie bestimmt die Last die Form. Es war ein iterativer Prozess mit BIG, bis man durch das Aufbringen von unterschiedlichen Gewichten und Anpassungen der gesamten Dachflächen der zwei Gebäude und des Canopy den architektonischen Entwurf gerecht wurde. Das dynamische Verhalten des Canopy, welches durch die variablen Windlasten hervorgerufen wird, kann durch 52 Dämpfer gesteuert werden.

Redaktion ingenieurmagazin.com: Wie wurde die Lastabtragung zwischen den beiden Hauptgebäuden sichergestellt, ohne die konstruktive Freiheit der darunterliegenden Büroetagen einzuschränken?

Holzner Bertagnolli Engineering: Die Form des Canopy geht nahtlos in die Stahlbetondächer der zwei Gebäude über. Darin sind die Spannglieder verankert. Die Horizontalkräfte werden durch die Scheibenwirkung der Dächer in die Stahlbetonkerne eingeleitet und bis in die Fundamentplatte weitergeführt. Um große Langzeitverformungen der Dächer und der Kerne, hervorgerufen durch die hohen Zugkräfte, zu minimieren, sind beide Elemente vorgespannt worden.

Materialwahl & Konstruktionsdetails

Redaktion ingenieurmagazin.com: Die Materialkombination aus Holz und Stahl verlangt nach besonders präzisen Anschlussdetails. Können Sie Einblicke in die Planung und Umsetzung dieser hybriden Verbindungen geben?

Holzner Bertagnolli Engineering: Hier sind im Prinzip drei Materialien mit sehr unterschiedlichen thermischen Eigenschaften verbaut worden: Stahl mit α_T≈1,2*10^-6/K, Holz mit α_T≈3,5*10^-6/K und PE-HD mit α_T≈1,7*10^-4/K. Zwischen Stahl und PE-HD liegt ca. Faktor 140. Die größte Herausforderung bestand darin, die sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehungskoeffizienten zu berücksichtigen. Die Unterschiede spielen sich zum größten Teil in der Fuge zwischen Holz und Beton ab. Die Fuge wurde so dimensioniert, dass der Dehnungsunterschied zwischen Stahl und Holz zwanglos aufgenommen werden kann, während im Stahlbetondach spezielle Kanäle entlang der Spannkabel verbaut worden sind, welche es ermöglichen die großen Ausdehnungen der PE-HD-Spanngliedbeschichtung aufzunehmen.  Um das thermische Verhalten zwanglos zu verbinden, wurden zwischen den Spanngliedern und dem Holz eine mit Teflon beschichtete Blech-Box verbaut.

Redaktion ingenieurmagazin.com: Inwiefern spielte die thermische und bauphysikalische Performance eine Rolle bei der Auswahl der Dachmaterialien und deren Schichtaufbau?

Holzner Bertagnolli Engineering: Bekanntlich ist Wasser bzw. Feuchtigkeit der größte Feind des Holzes. Durch die lange Bauzeit ist jedes einzelne BSP-Element und jeder Stoß durch spezielle atmungsaktive Membranen vor Wasser geschützt worden. Das fertige BSP-Paket wird durch einen zweifachen Wasserschutz, einer 2-lagigen Bitumenbahn und dichtem Blechdach aus Riverclack geschützt. Zudem werden unter der 2-lagigen Bitumenbahn Feuchtsensoren verbaut, welche während der Lebensdauer Veränderungen der Holzfeuchte messen und eventuelle Undichtigkeiten frühzeitig aufdecken. Kondens in den Spannglied-Kanälen wurde untersucht, und es sind spezielle Auslässe für anfallendes Kondenswasser vorgesehen.

Bauphysik & Dämpfungssysteme

Redaktion ingenieurmagazin.com: Das Canopy ist mit viskosen Dämpfern ausgestattet, die zugleich gestalterische Funktionen erfüllen. Wie lief die Entwicklung dieser multifunktionalen Elemente ab – waren Anpassungen am ursprünglichen Design notwendig?

Holzner Bertagnolli Engineering: Es kommen nicht viskose Dämpfer zum Einsatz, sondern sogenannte ECD (Eddy Current Damper), im Grunde magnetische Dämpfer. Im ersten architektonischen Entwurf waren Fins vorgesehen, vertikale sehr schlanke Elemente aus zwei offenen, parallel liegenden Platten aus Stahlblech, die das Canopy mit dem Boden verbinden. Im Zuge der Planung wurden die zwei Stahlblechplatten durch Stahlrohre ersetzt, welche zum einen das Ableiten des Regenwassers und zum anderen den Einbau der Dämpfer ermöglichen. Zu Beginn sind wir mit klassischen viskosen hydraulischen Dämpfern in die Planung gegangen, erst zu einem späteren Zeitpunkt sind wir auf die von Gerb entwickelten ECDs gestoßen und haben darin einen klaren Vorteil in dessen Abstimmung und Langlebigkeit gesehen.

Redaktion ingenieurmagazin.com: Welche Rolle spielten numerische Simulationen und physikalische Tests bei der Absicherung der Dachkonstruktion, und wie wurden deren Ergebnisse konkret in die Planung integriert?

