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Zeit für Veränderung

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Dieser Artikel ist eine Fortsetzung von „Articulated Funiculator: The Sky Subway“ (ELEVATOR WORLD, August 2013) und der erste in der Vision 21-Serie. …Editor

von Fritz King, Mats Lundström, Sirpa Salovaara und Peter Severin

Die mechanische Aufzugssicherung wurde 1854 von Elisha Graves Otis erfunden und 1857 wurde der erste Personenaufzug in ein fünfstöckiges Gebäude eingebaut. 1900 stellte Otis Brothers & Co. den ersten Produktionsaufzug vor. Seitdem ist das Konzept für den vertikalen Transport in hohen Gebäuden gleich geblieben. Im selben Zeitraum entwickelte sich die Flugzeugindustrie vom Nichts zu interkontinentalen Doppeldeckerjets und Tarnkappenbombern in großer Höhe, während sich der horizontale Transport von Pferdekutschen zu erdgasbetriebenen Bussen und Magnetschwebebahn-Hochgeschwindigkeitszügen entwickelte. Die Elektronik hat sich vom Nichts zu PCs, hochauflösenden Fernsehern und 4G-Mobiltelefonen entwickelt, während die Luft- und Raumfahrtindustrie Menschen auf den Mond gebracht hat. Vielleicht ist es an der Zeit für einen neuen und innovativen Ansatz für den vertikalen Transport in hohen Gebäuden.

Zweier-Kompanie; Drei ist eine Menschenmenge

Das Konzept, Personen und Güter mit Aufzügen zwischen den Stockwerken zu transportieren, war innovativ und trieb die Entwicklung des Wolkenkratzers voran. Mit der Höhe der Gebäude stieg auch die Anzahl der Aufzüge, und das Konzept der Gruppierung von Aufzügen in einer zentralen Lobby wurde eingeführt. Das Verfahren verbesserte die Effizienz und verkürzte Wartezeiten. Die Aufzugsgeschwindigkeiten nahmen im Laufe der Zeit zu, aber das ursprüngliche Konzept einer einzelnen Box in einem vertikalen Schacht blieb bestehen. Daraus folgte, dass die Wände um die Aufzüge als primäres Strukturelement für vertikale und horizontale Lasten verwendet werden konnten, die zum zentralen Kern führen.

Mit zunehmender Höhe der Gebäude reichte der zentrale Kern nicht mehr aus, um horizontale Lasten aufzunehmen, und zusätzliche Tragsysteme am Gebäuderand wurden eingesetzt, um zu helfen – zum Beispiel Stahl- und Betonrahmen, Aussteifungsrahmen und Betonwände. Das Leiten von mehr Lasten auf den Gebäudeumfang erhöht die Haltung des Gebäudes und erhöht axiomatisch die Effizienz beim Widerstand gegen horizontale Lasten. Hochhausbauingenieure sprechen oft von ausgeklügelten und ausgeklügelten Möglichkeiten, mehr Lasten auf den Gebäuderand zu verlagern, denn jede bewegte Menge hilft. Dieses Endziel ist jedoch schwer zu verwirklichen, solange es einen zentralen Kern gibt.

Die Verbindung von konventionellen Aufzügen, dem zentralen Kern und dem Perimeterrahmen ist in hohen Gebäuden eine Herausforderung. Mit steigender Gebäudehöhe steigt auch die Anzahl der Aufzüge, was wiederum die physische Größe des Kerns erhöht. Schließlich nimmt der Aufzugskern einen großen Teil des Gebäudeplans ein. Der Stand des Kerns, egal wie groß, ist jedoch geringer als die Länge und Breite des Gebäudes und reicht nicht aus, um das Gebäude allein zu stabilisieren. Bauingenieure konstruieren komplexe Systeme wie Ausleger, um Lasten auf den Gebäuderand zu bewegen.

Die Unzulänglichkeit des zentralen Kerns als Tragwerk bei hohen Gebäuden führt zu zusätzlichen Tragwerkssystemen am Gebäuderand. Diese Entwicklung hat den vertikalen Transport in den Mittelpunkt der Designbemühungen gestellt und die architektonischen und strukturellen Programme gezwungen, diesem Beispiel zu folgen. Das sieht manchmal so aus, als ob der Schwanz mit dem Hund wedelt. Eine bessere und effizientere Methode wäre vielleicht, zuerst die architektonischen und strukturellen Programme zu erstellen und dann die vertikalen Transportsysteme passend zu entwerfen.

