Museum of the Future Dubai: Membangun Ikon Arsitektur 78 Meter

Museum of the Future yang saat ini dibangun di Dubai, Emiriah Arab Serikat (UAE), adalah salah satu struktur paling kompleks yang pernah dibangun. Gedung 78 meter tinggi ini menempatkan tujuh lantai dalam cangkang torus yang duduk di atas podium tiga lantai. Fasad luar torus terdiri dari 1.024 panel komposit tahan api (FR). Dilapisi baja tahan karat, setiap panel adalah bentuk 3D yang unik dan terintegrasi kaligrafi Arab yang dicetak cetak. Tulisan mengalir ini membentuk puisi yang menggambarkan visi Dubai masa depan oleh Yang Mulia Sheikh Mohammed bin Rashid Al Maktoum, vice presiden dan perdana menteri UAE serta penguasa Emiriah Dubai. Mereka juga berfungsi sebagai jendela gedung, menyarankan cahaya hari melalui interior bebas kolom dan menciptakan efek dramatis di malam hari melalui 14 kilometer pencahayaan LED terintegrasi.

Dikonsepsikan oleh Sheikh Mohammed sebagai inkubator untuk inovasi dan penemuan, Museum of the Future dianggap sebagai salah satu gedung paling canggih di dunia, tempat di mana orang dapat merasakan dan meneliti teknologi baru. Ini juga merupakan simbol arsitektur yang mendorong batas melalui desain digital dan penggunaan bahan yang lebih efisien. Desain parametrik digunakan untuk mengembangkan steel diagrid — rangka 2.400 anggota baja yang memotong secara diagonal — yang padanya plate lantai beton komposit dan 17.000 meter persegi cladding komposit dipasang, yang terakhir menggunakan 1 juta meter persegi prepreg epoksi diperkuat serat kaca dan karbon multiaxial.

Perusahaan Dubai Affan Innovative Structures menyediakan desain komposit untuk panel, serta pembuatan dan dukungan untuk instalasi. "Ini adalah kali pertama proyek seperti ini dilakukan," ujar CEO perusahaan, Dr. Amer Affan. "Dan juga kali pertama panel komposit digunakan untuk mengintegrasikan beberapa fungsi gedung melalui bentuk yang sangat kompleks."

Arsitek utama Shaun Killa menjelaskan bahwa eksterior kompleks biasanya merupakan rain screen, dengan gedung di belakang yang berisi sistem waterproofing. "Ini menyederhanakan hal-hal karena sedikit lebih maaf saat menciptakan bentuk yang sangat tiga dimensi ini," katanya. "Namun di gedung ini, envelop sedang melakukan waterproofing, keudaran udara, struktur dan pencahayaan." Affan mengakui bahwa untuk proyek yang begitu besar, perusahaan kecil dalam ukuran, "tapi kami telah menggunakan keahlian teknis kami untuk mencapai sesuatu yang unik dan telah menunjukkan bagaimana gedung akan dibangun di masa depan."

 

Kemampuan dalam desain digital kompleks

Affan Innovative Structures awalnya dihubungi oleh tim engineering Museum of the Future. "Tidak banyak perusahaan yang dapat melakukan pekerjaan yang diperlukan untuk cladding eksterior," kata Affan. "Kompetitor lain yang唯一 menawarkan curtain wall biasa dengan panel aluminium atau baja tahan karat di luar." Curtain walls, biasanya digunakan selain rangka baja struktural, tipis dan terbuat dari frame aluminium yang mendukung panel eksterior kaca, logam dan/atau batu tipis (lihat "The building envelope: FRP unitized facades"). Ini ditolak oleh tim engineering sebagai terlalu sulit dan tidak dapat memberikan penampilan yang sama seperti yang mungkin menggunakan fasad panel komposit multifungsi terintegrasi. Akibatnya, yang terakhir, yang diusulkan oleh Affan Innovative Structures, dipilih untuk proyek. "Kami juga memiliki teknologi unik yang memungkinkan kami untuk membuat panel besar," kata Affan, "hingga 3 meter lebar dengan 9 meter tinggi, lengkung di kedua arah, yang berarti lebih sedikit sambungan."