Holzner Bertagnolli Engineering: Numerische Simulationen und physikalische Tests waren entscheidend. Es sind lineare und nichtlineare Simulationen, starre und dynamische Windkanalversuche und Lastversuche, die auf die orthotrope BSP-Platte durchgeführt worden sind. Es war ein iterativer Prozess, wo die Ergebnisse aus dem Windkanal, Winddruck und dynamisches Verhalten in die Simulationen eingeflossen sind und die Ergebnisse der Simulationen mittels physikalischer Tests geprüft und validiert wurden. Zusammenfassend sind folgende Schritte durchgeführt worden;

1. Verschiedene numerische Modelle um das Tragwerk zu entwerfen
2. Windkanalversuche am starren Modell 1:200 zur Bestimmung des Winddrucks
3. Implementierung der Ergebnisse in das numerische Modell und Dimensionierung aller Bauteile
4. Windkanalversuche am elastischen Modell, um das aeroelastische Verhalten des Tragwerks zu definieren
5. Numerische Simulationen mit der aus dem Windkanal definierten Time History (Zeitabhängige Winddruckbelastung) und Definition der allgemeinen Dämpferkonstante des Systems
6. Prüfung und Definition der Steifigkeitsparameter der BSP-Platte
7. Validierung der numerischen Ergebnisse und Dämpfer im Windkanal

Nachhaltigkeit & Systemintegration

Redaktion ingenieurmagazin.com: Die Photovoltaikintegration war nicht nur energetisch, sondern auch statisch relevant. Wie wurde die Belastung durch die PV-Module in das Tragwerksmodell aufgenommen?

Holzner Bertagnolli Engineering: PV-Module sind sehr leicht und sie werden vollflächig auf das Riverclack-Blech aufgebracht, welches die Last auf die BSP-Platte übergibt. Das war keine besondere Herausforderung.

Redaktion ingenieurmagazin.com: Welche Schnittstellenprobleme ergaben sich bei der Integration der technischen Gebäudesysteme (PV, Entwässerung, Grundwasserkühlung) in eine so stark gestaltgeprägte Struktur?

Holzner Bertagnolli Engineering: Die Schnittstellen der unterschiedlichen Gewerke sind in einem solch komplexen Projekt enorm. Diese können nur durch ein hochkarätiges Team an Spezialisten und die konsequente BIM Modellierung mit einem sehr tiefen Detaillierungsgrad erfolgreich gemeistert werden.

Bauausführung & Logistik

Redaktion ingenieurmagazin.com: Die Bauhöhe der Stützen und die Spannweiten der Elemente erforderten besondere Montagetechniken. Welche logistischen und sicherheitstechnischen Strategien kamen hier zur Anwendung?

Holzner Bertagnolli Engineering: Für die Montage bzw. Herstellung des Canopy und der Stahlbetondächer sind mehrere international bekannte Schalungs- und Gerüstfirmen und mehrere für Hochgebirgsarbeiten spezialisierte Firmen involviert worden. Die Arbeiter auf den Stahlbetondächern mussten spezielle Sicherheitskurse absolvieren, arbeiten immer am Seil gesichert, dürfen maximal 6h arbeiten und werden ständig von einem speziell ausgebildeten Rettungsteam überwacht. Unter diesen Voraussetzungen geht der Bau im Vergleich zu klassischen Stahlbetonbauten bedeutend langsamer voran.

Redaktion ingenieurmagazin.com: Wie wurde die Montage der Dachstruktur koordiniert – insbesondere mit Blick auf Verformungen, Vorspannung und Temperaturverhalten während des Einbaus?

Holzner Bertagnolli Engineering: Die Montage wurde in jedem wesentlichen Schritt durch entsprechende FEM-Modelle nach Bauphasen modelliert. Dadurch konnten alle vorhersehbaren Variablen analysiert und entsprechende Szenarien aufgestellt werden.

Stadtbild & Ingenieurästhetik

Redaktion ingenieurmagazin.com: Das Canopy ist nicht nur ein technisches, sondern auch ein symbolisches Element des Stadtbilds von Mailand. Wie balanciert man als Ingenieur zwischen statischer Logik und architektonischem Ausdruck?

Holzner Bertagnolli Engineering: Die Interkation zwischen Leichtigkeit, Eleganz und Stabilität ist eine besondere Herausforderung, die sehr motivierend ist. Das Bestreben, die architektonische Intention bestmöglich umzusetzen, hat uns dazu getrieben, neue Denkansätze und innovative Lösungen auszuarbeiten. Das macht Riesenspaß!

Redaktion ingenieurmagazin.com: Inwiefern flossen ästhetische Anforderungen von BIG oder der Stadtplanung in Ihre ingenieurtechnischen Entscheidungen mit ein?

Holzner Bertagnolli Engineering: Wir wollten BIGs Konzept der „Ehrlichkeit“ konsequent umsetzen. Das ist für einen Tragwerksplaner nicht alltäglich, dazu muss man den eigenen Mindset zum Teil auch umstellen und über den Tellerrand schauen.

Forschung & Weiterentwicklung

Redaktion ingenieurmagazin.com: CityWave wurde als „Grenzbereichsprojekt“ beschrieben. Welche Erkenntnisse oder Planungsmethoden aus diesem Projekt könnten auf zukünftige Tragwerke übertragen werden?

Holzner Bertagnolli Engineering: Die Verbindung zwischen orthotroper BSP-Platte und Spanngliedern ist in dieser Art und Weise und Dimension unseres Wissens nach noch nicht umgesetzt worden. Durch die vielen Tests die auf der UNI Trient durchgeführt worden sind, der Einsatz von hochmodernen ECD- Dämpfern und unzählige Berechnungen und Analysen unterschiedlicher Spezialisten, haben gezeigt, dass man im Ingenieurwesen durchaus neue Wege gehen kann.

Redaktion ingenieurmagazin.com: Hat das Projekt neue Standards gesetzt – entweder bei Ihnen intern oder im Dialog mit Normen, Behörden oder Bauunternehmen?

Holzner Bertagnolli Engineering: HB ist durch dieses Projekt technisch als auch organisatorisch sehr gewachsen. Wir haben gelernt, Ideen freien Lauf zu lassen und sie durch Einsatz und Zielstrebigkeit zu konkretisieren und umzusetzen.