Sachverhalt:
A. Am 23. Januar 2007 erteilte die Bausektion der Stadt Zürich B._ und der C._ AG (im Folgenden: die Beschwerdegegnerinnen) die baurechtliche Bewilligung für den Neubau von zwei Gebäudekomplexen und den Abbruch von drei bestehenden Gebäuden auf dem Grundstück Kat.-Nr. RI2440 zwischen der Zolliker- und Mühlebachstrasse in Zürich-Riesbach. Gleichzeitig mit der Baubewilligung wurde die im koordinierten Verfahren ergangene Verfügung der Baudirektion vom 12. Dezember 2006 eröffnet, mit welcher die denkmalpflegerische und lärmrechtliche Bewilligung erteilt worden war.
Das Grundstück im Halte von 7'887 m2 bildet den nördlichen Teil der früheren Parkanlage der Villa Patumbah. Die Villa ist - zusammen mit dem südlichen Parkteil - im Inventar der kunst- und kulturhistorischen Schutzobjekte überkommunaler Bedeutung verzeichnet. Der nördliche Parkteil war vom Stadtrat Zürich am 13. Januar 1993 formell unter Schutz gestellt worden. Auf Rekurs der Eigentümer hob die Baurekurskommission am 22. Dezember 1993 die Unterschutzstellung auf; die hiergegen erhobenen Beschwerden der Stadt Zürich und des Zürcher Heimatschutzes wies das Verwaltungsgericht am 16. Dezember 1994 ab. Ebenfalls von der Rekurskommission aufgehoben wurde die für dieses Grundstück festgesetzte Freihaltezone. Im Rahmen der Bau- und Zonenordnung 1999 wurde die Parzelle der zweigeschossigen Wohnzone W2 zugewiesen.
Das Bauvorhaben umfasst je einen lang gestreckten Gebäudekomplex entlang der Mühlebergstrasse (Länge ca. 80 m) und entlang der Zollikerstrasse (Länge ca. 75 m), bestehend aus zwei Unter-, zwei Vollgeschossen, einem Attikageschoss und einer Unterniveaugarage. Die Neubaute an der Mühlebachstrasse soll neben Ateliers und 12 Wohnungen einen Hammam (orientalisches Dampfbad) mit Café und Verkaufsladen beherbergen. An der Zollikerstrasse sollen 18 Wohnungen entstehen.
Der zentrale Bereich des Baugrundstücks bleibt unüberbaut. Er soll nach den historischen Plänen des Garten- und Landschaftsarchitekten Evariste Mertens bzw. auf der Grundlage noch vorhandener Originalsubstanz wieder hergerichtet, mit dem südlichen Parkteil zusammengefügt und als zentrale Parkkammer der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden. Der bestehende schmiedeeiserne Zaun entlang der Zollikerstrasse soll restauriert werden. Für die Hauszugänge, die Garageneinfahrt und für neue Parkzugänge sind Öffnungen an insgesamt fünf Stellen geplant.
B. Gegen die Baubewilligung und die Verfügung der Baudirektion rekurrierten der Verein Pro Patumbah und A._ am 28. Februar 2007 und die Schweizerische Gesellschaft für Gartenkultur (SGGK) am 7. März 2007. Die Baurekurskommission I führte am 30. Januar 2008 einen Augenschein durch. Am 23. Mai 2008 trat sie auf den Rekurs des Vereins Pro Patumbah nicht ein und wies die übrigen Rekurse ab, soweit sie darauf eintrat.
C. Dagegen erhoben A._ und die SGGK am 26. Juni 2008 gemeinsam Beschwerde an das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich. Dieses wies die Beschwerde am 26. November 2008 ab.
D. Gegen den verwaltungsgerichtlichen Entscheid haben A._ und die SGGK am 29. Januar 2009 Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten ans Bundesgericht erhoben. Sie beantragen, der angefochtene Entscheid sei aufzuheben und es sei der Beschwerde aufschiebende Wirkung zu erteilen. Zudem beantragen sie die Durchführung eines Augenscheins.