Affan Innovative Structures unik cocok untuk proyek ini. Didirikan pada 2004 oleh Dr. Affan, perusahaan menyediakan solusi turnkey lengkap — dari desain konsep hingga instalasi dan pemeliharaan gedung — cenderung terhadap tantangan teknis yang sangat rumit. Riwayat perusahaan mencakup layar aluminium/geometri kompleks/cladding untuk King Abdullah Sports City Stadium (Jeddah, Arab Saudi), kanopi masuk komposit dan 64 atap kaca dan baja dengan pola rumit untuk Yas Mall (Abu Dhabi, UAE), atap komposit eksterior untuk Sidra Hospital (Doha, Qatar) dan banyak proyek menantang lainnya. Kemampuan ini dalam assembly baja, kaca dan komposit yang kompleks tepat apa yang dibutuhkan untuk fasad komposit multifungsi Museum of the Future.

“Di dalam setiap panel komposit, ada sistem kaca rata [panel] di dalam tulisan Arab,” Affan menjelaskan. “Kaca hampir tersembunyi di dalam panel, hingga kedalaman 200 milimeter.” Rekess ini berubah tidak hanya dari atas gedung, dengan rekess lebih sedikit untuk mencegah penahanan air, hingga bawah, di mana panel vertikal dan undercut dapat tersembunyi dalam kedalaman tanpa menahan air, tetapi juga di dalam setiap panel, condur dan berkurang untuk menghasilkan tepi alami yang halus untuk tulisan. “Lokasi dan tepi rekess juga bervariasi menurut lokasi kaca di dalam panel karena kaca rata tetapi panel lengkung,” catat Affan. “Ini hanya mungkin dengan desain digital dan pemesinan CNC.” Presisi ini juga diperlukan untuk memastikan bahwa tulisan, yang bervariasi dari satu panel ke panel berikutnya, selaras secara tepat saat panel dipasang sehingga huruf dan kata mengalir dengan benar di luar gedung.

Bagi Affan, satu-satunya solusi adalah mencetak tulisan dan rekess Arab ke dalam setiap panel komposit. “Penyangga akan ditempatkan dalam cetakan yang dipesan CNC dengan presisi,” katanya. Untungnya, perangkat lunak CATIA (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, Prancis) yang digunakan Affan Innovative Solutions untuk menggerakkan mesin CNC-nya juga adalah program CAD 3D yang digunakan industri penerbangan untuk merancang pesawat dan struktur komposit yang kompleks. Selain itu, tim 28 insinyur Affan juga mahir dalam Tekla BIM software, Rhino 3D (Robert McNeel & Assoc., Seattle, Washington, AS) dan AutoCAD oleh Autodesk. “Kami membuat semua gambar di CATIA, serta desain laminat, yang memberi kami kemampuan untuk melakukan pemesinan yang begitu kompleks,” kata Affan.

Namun, desain tersebut tidak sederhana dan harus memenuhi berbagai beban struktural dan angin. Sebagai contoh, di dalam torus menciptakan efek terowongan angin, kata Affan. Panel ini harus menahan beban angin hingga 450 kg/m² (92 lb/ft²). (Catatan, Kode Bangunan Internasional mencantumkan beban angin 71 lb/ft² untuk area berisiko hurikan tinggi di West Palm Beach, Florida, AS). Panel komposit untuk Museum of the Future juga dirancang untuk meminimalkan berat. “Panel menggunakan 9 hingga 13 plies, yang bervariasi menurut lokasi dan beban,” kata Affan. Dia menambahkan bahwa Composite Technology Center (Stade, Jerman), anak perusahaan Airbus dan mitra lama melalui organisasi perdagangan CFK Valley ev (Stade, Jerman), “menyediakan pemeriksaan pihak ketiga pada desain laminat, perhitungan defleksi dan kekakuan kami.”

