האיצטדיון בשטוטגרט כמעשה אמנות

אתגר נדיר
בניית גג לאיצטדיון, ללא תמיכה של עמודים פנימיים החוסמים את שדה הראייה של הצופים, כדי לקָרוֹת אותו או את היציעים שלו, מהווה אתגר לא שכיח גם כעת. יש, אמנם, עדויות לכך שכבר הרומאים ניסו ליצור גגות לאמיפתיאטרונים באמצעות בדים וכבלים, אך היכולת להתמודד עם בניית גגות ענקיים נרכשה רק בעשרות השנים האחרונות. תכנונם מחייב תושייה רבה, כושר המצאה ושליטה בשימוש בחומרי בנייה חדשים שלא היו קיימים קודם.
במִפתחים גדולים כל כך, רוב טכנולוגיות הבנייה הרגילות אינן מתאימות. הרעיונות האדריכליים־הנדסיים חייבים להיות ממוקדים וברורים. במקום שבו לצורת המבנה חשיבות כה רבה, נשאר מעט מאוד מקום לגחמות תכנוניות. אף אחד אינו מדמיין, למשל, מטוס עם כניסה מעוצבת בסגנון דורי או זנב בסגנון דה־קונסטרוקטיביסטי. והדוגמה הזו לא נבחרה במקרה. הכישורים שנדרשו לתכנן את האיצטדיון בשטוטגרט, גרמניה, דומים מאוד לאלה שנדרשו כדי לתכנן מטוסים. חלק מהמתכננים של מבני הממברנות (יריעות) באו מתחום זה, וכך גם התוכנות והטכניקות המשמשות אותם.
אדריכלים מתמודדים עם תכנון מבנים כאלה על ידי שילוב רעיון ותפיסה אדריכליים עם בחירה נכונה של תופעות פיסיקליות־מבניות המתאימות ביותר ליישום בפרויקט. זוהי אמנם תמצית מהותם של תהליכי תכנון ויצירה רבים, אך הם מתחדדים בהקשר של בניית מבני ענק אלה.
בשל קנה המידה הגדול של בניינים אלה עשויה להיות להם היררכיה מבנית עניפה, החל ברעיון האדריכלי־הנדסי הכולל, המשך בעיקרון הכללי של יציבותם ובהתנהגות המבנית של חלקיהם, וגמור בפרטיהם הקטנים.
האיצטדיון האולימפי של מינכן, אשר הוקם לפני יותר מ־25 שנים, לקראת האולימפיאדה של 1972 הזכורה לכולנו היטב, מהווה דוגמה ליצירה יוצאת דופן כזו. האיצטדיון עם היציעים המקורים עדיין מהווה מוקד עלייה לרגל למתעניינים באדריכלות. התכנון, שהיווה פריצת דרך ארכיטקטונית, נעשה בידי האדריכל הגרמני פריי אוטו, אשר כיהן באותה תקופה כראש המכון למבנים קלים של אוניברסיטת שטוטגרט. גג האיצטדיון מבוסס על ממברנה אחת ענקית, העשויה מרשת של כבלי פלדה ומזוגגת בלוחות פלסטיים קשיחים ושקופים. הממברנה דרוכה (מחוברת תוך מתיחה) בצד החיצוני של האיצטדיון אל תשעה תרנים גבוהים, הקבועים בקרקע שמחוצה לו. לכיוון המגרש דרוכה הממברנה אל כבל ראשי בעל מִפתח חופשי, ללא תמיכות, שאורכו כחצי קילומטר. הכבל הראשי מעוגן בשני צדדיו אל יסודות בקרקע, שמשקל כל אחד מהם יותר מאלפיים טונות. אגב, בימים אלה משפצת עיריית מינכן את הגג, ומחליפה את הכיסוי שלו.

צילום אוויר של האיצטדיון המקורה בשטוטגרט. ריבוי הרבדים התכנוניים והאיזון העדין ביניהם הם המייחדים אותו והופכים אותו ליצירת מופת | צילום : אלי קנט