E. Die Beschwerdegegnerinnen, die Bausektion der Stadt Zürich und das Verwaltungsgericht beantragen Abweisung der Beschwerde. In ihrer Replik vom 18. Mai 2009 halten die Beschwerdeführerinnen an ihren Anträgen fest.
F. Am 8. Februar 2009 haben die Stimmberechtigten der Stadt Zürich die Volksinitiative "Pro Patumbah-Park" klar abgelehnt. Diese Initiative hatte verlangt, den nördlichen Teil des Patumbah-Parks (Parzelle Nr. 2440) der Freihaltezone zuzuweisen.
Erwägungen:
1. Gegen den kantonal letztinstanzlichen Entscheid des Verwaltungsgerichts, mit dem die Baubewilligung und die denkmalschutz- und lärmrechtliche Bewilligung der Baudirektion bestätigt wurden, steht grundsätzlich die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten offen. Die Beschwerdeführerin 1 ist Eigentümerin des Grundstücks Mühlebachstrasse 168. Als solche ist sie durch das Bauvorhaben besonders betroffen und grundsätzlich zur Beschwerdeführung legitimiert. Die Beschwerdeführerin 2 ist als Partei des kantonalen Verfahrens zur Erhebung formeller, die Verletzung ihrer Parteirechte betreffender Rügen legitimiert; ebenso ist sie berechtigt, die sie belastenden Kosten- und Entschädigungsfolgen der vorinstanzlichen Entscheide anzufechten. Auf die Beschwerde ist daher grundsätzlich einzutreten.
2. Die Beschwerdeführerinnen rügen zunächst eine Verletzung des Anspruchs auf rechtliches Gehör und der Untersuchungspflicht, weil das Verwaltungsgericht keinen Augenschein durchgeführt hat. Das Verwaltungsgericht habe prüfen müssen, ob die Baubehörden bei ihrem Einordnungsentscheid alle wesentlichen Sachumstände berücksichtigt hätten. Dies bedinge eine einlässliche Kenntnis der örtlichen Verhältnisse, die nur durch einen Augenschein erlangt werden könne.
2.1 Das Verwaltungsgericht ging davon aus, dass der massgebliche Sachverhalt aus den Akten hinreichend ersichtlich sei. Die Baurekurskommission habe bereits einen Augenschein durchgeführt, dessen Erkenntnisse in einem Protokoll sowie fotografisch festgehalten seien. Sodann liessen sich die räumlichen Beziehungen der geplanten Baukörper zur Villa Patumbah und den weiteren Schutzobjekten oberhalb der Zollikerstrasse sehr gut aufgrund des dem Gericht zur Verfügung stehenden Modells beurteilen.
Tatsächlich sind die örtlichen Verhältnisse durch Pläne und Fotos gut dokumentiert. Hinzu kommt, dass die geplanten Baukörper noch nicht errichtet, sondern im Gelände lediglich durch Bauprofile markiert werden, welche die komplexe, vielfach gegliederte Form der Neubauten nur unzulänglich vermitteln. Insofern erscheint das Modell, in dem sowohl die Neubauten als auch die Villa Patumbah und die übrigen Bauten der Umgebung massstabsgetreu nachgebildet sind, ein geeignetes Mittel, um die räumlichen Beziehungen der verschiedenen Baukörper zu beurteilen. Die diesbezüglichen Erwägungen des Verwaltungsgerichts lassen jedenfalls keine Willkür erkennen und verletzen daher weder das rechtliche Gehör der Beschwerdeführerinnen noch den Untersuchungsgrundsatz.
Aus den gleichen Gründen ist dem im bundesgerichtlichen Verfahren gestellten Antrag auf Durchführung eines Augenscheines nicht zu entsprechen.