Kompleksitas dan inovasi tambahan adalah bahwa panel juga mengintegrasikan sistem pemasangannya sendiri. “Di tepi, 24 plies membentuk geometri pemasangan seperti kotak kaset untuk terhubung ke gedung,” Affan menjelaskan. Sistem kaset adalah metode untuk memasang cladding eksternal, yang awalnya dikembangkan untuk instalasi jenis rain screen. Meskipun jenis dan geometri bervariasi, kaset biasanya memungkinkan permukaan eksterior datar dan tahan air yang dijamin di belakang rangka beban gedung. Untuk fasad panel Museum of the Future, potongan terpisah tidak diperlukan untuk membentuk tepi kaset, melainkan dipesan ke dalam setiap cetakan dan sehingga terintegrasi ke dalam setiap panel komposit.

 

Bahan, cetakan dan manufaktur panel

Meski ruang fabrikasi komposit 10.000 meter persegi Affan Innovative Structures memiliki 16 mesin infusi resin dan delapan meja infusi resin berbasis kaca dengan alas baja berukuran 3 meter kali 20 meter, perusahaan memilih untuk menggunakan prepreg. Mengapa? “Mencapai performa FR yang diperlukan membutuhkan banyak aditif, jadi resin menjadi kental dan tidak akan mengalir dalam infusi,” Affan menjelaskan. Dalam hal ini, aditifnya adalah aluminum trihidrat (ATH, lihat “Withstanding fire without the weight”). Dia melanjutkan, “Jadi, kami bekerja sama dengan Notus Composites [Ras Al Khaimah, UAE] untuk mengembangkan prepreg epoksi FR. Kami terutama menggunakan serat kaca tetapi juga serat karbon di bagian-bagian tertentu di mana ada masalah defleksi.” Disetujui oleh Dubai Civil Defense, prepreg epoksi Notus Composites EPFR-609, dalam kombinasi dengan surface film NE11-FR, telah lulus persyaratan api NFPA 285, EN13051-1 dan ASTM E1098 dan E84 Class A (lihat “Fire-retardant prepregs enable ...” dan “Better, cheaper screening of FRP building materials”).

Karena permukaan logam eksternal di Dubai dapat mencapai suhu 80°C (176°F) di musim panas, Affan menjelaskan, “kami mengkuring prepreg pada 120°C untuk memastikan T_g (suhu transisi kaca) yang cukup untuk menahan defleksi kepala. Jadi, cetakan dipesan dari busa polyurethane yang dapat menahan suhu tinggi itu, yang lebih mahal. Kami mencoba tiga atau empat busa berbeda, tetapi hanya satu yang dapat menahan suhu ditambah tekanan vakum, dan namun cukup lembut untuk dipesan CNC dengan mudah dan cepat."

Pemesinan CNC setiap cetakan memakan waktu 12 hingga 72 jam dan masing-masing dari 1.024 panel komposit memerlukan cetakan sendiri. Keempat mesin CNC 5-sumbu CMS (Zogno, Italia) Affan Innovative Structures — yang terbesar berukuran 33 meter panjang kali 13 meter tinggi kali 2,5 meter tinggi — diperlukan untuk memenuhi tingkat produksi yang menuntut museum. “Jika satu [mesin] tidak beroperasi untuk pemeliharaan, kami memiliki yang lain beroperasi secara paralel,” Affan menjelaskan.

Plies prepreg dipotong dan dikit menggunakan cutter otomatis (Bulmer, Mehrstetten, Jerman). “Kami tidak menggunakan core dalam panel karena, berbeda dari sekarang, tidak ada busa core pada saat itu yang dapat lulus persyaratan FR,” kata Affan. Meski dengan otomatisasi semacam itu, tenaga kerja perusahaan sebanyak 250 karyawan, total yang telah dicapai pada 2015, juga diperlukan untuk memenuhi produksi, rata-rata empat panel per hari. Tim delapan pekerja, masing-masing dengan seorang pembimbing dan set keterampilan yang seimbang untuk efisien, menata panel. “Biasanya, kami akan memiliki dua atau tiga tim yang bekerja pada sebuah proyek,” catat Affan, “tetapi untuk memenuhi jadwal produksi ini kami memiliki 20 tim yang bekerja pada waktu yang sama.”

