Museu do Futuro de Dubai: Construindo um Ícone Arquitetônico de 78 Metros

O Museu do Futuro, em construção em Dubai, Emirados Árabes Unidos (EAU), é uma das estruturas mais complexas já construídas. O edifício de 78 metros de altura abriga sete andares dentro de uma casca em formato de toro assentada sobre um pódio de três andares. A fachada externa do toro compreende 1.024 painéis compósitos retardantes de fogo (FR). Revestidos com aço inoxidável, cada painel é uma forma 3D única e integra caligrafia árabe moldada. O script fluido forma poemas que descrevem a visão para o futuro de Dubai por Sua Alteza Sheikh Mohammed bin Rashid Al Maktoum, vice-presidente e primeiro-ministro dos EAU e governante do Emirado de Dubai. Também servem como janelas do edifício, projetando luz diurna pelo interior sem colunas e criando efeito dramático à noite via 14 km de iluminação LED integrada.

Concebido por Sheikh Mohammed como incubadora de inovação e invenção, o Museu do Futuro é considerado um dos edifícios mais avançados do mundo, onde pessoas podem experimentar e pesquisar novas tecnologias. Também é símbolo de arquitetura que ultrapassa fronteiras via design digital e uso de materiais mais eficientes. Design paramétrico foi usado para desenvolver a estrutura diagrid de aço – uma malha de 2.400 membros de aço intersectados diagonalmente – à qual lajes de piso de compósito de concreto e 17.000 m² de revestimento compósito são anexados, este último usando 1 milhão de m² de pré-preg epóxi reforçado com fibra de vidro e carbono multiaxial.

A empresa de Dubai Affan Innovative Structures forneceu o design compósito dos painéis, bem como fabricação e suporte à instalação. "Esta é a primeira vez que um projeto assim é empreendido," diz o CEO da empresa, Dr. Amer Affan. "E também a primeira vez que painéis compósitos são usados para integrar múltiplas funções de edifício via formas tão complexas."

O arquiteto principal Shaun Killa explica que exteriores complexos normalmente são rain screens, com edifício atrás contendo o sistema de impermeabilização. "Isso simplifica porque é mais tolerante ao criar formas tridimensionais tão complexas," nota. "Neste edifício, porém, o envelope faz a impermeabilização, estanqueidade ao ar, estrutura e iluminação." Affan concede que para projeto tão grandioso, sua empresa é pequena, "mas usamos nossa expertise técnica para alcançar algo único e mostrar como edifícios serão construídos no futuro."

Capacidade em designs complexos e digitais

A Affan Innovative Structures foi contatada inicialmente pela equipe de engenharia do Museu do Futuro. "Não havia muitas empresas que podiam fazer o trabalho requerido para o revestimento externo," nota Affan. "O único outro concorrente propôs curtain wall normal com painéis de alumínio ou aço inoxidável por fora." Curtain walls, tipicamente usados em adição a estrutura de aço, são finos e feitos de perfis de alumínio que suportam painéis externos de vidro, metal e/ou pedra fina. Foi rejeitado pela equipe de engenharia como demasiado difícil e incapaz de fornecer a mesma aparência possível com fachada de painéis compósitos integrados e multifuncionais. Assim, esta última, proposta pela Affan, foi selecionada. "Também temos tecnologia única que nos permite fazer painéis grandes," adiciona Affan, "até 3 metros de largura por 9 metros de altura, curvados em ambas direções, o que significa menos juntas."

A Affan era exclusivamente adequada. Formada em 2004 pelo Dr. Affan, fornece soluções turnkey completas – do design conceitual à instalação e manutenção – gravitando para desafios muito técnicos. Currículo inclui tela geométrica complexa de alumínio/revestimento para King Abdullah Sports City Stadium (Jeddah, Arábia Saudita), dossel de entrada compósito e 64 claraboias de vidro e aço intricadamente padronizadas para Yas Mall (Abu Dhabi, EAU), telhado compósito externo para Sidra Hospital (Doha, Catar) e muitos outros projetos desafiadores. Essa capacidade em montagens complexas de aço, vidro e compósitos era exatamente o necessário para o exterior multifuncional do Museu do Futuro.