2.2 In ihrer Replik vom 19. Mai 2009 machen die Beschwerdeführerinnen erstmals geltend, ihnen sei im kantonalen Verfahren nie Gelegenheit eingeräumt worden, sich zu dem Modell zu äussern, weshalb sich das Verwaltungsgericht nicht auf dieses Beweismittel hätte stützen dürfen. Diese Rüge ist jedoch verspätet:
Gemäss Art. 106 Abs. 2 BGG prüft das Bundesgericht die Verletzung von Grundrechten nur insofern, als eine solche Rüge in der Beschwerde vorgebracht und begründet worden ist. Eine Beschwerdeergänzung auf dem Weg der Replik ist nur insoweit statthaft, als die Ausführungen in den Vernehmlassungen dazu Anlass geben. Mit Anträgen und Rügen, die der Beschwerdeführer bereits in der Beschwerde hätte erheben können, ist er nach Ablauf der Beschwerdefrist ausgeschlossen (BGE 132 I 42 E. 3.3.4 S. 47 mit Hinweisen).
Aus dem angefochtenen Entscheid (E. 1.2 S. 4) ging klar hervor, dass sich das Verwaltungsgericht auf ein bei den Akten befindliches Modell des Bauvorhabens gestützt hat. Insofern hätten die (anwaltlich vertretenen) Beschwerdeführerinnen die Gehörsrüge schon in ihrer Beschwerdeschrift vorbringen können und müssen.
3. Materiell rügen die Beschwerdeführerinnen in erster Linie, das Projekt genüge den Anforderungen von § 238 Abs. 1 und 2 PBG nicht, weil es markant vom Quartiercharakter abweiche und keine besondere Rücksicht auf das "Gesamtkunstwerk" Villa Patumbah nehme. Der Entscheid des Verwaltungsgerichts, der den Baubehörden und der Baurekurskommission eine nachvollziehbare und vertretbare ästhetische Beurteilung attestiert habe, sei qualifiziert unrichtig und damit willkürlich.
3.1 Wie das Verwaltungsgericht zutreffend festgehalten hat, hat sich die Bausektion des Stadtrates in der angefochtenen Baubewilligung sehr eingehend mit der Gestaltung des Bauvorhabens und seiner Einordnung in die bauliche und landschaftliche Umgebung auseinandergesetzt, insbesondere mit seiner Einbettung in die Parklandschaft und dem Verhältnis der neuen Baukörper zur Villa Patumbah. Zuvor war das Projekt vom Baukollegium, einer Fachkommission aus externen Fachleuten und Mitgliedern der Verwaltung, welche die Bausektion in Fragen des Städtebaus und der Architektur berät, mehrfach geprüft worden. Auch die kantonale Denkmalpflege stimmte dem Bauvorhaben zu. Das Verwaltungsgericht - wie schon zuvor die Baurekurskommission - kam zum Ergebnis, die ästhetische Beurteilung der örtlichen Baubehörde beruhe auf einer vollständigen und richtigen Berücksichtigung der massgeblichen Sachumstände und erweise sich in jeder Hinsicht als nachvollziehbar und vertretbar.
Das Bundesgericht kann dies nur unter dem Blickwinkel des Willkürverbots überprüfen. Willkür liegt nach der Rechtsprechung nicht schon dann vor, wenn eine andere Lösung ebenfalls vertretbar erscheint oder sogar vorzuziehen wäre. Das Bundesgericht weicht vom Entscheid der kantonalen Instanz nur ab, wenn dieser offensichtlich unhaltbar ist, mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht, eine Norm oder einen unumstrittenen Rechtsgrundsatz krass verletzt oder in stossender Weise dem Gerechtigkeitsgedanken zuwiderläuft (BGE 125 I 166 E. 2a S. 168; 125 II 10 E. 3a S. 15, 129 E. 5b S. 134; je mit Hinweisen).
3.2 Die Beschwerdeführerinnen machen zunächst geltend, der Gebäudeabstand zwischen dem Neubaukomplex Zollikerstrasse und der Villa Patumbah sei mit 15 m viel zu gering. Ein Besucher der Anlage, der sich im geschützten Parkteil, vom Süden her kommend, auf dem historischen Wegnetz der Villa nähere, habe zusätzlich zur Villa ständig auch die auffällige Neubauzeile an der Zollikerstrasse im Blick, was den Charakter der Villa als Solitärbau erheblich beeinträchtige und die historischen Sichtbezüge vom schutzwürdigen Garten auf die Villa in diesem Sichtbereich stark tangiere. Hierfür verweisen sie auf das Foto Nr. 14 des Augenscheinprotokolls der Baurekurskommission. Sie werfen dem Verwaltungsgericht vor, ihre Argumentation ignoriert zu haben, was eine klare Verletzung des rechtlichen Gehörs darstelle.
