Tragwerk und Fassadengestaltung
Der kreisförmige Grundriss mit maximal 57 m Durchmesser weist zwei konzentrische Stützenreihen auf, eine für Röhrentragwerke typische Anordnung. Bei diesem statischen System werden die Horizontallasten von einer in der Randzone angeordneten Rohrkonstruktion aufgenommen und über die Diagonalen abgeleitet. Auf diese Weise ist die gesamte Außenschale des Hochhauses statisch wirksam. Die Stützen im Kernbereich können daher dünner dimensioniert werden. Die außen liegende Rohrkonstruktion ist in ein diagonales Fachwerkgitter, den sog. »Diagrid«, aufgelöst. Das bekannteste Beispiel dieser Konstruktionsweise ist das John Hancock Center in Chicago von den Architekten SOM, 1965–70 erbaut. Foster und Partner selbst arbeiteten bereits in früheren, nicht realisierten Entwürfen mit Röhrentragwerken, z. B. bei der Erweiterung des Whitney Museum (New York 1978) oder beim Millennium Tower (Tokio 1989).
Das diagonale Fachwerkgitter des Swiss Re Gebäudes wird von zweigeschossigen A-förmigen Rahmen gebildet. Diese bestehen aus zwei diagonalen Druckpfosten aus Stahlrohr mit 508 mm Durchmesser (273 mm an der Gebäudespitze) und Wandstärken von 32–40 mm, einem Stahlrohr 250 ≈ 250 mm als Zugband und einem Stahlknoten (siehe Abb. 3). Die Rahmen sind mit radialen Unterzügen aus Walzstahl und Verbunddecken mit dem Kern verbunden, die das Fachwerkgitter horizontal aussteifen.
Die Fassadengestaltung übernimmt die Geometrie der diagonalen Fachwerkkonstruktion. Die geschosshohe Verglasung ist in dreieckige und rhombusförmige Elemente unterteilt. Auf einfache Weise werden so die Unterschiede im Gebäudeumfang zwischen den Geschossdecken aufgenommen. Die vorgefertigten verglasten Rahmenelemente bestehen aus thermisch getrennten, einbrennlackierten Aluminiumprofilen. Die Elementbreite beträgt 5 Grad des Umfangs, (an der Gebäudespitze 10 Grad) und variiert daher zwischen 1,5 m und 2,5 m. Durch die unterschiedlichen Neigungswinkel verändert sich auch geringfügig ihre Länge, die die Geschosshöhe von 4,15 m überspannt. Wegen der unterschiedlichen Formate ist für Produktion, Lieferung und Montage eine entsprechende Logistik nötig – ein Aufwand, der heute mit Hilfe computergestützter Konstruktion und Fertigung zu bewältigen ist. Aufgrund der unterschiedlichen Neigungswinkel erfolgte die Montage der Elemente mit einem Stockwerkskran, der jeweils vier Etagen über den zu montierenden Elementen angebracht wurde. Fertig montiert sind die geschosshohen Rahmenelemente von oben abgehängt, unten gleitfähig befestigt und über die ineinander greifenden Montagestöße verbunden. Mit zunehmend flacher Neigung, ab dem 38. Geschoss, ist die Verglasung mit Pressleisten ausgeführt. Für den Abschluss der Spitze wurde die einzige sphärisch gebogene Glasscheibe verwendet.
Abluftfassade der Büroräume
Die äußere Verglasung der Doppelfassade besteht aus einer Isolierverglasung mit einer äußeren ESG-Scheibe aus Floatglas 10 mm und einer inneren VSG-Scheibe 5 + 5 mm mit Wärmeschutzbeschichtung. Die innere Verglasung besteht aus mit 2 x 5 mm Scheiben verglasten rechteckigen Elementen mit Schiebeflügeln (s. Abb. 5, 6). Diese dienen nicht zur individuellen Belüftung der Räume, sondern werden nur zu Reinigungszwecken geöffnet. In dem ca. 1 bis 1,5 m breiten Zwischenraum befindet sich das diagonale Tragwerk, das mit einer Brandschutzummantelung und abgekantetem schwarzblau oder weiß einbrennlackiertem Aluminiumblech verkleidet ist, sowie der Sonnenschutz aus perforierten Rafflamellen. Die Abluftfassade reduziert wesentlich die Kühllast der Büroräume, da die aufgeheizte Luft mit der Abluft aus den Büroräumen über den Fassadenzwischenraum mechanisch abgesaugt wird.