"Dentro de cada painel compósito, há um sistema de vidros planos [painéis] dentro do script árabe," explica Affan. "O vidro fica quase recuado dentro dos painéis, até 200 mm de profundidade." Este recuo muda não só do topo do edifício, com menos recuo para evitar acúmulo de água, até a base, onde painéis verticais e undercut podem ser profundamente recuados sem prender água, mas também dentro de cada painel, inclinando e diminuindo para produzir borda natural gradual para o script. "A localização e bordas do recuo também variam conforme a localização do vidro dentro do painel porque o vidro era plano mas os painéis curvos," nota Affan. "Isso só foi possível com design digital e usinagem CNC." Essa precisão também seria necessária para garantir que o script, que variava de painel para painel, alinhasse precisamente na instalação para que letras e palavras fluíssem corretamente pelo exterior do edifício.

Para a Affan, a única solução foi moldar o script árabe e recuos em cada painel compósito. "Reforços seriam colocados em moldes usinados CNC com precisão," explica. Felizmente, o software CATIA (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, França) que a Affan usa para acionar suas máquinas CNC é também o programa CAD 3D usado pela indústria aeroespacial para projetar aeronaves e estruturas compósitos complexas. Além disso, a equipe de 28 engenheiros da Affan é proficiente em software Tekla BIM, Rhino 3D (Robert McNeel & Assoc., Seattle, EUA) e AutoCAD da Autodesk. "Fizemos todos os desenhos no CATIA, bem como o design de laminado, o que nos deu capacidade para usinagem tão complexa," diz Affan.

O design, porém, não foi trivial, e teve que atender diversas cargas estruturais e de vento. Por exemplo, o interior do toro criava efeito túnel de vento, explica Affan. Estes painéis devem suportar até 450 kg/m² (92 lb/ft²) de carga de vento. (Nota: Código Internacional de Construção lista cargas de vento de 71 lb/ft² para áreas de alto risco de furacão em West Palm Beach, Flórida, EUA). Os painéis compósitos também são adaptados para minimizar peso. "Painéis usam 9 a 13 camadas, que variam por localização e carga," diz Affan. Ele adiciona que o Composite Technology Center (Stade, Alemanha), subsidiária da Airbus e parceiro de longa data via organização comercial CFK Valley e.V. (Stade, Alemanha), "forneceu verificação terceirizada de nosso design de laminado, cálculos de deflexão e rigidez."

Uma complexidade e inovação adicional: os painéis também integraram seu próprio sistema de fixação. "Nas bordas, 24 camadas formam geometria de fixação tipo cassete para conectar ao edifício," explica Affan. Sistema cassete é método para fixar revestimento externo, originalmente desenvolvido para instalações tipo rain screen. Embora tipos e geometrias variem, cassetes tipicamente permitem superfície externa plana e à prova de chuva fixada atrás à estrutura de suporte do edifício. Para os painéis de fachada do Museu do Futuro, peças separadas não foram necessárias para formar as bordas do cassete, mas foram usinadas em cada molde e assim integradas em cada painel compósito.

Materiais, moldes e fabricação dos painéis

Mesmo que os 10.000 m² de espaço de fabricação compósito da Affan tenham 16 máquinas de infusão de resina e oito mesas de infusão de resina com topo de vidro e base de aço medindo 3m x 20m, optou por usar pré-preg. Por quê? "Alcançar o desempenho FR necessário requer muitos aditivos, então a resina fica grossa e não flui na infusão," explica Affan. Neste caso, o aditivo foi tri-hidrato de alumínio (ATH). "Assim, trabalhamos com a Notus Composites [Ras Al Khaimah, EAU] para desenvolver um pré-preg epóxi FR. Usamos principalmente fibra de vidro, mas também fibra de carbono em certas seções onde havia problemas de deflexão." Aprovado pela Defesa Civil de Dubai, o pré-preg EPFR-609 da Notus Composites, em combinação com filme de superfície NE11-FR, passou nos requisitos NFPA 285, EN13051-1 e ASTM E1098 e E84 Classe A.