Langkah Manufaktur

Langkah 1 Busa polyurethane dipesan menjadi cetakan presisi. Sumber untuk semua gambar langkah manufaktur | Affan Innovative Solutions

Langkah 2 Prepreg serat kaca/epoksi ditempatkan tangan ke dalam cetakan.

Langkah 3 Layup prepreg dikemas vakum dan dikuring di oven selama 6 jam pada 120°C.

Langkah 4 Panel yang dicetak disiapkan untuk bonding lem dengan finishing baja tahan karat.

Langkah 5 Hexagon baja tahan karat diikat dan dipasang mekanis ke panel FRP.

Langkah 6 Panel yang selesai diangkat untuk instalasi.

Langkah 7 Setiap panel disesuaikan melalui “universal joint” 3D unik.

Langkah 8 Setiap panel disesuaikan melalui “universal joint” 3D unik untuk mencapai fasad eksterior yang rata dan teratur.

Sebelum Berikutnya

Layup ditempatkan tangan, dikemas vakum dan dikuring selama 6 jam dalam oven yang berukuran 20 meter panjang kali 8 meter lebar kali 3 meter tinggi. “Setiap mesin CNC memiliki oven sendiri,” kata Affan. “Kami tidak mengumpulkan banyak panel dalam satu siklus curing. Sebaliknya, ketika setiap panel siap, kami segera mengkurinya untuk mempertahankan aliran produksi yang tertinggi mungkin. Kami kemudian mencetak panel dan menggunakan scanner 3D untuk memastikan panel yang dibuat cocok dengan file CATIA. Menurut sistem kontrol kualitas total kami, kami harus memeriksa terhadap file digital pada setiap langkah dalam proses.”

Panel yang selesai kemudian menerima finishing eksterior baja tahan karat. “Baja tahan karat diikat lem ke setiap panel dan kemudian dipasang dengan penangkal mekanis, yang merupakan seni itu sendiri,” kata Affan. “Logam dipotong menjadi hexagon kecil untuk melilit panel 3D. Grid hexagon bervariasi dari bagian ke bagian tergantung pada jumlah lengkungan. Meski kami memiliki pengalaman dan kepercayaan dalam bonding, tidak boleh ada risiko satu hexagon terlepas selama masa aktif gedung. Jadi, setiap hexagon harus dipasang — memerlukan hingga 200 hingga 300 pemasangan untuk satu panel.” Panel yang selesai kemudian dikirim ke lokasi untuk dipasang.

 

Instalasi tanpa masalah dengan bantuan NASA

Instalasi sebenarnya diselesaikan oleh perusahaan konstruksi gedung BAM International (Gouda, Belanda). “Kami hanya menyediakan pembimbing untuk instalasi untuk membantu cara menangani panel,” catat Affan. “Cara masing-masing diangkat adalah kunci. Panel dirancang cukup kuat untuk posisi spesifik masing-masing di gedung. Namun, mereka harus diangkat dengan cara tertentu, melalui setidaknya dua titik pengangkat, seperti menggantungkan kaset dalam metode bangunan yang lebih tradisional.”

Ada masalah tambahan yang Affan unik berkelayakan untuk menyelesaikan. “Agar setiap panel dapat duduk pada struktur baja dan tetap membentuk permukaan yang halus, kita perlu kemampuan untuk menyesuaikan panel dalam kedalaman, orientasi dan lengkungan dalam 3D — dengan kata lain, jenis universal joint dengan tiga derajat kebebasan. Pada 1985, saya bekerja sebagai mahasiswa di NASA di California tentang damping struktur stasiun angkasa. Kunci adalah dapat menggerakkan setiap struktur dan menyesuaikannya ketika shuttle bertampar agar getaran dapat damped dengan cepat, sedikit seperti noise cancellation. Saya menggunakan teknologi yang sama untuk pemasangan dan penyesuaian panel selama instalasi.”

