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Architekturbüro Castro Mello entwirft grünes WM-Stadion mit NVIDIA Maximus

Workstations mit leistungsfähiger Maximus-Technologie spielen für Castro Mello eine wichtige Rolle für hochwertige Design-Iterationen beim Entwurf eines umweltverträglichen WM-Stadions.

Nachdem Brasilien als Gastgeberland der Fußball-WM 2014 und der Olympischen Spiele 2016 ausgewählt wurde, stellte sich heraus, dass viele der heimischen Stadien den aktuellen Anforderungen und Standards nicht genügen. Dies wurde 2007 auf tragische Weise bewiesen, als eine Tribüne des Fonte-Nova-Stadions in Salvador im Bundesstaat Bahia einstürzte und sieben Todesopfer forderte. Vicente Castro Mello, in dritter Generation Inhaber des Sport-Architekturbüros Castro Mello Arquitetos, hatte gerade eine ausführliche Studie über die existierenden Stadien in seinem Land fertiggestellt, die die jeweiligen Schwachpunkte im Design und Gefährdungen aufgrund struktureller Schwächen aufzeigte. Mit diesen Daten tat er sich mit Ian McKee zusammen, dem Gründer des Beraterunternehmens EcoArenas für umweltverträgliche Sportbauten. Gemeinsam verfassten sie den CopaVerde-Plan, der mit Blick auf die Fußball-WM 2014 zum bislang größten koordinierten „grünen“ Bauprojekt aufrief.

Designstudie des „grünen“ WM-Stadions Estádio Nacional de Brasilia.

„Brasilien richtet die WM 2014, die Copa America 2015 und die Olympischen Spiele 2016 aus und uns war klar, dass dies für uns die Chance darstellte, einen Standard für effizientere, umweltgerechtere und nachhaltigere Stadionbauten auf der ganzen Welt zu setzen. Wir wussten aber ebenso, dass unsere Glaubwürdigkeit davon abhing, uns nach einem international anerkannten, weltweiten Standard zu richten. Deshalb streben wir die LEED-Zertifizierung an“, erklärt McKee. „Einer der wichtigsten Faktoren für unseren bisherigen Erfolg dabei ist die enorme Rechenleistung von NVIDIA-Maximus-Workstations.“

Workstations mit der Maximus-Technologie ermöglichen hochwertige Design-Iterationen und Reviews und spielen daher eine wichtige Rolle für Castro Mello Arquitetos und EcoArenas, um in Brasiliens Hauptstadt Brasilia das weltweit erste Stadion mit LEED-Platin-Zertifizierung zu errichten.

Die Herausforderung

Hunderte auf Sportarchitektur spezialisierte Designunternehmen der ganzen Welt haben sich auf die Ausschreibungen für die neuen Stadien in Brasilien beworben. Castro Mello Arquitetos erhielt den begehrten Zuschlag für den Entwurf des Estádio Nacional de Brasilia. Um der Welt zu beweisen, dass Stadien auf Premium-Niveau erfolgreiche und profitable Beispiele für ökologisches Bauen sein können, musste das Team kreative Möglichkeiten erarbeiten, um maximale Effizienz beim Energie und Wasserverbrauch, beim Abwasser, bei der Logistik sowie bei zahlreichen anderen Aspekten zu erzielen.

Um das Gesamtdesign des Stadions, das Zuschauererlebnis und die Umweltverträglichkeit zu optimieren, mussten ab den ersten Designphasen immer wieder Simulationstests der Beleuchtung, der Klimatisierung, des Luftflusses und der Materialien durchgeführt werden. Hierfür war das rechenintensive Rendern von hunderten computergenerierten CG-Bildern erforderlich.

Die Entwicklung der ersten Designs begann Castro Mello Arquitetos auf Dell-Precision-T7500-Workstations mit Consumer-Grafikprozessoren, auf denen Autodesk Revit zum Designen und Autodesk 3ds Max zum Rendern von Aufnahmen liefen. Zunächst erstellte ein Architekt die 3D-Strukturdesigns in Revit. Dann übernahm ein zweiter Architekt mit einer anderen Workstation die Designs, führte realistische Beleuchtungsstudien mit Autodesk 3ds Max aus und renderte die Darstellungen anschließend auf der CPU, um festzustellen, wie das natürliche Licht im Stadion am besten genutzt werden konnte − ein grundlegender Aspekt der LEED-Zertifizierung.

„Unser System hatte einfach nicht genug Rechenleistung, um Bilder unserer Designs effizient zu rendern“, sagt Castro Mello. „Wir brauchten acht Stunden für jeden Frame und konnten keine Änderungen darstellen, ohne unseren Zeitrahmen zu sprengen. Fehler in unserem Design wurden oft erst ersichtlich, nachdem das System die ganze Nacht mit Rendern zugebracht hatte. Um den Fehler am nächsten Tag zu beheben, war dann sofort ein weiterer Render-Durchlauf nötig.“

Die Lösung

Vor ihren konkreten Designs für das Stadion führten Castro Mello und EcoArenas bioklimatische Studien durch, um das brasilianische Wetter zu analysieren und optimale Designs für den Bau und das Dach vorzuschlagen.