Natürliche Belüftung durch die »lightwells«
Aus dem kreisförmigen Grundriss sind sechs dreieckige, ca. 20° breite Segmente ausgeschnitten. Durch die geschossweise Verdrehung der Grundrisse bilden sich an der Außenhülle spiralförmige, jeweils sechsgeschossige Lufträume. Diese bis zu 10,5 m tiefen Lichthöfe, die so genannten »lightwells«, ermöglichen die natürliche Belüftung der angrenzenden Arbeitsflächen und führen Tageslicht in die Gebäudetiefe. Die Fassadenelemente der Lichthöfe sind in jedem zweiten Geschoss am Stahlrohrgurt des A-Rahmens und an einem horizontalen polygonalen Stahlrohr (200/200 mm) im Zwischengeschoss befestigt. Die dunkle Isolierverglasung besteht aus einer außenliegenden grau getönten ESG-Scheibe 10 mm mit Sonnenschutzbeschichtung und einer innenliegenden VSG-Scheibe 5 + 5 mm. Zu den Lichthöfen sind die Büros auf einer Seite mit Trennwänden abgeschlossen, auf der anderen Seite entstehen innenliegende Balkone mit offenen Brüstungen. Zur natürlichen Belüftung der Lichthöfe und der angrenzenden Büroflächen werden geschossweise dreieckige Fassadenelemente als Klappflügel mit zentral gesteuertem elektrischem Kettenantrieb geöffnet. In den Großraumbüros kann mit den »lightwells« die mechanische Belüftung während 40 % des Jahres reduziert werden.
Belüftungskonzept
Die Büros sind mechanisch belüftet, je nach Orientierung der Räume mit sechs- bis achtfachem stündlichen Luftwechsel. Die Frischluft wird über Lüftungskästen vor den Stirnseiten der Decken angesaugt, geschossweise aufbereitet und über die abgehängte Decke in den Raum eingeblasen. Die Abluft wird über Öffnungen am Fußpunkt der Innenfassade, über den Zwischenraum der Abluftfassade und die Lüftungszentrale im Gebäudekern ins Freie geleitet.
Grundrissform und Tragwerk
Der knapp 100 Meter hohe Westhafen-Tower hat einen Durchmesser von ca. 38 Metern. Die runde Grundrissform weist ein günstiges Verhältnis zwischen Fassadenabwicklung und Raumflächen auf. Das Hochhaus gliedert sich in den Empfangsbereich im Erdgeschoss, 28 Bürogeschosse für rund 1200 Arbeitsplätze, zwei Technikgeschosse auf dem Dach und eine fünfgeschossige Tiefgarage. Um den zentralen Kernbereich mit Erschließung, Haustechnik, Neben- und Sanitärräumen sind die Büroflächen angeordnet. Drei Ausbauvarianten stehen zur Wahl: Zellen-, Kombi- oder Großraumbüros auf einem Raster von 1,35 m.
Die Grundrissgeometrie des Gebäudes beruht auf der Überlagerung von Kreis und Quadrat. Bei jeder kreisförmigen Geschossdecke sind 3 der 4 Bogensegmente ausgespart, sodass nahezu quadratische Geschossplatten entstehen. Die Grundrisse sind je Stockwerk um 90 Grad versetzt. Dadurch bleiben viergeschossige Lufträume, die so genannten Wintergärten, ausgespart. In diesem Bereich ist eine Doppelfassade ausgeführt, während die »Eckbüros« zwischen den Wintergärten direkt an die Außenhülle grenzen. Geschossdecken und Wandscheiben im Gebäudekern sind aus Stahlbeton. Die Abtragung der Vertikallasten erfolgt über den massiven Kern und den entlang der Fassade angeordneten Verbundstützen. Die auftretenden Horizontallasten werden durch die gekoppelten Kernhälften abgetragen.