Es ist an der Zeit, diese Ménage à trois zu beenden und eine neue Beziehung einzugehen, eine, die strukturelle Systeme verwendet, die alle Lasten auf den Gebäudeumfang verteilen, und ein neues und innovatives vertikales Transportsystem, das in dieses strukturelle System passt. Jeder herkömmliche Aufzug benötigt eigene Schienen, Kabel, Motor und Schacht. Es ist an der Zeit, diese Redundanz abzuschaffen und ein neues vertikales Transportsystem zu verwenden, das die gleichen Gleise, Kabel, Motoren und Wellen nutzt. Der knickgelenkte Funikulator und der röhrenförmige Megarahmen (EW, August 2013) bringen neue und erfinderische Lösungen für vertikale Transport- und Struktursysteme für Wolkenkratzer. Neue Ideen sind nie falsch, wenn es darum geht, die Wissenschaft voranzubringen.

Im Streben nach höherer Effizienz in Hochhäusern wurden der Knick-Funkulator und der Rohr-Mega-Rahmen gemeinsam entwickelt, da sie kompatibel sind. Das eine kann ohne das andere verwendet werden, und der Mega-Rohrrahmen kann nur mit herkömmlichen Aufzügen verwendet werden. Sie werden hier gemeinsam vorgestellt, denn gemeinsam haben sie das Potenzial, die Gestaltung von Hochhäusern auf ein neues und höheres Niveau an Effizienz und Nachhaltigkeit zu bringen.

Der knickgelenkte Funikulator ist ein neues und innovatives Vertikaltransportsystem für hohe Gebäude. Es ist ein kontinuierliches und verbundenes System von Hochgeschwindigkeits-„Zügen“, die Menschen en masse bewegen, eine „Sky-U-Bahn“. Die Züge sind in einem gewissen Abstand voneinander getrennt (z. B. alle 100 m) und liegen horizontal auf bestimmten Etagen, die als „Bahnhöfe“ bezeichnet werden. Diese Stationen sind beispielsweise alle 100 m vertikaler Gebäudehöhe voneinander getrennt.

Zwischen den Bahnhöfen gehen die Züge von horizontaler zu vertikaler Ausrichtung über, wobei die Fahrgäste stehen bleiben. Die Züge fahren auf Gleisen auf und ab, die sich von einer Seite des Gebäudes zur anderen schlängeln. Die Gleise gehen unten und oben am Gebäude ineinander über und bilden eine Endlosschleife.

Der Mega-Rohrrahmen ist ein neues und innovatives Konstruktionssystem für hohe Gebäude. Es besteht aus großen vertikalen Hohlwellen, Megasäulen und Auslegerwänden. Die Megasäulen befinden sich am Gebäuderand und ihre Anzahl variiert je nach Gebäudeplan. Sie bieten die gesamte vertikale Unterstützung und tragen das gesamte Gebäudegewicht auf den Gebäuderand, was den Mega-Rohrrahmen zu einem der effizientesten Hochhaus-Struktursysteme der Welt macht. Alle Lasten werden entlang der Gebäudelänge auf die Megasäulen übertragen. Aus Stabilitätsgründen werden die Megasäulen in Bodenhöhe mit Wänden verbunden. Die hohlen Megasäulen beherbergen den gelenkigen Funikulator und gruppierte konventionelle Aufzüge, die die Stockwerke zwischen den gelenkigen Funikulatorstationen bedienen.

Einfluss auf die Zukunft von Hochhäusern

Der knickgelenkte Funikulator und der röhrenförmige Mega-Rahmen sind gut geeignet, um die Zukunft des Hochhaus-Designs, -Baus und -Betriebs positiv zu beeinflussen. Die Entwicklung von Aufzugsgruppierungs- und Portaltechnologien ersetzt die Notwendigkeit, alle Aufzüge in einem zentralen Bereich zu organisieren, da die Fahrgäste zu bestimmten Aufzügen geleitet werden, die ähnliche Fahrgastziele haben. Dabei spielt es keine Rolle, ob sich die Aufzüge in einem zentralen Kern oder über den Gebäuderand verteilt befinden. Dies ebnet den Weg, den zentralen Kern, das primäre Strukturelement in Hochhäusern, zu demontieren und sein Material an den Gebäuderand zu verlagern, wo strukturelle Effizienzen realisiert werden können.