שורה של בעיות
ההרמוניה הפנימית של איצטדיון גוטליב־דיימלר ברורה יותר, אם מודעים לכלים התיאורטיים שעליהם הוא מושתת. באמצעותם נוכל לחשוף את ההקשרים הפנימיים ואת המעבר הטבעי והחלק בין ההיררכיות הסטרוקטורליות שלו. ריבוי הרבדים התכנוניים והאיזון העדין ביניהם הם המייחדים אותו והופכים אותו ליצירת מופת.
את הפתרון לגג הגו האדריכלים שלייש ברגרמן ושות' משטוטגרט. הבעיה התכנונית שניצבה בפניהם היתה מורכבת: שלד האיצטדיון היה מותאם לגג הישן שיועד להריסה, ולא יכול היה לשאת גג בגודל שנדרש. היה צורך, לכן, לבנות את היסודות לגג מחוץ לקו המיתאר של האיצטדיון.
המתכננים התבקשו גם להביא בחשבון תוספת עתידית של יציעים לקהל – דבר שלא הקל על המשימה. מובן, שאי־אפשר היה לתכנן עמודים שיתחברו לצידו הפנימי של הגג, משום שאלה עלולים לחסום את שדה הראייה של הצופים. והיו בעיות נוספות: מרווח מצומצם סביב האיצטדיון, שהתאים בקושי ליציקת היסודות והבנייה של הגג; זמן קצוב; דרישת היזמים כי משחקי ליגת הכדורגל יימשכו במקום כסדרם; ובעיקר הדרישה שמבנה הגג יהלום את המעמד החגיגי של אליפות העולם באתלטיקה קלה.
האדריכלים החלו את התכנון ביולי 1991 וסיימו אותו באפריל 1992. להקמה בפועל נותרו, אם כן, כ־13 חודשים. הרעיון המרכזי היה יישום עיקרון מבני, שנגזר מגלגל האופניים המוכר: חישוק, ציר מרכזי וחישורים ("שפיצים") מתוחים ביניהם. במבנה זה, החישורים תמיד מתוחים והחישוק והציר המרכזי תמיד לחוצים. תכונת האיזון של מערכת כוחות זו תלויה בגלגל ולא בכוחות המופעלים עליו מבחוץ או בצורה בה הוא מושען. בשל שלמות הגלגל, ניתן לשייך את המערכת הזו למשפחה של מבני ה"טנסגריטי" (TENSION ו־INTEGRITY), מושג שטבע האדריכל האמריקאי בקמינסטר פוּלֶר. בספרות מכנים מבנים אלה גם מבנים "בעלי דריכה עצמית".

עניין של מחויבות
כאשר החליטו המתכננים כי גג האצטדיון ייבנה מממברנות וכבלים, הם לקחו על עצמם מחויבות, שהיתה מעבר למחויבותם לטכנולוגיה או לחומר. היתה זו מחויבות לשפה עיצובית־תכנונית, שיש לה "מילון" עשיר של צורות וטכניקות. שפה זו היא פסקנית, ולא ניתן להשתמש באמצעים שאינם שייכים לה. לדוגמה, קורה של בניין מקבלת את צורתה מראש ואמורה להישאר כך גם כשמעמיסים עליה משקל. לעומת זאת, כבל מתוח של גשר תלוי מקבל את צורתו רק לאחר שמופעלים עליו עומסים, והצורה היא פונקציה של עומסים אלה. ניתן לומר שמבחינת פעולתו המבנית הכבל "שקוף": כאשר משנים את פעולתו הוא משנה את צורתו. על פי צורתו אפשר לומר גם מהי פעולתו המבנית ומה גרם לה.
באיצטדיון בשטוטגרט משתתפים הרבה מרכיבים מסוג כזה, שכל אחד משפיע על צורתם של המרכיבים האחרים ומושפע מהם. הצורה הסופית של המבנה ואופן פעולתו הם תוצאה של איזון בין כל המשתנים הללו, ולמרות גודלו העצום של האיצטדיון האיזון הזה עדין מאוד.
בבניית הממברנות יש בעיה ייחודית נוספת. בגלל היותן "מבנים קלים" (כך הן נקראות בספרות), ובשל האופי הדינמי של כוחות הרוח המופעלים עליהן, יש לתכנן אותן כך שהתדירות העצמית – אופן התנהגותן במהלך תנודות הנגרמות מהעומס הדינמי של הרוח ושל רעידות אדמה – תהיה בגבולות שנקבעו בתקן.
גגות של איצטדיונים אחרים המבוססים על ממברנות מתוחות מחייבים, לרוב, את מתיחתן אל מחוץ לשטח הגג. כך באיצטדיון של מינכן, וכך גם באיצטדיון דלה־אלפי שבטורינו.
בגלל תכונת הדריכה העצמית של גג האיצטדיון בשטוטגרט, לא צריך היה לנקוט אותה שיטה, ומספיק היה להשעין אותו על עמודים כאילו הוא גלגל אופניים יציב וענק. מתיחת הכבלים באלכסון בין זוגות העמודים בארבע "הפינות" מייצבת  אותו בפני כוחות כמו רוחות ורעידות אדמה.