Fassadenkonstruktion
Die dreieckigen Verglasungselemente der grün eingefärbten Glasfassade prägen das Erscheinungsbild. Sie verkleiden die zylindrische Form des Hochhauses mit ebenen Flächen, wobei die Spitzen der Dreiecke aufgrund der polygonalen Aufteilung des kreisförmigen Grundrisses abwechselnd leicht nach innen und nach außen gekippt sind. Die Wechselwirkung der verschiedenen Reflexionswinkel verleiht der Außenhülle eine facettenartige Wirkung ähnlich einem Diamantenschliff. Pro Geschoss ist die Fassade in 116 vorgefertigte verglaste dreieckige Rahmenelemente unterteilt. Für die Montage wurden jeweils zwei der 2,03 m breiten und 3,54 m hohen Elemente zu rautenförmigen Einheiten zusammengefasst. Mit Hilfe einer umlaufenden Montage-Fahrschiene, dem so genannten Monorail, wurden sie mit einer Laufkatze in Position gebracht und oben an den Geschossdecken in Befestigungskonsolen aus Aluminiumguss eingehängt (s. Abb 9). Mit den Befestigungskonsolen können bei der Montage Rohbautoleranzen ausgeglichen werden. Für die Befestigungen an der Betondecke wurden Ankerschienen eingelegt, um ihre Position für die Aufnahme der Fassadenelemente exakt auszurichten. Am Fußpunkt sind die Fassadenelemente in gleitfähige Edelstahlbolzen gesteckt, welche die Bewegung der Tragstruktur und die Dehnungsbewegungen der Fassadenelemente aufnehmen.
Im Bereich der Wintergärten, vor den zurückspringenden Deckenrändern, wurden die Konsolen auf Stahlrohren befestigt, die dem Kreisbogen der Fassade folgen. Von der oberen Geschossdecke sind die Rohre über vier Geschosse mit Zugstäben von 16 mm Durchmesser abgehängt und mit horizontalen Druckstäben zu den zurückversetzten Deckenplatten abgestützt. Die dreieckigen Fassadenelemente bestehen aus einem umlaufenden, thermisch getrennten pulverbeschichteten Aluminiumprofil.
Bei der Entwicklung der Profile haben die Architekten das Gestaltungsprinzip der Kreisform durch eine Abrundung der Kanten weiterverfolgt (s. Abb. 11). Die Isolierverglasung besteht aus der äußeren grün getönten ESG-Scheibe und der inneren VSG-Scheibe aus teilvorgespannten Gläsern, die in Teilbereichen mit Siebdruck nach Radaranforderungen beschichtet sind. Die Kombination einer getönten Außenscheibe mit einer Beschichtung von τ/g 68/34 auf der Scheibeninnenseite erhöht die Sonnenschutzwirkung.
Eine Besonderheit der Fassade sind die großen dreieckigen Öffnungsflügel, die nach außen elektromotorisch ausgestellt werden können. Sie gewährleisten die natürliche Belüftung der Wintergärten und der Eckbüros.
Doppelfassade im Wintergartenbereich
Im Bereich der Wintergärten dient eine zweite, innenliegende Fassade der Abgrenzung zu den Büroflächen. Sie besteht aus mit VSG-Scheiben verglasten, rechteckigen Rahmenelementen mit Dreh-/Kippflügeln. Das Lüftungskonzept sieht vor, die Büroräume überwiegend durch die dreieckigen Flügel und die innenliegenden Dreh-/Kippflügel natürlich zu belüften. Bei geöffneten Fenstern wird die unterstützende mechanische Lüftung abgeschaltet. Das Gebäude verfügt über ein kombiniertes Luft-Wasser-Kühldeckensystem, bei dem die Frischluft im Zwischenraum oberhalb der abgehängten, perforierten Bürodecke eingeblasen und über die Beleuchtungskörper absaugt wird. Die anfallende Kühllast wird über Wärmetauscher in den Main abgeführt. Zur Beheizung sind entlang der Fassade Unterflurkonvektoren im Doppelboden angeordnet. Die großzügige Verglasung und die geringe Tiefe der Büroräume ermöglichen eine weitgehend natürliche Belichtung der Arbeitsplätze. Dem Blendschutz dienen in allen Büros innenliegende, weiße, 50 mm breite, perforierte Lamellen. Eine Sprinkleranlage gewährleistet den Brandschutz innerhalb der Geschosse und verhindert den Brandüberschlag über die Wintergärten.
