Grand Opera in Shanghai

Die neue Grand Opera Shanghai, geplant vom Architekturbüro Snøhetta, sorgt bereits vor Fertigstellung für Aufsehen. Das liegt vor allem an der kühnen Treppe, die sich mit weit auskragenden Stufen filigran wie ein Fächer gen Himmel wendelt als gäbe es weder Schwerkraft noch Statik. Die Baustellenbilder lassen sogar die Fachwelt staunen und werfen die Frage auf: Wie ist eine solche Treppe konstruktiv möglich?

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Das Gebäude steht am Ufer des Huangpu-Flusses im Stadtteil Expo Houtan und ist mehr als nur eine Oper: Auf 146.786 Quadratmetern Bruttogeschossfläche entstehen drei Konzertsäle, mit insgesamt über dreitausend Sitzplätzen. Dazu weitere Theater-, Bildungs- und Kinoräume, sowie Restaurant-, Bibliotheks- und Ausstellungsflächen. Dieses riesige Volumen galt es zu organisieren und einzubinden in die umgebende Uferlandschaft und den neuen Stadtteil.

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Entwurf mit einem aufgefächerten Raster

Snøhetta rasterten die Fläche mit einer radialen, konzentrischen Geometrie. Wie bei einem chinesischen Fächer ziehen sich die Segmente strahlenförmig vom Mittelpunkt über den Grundriss, die Gebäudekubatur und seine Fassade bis in die Landschaft mit ihren Bäumen und Wegen. Aus dem Zentrum schraubt sich eine breite Doppelhelix-Treppe empor. Mit einem ihrer Läufe fächert sich auch die Dachfläche in die Höhe. Die Treppe ist öffentlich zugänglich und hat breite Sitzstufen, von denen Passanten den Blick auf den Fluss und die Skyline von Shanghai genießen können. An ihrem höchsten Punkt, an der oberen Dachkante, leitet sie über einen weit gespannten Steg zum Mittelpunkt zurück und schraubt sich von dort wieder hinab auf Bodenniveau. 

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Tragwerk aus Stahlbeton und einem Stahl-Beton-Verbundsystem

Das Gebäude ist eine Stahlbetonkonstruktion mit einer Treppe aus einem Verbundsystem aus Stahl und Beton und einem stählernen Dachtragwerk. Die Planung und Umsetzung vor allem von Dach und Treppe waren sehr komplex: Da ist zum einen die Berechnung der gedrehten, gefächerten Geometrie samt der Planung der daraus resultierenden konstruktiven Details. Grundlage dafür war ein durchgängig parametrischer, digitaler Entwurfs- und Ausführungsprozess. Zum anderen ist die Statik der filigranen Fächerstruktur extrem anspruchsvoll. Die Tragswerksplanung dafür übernahm das Stuttgarter Ingenieurbüro Schlaich Bergermann Partner. Gemeinsam mit den ausführenden Bauunternehmen entwickelte man Lösungen für die sehr unterschiedlichen statischen und konstruktiven Probleme.  

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Auskragende Betontreppe

Der eigentliche Treppenaufgang besteht aus auskragenden, einseitig verankerten Balken aus Beton, sogenannte Auslegerbalken. Dabei wächst das Drehmoment in der einseitigen Verankerung mit der Länge der Auskragung und der Abnahme des Querschnittes. Daher sind auskragende Bauteile entweder sehr kurz oder sehr dick. Hier aber sollten die Treppenbalken mehr als 15 Meter auskragen und gleichzeitig möglichst niedrig, maximal 72,5 Zentimeter hoch, sein, um Gewicht zu sparen und eine filigrane, kühne Ansicht zu erzeugen. Damit das funktioniert, entwickelte das Team eine kombinierte Konstruktionsweise:  Sie ließen die Balken schalenförmig aus ultrahochfestem Beton (UHPC) vorfertigen. Vor Ort legten sie die Schalen mit hochfestem Spannstahl aus und gossen sie mit langsam aushärtendem UHPC-Beton aus. So entstand ein vorgespannter Stahl-Beton-Verbundbalken, der sehr tragfähig ist und eine weite Auskragung bei niedrigem Balken- Querschnitt ermöglicht. Über Mock-ups in Originalgröße wurde die Belastung der Balken vorab getestet. 

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Spindel aus Schale und Stütze

Der gewendelte Spindelbereich im Mittelpunkt der Treppe war ebenfalls statisch und für die Umsetzung kompliziert: Er muss das Gewicht der auskragenden Betonbalken, sowie sein eigenes Gewicht tragen, welches allein durch die Höhe der Treppe enorm ist. Zudem ist das Bauteil nicht nur eine Betonspindel, sondern auch eine räumlich eng gekrümmte Betonwand – statisch betrachtet eine Mischform aus Schale und Stütze. Geplant wurde es mithilfe parametrischer, digitaler Berechnungsmethoden und einer Computersimulation der Lastfälle. Für den Bau brauchte es ein temporäres Stützsystem und eine digitale Positionierungshilfe, um das Bauteil als freigeformte Dickschalenkonstruktionen aus Beton exakt und stabil zu bauen und kritische statische Verschiebungen bei der Ausführung zu vermeiden.

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Segmentiertes Stahldach

Auch die an die Treppe anschließende aufgefächerte Stahldachkonstruktion war aufgrund ihrer großen Spannweite und der Neigung der einzelnen Segmente für die Detail-Anschlussplanung geometrisch und statisch herausfordernd. Mithilfe einer eigens entwickelten Softwaresimulation konnte die Bauorganisation und die genaue Vorfertigung und Montage der ineinandergreifenden Stahlbauteile geplant werden. 

Snøhetta und Schlaich Bergermann Partner gelang ein Bauwerk, das vor allem mit dieser Treppe die aktuellen Möglichkeiten des Ingenieurwesens ausreizt und sogar als Prototyp für die Zukunft erweitert – auch dank neuer Verfahren bei der Softwareberechnung und -simulation sowie bei der Herstellung von leistungsstarkem Beton.

Bautafel

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