כמו מטרייה
בסיום תהליך התכנון התקבל גג בשטח 34,000 מטרים רבועים, העשוי ממברנות של בדים, ועשוי לספק קירוי לכל 56,000 מושבי הצופים. הגג כולו נראה כטבעת אובלית שהמרחק מצידה החיצוני לצידה הפנימי 58 מטרים. רוחב האיצטדיון המקורה 280 מטר ורוחב האיצטדיון 200 מטר. הקונסטרוקציה הראשית שלו מבוססת על שתי טבעות לחץ מפלדה, המקיפות את האיצטדיון ונשענות על 40 עמודי פלדה, על טבעת מתיחה פנימית של כבלי פלדה ועל 40 מסבכי־כבלים, המותחים את טבעות הלחץ אל טבעת המתיחה. מסבכי־הכבלים מבוססים על כבל מתיחה עליון וכבל מתיחה תחתון, המחוברים ביניהם בכבלים מקשרים קצרים.
כל המערכת הקונסטרוקטיבית הזו נושאת את הממברנות ואת החיזוקים שלהן – קשתות

משקלם של כל אחד ממחברי הכבלים הגדולים מגיע לכמה טונות | צילום : אלי קנט

הפועלות בדומה למוטות הכפופים המותחים את הבד במטרייה. הממברנות עצמן עשויות מאריג פוליאסטר מצופה ב־פי.וי.סי. עם הגנה של ציפוי מפלואור־פולימר.
פעולתו המבנית של הגג ושל חלקיו הינה ברורה. היסודות והעמודים הניצבים עליהם מקבעים את הגג בגובה המתאים ושומרים עליו מפני תנודות אופקיות של רוחות ורעידות אדמה. טבעות הלחץ מותחות את הגג כלפי חוץ. הטבעת העליונה מתנגדת לתנועות של הגג כלפי מטה ואילו התחתונה – מבטיחה שהגג לא יתרומם בשל כוחות יניקה של הרוח.
טבעת המתיחה מותחת את הגג כלפי פנים ומייצבת אותו. מסבכי הכבלים מהווים את המערכת המשנית, המקשרת בין טבעות הלחץ לטבעות המתיחה. תפקיד הכבל העליון שלהם למנוע תנועה של הגג כלפי מטה, ותפקידו של הכבל התחתון למנוע מהגג להתרומם.
אל הכבלים התחתונים מתחברות גם קשתות התמיכה של הממברנות, המקנות מרחביות ליריעות (צורה לא שטוחה) ומהוות מערכת היררכית נמוכה יותר. אליהן מתחברות היריעות המהוות את החוליה ההיררכית הבאה. סדר הבנייה של הגג הוא מן היסודות מעלה, אל הממברנות. אך סדר זרימת הכוחות הוא בכיוון ההפוך: עומסי השלג או הרוח פועלים על הממברנות; אלו מעבירות את הכוחות אל הקשתות התומכות בהן, משם עוברים הכוחות דרך מסבכי הכבלים אל טבעות הלחץ, והלאה – אל העמודים והיסודות.
לוחצים ומותחים
הקמת גג האיצטדיון היתה, כאמור, קצובה בזמן. כדי לעמוד בלוח הזמנים, היה על המתכננים לצפות את הבעיות ולפתור אותן בטרם התעוררו. מועד הסיום הדרמטי – פתיחת התחרויות – לא איפשר נסיגה מהתוכניות הקיימות, או הליכה בדרך הניסוי והתעייה. במהלך ייצור חלקי המבנה במפעלים השונים הופעלו טכניקות משוכללות של פיקוח ובקרת איכות. טכניקות דומות הופעלו לאחר מכן באתר עצמו במהלך ההקמה.
עבודות ההקמה חולקו לפרקים, וכל יצרן נדרש לסיים בזמן את חלקו. דרישה זו לא היתה עניין של מה בכך; חלק מהתהליכים לא נוסו קודם לכן, ולא היה ודאי כי יסתיימו בהצלחה. באיצטדיון האולימפי של מינכן, למשל, היו תקלות בביצוע, ורק השקעות עתק מנעו את אי־השלמתו לפני הפתיחה החגיגית.
הרכבת שלד הפלדה – טבעות הלחץ והמתיחה – החלה לאחר הריסת הגג הישן והכנת היסודות החדשים. אורכן של טבעות הלחץ כ־840 מטרים. הטבעת העליונה עשויה מלוחות פלדה המרותכים לצינורות בעלי חתך מרובע, במידות של 1.2X1.2 מטרים, ואילו מידות טבעת הלחץ התחתונה הן 0.9X0.9 מטרים. גם העמודים כאן בצורת ריבוע, ומידותיהם עד 1.1X1.1 מטרים, ובאורך שבין 28 ל־49 מטרים. בסך הכל הורכבו עד כה בפרויקט כ־2,700 טונות פלדה במשך כ־16 שבועות. נותרו שמונה חודשים לפתיחת התחרויות.
עבודות ההרכבה של מערכת הכבלים החלו באוקטובר 1992. תחילה הורכבה על הקרקע (על גבי מסלול הריצה ההיקפי) טבעת המתיחה באופן זמני. היא נבנתה מצירוף של שמונה כבלים, כל אחד בקוטר תשעה סנטימטרים ובאורך של כחצי קילומטר. כוח הקריעה של טבעת זו נמדד בעשרות אלפי טונות. 40 מסבכי הכבלים, "שפיצים", מותחים את טבעת המתיחה כלפי טבעת הלחץ החיצונית. מתיחה זו מאריכה את הטבעת ומעמיסה עליה כוחות מתיחה של כ־15 אלף טונות.
החברה הגרמנית "פייפר", שהקימה את מערכת הכבלים, חישבה את הכוחות מראש, כדי שלאחר ההרכבה תגיע המערכת לדריכה עצמית, ללא אמצעי כיוונון. השלמת מערכת הדריכה הפנימית נמשכה כחודשיים, עד דצמבר 1992. לפתיחה נותרו שישה חודשים.