3.2.1 Das Verwaltungsgericht hat sich jedoch mit dem Gebäudeabstand befasst. Es führte aus, dass die Stirnfassade des Neubaus gegen das Schutzobjekt abgewinkelt werde, weshalb der Gebäudeabstand lediglich im Bereich des mittleren Gebäudevorsprungs 15 m betrage, dagegen an der südlichen Gebäudeecke 23 m ausmache. Dadurch und wegen der geringeren Höhe des Neubaus konkurrenziere dieser das Schutzobjekt nicht und beeinträchtige nicht dessen Situationswert. Dies genügt dem Anspruch auf rechtliches Gehör und der Begründungspflicht; das Verwaltungsgericht war nicht gehalten, zu allen Vorbringen und allen Fotos ausdrücklich Stellung zu nehmen.
3.2.2 Zu prüfen ist noch, ob die Einschätzung des Verwaltungsgerichts willkürlich ist.
Die Wahrnehmung der Villa Patumbah und der Neubauzeile an der Zollikerstrasse hängt naturgemäss stark vom Standort des Betrachters ab. Vom Parkeingang an der Mühlebachstrasse gesehen geht der Blick über den historischen Park zur Villa Patumbah, die weiterhin als Solitärbau erscheint. Dagegen verlaufen die Wege im südlichen Parkteil nicht gerade auf die Villa zu, sondern in Süd-Nord-Richtung, weshalb der Blick des Betrachters zwangsläufig auf den Neubau an der Zollikerstrasse fällt. Je mehr sich der Betrachter aus dieser Perspektive der Villa nähert, desto deutlicher tritt auch der Neubau in Erscheinung und desto mehr werden Neubau und Villa optisch zusammen wahrgenommen, wie in Foto 14 dokumentiert wird. Dies wäre aber selbst dann der Fall, wenn der Abstand zwischen Villa und Neubau verdoppelt würde, und ist letztlich die Konsequenz der Nichtunterschutzstellung des nördlichen Parkteils und dessen Zuweisung zur Bauzone.
Entscheidend für die Vorinstanzen war, dass das Neubauprojekt jegliche architektonische Konkurrenz zur Villa vermeidet, indem es bewusst auf eine Anlehnung an die Opulenz der Villa verzichtet und stattdessen die amorphe Formensprache der Natur aufgreift und seine Volumen aus der Parklandschaft heraus entwickelt (vgl. Baubewilligung E.c und E.f S. 5 f.); auch höhenmässig bleibt es hinter dem geschützten Gebäude zurück. Die Beschwerdeführer legen nicht dar, inwiefern diese ästhetische Beurteilung unhaltbar sei; dies ist auch nicht ersichtlich.
3.2.3 Die Beschwerdeführerinnen rügen in diesem Zusammenhang noch, der Neubaukomplex an der Mühlebachstrasse werde künftig Durchblicke von dieser Strasse auf die Villa ausschliessen. Sie legen aber nicht dar, weshalb gerade diese Sichtrichtung besondere Rücksichtnahme verdient und freigehalten werden muss. Durch die Freigabe der nördlichen Parkhälfte zur Überbauung werden zwangsläufig gewisse, bisher bestehende Durchblicke verbaut. Erhalten bleibt allerdings die freie Sicht auf die Villa von der Mühlebachstrasse im Bereich des geschützten südlichen Parkteils. Zudem werden sich durch die Wiederherstellung des nördlichen Parkteils im mittleren Bereich der Parzelle Nr. 2440 neue, dem Publikum bisher nicht zugängliche Perspektiven auf die Villa Patumbah eröffnen.
