Het nieuwe Centraal Station van Arnhem is zonder twijfel één van de vooruitstrevendste gebouwen van dit moment. Het ontwerp wordt gekenmerkt door dubbelgekromde vormen met krommingen die complexer zijn dan wat we in Nederland gewend zijn.
Projectomschrijving
De Openbaar Vervoers Terminal (OVT) Arnhem Centraal is het sluitstuk van het Arnhem Central Masterplan. Het vormt de vloeiende verbinding tussen de verschillende niveaus en programmaonderdelen in het masterplan. Deze terminal geeft samen met de perrontunnel rechtstreeks toegang tot trein, taxi, bus, fiets, de geparkeerde auto, kantoor en stad. Er ontstaat hiermee één volledige, geïntegreerde 'transporthub'. De in het gebied aanwezige natuurlijke hoogteverschillen faciliteren daarbij de mogelijkheid tot het samensmelten van voetgangersstromen, vervoerssystemen, constructie en programma, in één vloeiend utilitair landschap. De verwevenheid van functies geeft optimale transferstromen, heldere zichtlijnen en lichttoetreding tot diep in de ondergrondse bouwlagen.
Het ontwerp wordt gekenmerkt door grote dubbelgekromde, geometrische gebouwonderdelen en verbindt de verschillende programmatische en constructieve elementen tot één vloeiend geheel, waarbinnen constructie, architectuur en bouwfysische aspecten zijn geïntegreerd. Dankzij de toepassing van innovatieve ontwerp- en constructietechnieken en de bereidheid van alle partijen om over de grenzen van het gebruikelijke te kijken is een van oorsprong betonnen gebouw getransformeerd naar een stalen icoon. Architectonische vorm en constructie zijn hierbij één.
(Staal)constructie
Hoewel de basis van het ontwerp voor OV Terminal Arnhem al ruim vijftien jaar geleden is gelegd, is het project zonder twijfel één van de meest vooruitstrevende en uitdagende ontwerpen dat recent in Nederland is gebouwd. Het ontwerp wordt gekenmerkt door grote dubbelgekromde, geometrische gebouwonderdelen en verbindt de verschillende programmatische en constructieve elementen tot één vloeiend geheel, waarbinnen constructie, architectuur en bouwfysische aspecten zijn geïntegreerd.
De Terminal is een relatief compact gebouw met afmetingen van circa 90 bij 90 m. De hoogte verloopt sterk maar de vrije ruimte in het midden van de centrale hal bedraagt circa 18 m. Centraal element in de hal is de 'Twist', een fraaie gedraaide kolom welke een groot deel van het dak draagt. Het balkon, een vloer die verschillende niveaus in de hal met elkaar verbindt, draait als spiraal om de twist heen. Daarnaast hebben uitgesproken gekromde elementen met namen als de 'Backtwist' en de 'Flip' een architectonische en constructieve functie. Deze elementen ondersteunen namelijk delen van het dak, het balkon of de verhoogde rijweg welke achter de stationshal door loopt. Daarnaast spelen deze elementen een belangrijke rol bij waarborging van de gebouwstabiliteit. Doordat bijna alle steunpunten in het gebouw scheefstaan is dit een complex en delicaat evenwicht. Het vrijgevormde, dubbelgekromde dak van de terminal heeft een schaalachtig karaker en is net als de overige constructieve delen oorspronkelijk ontworpen in schoon beton (meer informatie in bijgevoegde Cement-artikelen 'Landschap als organisatiestructuur' en 'Ontwerp van een complex schaaldak').