קשת של תפקידים
בשלב הזה התקבלה מערכת של טבעות לחץ, מערכת מתיחה מרכזית ומערכת "מתווכת" של מסבכי כבלים. תפקידם של מסבכי הכבלים מורכב: עליהם למתוח את טבעות המתיחה לכיוון טבעות הלחץ ולייצב את טבעת המתיחה במקומה. תפקידים נוספים: ליצור את ערוצי ניקוז המים של המבנה כולו, לתמוך את הקשתות שאליהן מחוברות הממברנות ואת הממברנות עצמן, ולהיות יציבים, כדי לשאת את משקלם העצמי ואת כוחות הרוח והשלג.
על מסבכי הכבלים, אם כן, מוטלים עומסים גדולים מאוד. עומס השלג עלול להגיע למשקל עצום. גם הרוח עלולה להוות מקור של עומס הרסני, בשל הלחץ שהיא גורמת ובשל כוח היניקה החזק שלה. כוח יניקה זה מרים מטוס ג'מבו לשחקים, כשהוא פועל במהירות גדולה על כנפיו. (ראה מסגרת בעמוד הבא).
התקן מחייב את המבנים הממברניים לעמוד בפני כוחות יניקה ולחץ גדולים. כוחות היניקה כה גדולים, עד כי הם עשויים להפעיל על הגג התלוי כוח הרמה הגדול פי עשרה ויותר ממשקלו. באיצטדיון בשטוטגרט גדול העומס המתוכנן כלפי מעלה פי שמונה בערך ממשקל הממברנות והכבלים. כדי שהגג לא יתרומם ו"יתעופף", היה על האדריכלים לתכנן אותו בהתאם. הגג צריך לשאת גם את גשרי הפלדה התלויים מתחתיו. גשרים אלה משמשים להתקנה ולנשיאה של מערכות קול, תאורה ועמדות צילום של הטלוויזיה.
דריכתה של מערכת הכבלים השלמה חייבה הפעלה של מותחנים מכניים הידראוליים, שהפעילו כוחות לא קונוונציונליים של עד כ־500 טונות לכל מסבך כבלים. עם סיום התהליך, נערכו בדיקות השוואה בין התוכנית לבין הגיאומטריה שהתקבלה בפועל. ההפרשים המירביים היו של סנטימטרים בודדים.