Fazit
Das Swiss Re Gebäude ist vom Tragwerk geprägt, der diagonalen Fachwerkkonstruktion. Sie zeichnet sich nach außen als rautenförmige Struktur durch die Glasfassade ab, deren rhomben- und dreieckförmige Elemente das diagonale Raster übernehmen. Dunkel getönte Verglasungen machen die spiralförmig verlaufenden Lichthöfe ablesbar und betonen die sich verjüngende Form des Hochhauses. Das Erscheinungsbild des Westhafen-Towers wird dagegen bestimmt von der Überlagerung der unterschiedlichen Elemente. Der grüngetönte Glaszylinder ist überzogen von einem »Netz« aus Aluminiumprofilen, dessen »Maschen« eine abstrakte Wirkung erzeugen, die durch die facettenartige Reflektion der dreieckigen Glasflächen unterstützt wird.
Derzeit stehen zwei Hochhäuser mit auf den ersten Blick ähnlichen Fassaden kurz vor der Fertigstellung: die Swiss Re Konzernzentrale von Foster und Partner und der Westhafen-Tower von Schneider + Schumacher. Gemeinsam sind den beiden Gebäuden die runde Grundrissform, die mehrgeschossigen »Wintergärten» zur natürlichen Belüftung und die Glasfassaden mit dreieckigen bzw. rautenförmigen Elementen. Doch nicht nur in der Größe – das Swiss Re Gebäude ist fast doppelt so hoch wie der Westhafen-Tower –, sondern insbesondere in der Ausbildung des Tragwerks, der Doppelfassaden und der gestalterischen Ausformulierung unterscheiden sich beide Gebäude erheblich.
Swiss Re Konzernzentrale
Die Hauptverwaltung der Swiss Re in London wird Ende 2003 bezugsfertig sein. Der 40-geschossige und 180 m hohe Turm gliedert sich in 33 Büroetagen. Im zweigeschossigen Sockelgeschoss befinden sich der Empfangsbereich und Einzelhandelsgeschäfte, an der Gebäudespitze bietet ein Restaurant mit Bar Nutzern und Gästen ein einmaliges Panorama über die Stadt. Die ungewöhnliche Form trägt dem engen Grundstück Rechnung und lässt das Gebäude bei gleicher Nutzfläche weniger schwerfällig als konventionelle Hochhäuser gleicher Höhe erscheinen. Der Durchmesser wird bis zum 16. Geschoss um 3,50 m größer und verringert sich ab dem 17. Geschoss zur Spitze hin. Die aerodynamische Form soll die Windlasten auf Tragwerk und Fassade reduzieren und die entstehenden Druckunterschiede entlang der Fassade für die natürliche Belüftung durch innenliegende Lichthöfe unterstützen. Der runde Grundriss mit maximal 57 m Durchmesser weist zwei für Röhrentragwerke typische konzentrische Stützenreihen auf. Bei diesem System werden die Horizontallasten von in der Randzone angeordneten Rohrkonstruktionen aufgenommen und über die Diagonalen abgeleitet. Auf diese Weise ist die gesamte Außenschale des Hochhauses statisch wirksam. Die Stützen im Kernbereich tragen die Vertikallasten ab.