3.3 Die Beschwerdeführerinnen machen ferner geltend, die beiden geplanten "Bauriegel" mit Längen von rund 80 m und Tiefen von bis zu 25 m würden die Massstäblichkeit der Bauten in der Umgebung deutlich sprengen und markant vom Quartiercharakter abweichen. Sie verweisen in diesem Zusammenhang auf den Bauentscheid vom 16. September 2008 für zwei freistehende Mehrfamilienhäuser auf dem Nachbargrundstück (Parzelle Nr. 1088) an der Zollikerstrasse 108-112. Dort habe die Baubehörde schwergewichtig berücksichtigt, dass das herkömmliche Quartierbild durch freistehende Villen mit grosszügig begrünten Umschwüngen geprägt sei und verlangt, dass sich Neubauvorhaben an diesem Überbauungsmuster orientieren. Diesen Anforderungen entspreche das hier streitige Bauvorhaben offensichtlich nicht. Dies gelte ohne Rücksicht darauf, ob ein öffentliches Interesse am geplanten Überbauungskonzept bestehe, um einen möglichst grossen Teil des bisherigen Parks im Zentrum der Parzelle zu erhalten: Dies sei allenfalls Thema einer (hier nicht zur Diskussion stehenden) Ausnahmebewilligung; bei der Anwendung von § 238 PBG sei dagegen nur zu berücksichtigen, ob sich die Neubauten in die bauliche Umgebung einordnen und auf die umliegenden Schutzobjekte Rücksicht nehmen.
3.3.1 Soweit die Beschwerdeführerinnen die Massstäblichkeit des Baukomplexes an der Mühlebachstrasse rügen, legen sie nicht dar, inwiefern dieser dem Quartiercharakter widersprechen soll. Die Baurekurskommission hat an ihrem Augenschein festgestellt, dass zwar das Seefeldquartier entlang der Zollikerstrasse überdurchschnittlich locker überbaut sei und sich durch Villenbauten mit grosszügigen Umschwüngen auszeichne. Dagegen sei das Quartierbild an der Mühlebachstrasse durch viergeschossige, überwiegend geschlossene Häuserzeilen geprägt, wobei keine einheitliche Überbauungsstruktur auszumachen sei. Dies wird von den Beschwerdeführerinnen nicht substantiiert bestritten.
3.3.2 Die Baurekurskommission (Rekursentscheid E. 13.3.1 S. 33 f.), auf deren Ausführungen das Verwaltungsgericht zustimmend verwiesen hat (E. 3.3 S. 9 des angefochtenen Entscheids), attestierte der geplanten Überbauung eine gute Einordnung, und zwar unabhängig vom öffentlichen Interesse an der Erhaltung des Parks im Zentrum der Parzelle. Es erachtete die architektonische Umsetzung als gelungen, unter Verweis auf die moderne zeitgenössische Architektur, die aussergewöhnliche, durch runde, organische Formen geprägte Formensprache sowie die ausgesprochen tiefgreifende und unregelmässige Gliederung des Gebäudes, durch welche die Fassaden markant gebrochen werden. Dank dieser Staffelung werde dem Gebäude der Ausdruck von Monotonie, Dominanz und Massigkeit genommen. Zusätzlich aufgelockert werde der Baukubus durch die strassenseitig in das Volumen eingeschnittenen Lichthöfe, welche das Gebäude in drei Baukörper unterteilen, weshalb keine unerwünschte Riegelwirkung entstehe. Zwar lasse sich nicht bestreiten, dass die geplante Wohnsiedlung eine gewisse dominante Wirkung haben werde. Jedoch erheische eine gute Einordnung keineswegs, dass Masse und Kubaturen umliegender Bauten übernommen werden müssten.
Diese Ausführungen lassen keine Willkür erkennen. Sie stehen auch nicht im Widerspruch zum Bauentscheid betreffend das Nachbargrundstück (Parzelle Nr. 1088). Dieses umfasst nur 1826 m2 und ist daher von der Dimension mit dem vorliegenden (7'887 m2) nicht vergleichbar. Immerhin wurde auch dort die Einordnung moderner Baukörper in einen bestehenden Villengarten bejaht und eine, im Vergleich zur bisherigen Bausubstanz, verdichtete Überbauung bewilligt.