התמודדות ואמנות
הרכבת הכבלים הסתיימה לקראת סוף ינואר 1993. נותרו כחמישה חודשים לפתיחה החגיגית. בפרק הזמן הזה צריך היה להרכיב את יריעות הגג ולמתוח אותן אל המבנה. היה זה פרק זמן קצר ביותר, בעיקר בגלל בעיה נוספת האופיינית למבני ממברנות. כדי לייצר את היריעות כך שיקבלו את צורתן המדויקת, יש לחשב את צורתו הסופית של המבנה, ואז לחלק באופן גיאומטרי את פניו, כדי שאפשר יהיה לייצר אותו מרצועות. זהו תהליך ממושך המחייב חישובים ותכנונים רבים. אולם עד להרכבת היריעות במקומן הקבוע אי־אפשר לדעת בוודאות האם הממברנות אכן מתאימות ואם צורתן נכונה. עובדה זו מגבירה את המתח בזמן התכנון והביצוע של מבני ממברנות.
כחומר החיפוי נבחר, כאמור, אריג של סיבי פוליאסטר מצופה בפי.וי.סי משני צדדיו, ובפלואור־פולימר המגן עליו פני לכלוך וקרינה אולטרה־סגולית. לבחירה זו כמה סיבות. זה חומר חזק מאוד ועמיד; רצועה ברוחב מטר אחד יכולה להתנגד לכוחות קריעה של כעשר טונות. עם זאת, זהו חומר קל; מטר רבוע אחד שוקל רק מעט יותר מקילוגרם.
וסיבה חשובה לא פחות: ניתן לשלוט ברמת השקיפות של החומר, ולכן המבנה שאותו הוא מכסה אינו חשוך. ועוד סיבה: היריעות הללו ניתנות לעיבוד בהלחמה. חיבור של קטעי יריעה זה לזה מאפשר לייצר יריעות גדולות ואטומות לחלוטין למים.
הייצור וההתקנה של יריעות הגג בוצעו על ידי החברה הגרמנית "הייטקס"; אחת החברות הגדולות בעולם, העוסקת בפרויקטים מסוג זה. היריעות תוכננו לפי המרווחים הטרפזיים שבין מסבכי הכבלים, וכל אחת מהן היתה בגודל ממוצע של 850 מטרים רבועים ובגודל מקסימלי של אלף מטרים רבועים.
מעניין לעקוב אחר היחס המבני ההדדי בין היריעות לקשתות התומכות אותן. הקשתות מחוברות בקצותיהן אל מסבכי הכבלים בצורה פירקית (עם חופש סיבוב כמו במפרק) המאפשרת להן להתנדנד בחלקן העליון מצד לצד. הממברנות הטרפזיות הגדולות דרוכות בהיקפן אל הכבלים. כל אחת מהן מכסה שבע קשתות. הן מחוברות אל כל קשת לכל אורכה בטכניקה המשמשת גם חיבור מפרשים לתרנים. בצורה זו מרסנות הממברנות את התנועות הדינמיות של כל המבנה ומונעות תזוזה אפשרית של הקשתות. בתמורה, גורמות הקשתות לממברנות לקבל צורה גלית, שמקטינה מאוד את המאמצים הנוצרים בהן בגלל עומסי השלג והרוח.
לאחר הרכבת היריעות, כל שנותר היה לאטום את המרווחים ביניהן על ידי הלחמה חמה של יריעות מתאימות. בקרת האיכות הגבוהה והניסיון בפרויקטים דומים, עם תרומה של תכנון נכון, הביאו לסיום העבודות בצורה מושלמת. הרכבת היריעות נמשכה שלושה וחצי חודשים והסתיימה בדיוק בזמן.
את הדיון על השפה התכנונית־עיצובית אפשר להחיל גם על הממברנות. למבנים הממברניים המתוחים יש קבוצות של חוקים פיסיקליים מתמטיים־גיאומטריים, המגדירים "אוצר של צורות אפשריות". חוקים אלה מאפשרים לבצע על הצורות הללו פעולות של שינויי צורה, הכפלה גיאומטרית על ידי הפעלה של פעולות סימטריה והתאמה של גיאומטריה מיוחדת לכל צורך כמעט. בלי לשלוט בכל הכלים הללו, אי־אפשר לתכנן מבנים של ממברנות דרוכות. צורה שאינה נכללת בשפה זו, לא ניתן ליישמה כמבנה ממברנות.
אולי זוהי מגבלה, אבל כשם שהמספר המוגבל של צלילים באוקטבה אינו שם גבולות למוסיקה, כך גם מספר הצורות והמבנים, אשר חלקם מעבר לגבולות הדמיון, רב מאוד. איש הרנסנס ליאונרדו דה־וינצ'י היה אומר על זאת, שללא התמודדות אין אמנות.

האיצטדיון נפתח בתרועת חצוצרות, ובזמן.