Gezien de complexheid van dit gebouw en ervaringen uit eerdere deel-aanbestedingen in het stationsgebied heeft de opdrachtgever bij de OV Terminal gekozen voor een UAV-GC contractvorm. Hierdoor ontstond ruimte voor inschrijvende aannemers om alternatieven in te dienen waardoor maximaal gebruik gemaakt kon worden van het in de markt aanwezige potentieel. Uitgangspunt hierbij was het oorspronkelijke betonnen referentieontwerp. In het aanbestedingsproces is door bouwcombinatie OVT Arnhem voorgesteld de betonconstructie voor het dak te vervangen door een geometrisch gelijkblijvende constructie in staal, gebaseerd op scheepsbouwtechnieken. Na selectie is in nauw overleg tussen architect, opdrachtgevers en aannemer het aanbiedingsontwerp zo geoptimaliseerd dat overgangen tussen staal en beton naar architectonisch logische posities zijn verplaatst. In dit proces zijn ook andere, niet constructieve elementen van dubbelgekromd beton omgezet naar staal. In totaal is bijna 800 ton (gekromd) staal in OVTA toegepast, waarvan meer dan 90% een constructieve functie vervult.
De keuze voor staal is ingegeven door verschillende factoren. De uitwerking en realisatie van dergelijke complexe dubbelgekromde vormen vraagt ook in beton zeer grote inspanningen. Hierbij zijn veel aspecten aan te wijzen die een groot risico vormen ten aanzien van planning en kosten. Hierbij moet men onder andere denken aan de complexe bekistingsvorm, zeer veel gekromde wapening (welke tijdelijke ondersteuning vraagt), zeer beperkte ondersteuningsmogelijkheden (reeds bestaande P-kelder onder gebouw aanwezig), complexe ontkistingsoperatie en het feit dat zeer veel verschillende partijen werkend in serie nodig zijn om het betonontwerp te realiseren. Ook de slechte voorspelbaarheid van krimp- en kruipgedrag van het dak bracht risico's met zich mee. De gewenste en architectonisch belangrijke detaillering voor de gevel, welke onder het dak door loopt, laat namelijk weinig ruimte voor vervormingen.
In de tenderfase zijn daarom verschillende staalvarianten bestudeerd, uitgewerkt en gewogen waaronder een plaatconstructie gebaseerd op scheepsbouwtechnieken en een ruimtevakwerk met dunne stalen huid. Hierbij hebben niet alleen constructieve aspecten, bouwtijd en kosten een rol gespeeld maar is een breed scala aan architectonische en functionele aspecten beoordeeld. Hierbij moet onder meer gedacht worden aan inpassing ten aanzien van materialisatie, gewicht, raakvlakken met reeds bestaande gebouwdelen, akoestiek, robuustheid, vandalisme gevoeligheid, repareerbaarheid, reinigbaarheid, veiligheid, hinder voor omgeving en werkomstandigheden tijdens productie. Alle factoren afwegend is gekozen voor een staalvariant waarbij de dubbelgekromde constructie wordt gebouwd volgens het scheepsbouwprincipe (meer informatie in bijgevoegde Cement-artikel 'Scheepsbouwtechniek OVT').
Dit scheepsbouwprincipe is gebaseerd op het gebruik van een dunne huidplaat (veelal 10 mm), verstijfd door achterliggende ribben (hoofd-, langs- en dwarsdragers). De krachtswerking in het dak is daarmee een combinatie van schaalwerking, buigende momenten en dwarskrachten. De dragers bestaan uit I-vormige doorsnede met een flens van 300x10 mm2 en een lijf van 525x10 mm2. Deze worden volledig uit plaatstaal samengesteld en gelast. De dubbelgekromde vorm van de huid wordt gerealiseerd door het plastisch vervormen van vlakke platen. De dragers delen het dak zo veel mogelijk op in gelijkmatige vlakken van 4.0x1.6 m2. Hiertussen bevindt zich de scheepshuid welke gesteund wordt door verstijvers. Op deze wijze wordt een relatief licht dak gerealiseerd. Gemiddeld bedraagt het staalverbruik 160kg/m2. Ter vergelijk: het verbruik van wapeningsstaal in de betonvariant was berekend op gemiddeld 170 kg/m2. Voor zwaarbelaste onderdelen zijn uiteraard dikkere plaatdelen toegepast, tot wel 50 mm dikte. De voet van de twist, waar bijna één derde van het dakgewicht samenkomt, is hier een voorbeeld van. Voor niet-constructieve delen zoals bijvoorbeeld de balkonrand, zijn dezelfde technieken gebruikt met minimale plaatdiktes. Hierbij geldt 10 mm als minimum in verband met vormbehoud.