Como superfícies metálicas externas em Dubai podem atingir 80°C (176°F) no verão, Affan explica: "curamos o pré-preg a 120°C para garantir Tg (temperatura de transição vítrea) suficiente para resistir a deflexão por calor. Assim, os moldes foram usinados em espuma de poliuretano que suportasse essa alta temperatura, mais cara. Tentamos três ou quatro espumas diferentes, mas apenas uma pôde suportar a temperatura mais pressão de vácuo, e ainda ser macia o suficiente para usinar CNC fácil e rapidamente."

A usinagem CNC de cada molde levou 12 a 72 horas e cada um dos 1.024 painéis compósitos requeria seu próprio molde. Todas as quatro máquinas CMS (Zogno, Itália) 5-eixos da Affan – a maior medindo 33m de comprimento por 13m de largura por 2,5m de altura – foram necessárias para atender a taxa de produção exigente. "Se uma [máquina] parava para manutenção, tínhamos as outras rodando em paralelo," explica Affan.

Camadas de pré-preg foram cortadas e kitadas usando cortadora automatizada (Bülmer, Mehrstetten, Alemanha). "Não usamos núcleo nos painéis porque, diferente de hoje, não havia núcleos de espuma na época que passassem requisitos FR," diz Affan. Mesmo com tal automação, a força de trabalho de 250 funcionários, total atingido em 2015, também foi necessária para entregar a produção, média de quatro painéis por dia. Equipes de seis trabalhadores, cada uma com supervisor e conjunto balanceado de habilidades para eficiência, faziam o layup. "Normalmente teríamos duas ou três equipes em um projeto," nota Affan, "mas para atender este cronograma tínhamos 20 equipes trabalhando simultaneamente."

Etapas de Fabricação

Etapa 1: Espuma de poliuretano fresada em moldes de precisão. Fonte de todas as imagens das etapas | Affan Innovative Solutions

Etapa 2: Pré-preg de fibra de vidro/epóxi colocado manualmente nos moldes.

Etapa 3: Layups embalados a vácuo e curados em forno por 6 horas a 120°C.

Etapa 4: Painéis desmoldeados preparados para colagem adesiva do acabamento em aço inoxidável.

Etapa 5: Hexágonos de aço inoxidável colados e fixados mecanicamente aos painéis FRP.

Etapa 6: Painéis finalizados erguidos para instalação.

Etapa 7: Cada painel ajustado via "junta universal" 3D única.

Etapa 8: Cada painel ajustado via "junta universal" 3D única para alcançar fachada externa suavemente alinhada.

Layups foram colocados manualmente, embalados a vácuo e curados por 6 horas em fornos medindo 20m de comprimento por 8m de largura por 3m de altura. "Cada máquina CNC tinha seu próprio forno," diz Affan. "Não agrupávamos muitos painéis por ciclo de cura. Em vez disso, quando cada painel estava pronto, curávamos imediatamente para manter fluxo de produção o mais alto possível. Então desmoldeávamos e usávamos scanner 3D para garantir que o painel as-made correspondia ao arquivo CATIA. Por nosso sistema de controle de qualidade total, tínhamos que verificar contra os arquivos digitais em cada etapa do processo."

Painéis finalizados então recebiam acabamento externo em aço inoxidável. "O aço inoxidável é colado adesivamente a cada painel e depois fixado com fixadores mecânicos, o que é uma arte em si," diz Affan. "O metal foi cortado em pequenos hexágonos para draping sobre os painéis 3D. A grade hexagonal variava peça a peça dependendo da curvatura. Mesmo com experiência e confiança na colagem, não podia haver risco de um único hexágono se soltar durante a vida do edifício. Assim, cada hexágono tinha que ser fixado – exigindo até 200 a 300 fixações por painel." Painéis finalizados eram então enviados ao local para instalação.

Instalação sem problemas auxiliada pela NASA

A instalação foi concluída pela construtora do edifício BAM International (Gouda, Holanda). "Fornecemos apenas supervisores para instalação para ajudar no manuseio dos painéis," nota Affan. "A forma como cada um é erguido é chave. Painéis foram projetados para serem fortes o suficiente para sua posição específica no edifício. Porém, devem ser erguidos de forma específica, via pelo menos dois pontos de elevação, como cassetes pendurados em métodos tradicionais."

