Vítězný návrh českého pavilonu pro mezinárodní výstavu EXPO 2025 od studia Apropos Architects.
Zadání konceptu pavilonu Expo 2025 bylo jasné od první skici na papíře. Na základě výsledku architektonické soutěže, kterou vyhrálo studio Apropos Architects ve spolupráci s Terezou Šváchovou, byla přijata myšlenka konceptu architektury dřeva a skla. Už od prvního pohledu je zřejmé, že sklo na fasádě bude hrát prim. Výhled z hlavního výstavního koridoru bude orientován směrem k moři. Navíc pavilon se bude nacházet na prémiovém místě výstaviště a architektura skleněné fasády by z něj mohla stvořit skutečnou ikonu celé výstavy.
ZÁKLADNÍ KONCEPT NOSNÉ KONSTRUKCE
Tým projektantů na zakázce začal pracovat na základě výzvy vítěze architektonické soutěže. Úkolem bylo připravit hlavní nosnou konstrukci s použitím dřeva.
První představení ideje architekty nastínilo základní otázky. Zejména vyřešení konceptu vyložené části koridoru, kdy nejvíce vyložený bod měl zhruba 2,6 m. Dále pak uvolnění interiéru auditoria, což vedlo k návrhu pochozí střechy s rozponem okolo 11 m a umístění hlediště na balkonech s vyložením 2,6 m.
Aby konstrukce mohla vzniknout, uplatnili jsme veškeré naše odborné znalosti nasbírané z předešlých projektů a odhodlaně jsme se pustili do řešení řady komplexních projekčních výzev. Tento typ návrhářství představuje disciplínu, se kterou se ve střední Evropě setkáváte spíše vzácně. Do úvahy berete extrémnější klimatické prostředí včetně uvážení vlivu zemětřesení na stavbu. Během realizace projektu jsme zjistili, že přístup našich japonských partnerů k inženýrskému procesu je velmi specifický. A tak se stala spolupráce mezi českými konstruktéry a jejich japonskými kolegy oblastí, ze které jsme se mohli navzájem učit a růst. Naše dřevěná konstrukce se totiž pro Japonce ukázala být až překvapivě inovativní, což nám přineslo řadu nových výzev při získávání povolení. Zároveň to však byla velmi cenná zkušenost, jak objevovat nové cesty řešení.
Vzhledem ke skutečnosti, že se výstavba bude provádět mimo územní platnost Eurokódů, je konstrukční tým sestaven z české a japonské skupiny. Česká skupina designérů připravuje data, výpočty a výkresy pro japonskou část týmu, která je zodpovědná za projednání konstrukce s japonským stavebním úřadem a certifikačními orgány. Vzhledem k náročnější a tvarově složitější konstrukci nestačí pro získání stavebního povolení pouze předložení autorizované dokumentace na stavební úřad. Japonský stavební úřad požaduje prověření výpočtu a návrhu certifikačním orgánem. Tento orgán od začátku návrhu konstrukce definuje podmínky a způsob, jakým bude bezpečnost konstrukce prověřena.
Okrajové podmínky návrhu
Zadání projektu jasně vymezilo okruhy, na něž jsme se museli při návrhu výrazněji zaměřit. V zásadě je bylo možné rozdělit do tří hlavních skupin. Jde o to, co požaduje investor, jaké jsou předpisy pořadatele výstavy s ohledem na výstavbu na umělém ostrově a do úvahy se berou i klimatické podmínky spolu se zemětřesením, které může v průběhu výstavy nastat.
První část okrajových podmínek, a to použití dřeva jako hlavního materiálu nosné konstrukce, bylo vzhledem k zaměření naší kanceláře zcela přirozené. Druhá část, tedy podmínky pořadatele výstavy, byla zvažována hned v úvodním návrhu řešení. Jedná se zejména o demontáž konstrukce po ukončení výstavy, což se zohledňovalo především při návrhu konstrukčního detailu a jednotlivých stavebních dílů. Prvky se volily tak, aby jejich demontáž a přemístitelnost byla jednoduše realizovatelná. Stavební díly konstrukce jsou zejména omezeny ve svých rozměrech, limitní je návrh rozměrů, který umožňuje rozměr přepravního kontejneru. Ve stavebním detailu jsme se snažili omezit přímé vrutování dřevo/dřevo. Z našeho pohledu by mohlo po namáhání konstrukce po dobu jejího používání dojít k deformacím spojovacích prostředků a tím by demontáž byla ztížena. Proto je u základních detailů použit princip spojovacího elementu na konci dílu – myšleno okování a šroubování prvků dohromady přes ocelový spojovací prvek. Další okrajovou podmínkou pro návrh konstrukce ze strany pořadatele je váhové hledisko. Zjednodušeně lze říct, že váha hmoty, která se z ostrova vyveze, definuje maximální váhu konstrukce včetně užitného zatížení.