Erhöhte strukturelle Effizienz wird die Menge an strukturellem Material verringern, was wiederum die Materialkosten senkt und den Bau des Überbaus beschleunigt. Der verrohrte Megaframe reduziert die Anzahl der Bauteile im Aufbau. Das Auslegersystem benötigt beispielsweise einen zentralen Kern, Megasäulen, Ausleger, Auslegerverbindungen, Gurtbinder und horizontale Bodenaussteifungen. Der röhrenförmige Mega-Rahmen benötigt nur Mega-Säulen und -Wände. Auslegersysteme haben Megasäulen am Gebäuderand, die Platz benötigen. Da dieser Platz bereits genutzt wird, wird der Platzbedarf des verrohrten Mega-Rahmens reduziert, was die Platzeffizienz erhöht. Der rohrförmige Mega-Rahmen lädt zu schmaleren Bodenplatten, höheren Nutzflächenverhältnissen, höheren Schlankheitsverhältnissen und neuen Architekturprogrammen ein, die noch nie zuvor möglich waren. Es unterstützt konventionelle Aufzugstechnologien, obwohl gebogene und/oder schräge Aufzugsausrichtungen erforderlich sein können. Dies scheint mit dem Aufzugsverständnis und der Aufzugstechnologie des 21. Jahrhunderts machbar.

Der knickgelenkte Funikulator nutzt die minimierte Grundfläche des röhrenförmigen Mega-Rahmens. Knickgelenkte Funikulatorzüge teilen sich die gleichen Gleise, Wellen, Kabel und Motoren, was die Effizienz erhöht. Die Geschwindigkeit des knickgelenkten Funikulators soll die Evakuierung der Insassen erleichtern und in Notsituationen Vorteile bringen.

Der gelenkige Funikulator ist für Gebäude jeder Höhe geeignet. Eine Konfiguration mit einer Schleife würde in einem 100 m hohen Gebäude funktionieren und davon profitieren. Mit zunehmender Höhe des Bauwerks ermöglicht das Konzept den Ausbau zusätzlicher Stationen zur vertikalen Stadt. Dies ist analog zu einer U-Bahn-Erweiterung in einer horizontalen Stadt. Diese Art von Strategie fördert die frühzeitige Belegung und den damit verbundenen frühen Cashflow.

Prototypen und Gebäudevergleiche

Um die inhärente Effizienz des knickgelenkten Funikulators und des röhrenförmigen Megaframes zu demonstrieren, wurden ein 620 m hohes Prototypengebäude, ein 999 m hohes Prototypengebäude, ein 800 m hohes Prototypengebäude und ein 540 m hohes Prototypengebäude entwickelten. Die Prototypen werden mit den Gebäuden Burj Khalifa, Kingdom Tower, 1 Dubai, Ping An IFC und Guangzhou IFC verglichen. Die Vergleiche versuchen nicht, der Schönheit und Erhabenheit dieser Türme gerecht zu werden, sondern versuchen, sinnvoll erscheinende Innovationen aufzuzeigen. Die Innovationen wurden von einem Team aus weltbekannten Architekten, Ingenieuren, Aufzugsunternehmen und anderen unter die Lupe genommen.

Der 620 m hohe Prototyp ist rechteckig mit vier Kastensäulen und beschreibt die Grundlagen des knickgelenkten Funikulators und des Rohr-Megarahmens. Die Konzepte sind nicht ganz neu, aber die Zeiten haben sich seit früheren Vorschlägen geändert, und hohe Gebäude sind an Zahl und Höhe gewachsen. Diese Explosion erfordert Innovation, wenn wir das Tempo bewältigen wollen. Die Fahrgastbewegung wird, wie in allen Beispielen typisch, durch den Gelenkseilzug und konventionelle Aufzüge gesteuert. In den Hohlsäulen gleitet, ebenfalls typisch, der Knick-Funkulator. Es werden horizontale Bahnhöfe dargestellt, aber auch vertikale Bahnhöfe sind möglich.