Die außen liegende Rohrkonstruktion ist in ein diagonales Fachwerkgitter, den sogenannten »Diagrid«, aufgelöst. Es wird von zweigeschossigen A-förmigen Rahmen gebildet, die aus zwei diagonalen Druckpfosten aus Stahlrohr mit Ø 508 mm und Wandstärken von 32–40 mm, einem quadratischen Stahlrohr 250 x 250 mm als Zugband und einem Stahlknoten bestehen. Die Rahmen sind mit radialen Unterzügen und über horizontal aussteifende Verbunddecken mit dem Kern verbunden. Die geschosshohe Verglasung ist in dreieckige und rhombusförmige Elemente unterteilt, die die Unterschiede im Gebäudeumfang zwischen den Geschossen ausgleichen. Die vorgefertigten verglasten Rahmenelemente bestehen aus thermisch getrennten, einbrennlackierten Aluminiumprofilen. Die Elementbreite beträgt 5° des Umfangs (an der Gebäudespitze 10°) und variiert zwischen 1,5 m und 2,5 m. Durch die unterschiedlichen Neigungswinkel variiert ihre Länge geringfügig. Die mit 4,15 m geschosshohen Rahmenelemente sind von oben abgehängt und unten abgestützt. Sie sind über die ineinander greifende Montagestöße verbunden. Ab dem 38. Geschoss wurde aufgrund der flachen Neigung eine Pressleistenverglasung ausgeführt. Für den Abschluss der Turmspitze wurde eine sphärisch gebogene Glasscheibe verwendet. Die äußere Verglasung der Doppelfassade besteht aus einer Isolierverglasung mit einer ESG-Scheibe aus Floatglas 10 mm außen und einer inneren VSG-Scheibe 5 + 5 mm mit Wärmeschutzbeschichtung. Die innere Verglasung gliedern rechteckige Elemente mit Schiebeflügeln mit 2 x 5 mm Scheiben, die nur zu Reinigungszwecken geöffnet werden. In dem 1 bis 1,5 m breiten Zwischenraum befinden sich das diagonale Tragwerk, das mit einer Brandschutzummantelung und abgekantetem einbrennlackiertem Aluminiumblech verkleidet ist, sowie der Sonnenschutz aus perforierten Rafflamellen. Die Abluftfassade reduziert wesentlich die Kühllast der Büroräume, die Lüftung des Zwischenraums erfolgt mechanisch.
Aus dem kreisförmigen Grundriss sind sechs ca. 20° breite Segmente ausgespart. Durch die geschossweise Drehung der Grundrisse bilden sich an der Außenhülle spiralförmig je sechsgeschossige Lufträume. Diese bis zu 10,5 m tiefen Lichthöfe, die so genannten »lightwells«, ermöglichen die natürliche Belüftung der Arbeitsplätze und führen Tageslicht in die Gebäudetiefe. Die Fassadenelemente der Lichthöfe sind in jedem zweiten Geschoss am Stahlrohrgurt des A-Rahmens und an einem horizontalen Stahlrohr (200/200 mm) im Zwischengeschoss befestigt. Die Isolierverglasung besteht aus einer außenliegenden grau getönten ESG-Scheibe 10 mm mit Sonnenschutzbeschichtung und einer innenliegenden VSG-Scheibe 5 + 5 mm. Zu den Lichthöfen sind die Büros einseitig mit Trennwänden abgeschlossen, auf der anderen Seite entstehen innenliegende Balkone. Zur natürlichen Belüftung der Lichthöfe und der angrenzenden Büros werden geschossweise dreieckige Fassadenelemente als Klappflügel mit zentralgesteuerten elektrischen Kettenantrieb geöffnet. In den Großraumbüros kann mit den »lightwells« die mechanische Belüftung während 40 % des Jahres reduziert werden. Die Büros sind mechanisch belüftet, je nach Lage der Räume ergibt sich eine sechs- bis achtfache Luftwechselrate.
Westhafen-Tower
Der zylindrische, grün verglaste Westhafen-Tower ist das erste Frankfurter Hochhaus direkt am Mainufer. Er gehört zur ersten Phase des Entwurfs der Architekten Schneider + Schumacher, die 1996 als Sieger aus dem städtebaulichen Wettbewerb zur Revitalisierung des Westhafen-Viertels hervorgegangen sind. Der knapp 100 Meter hohe Turm hat einen Durchmesser von ca. 38 Metern. Die runde Grundrissform weist ein günstiges Verhältnis zwischen Fassaden- und Raumfläche auf. Das Hochhaus gliedert sich in den Empfangsbereich im Erdgeschoss, 28 Bürogeschosse für rund 1200 Arbeitsplätze, zwei Technikgeschosse auf dem Dach und eine fünfgeschos-sige Tiefgarage. Um den zentralen Kernbereich mit Erschließung, Haustechnik, Neben- und Sanitärräumen sind die Büroflächen angeordnet. Drei Ausbauvarianten als Zellen-, Kombi- oder Großraumbüros stehen auf einem Raster von 1,35 m zur Wahl.