Sedangkan, karena panel juga menyediakan seal wortel gedung, tidak boleh ada celah di antara mereka. “Panel tidak boleh berdampingan langsung, atau mereka akan retak,” kata Affan, menjelaskan bahwa karena beban hidup tinggi 1,5 ton pada area pameran lantai 6 yang mencantilever, struktur baja sebenarnya bergerak. “Kami mempertahankan celah yang tepat di antara panel dan ini diisi dengan gasket khusus.” Gasket ini, cukup lembut untuk meregang, namun cukup kaku untuk menahan beban, menyediakan fungsionalitas sealing sambil memungkinkan penampilan estetika gedung.

 

Solusi semacam ini adalah keuntungan, Affan mencatat. “Karena kami berasal dari latar belakang struktur, kami mampu menggabungkan banyak bahan. Ini sangat penting. Komposit hanyalah salah satu bahan yang kami gunakan. Ini bukan hanya proyek komposit.” Hasilnya berbicara untuk dirinya sendiri. “Instalasi berjalan baik; tidak ada masalah sama sekali,” kata Affan, yang mencatat tidak ada cara untuk memeriksa apakah panel akan cocok kecuali memastikan kesesuaiannya dengan file digital. “Kami belum memiliki panel yang tidak cocok atau yang bentuknya salah atau kata yang salah eja,” testified manajer proyek Buro Happold Bauly dalam artikel BBC oleh Elizabeth Bains.

 

Konstruksi modular masa depan

“Kami mengelola seluruh proses bersama,” tambah Affan. “Kerja tim di dalam perusahaan itu sendiri juga kunci; kelompok desain dan layup harus koordinir satu sama lain. Kami belum pernah melakukan pekerjaan sebesar ini, dan itu adalah tantangan, tapi kami suka tantangan.”

Sayangnya, COVID-19 telah mengambil tribut. “Kami menyelesaikan pekerjaan ini tepat sebelum lockdown pandemi,” katanya. “Sekarang, kami tinggal kurang dari 30 orang. Itu melukai. Tetapi ini telah mempengaruhi semua orang, bukan hanya kami.” Dan namun, Affan melihat harapan untuk masa depan dan peran komposit yang akan memainkan dalam mencapai keberlanjutan dan inovasi yang dibutuhkan dunia dalam konstruksi. “Khususnya di Dubai dan GCC (Gulf Cooperation Council), orang ingin mencoba ide baru. Ini mendemonstrasikan masa depan arsitektur dan konstruksi.”

Masa depan itu, katanya, akan bagi mereka yang dapat menggunakan sistem konstruksi modular, “dan COVID-19 sebenarnya mempercepat ini. Perusahaan akan membangun dalam modul dan mengirimnya ke lokasi. Ini akan berkembang karena itu memindahkan ketidakefisienan dari lokasi dan ke dalam pabrik, meningkatkan kontrol dan kualitas. Di lokasi, Anda harus mengkoordinir semua orang. Ini membuang waktu, menunggu kontraktor lain. Anda juga tergantung pada cuaca dan hentian kerja. Fabrikasi di pabrik menghilangkan semua ini. Karena mereka kuat, ringan dan awet cukup untuk diangkut dan dipasang dengan mudah, komposit memungkinkan jenis konstruksi modular ini dan Anda dapat membuat bentuk apa pun yang Anda inginkan.”

Affan mencatat bahwa konstruksi modular telah digunakan di kapal cruise selama bertahun-tahun, di mana setiap kabin dibuat sebelumnya, lengkap dengan sistem pendingin/pemanas, listrik dan plumbing, dan kemudian dirakit ke dalam rangka baja kapal seperti blok LEGO. “Bayangkan berapa banyak waktu yang akan Anda hemat ketika setiap modul sudah dilengkapi. Kami sekarang melihat sebuah proyek untuk membuat gedung bertingkat dengan cara ini menggunakan komposit,” katanya. “Jika Anda memiliki resin FR, maka Anda tidak perlu bagian-bagian yang sebelumnya terbuat dari logam.” Mengutip hotel Marriott yang dibangun dengan cara ini dan selesai tahun lalu di New York City, Affan menambahkan, “gedung itu terbuat dari baja dan kayu, tapi kami dapat membangunnya dengan komposit.”