Havia questão adicional que Affan estava exclusivamente qualificado para resolver. "Para que cada painel se assentasse na estrutura de aço e ainda formasse superfície suave, precisávamos capacidade de ajustar o painel em profundidade, orientação e curvatura em 3D – ou seja, uma espécie de junta universal com três graus de liberdade. Em 1985, trabalhei como estudante na NASA na Califórnia em amortecimento de estruturas de estação espacial. A chave era poder mover cada estrutura e ajustá-la quando a nave atracasse para que vibração fosse amortecida rapidamente, tipo cancelamento de ruído. Usei a mesma tecnologia para fixação e ajuste dos painéis durante instalação."

Também, como painéis forneciam vedação estanque do edifício, não podia haver lacunas entre eles. "Painéis não podiam se encostar diretamente, ou rachariam," diz Affan, explicando que devido a carga viva alta de 1,5 toneladas na área de exposição do 6º andar em balanço, a estrutura de aço realmente se move. "Mantivemos um espaçamento precisamente espaçado entre painéis e isso foi preenchido com gaxeta especial." Esta gaxeta, macia o suficiente para expandir, mas rígida o suficiente para suportar carga, fornecia funcionalidade de vedação enquanto permitia a aparência estética do edifício.

Tais soluções são vantagem, nota Affan. "Porque viemos de background estrutural, somos capazes de combinar muitos materiais. Isso é muito importante. Compósitos são apenas um material que usamos. Não foi apenas um projeto de compósitos." Resultados falam por si. "Instalação correu bem; não houve problemas," diz Affan, que nota que não havia como verificar se painel caberia exceto garantir conformidade ao arquivo digital. "Não tivemos um painel sequer que não coube ou teve formato errado ou palavra escrita errada," testemunhou gerente de projeto da Buro Happold, Bauly, em artigo da BBC por Elizabeth Bains.

Construção modular futura

"Gerenciamos todo o processo juntos," adiciona Affan. "Trabalho em equipe dentro de nossa própria empresa também foi chave; grupos de design e layup tiveram que coordenar. Nunca fizemos trabalho tão grande, foi desafio, mas gostamos de desafios."

Infelizmente, COVID-19 cobrou seu preço. "Terminamos este trabalho pouco antes do lockdown da pandemia," diz. "Agora, estamos com menos de 30 pessoas. É devastador. Mas afetou todos, não só nós." Ainda assim, Affan vê esperança para o futuro e para o papel dos compósitos na sustentabilidade e inovação que o mundo precisa na construção. "Especialmente em Dubai e no GCC (Conselho de Cooperação do Golfo), pessoas querem tentar novas ideias. Está demonstrando o futuro da arquitetura e construção."

Esse futuro, ele enfatiza, será para quem puder usar sistemas modulares de construção, "e COVID-19 está acelerando isso. Empresas construirão em módulos e enviarão ao local. Isso se desenvolverá porque move ineficiências para fora do local e para uma fábrica, aumentando controle e qualidade. No local, você coordena todas as pessoas. Perde tempo esperando outros subcontratados. Também depende do clima e paralisações. Fabricação em fábrica elimina tudo isso. Por serem fortes, leves e duráveis o suficiente para transportar e instalar facilmente, compósitos permitem este tipo de construção modular e você pode fazer qualquer forma que quiser."

Affan nota que construção modular é usada em navios de cruzeiro há anos, onde cada cabine é pré-fabricada, completa com aquecimento/ar condicionado, elétrica e hidráulica, e então montada na estrutura de aço do navio como blocos LEGO. "Imagine quanto tempo você economiza quando cada módulo já vem equipado. Estamos olhando agora projeto para fazer edifício alto assim usando compósitos," diz. "Se você tem resinas FR, não precisa das partes que eram metal antes." Citando hotel Marriott construído assim e concluído ano passado em Nova York, Affan adiciona: "aquele edifício era aço e madeira, mas podemos construí-lo em compósitos."