Bouwkundig concept
Het project wordt gekenmerkt door integraliteit van het totale ontwerp. Deze integraliteit is aanwezig op meerder niveaus. Ten eerste het paradigma van 'de constructie is de architectuur'. Dit vergde veel afstemming tussen constructeur en architect. Ten tweede is er de integrale samenwerking tussen de verschillende constructies. Het derde niveau is het detail. Aangezien veel architectonische en installatietechnische elementen zijn verwerkt in de constructie, was het een complexe opgave om de constructie te coördineren met deze elementen.
Voor het ontwerp en realisatie van het ontwerp zijn op alle schaalniveaus innovatieve oplossing ontwikkeld:
• nieuwe modelleertechnieken
• (constructieve) rekenmethodes
• complexe 3D maatvoering
• 3D werkplannen voor de uitvoering
• Innovatieve aanbestedingsmethode
• geïntegreerde digitale samenwerking tussen ontwerper en onderaannemers
• toepassing van scheepsbouw techniek in een bouwkundig project
Bij al deze technieken heeft een 3D-BIM model centraal gestaan. Alle disciplines zijn vanuit dit model aangestuurd en slechts enkele platte tekeningen zijn geproduceerd.
Constructieve details
De staalconstructie bestaat uit dunne, samengestelde platen. De plaathoogte-dikte verhouding zorgt ervoor dat alle platen plooigevoelig zijn. In de scheepsbouw is de bouw van dit soort constructies gemeengoed, in de bouw echter niet. Bouwvoorschriften (NEN) voorzien in toetsing van plooi van vlakke platen maar niet in die van gekromde, laat staan van dubbelgekromde platen. Dit vormde dan ook een grote uitdaging voor dit project. In eerst instantie is getracht de scheepsbouwnormen te adopteren en geschikt te maken voor toepassing in de bouw. Dit is om diverse redenen niet gelukt, onder meer doordat het veiligheidsniveau dat met scheepsbouwnormen wordt bereikt moeilijk was vast te stellen en daardoor niet kon worden vergeleken met niveaus geeist in de bouw. Daarom is in tweede instantie gekozen voor een volledige 2e orde toetsing (zowel globaal als lokaal) in het EEM-pakket Ansys. De exacte vorm van het dak kon hierbij uit de software van de architect worden overgenomen. Voor de toetsing zijn diverse toetsingsmethoden en –regels ontwikkeld en door externe partijen gereviewd (meer informatie in bijgevoegd BmS-artikel 'Schaalsprong in staal').
Omdat een deel van de terminal in een eerdere fase is gebouwd, is een aantal locaties ontstaan waar nieuw staal op bestand beton aangesloten is. Deze aansluiting vragen bijzondere aandacht omdat deze op architectonische gronden 'naadloos moet zijn'. Het toepassen van de gebruikelijke oplegmaterialen en bijbehorende detaillering was daarmee uitgesloten. Daarnaast is de stabiliteit van het gebouw als geheel gebaseerd op een samenwerking tussen onderbouw (fase 1, in beton) en bovenbouw (OVTerminal, in staal). Daarom zijn uiteindelijk alle aansluiting monoliet uitgevoerd waarmee zowel aan de architectonische als constructieve randvoorwaarden is voldaan. In het ontwerp en de detaillering van deze aansluitingen is optimaal gebruik gemaakt van het scheepsbouwprincipe. Volgens dit principe ontstaan 'kamers' in de staalconstructie. Deze zijn gebruikt om de staalconstructie te verankeren aan het bestaande beton door de wapening in deze kamers op te nemen en vervolgens te vullen met beton. Een enkele aansluiting is 'droog' uitgevoerd waarbij ankers in de beton zijn ingebracht en de staalconstructie op gebruikelijk wijze met het beton verbonden is. Dit is gedaan op plaatsen waar de aansluiting aan het zicht zijn onttrokken en de krachten voldoende klein zijn om met ankers te kunnen volstaan.