3.4 Die Rügen der willkürlichen Anwendung von § 238 PBG erweisen sich damit als unbegründet.
4. Die Beschwerdeführerin 1 macht zudem geltend, die Baudirektion habe zu Unrecht eine lärmrechtliche Ausnahmebewilligung für den Neubau an der Zollikerstrasse erteilt. Diesen Einwand habe die Baurekurskommission zu Unrecht als unbegründet abgewiesen, während das Verwaltungsgericht darauf unzulässigerweise nicht eingetreten sei.
4.1 Die Rekurskommission hatte die Legitimation der Beschwerdeführerin 1 zu dieser Rüge bejaht, weil die Aufhebung der lärmrechtlichen Ausnahmebewilligung zur Folge habe, dass die Überbauung an der Zollikerstrasse konzeptionell überarbeitet werden müsse und nicht in der heutigen Form bewilligt werden könne. Dagegen hielt das Verwaltungsgericht die Betroffenheit der Beschwerdeführerin 1 nur insoweit für offensichtlich, als es um den - ihrer eigenen Liegenschaft direkt gegenüberliegenden - Gebäudekomplex an der Mühlebachstrasse gehe. Dieser werde - zusammen mit dem Baumbestand des Parks - die Sicht von der Mühlebachstrasse her auf den Gebäudekomplex an der Zollikerstrasse weitgehend verdecken, so dass jedenfalls nicht offenkundig sei, inwiefern die Beschwerdeführerin 1 durch diesen Teil der Überbauung, der von ihrer Liegenschaft mehr als 70 m entfernt sei, in eigenen Interessen mehr als irgendwelche Dritte betroffen sei. Die Beschwerde erweise sich deshalb schon mangels hinreichender Darlegung der legitimationsbegründenden Sachumstände als unbegründet. Eventualiter erachtete das Verwaltungsgericht die Rüge auch als unbegründet.
Die Beschwerdeführerin 1 wendet dagegen ein, von ihrer Liegenschaft Mühlebachstrasse 168 habe sie direkte Sichtverbindung zum geplanten Bauvorhaben, und zwar auch zu jenem an der Zollikerstrasse. Angesichts des Entscheids der Baurekurskommission habe sie auch keine Veranlassung gehabt, ihre Betroffenheit in der Beschwerdeschrift weiter zu substantiieren.
Die Frage der Legitimation kann offen bleiben, wenn sich die Rüge als unbegründet erweist.
4.2 Die Vorinstanzen waren der Auffassung, es liege im öffentlichen Interesse, den nördlichen Teil des Patumbah-Parks teilweise wiederherzustellen und der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Für die Freihaltung des zentralen Grundstückbereichs müsse ein Teil der Baumasse längs der Zollikerstrasse konzentriert werden, was zur Überschreitung der Immissionsgrenzwerte an einigen Fenstern führe. Allerdings sei auf dem lärmrelevanten Abschnitt der Zollikerstrasse die geplante Tempo-30-Zone bereits umgesetzt worden, weshalb das Mass der Überschreitungen (von einem Fenster im Obergeschoss abgesehen) mit weniger als 0.8 dB marginal sei.
4.2.1 Die Beschwerdeführerin 1 macht dagegen geltend, ein Dispens dürfe gemäss Art. 31 der Lärmschutz-Verordnung vom 15. Dezember 1986 (LSV; SR 814.41) erst erteilt werden, wenn eine mit dem Lärmschutz konforme Bauweise nicht möglich sei. Die Immissionsgrenzwerte seien nur deshalb überschritten, weil gegen die Zollikerstrasse Wohn- und Schlafräume angeordnet würden und weil zur Gliederung der Nordostfassade zwischen den einzelnen Wohntrakten Einschnitte bzw. Innenhöfe vorgesehen seien, wodurch auch die strassenabgewandten Räume dem Lärm ausgesetzt würden. Mit einem anderen Projekt, bei dem die Fassade des Neubaus entlang der Zollikerstrasse geschlossen ausgebildet werde und gegen die Strasse hin nur Abstellräume oder Nasszellen angeordnet würden, liessen sich die Immissionsgrenzwerte ohne Weiteres respektieren. Zudem könne die Parkmitte auch auf andere Weise freigehalten werden, indem an den Rändern Neubauten erstellt werden, bei denen alle lärmempfindlichen Wohnräume parkseitig angeordnet werden.