Der 999 m hohe Prototyp ist dreieckig mit drei Kastensäulen und demonstriert die Extreme der Innovationen in Höhe und Schlankheit. Der Gelenk-Funkulator und konventionelle Aufzüge sind in den großen Hohlsäulen am Gebäuderand platziert und bringen die Passagiere in die Spitze des Gebäudes. Die Gelenkseilbahn regt zur Verdichtung in der Form an, weil die Züge die gleichen Ressourcen teilen. Diese Verdichtung verlängert natürlich das Gebäude und verschiebt das höchste belegte Stockwerk an die Spitze des Gebäudes.

Der 800 m hohe Prototyp ist aus acht Kastensäulen geformt und demonstriert die Praxistauglichkeit der Innovationen. Offene Grundrisse bieten Architekturprogramme, die nie zuvor möglich waren – zum Beispiel hohe Atrien im Erdgeschoss, Konzertsäle, Kongresszentren, große Schwimmbäder und Kinos. Die Hoffnung ist, eine echte vertikale Stadt mit einer Vielzahl von Programmen zu schaffen.

Der 540 m hohe Prototypenbau ist elliptisch mit acht Kastensäulen und demonstriert die Schönheit der Innovationen. Architektonische Schönheit sucht effiziente Lösungen, und elliptische Grundrisse tragen dazu bei, Tageslicht in die Innenräume zu bringen. Das Gebäude wirkt sehr leicht, auch aufgrund eines Schlankheitsverhältnisses.

Das 225 m hohe Prototypengebäude besteht aus drei schrägen Türmen, die sich gegenseitig tragen und demonstriert die Stärke und Flexibilität des röhrenförmigen Megaframes. Das Fehlen des zentralen Kerns fördert neue Gebäudeformen und Architekturprogramme.

Kurven und Schrägen stellen bei den Szenarien mit nur konventionellen Aufzügen eine Herausforderung dar. Der rohrförmige Megarahmen unterstützt in den meisten Situationen herkömmliche Aufzüge ohne den knickgelenkten Funikulator. Beispiele sind der 800 m hohe Prototyp, der 620 m hohe Prototyp, der 540 m hohe Prototyp und der 225 m hohe Prototyp. Diese Gebäude würden jedoch schräge und/oder gekrümmte Aufzugslinien erfordern, die heute nicht oft verwendet werden. Die vertikale gerade Linie ist eine solide geometrische Form, aber wenn unsere Zukunft darauf beschränkt ist, sind wir in Schwierigkeiten. Es ist schließlich das 21. Jahrhundert.

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Fritz King, Mats Lundström, Sirpa Salovaara und Peter Severin

Fritz King, Mats Lundström, Sirpa Salovaara und Peter Severin

Fritz King ist Business Developer für Large and Complex Structures bei Tyréns AB, einem schwedischen Ingenieurbüro. King verfügt über 30 Jahre internationale Erfahrung in der Analyse, Planung und Konstruktion komplexer Stahl- und Betonkonstruktionen. Seine Erfahrung umfasst Hochhäuser, Kraftwerke und Arenen. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Architekturingenieurwesen der University of Colorado und einen Master-Abschluss in Bauingenieurwesen der Cornell University.

Mats Lundström ist Bauingenieur bei Tyréns AB und hat einen Master-Abschluss in Bauingenieurwesen der Universität Lund in Schweden. Lundström hat Erfahrung mit einer Vielzahl von Gebäuden in Schweden, darunter mehrere Hochhäuser (25-50 Stockwerke), die Stockholm Arena und ein neues modulares Bausystem, das für sechs- bis achtstöckige Mehrfamilienhäuser aus vorgefertigtem Holz entwickelt wird.

Sirpa Salovaara hat 20 Jahre Erfahrung in sozialen und kulturellen Fragen, sie hat für die Universität Stockholm, Berlitz International und die Botschaft des Ägyptischen Fremdenverkehrsamtes gearbeitet. Ihre Spezialität ist die Umsetzung von Ideen in die Realität der Gesellschaft. Sie stellt eine Verbindung zwischen Ingenieuren, Erfindern, Autoren und den soziologisch geprägten Märkten her und unterstützt Unternehmer bei der Entwicklung und Umsetzung eigener Ideen.

Peter Severin ist Bauingenieur bei Tyréns AB. Er hat einen Master-Abschluss in Bauingenieurwesen vom Königlich-Technischen Institut in Stockholm und hat an mehreren Stahl- und Stahlbetonhochhäusern gearbeitet.

Aufzugswelt | Oktober 2013 Titelbild

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