S ohledem na tuto podmínku byla po celou dobu průběžně kontrolována hmotnost konstrukce a porovnávána s hmotností výkopu. Základní disciplínou statika však bylo vypořádat se s klimatickým zatížením, které bylo především dané působením tajfunu proudícím ze strany moře. Dle zajištění místních podmínek a s uvážením konstrukce pro krátkodobé použití byla definována rychlost větru v tomto extrémním případě na hodnotu 60 m/s a pro standardní působení větru pak 36 m/s. Vlastní výpočet namáhání větrem řešeného složitého tvaru byl proveden pomocí virtuálního větrného tunelu.
Chování konstrukce při účinku zemětřesení bylo velice živě diskutováno s místními autoritami z pohledu tvaru a materiálového řešení. Nutno konstatovat, že použití CLT konstrukce je pro Japonce značně pokrokové a netradiční. Takže japonský autorizační úřad stanovil postup pomocí náhradní vodorovné síly. Byla spočtena na základě koeficientu zohledňujícího výšku budovy, její tvar, materiálové řešení a dobu používání objektu. Veškeré koeficienty byly rovněž definovány japonským certifikačním úřadem. V systému japonských norem jsou tyto hodnoty vedeny pro běžné budovy, objekty typu český pavilon jsou vždy konzultovány a podmínky výpočtu se definují na základě vstupní konzultace s certifikačním úřadem. Také náš konstrukční FEM model byl prověřen na účinky náhradní vodorovné síly.
Koncepční uspořádání konstrukce
Jednoduše lze konstrukci popsat jako ve středu dispozice umístěnou dvouplášťovou trubku o výšce zhruba 12 m, průměru vnějšího pláště 9,7 m a průměru vnitřního pláště kolem 6,7 m. Středová trubková konstrukce je osazena do betonové vany. V úrovni desky nad suterénem a dále stropu nad přízemím i střechou je zajištěna vodorovná výztuha uvnitř a vně konstrukce. V prostoru mezikruží jsou vodorovné výztuhy tvořeny konstrukcí schodiště, podest a mezipodest. Na obvod nosné kruhové konstrukce jsou pak osazeny v radiálním směru nosníky, částečně konzolově vyložené a částečně podepřené sloupy po obvodě konstrukce respektující konečnou fasádní stopu.
Z detailnějšího pohledu je základová konstrukce řešena jako bílá vana. Vlastní založení je realizováno na základové desce o tl. 250 mm. Po obvodě suterénního prostoru jsou betonové stěny. Už do této konstrukce je osazena dřevěná stěnová a sloupová konstrukce a ta je vymezena výškou suterénu. Respektuje horní uspořádání konstrukce a půdorysný tvar propisuje mezikruží horní stavby. Suterénní nosné prvky jsou zaklopeny první dřevěnou horizontální konstrukcí. Jedná se o dřevěný panelový strop, kterým je uzavřena podzemní část konstrukce. Na horní stranu tohoto stropu je postavena hlavní svislá stěnová konstrukce. Jak už bylo zmíněno, jedná se o vertikální dřevěné plošné dílce o výšce zhruba 11 m. Oba základní kruhy jsou vytvořeny z 36 segmentů. Do vnitřního kruhu konstrukce je pak vestavěn strop, opět z dřevěných plošných dílů. Tento strop nad přízemím tvoří nosnou konstrukci auditoria a konstrukčně ho lze popsat jako desku, která je podepřená po obvodu a má centrální hlavici podepřenou na čtyřech sloupech uprostřed objektu. Nad auditoriem je pak proveden strop. Opět uspořádán do kruhu vyplňujícího vnitřní mezikruží. Z hlediska struktury se jedná o vzpínadlovou desku podepřenou po obvodě nosnými stěnami na vnitřním kruhu. Strop je tvořen plošnými dřevěnými panelovými dílci. Na vytvořený tuhý vnitřní tubus je osazena konstrukce chodbové spirály. Základní desková konstrukce tvoří spirálu stoupající kolem celého objektu a je podepřena nosníky vedenými po radiále od obvodu do centra konstrukce. Délka nosníku a šířka chodbové spirály je definována stopou fasády i vnějším obvodem hlavní nosné konstrukce. Na vnějším fasádním obvodě jsou osazeny ocelové sloupy, které podpírají spirálové nosníky umístěné na 37 radiálách respektujících 36 segmentů základního kruhu. Mezi tyto nosníky je pak osazena dutá stropní deska. Ta je volena s ohledem na korekci hmotnosti pro dodržení podmínky omezení hmotnosti konstrukce.