„Während der Phase der Klimaforschung habe ich erfahren, dass Meteorologen und Wissenschaftler mit hohen Ansprüchen an die Rechenleistung NVIDIA-Tesla-Grafikprozessoren einsetzen. Unsere Workstations verfügten bereits über NVIDIA-Quadro-Grafikkarten. Wir statteten sie zusätzlich mit Tesla-Boards aus, um die Auswirkungen der Maximus-Konfiguration auf unsere Renderzeiten zu testen“, sagt Castro Mello. „Die Ergebnisse waren überwältigend. Mit 3ds Max und dem Grafikprozessor-basierten Renderer iray konnten wir Test-Renderings unserer Designs in 30 Sekunden erstellen. Auf der CPU benötigten wir dafür bislang bis zu acht Stunden.“

Designstudie des „grünen“ WM-Stadions Estádio Nacional de Brasilia.

Für Castro Mello Arquitetos eröffnete sich damit eine ungeheure Chance. Drei Architekten begannen sofort mit der Arbeit auf Maximus-fähigen Workstations. „Wir mussten für unterschiedliche Sonnenstände und Lichtverhältnisse umfangreiche Tests durchführen. Anschließend analysierten wir die Ergebnisse und transformierten sie in unterschiedliche Design-Permutationen, um zu bestimmen, wie wir natürliche Ressourcen am besten nutzen konnten. Durch diesen Prozess konnten wir den gesamten Energieverbrauch des Stadions deutlich verringern“, so Castro Mello weiter.

Durch die Verwendung Maximus-fähiger Workstations konnten die Architekten von Castro Mello Arquitetos Revit und 3ds Max mit iray simultan auf derselben Workstation ausführen und dadurch ihre Arbeitsgeschwindigkeit und Effizienz deutlich steigern. Da beide Programme auf demselben System laufen, können die Designer realistische Beleuchtungstests in 3ds Max durchführen oder den Energiebedarf in Ecotect analysieren und notwendige Änderungen anschließend sofort in Revit implementieren. Der Designprozess wird verschlankt und beschleunigt, so dass das gesamte Projekt innerhalb der Zeitvorgaben mit so vielen umweltfreundlichen Merkmalen wie möglich abgeschlossen werden konnte.

Die Computeranalysen und die gerenderten Bilder wurden nicht nur für die umfassenden Lichtstudien verwendet, sondern auch um zu demonstrieren, wie das Stadion Regenwasser auffängt und wiederverwendet, wie die Luftströmungen und die Belüftung optimiert und Abfälle reduziert werden können. Darüber hinaus konnte getestet werden, welche Farben, Muster und Materialien sich für die Sitze am besten eigneten.

Die Auswirkungen

Im Vorfeld des Projekts trug der CopaVerde-Plan dazu bei, die Fifa zu überzeugen, bei allen eingereichten Designs Zertifizierungen für grünes Bauen zu fordern. Derzeit bemühen sich zehn der zwölf neu errichteten Stadien um eine LEED-Zertifizierung und das Estádio Nacional de Brasilia von Castro Mello (geplante Fertigstellung im Februar 2013) strebt mit der Platin-Zertifizierung die höchste an.

Mithilfe der NVIDIA-Maximus-Technologie konnte Castro Mello Arquitetos kurzfristig noch mehrere Änderungen in die ursprünglichen Pläne für das Stadion einarbeiten. „Wir führten Studien zu Sonneneinstrahlung und Reflektion durch, um zu ermitteln, wo genau die Sonnenhitze auf das Gebäude einwirkt. Dabei stellten wir fest, dass wir einfach nur die Glasfassaden der VIP-Logen ein wenig nach hinten versetzen und statt dessen Terrassen bauen brauchten, um die Erhitzung durch Sonneneinstrahlung und damit die Anforderungen an die Klimatisierung wesentlich zu verringern“, erklärt Castro Mello.

Durch seine Forschung und die Verwendung von Maximus-Workstations konnte das Team außerdem ein System entwickeln, um das Regenwasser des gesamten Gebäudes aufzufangen, aufzubereiten und für Toiletten, zur Bewässerung und zur Reinigung des Stadions einzusetzen. So ließ sich eine deutliche Senkung des Trinkwasserverbrauchs realisieren. Zu den weiteren umweltfreundlichen Merkmalen zählt unter anderem die weltweit größte Fotovoltaik-Anlage auf einem Stadion mit 2.544 MW Leistung.

Durch diese Effizienzaspekte schätzt EcoArenas, LLC, dass das Stadion in Brasilia Energieersparnisse von bis zu 120 Prozent pro Jahr erzielen kann und damit das erste Netto-Null-Energie-Stadion der Welt wird. Der Trinkwasserverbrauch kann voraussichtlich um mehr als 80 Prozent reduziert werden.

„Die Arbeitsgeschwindigkeit und die Möglichkeit, unsere Designs in Echtzeit auf demselben System anzuzeigen und zu bearbeiten, waren bei diesem Projekt von grundlegender Bedeutung. Den größten Nutzen lieferte die Steigerung der Rechenleistung insofern, als dass wir Design-Entscheidungen in einer einzigen Sitzung fällen konnten“, schließt Castro Mello. „Wir sind ein relativ kleines Team mit nur sechs Architekten, aber durch hervorragende Technologien sind wir global konkurrenzfähig. Die Chancen auf dem Markt sind angeglichen, so dass kleine, aber hoch qualifizierte Teams gegen wesentlich größere Architekturbüros antreten können. Die Möglichkeit der schnellen Berechnung von Design-Iterationen auf Maximus-Workstations war eine Grundvoraussetzung für unser Projekt, das hoffentlich das umweltverträglichste Stadion der Welt wird.“