Uitvoering
Het scheepsbouwprincipe brengt met zich mee dat zoveel mogelijk wordt gebouw met 'secties'. Dit zijn grote elementen die nog net transporteerbaar zijn over de weg. De secties worden eerst in de montagehal bij de staalbouwer samengesteld uit individuele (gekromde) platen en gelast. Om passing op de bouwplaats te verzekeren worden aansluitende secties in de montagehal veelal 'gefit' en indien nodig aangepast voordat deze naar de bouwplaats worden getransporteerd. Op de bouwplaats worden de secties op tijdelijke ondersteuningen geplaatst en middels lassen tot één monoliete constructie verbonden (meer informatie in bijgevoegd BmS-artikel 'Startpunt is kale vorm').
De staalconstructie maakt integraal onderdeel uit van hoofddraagconstructie van de OV Terminal. Vanwege de complexiteit van deze integrale constructie, onder meer vanwege de onderlinge krachtsafdracht (niet alleen definitief, maar ook in bouwfase), de beperkte mogelijkheid belastingen af te dragen naar de ondergrond, de afdracht en stabiliteit van schaalconstructie in de bouwfase (wanneer mag/moet de zwaartekracht aan?), integratie van definitieve afwerking en constructie, complexiteit van de te realiseren constructievormen en scheepsbouwtechniek op de bouwplaats, was een vergaande voorbereiding en afstemming van de uitvoering noodzakelijk. Inventiviteit op alle aspecten was noodzakelijk omdat er niet gebouwd kon worden op eerdere ervaringen.
Onderstaande items zijn een aantal specifieke aandachtspunten bij de uitvoering van dit werk:
- Integratie staal en beton
De benodigde samenwerking van verschillende constructiedelen uitgevoerd in verschillende materialen (Flip als ondersteuningspunt voor de balkonvloer) vereiste integrale/gelijktijdige uitvoering. De stalen secties van de Flip zijn gebruikt als kopkist in de bekisting van de daaronder gepositioneerde betonwanden. Diverse andere bedachte varianten vielen af vanwege uitvoeringstechnische dan wel constructieve onbeheersbare risico's. De aan de secties gelaste wapening ingestort in het beton voldeed voor de benodigde krachtsoverdracht. Hier is dus het staal eerst geplaatst en het beton er onder gestort.
- Ondersteuningsconstructies
De constructie van het schaaldak werkt pas op de manier zoals bedoeld is op het moment dat deze volledig afgelast is. Het dak is dan ook volledig ondersteund geweest tot dat specifieke moment. Met het uitgangspunt dat de onderliggende constructie weinig tot geen capaciteit heeft voor tijdelijke ondersteuning en daarbij de complexiteit van de vorm op zich, is het opzetten van het ondersteuningsplan een grote uitdaging geweest. Er zijn in samenspraak met de betrokkenen diverse op maat gemaakte hulpmiddelen ontwikkeld, passend bij de montage van de stalen secties op een ondersteuningsconstructie van standaard steigermaterieel. Het gebruik van staal heeft hierbij grote voordelen opgeleverd ten opzichte van beton. Ondanks de forse inspanning die hier geleverd is zou een betonvariant een nog veel grotere uitdaging gevormd hebben. Het betonnen dak was namelijk drie keer zo zwaar en de ondersteuning had in dat geval in één keer, gelijkmatig, verwijderd moeten worden. Met de ervaring van de staalconstructie lijkt dit bijna onmogelijk.
- Veiligheid
Het samenbrengen en monteren van de stalen secties bracht zeer specifieke veiligheidsrisico's naar de bouwplaats. De secties zijn deels opgebouwd uit dubbele schaalconstructies. Alle verbindingen tussen secties (ook inwendig) dienen afgelast te worden om een werkende constructie te krijgen. Het veilig bereikbaar maken van alle werkplekken in de constructie binnen de geldende wetgeving en normen in de bouwwereld was een ware uitdaging.
FR
NL