4.2.2 Gemäss Art. 22 USG werden Baubewilligungen für neue Gebäude, die dem längeren Aufenthalt von Personen dienen, grundsätzlich nur erteilt, wenn die Immissionsgrenzwerte nicht überschritten sind (Abs. 1) oder durch Massnahmen gemäss Abs. 2 eingehalten werden können. Als solche Massnahmen kommen gemäss Art. 31 Abs. 1 LSV in Betracht: Die Anordnung der lärmempfindlichen Räume auf der dem Lärm abgewandten Seite des Gebäudes (lit. a) oder die Abschirmung des Gebäudes gegen Lärm durch bauliche oder gestalterische Massnahmen (lit. b). Können die Immissionsgrenzwerte durch Massnahmen nach Absatz 1 nicht eingehalten werden, so darf die Baubewilligung nur erteilt werden, wenn an der Errichtung des Gebäudes ein überwiegendes Interesse besteht und die kantonale Behörde zustimmt (Art. 31 Abs. 2 LSV).
Für die Beurteilung des überwiegenden Interesses ist das Interesse an der Realisierung des Bauvorhabens den Anliegen des Lärmschutzes gegenüberzustellen und gegen diese abzuwägen (ROBERT WOLF, USG-Kommentar, Art. 22 N 35). Von Bedeutung sind dabei das Mass der Überschreitung der Immissionsgrenzwerte, die absolute Höhe der Lärmbelastung (Entscheid 1A.108/2003 vom 9. September 2003 E. 2.3, publ. in URP 2003 I S. 832; SJ 2003 I S. 586 und RDAF 2004 I S. 748; WOLF, a.a.O., N 35), aber auch raumplanerische Gründe, wie beispielsweise das Interesse an der Schliessung von Baulücken in bereits überbautem Gebiet (Entscheid 1A.108/2003 vom 9. September 2003 E. 2.3, a.a.O.; Entscheid 1A.59/1998 vom 26. August 1998 E. 3b, publ. in URP 1999 S. 419 und RDAF 2000 I S. 795) oder die Rücksichtnahme auf denkmalgeschützte Bauten (WOLF, a.a.O., N 34). Eine Ausnahme ist erst dann zu gewähren, wenn keine andere sinnvolle Lösung, wie z.B. eine zweckmässigere Anordnung der Räume, möglich ist (WOLF, a.a.O., N 35).
4.2.3 Im vorliegenden Fall ist unstreitig, dass die Immissionsgrenzwerte der Empfindlichkeitsstufe II nach Einführung der Tempo-30-Zone an der Zollikerstrasse nur noch an wenigen Fenstern überschritten werden, wobei die Überschreitung (von einem Fenster abgesehen) unter 0.8 dB liegt und damit kaum wahrnehmbar ist. Die Beschwerdeführer bestreiten auch nicht, dass es im öffentlichen Interesse liegt, die Baukörper am Grundstücksrand, entlang der Strasse, anzuordnen, um das mittlere Grundstücksteil freizuhalten. Streitig ist nur, ob es eine andere sinnvolle Lösung gäbe, die Immissionsgrenzwerte einzuhalten. Das Verwaltungsgericht hat dies - wie schon die Vorinstanzen - verneint, weil eine allein unter dem Gesichtspunkt des Lärmschutzes konzipierte, geschlossene Fassade entlang der Zollikerstrasse unter Einordnungsgesichtspunkten nicht bewilligungsfähig wäre.
Diese Auffassung überzeugt, dienen doch die von der Beschwerdeführerin 1 aus Sicht des Lärmschutzes beanstandeten Lichthöfe der Auflockerung des Baukubus und verhindern, dass dieser strassenseitig als übermässig dominierender "Riegel" erscheint. Überdies erschiene es auch aus wohnhygienischer Sicht unzweckmässig, entlang der gesamten Fassade Zollikerstrasse (rund 75 m) nur Abstellräume und Nasszellen anzuordnen und auf eine natürliche Beleuchtung und Belüftung der Wohn- und Schlafräume aus dieser Richtung zu verzichten.