Die Grundrissgeometrie des Gebäudes beruht auf der Überlagerung von Kreis und Quadrat. Bei jeder runden Geschossdecke sind 3 der 4 Bogensegmente ausgespart, sodass nahezu quadratische Geschossplatten entstehen. Die Grundrisse sind je Stockwerk um 90° versetzt. Dadurch bleiben viergeschossige Lufträume ausgespart, die sogenannten Wintergärten. In diesem Bereich ist eine Doppelfassade ausgeführt, während die »Eckbüros« zwischen den Wintergärten direkt an die Außenhülle grenzen. Geschossdecken und Wandscheiben im Gebäudekern sind aus Stahlbeton, die Abtragung der Vertikallasten und die Aussteifung erfolgt über den massiven Kern.
Das Erscheinungsbild der grünen Glasfassade wird durch die dreieckigen Verglasungselemente geprägt, wobei die Spitzen der Dreiecke aufgrund der polygonalen Aufteilung des kreisförmigen Grundrisses abwechselnd leicht nach innen und nach außen gekippt sind. Pro Geschoss ist die Fassade in 116 vorgefertigte Elemente unterteilt. Für die Montage wurden jeweils zwei der 2,03 m breiten und 3,54 m hohen Fassadenelemente zu rautenförmigen Einheiten zusammengefasst. Mit Hilfe einer umlaufenden Montage-Fahrschiene, dem sogenannten Monorail, wurden sie mit einer Laufkatze in Position gebracht und oben an der Geschossdecken in Befestigungskonsolen aus Aluminiumguss eingehängt. Damit können bei der Montage Toleranzen am Rohbau ausgeglichen werden. Die Befestigungen wurden an der Betondecke mit Ankerschienen montiert, unten sind die Fassadenelemente in gleitfähige Edelstahlbolzen gesteckt, welche die Bewegung der Tragstruktur und die Dehnungsbewegungen der Fassadenelemente aufnehmen. Im Bereich der Wintergärten, vor den zurückspringenden Deckenrändern, wurden die Konsolen auf Stahlrohren befestigt, die dem Kreisbogen der Fassade folgen. Von der oberen Geschossdecke sind die Rohre über vier Geshcsse mit Zugstäben Ø 16 mm abgehängt und mit horizontalen Druckstäben zu den zurückversetzten Deckenplatten abgestützt.
Die dreieckigen Fassadenelemente bestehen aus einem umlaufenden, thermisch getrennten pulverbeschichteten Aluminiumprofil. Die Isolierverglasung setzt sich zusammen aus der äußeren grün getönten ESG-Scheibe und der inneren VSG-Scheibe aus TVG-Scheiben, die in Teilbereichen mit Siebdruck nach Radaranforderungen beschichtet sind.
Eine Besonderheit der Fassade des Westhafen-Towers sind die großen dreieckigen Fassadenelemente, die sich nach außen öffnen. Sie gewährleisten die natürliche Belüftung der Wintergärten und der Eckbüros. Im Bereich der Wintergärten dient eine zweite innenliegende Fassade der Abgrenzung der Büro-flächen. Sie besteht aus mit VSG-Scheiben verglasten, rechteckigen Rahmenelementen mit Dreh-/Kippflügeln. Das Lüftungskonzept sieht vor, dass die Büroräume überwiegend natürlich belüftet werden. Bei geöffneten Fenstern wird die unterstützende mechanische Lüftung abgeschaltet. Das Gebäude verfügt über ein kombiniertes Luft-Wasser-Kühldeckensystem, bei dem die Frischluft im Zwischenraum oberhalb der abgehängten, perforierten Bürodecke eingeblasen und über die Beleuchtungskörper absaugt wird. Zur Beheizung sind entlang der Fassade Unterflurkonvektoren im Doppelboden angeordnet. Die Kühlung erfolgt bei Bedarf über die abgehängte Metalldecke.
Für den Blendschutz sind in allen Büros innenliegende, weiße, 50 mm breite, perforierte Lamellen montiert. Eine Sprinkleranlage gewährleistet den Brandschutz innerhalb der Geschosse und verhindert den Brandüberschlag über die Wintergärten.