Dalším zajímavým prvkem je konzola uvnitř auditoria. Jedná se o balkony hlediště. Konstrukce je zvolena jako jednoduchá deska, která je momentově fixovaná na nosnou stěnu. Z geometrického hlediska se jedná o prvek jdoucí přes tři segmenty. S ohledem na převládající směr namáhání, tedy ohyb na horní straně prvku, je speciálně uspořádán CLT prvek. Horní dvě vrstvy jdou rovnoběžně se směrem namáhání. Závěrečným prvkem konstrukce je pak provedení prostor VIP salonku. Na základní nosnou konstrukci je v požadované výseči radiálně umístěno schéma příčných rámů, zaklopených CLT deskami.
Materiálový koncept
Materiálové řešení bylo jasně dáno přáním investora, a to propagovat udržitelnost konstrukce. S ohledem na tuto skutečnost bylo pro hlavní nosnou konstrukci zvoleno dřevo, a to v podobě inženýrského výrobku. Vzhledem k dispozičním potřebám je spodní stavba řešena pomocí betonové vany v minimální nutné konstelaci. U fasády je pak s ohledem na subtilnost konstrukce použita ocel pro fasádní sloupky. Pokud se zaměříme na inženýrský dřevěný výrobek, byly pro vnitřní a extrémněji namáhané konstrukce použity desky z křížem lepeného dřeva, a to v sedmi a pětivrstvé variantě. Vzhledem k nutnosti redukovat hmotnost s ohledem na maximální váhu konstrukce je pak spirálová chodba vytvořena z dutých žebrových panelů. Slepením tenčích desek dostáváme nižší hmotnost výrobku při zachování stejné účinné výšky prvků, které jsou doplněny systémem sloupů kruhového průřezu. S ohledem na zakrytí nosné konstrukce skleněnou fasádou se většina dřevěných prvků vyskytuje maximálně ve vlhkostní třídě prostředí II. Všechny dřevěné výrobky jsou navrženy s ohledem na možnosti výroby v České republice tak, aby byla naplněna základní idea propagace našich produktů.
Tvorba detailu
Při tvorbě detailu bylo nutné respektovat i místní podmínky v Japonsku, které jsou odlišné oproti zvyklostem návrhu konstrukcí staveb v České republice. Hlavním parametrem ovlivňujícím detail se v konečném důsledku ukázalo namáhání při zatížení zemětřesením. Na základě ekvivalentní horizontální síly stanovené dle předpokládaného typu konstrukce a referenčnímu zrychlení bylo zjištěno, že rozhodující je namáhání detailů tahem.
Dalším prvkem v detailu byla potřeba demontáže konstrukce. Tomuto požadavku jde naproti především řešení spojů přes ocelové elementy instalované na vlastní nosný prvek. Tím je dosaženo možnosti předvýroby prvku včetně osazeného styčníku s minimální potřebou opracování na stavbě. Pro základní představu popíšeme dva charakteristické detaily. Prvním je momentová fixace balkonu hlediště na konstrukci stěny a druhým je propojení vertikální konstrukce přes konstrukci stropu zajišťující přenos tahové síly s ohledem na namáhání konstrukce při zemětřesení. Balkon hlediště je ve svém uložení namáhán ohybovým momentem zhruba 27,5 kNm/m.
Klíčový prvek je přenos tahové síly na horní hraně desky. To je zajištěno přes tahový úhelník fixovaný na CLT prvek pomocí celozávitových vrutů a úhlových podložek. Ke konstrukci stěny je pak úhelník fixován průvlečným svorníkem, který je přes podložku opřen o zadní povrch stěny. S ohledem na tlak kolmo k vláknům je plocha pod otlačným plechem armována celozávitovými vruty zvyšujícími pevnost desky stěny proti otlačení. Na spodní hraně desky je pak připraven element pro přenos smykové síly a opět je povrch stěny pod otlačným plechem. Do výpočtu byl spoj modelován liniovým uvolněním, u něhož bylo možné nastavit vypočtenou rotační tuhost. Vzhledem k požadavku japonských úřadů byl tento styčník vybrán jako vzorový pro provedení zkoušek, které aktuálně probíhají ve zkušebnách. Ve výsledcích testů bude mimo jiné i experimentálně zjištěná rotační tuhost, jež bude ve své zjištěné hodnotě v rámci zpřesnění výpočtu opětovně zadána do FEM modelu, aby bylo možné přesněji vypočítat II.MS – deformaci konce balkonu.
Další detail ukazuje možnosti návrhu propojení vertikálních dílů při přenosu výrazné tahové síly. S ohledem na návrh zemětřesení bylo nutné zajistit propojení tahové síly přes horizontální konstrukce. V extrému se vyskytuje tahová síla v prvku až 600 kN. Z hlediska montáže je nutné sloup/stěnu rozdělit vertikálně a zajistit přenos tahové síly přes vloženou konstrukci stropu. Tyto požadavky jsou zajištěny pomocí ocelové botky a ocelové hlavy. Na konec sloupu je pomocí samovrtných kolíků osazena koncová trubka. Při montáži se horní část trubky nasadí na spodní a vzájemně se zajistí šroubováním.
SOUČASNÝ STAV PROJEKTU
V době psaní článku je aktuálně dokončená výrobní a montážní dokumentace. Japonský dodavatel, firma DAISUE, objednal provedení a montáž dřevěné nosné konstrukce u společnosti A2 Timber, jelikož se stala jejím oficiálním subdodavatelem. Aktuálně jsme již zahájili výrobu jednotlivých dílů. Část konstrukce je aktuálně vyrobena a řeší se logistický plán nakládky pro převoz do místa dění v Ósace.
Během realizace projektu jsme zjistili, že přístup našich japonských partnerů k inženýrskému procesu je velmi specifický. A tak se stala spolupráce mezi českými konstruktéry a jejich japonskými kolegy oblastí, ze které jsme se mohli navzájem učit a růst. Naše dřevěná konstrukce se totiž pro Japonce ukázala být až překvapivě inovativní, což nám přineslo řadu nových výzev při získávání povolení. Zároveň to však byla velmi cenná zkušenost, jak objevovat nové cesty řešení. Z hlediska principu japonského stavebního zákona nelze uznat autorizaci ČKAIT, proto bylo nutné najít shodu s naším japonským kolegou, jenž bude ve smyslu japonského práva zodpovědným inženýrem.
Náš zrcadlový japonský kolega z velké míry akceptoval naše řešení a my jsme zase rádi přizpůsobili a převzali od něj zkušenosti, které nám nejsou úplně blízké z hlediska návrhu konstrukce. Například odolnosti proti zemětřesení.
Po proběhnutí celého procesu návrhu konstrukce a její lokalizace pro japonské prostředí musíme přiznat, že návrhy v Česku bez chvění půdy, tajfunů a agresivního prostředí mořského pobřeží jsou v mnohých ohledech jednodušší a projevuje se to i na detailu. Lze konstatovat, že stejná konstrukce by pro české prostředí v provedených detailech byla rozdílná a detaily by byly úspornější. Celý projekt nás opět posunul do hlubšího vhledu návrhu konstrukce a komunikace s týmem v Japonsku nám dala nový pohled na tvorbu, především v jeho detailu.
Autor:
Ing. Lukáš Krbec se specializuje na statické výpočty a dřevěné konstrukce. Je spolumajitelem společnosti A2 Timber, kde působí jako seniorní statik.