Würden dagegen aus Lärmschutzgründen alle lärmempfindlichen Räume zum Park hin angeordnet werden, könnten auf dem grossen Areal nur wenige Wohnungen errichtet werden. Ein derartig weitgehender Ausnützungsverzicht (in der Wohnzone W2 beträgt die Ausnützungsziffer 60 %) erschiene angesichts der geringfügigen Überschreitung der Immissionsgrenzwerte und dem öffentlichen Interesse an der Schaffung von Familienwohnungen in dieser bevorzugten Wohnlage unverhältnismässig.
4.3 Damit erweist sich der Dispens als bundesrechtskonform.
5. Die Beschwerdeführerinnen wenden sich ferner gegen den Kostenentscheid der Baurekurskommission. Vor Verwaltungsgericht hatten sie beantragt, die von der Baurekurskommission festgesetzte Spruchgebühr sei von Fr. 16'000 auf Fr. 8'000.-- herabzusetzen und die Parteientschädigung von insgesamt Fr. 6'000.-- sei auf Fr. 3'000.-- zu reduzieren. Diesen Antrag wies das Verwaltungsgericht ab. Die Beschwerdeführer halten diesen Entscheid für willkürlich und rügen eine offensichtlich unrichtige Anwendung von §§ 13 und 17 des Zürcher Verwaltungsrechtspflegegesetzes vom 24. Mai 1959 (VRG) und von § 35 der Verordnung über die Organisation und den Geschäftsgang der Baurekurskommissionen vom 20. Juli 1977 (OV BRK).
5.1 Gemäss § 35 OV BRK beträgt die Spruchgebühr je nach dem Zeitaufwand und der finanziellen und rechtlichen Tragweite, die dem Entscheid im Einzelfall zukommt, Fr. 100.-- bis Fr. 12'000.-- (Abs. 1); in besonders aufwändigen Verfahren kann die Gebühr unter Angabe der Gründe bis auf das Doppelte dieses Ansatzes erhöht werden (Abs. 2).
Das Verwaltungsgericht ging davon aus, dass der ordentliche Gebührenrahmen Fr. 24'000.-- betragen habe und deshalb nicht ausgeschöpft worden sei. Dies wird von den Beschwerdeführerinnen nicht substantiell bestritten und erscheint auch nicht willkürlich, nachdem die Beschwerdeführer je zwei getrennte Rekurse eingereicht hatten. Dies hat zur Folge, dass sich der Kostenentscheid auf § 35 Abs. 1 OV BRK stützen kann, weshalb die Ausführungen der Beschwerdeführerinnen zu den besonderen Voraussetzungen gemäss Abs. 2 (besonders aufwändiges Verfahren) an der Sache vorbei gehen.
5.2 Zu prüfen ist daher nur, ob die Spruchgebühr nach dem Zeitaufwand und der finanziellen und rechtlichen Tragweite des Entscheids völlig unangemessen und daher willkürlich war.
Die Beschwerdeführer machen geltend, die Gerichtsgebühr von Fr. 16'000.-- sei dem Aufwand der Baurekurskommission in keiner Weise angemessen gewesen. Zwar habe es sich formell um vier Rekurse gehandelt, weil die Beschwerdeführerinnen getrennte Eingaben eingereicht und sowohl die kommunale Baubewilligung als auch die Bewilligung der Baudirektion angefochten hätten. Die materiellen Rügen der Beschwerdeführerinnen hätten sich jedoch teilweise überschnitten, und auf einen Rekurs sei die Baurekurskommission gar nicht eingetreten. Auch die Durchführung eines Augenscheins sei in Einordnungsfällen üblich. Weder die Zahl der Rügen (insgesamt 6) noch der Streitwert des Geschäfts seien aussergewöhnlich hoch gewesen.
Dagegen lässt sich einwenden, dass das Nichteintreten auf den Rekurs des Vereins "Pro Patumbah" die Zahl der materiell zu behandelnden Rekurse nicht verringerte, wurde doch die Legitimation der Beschwerdeführerin 1 bejaht, die gemeinsam mit dem Verein prozessiert hatte.
Weiter ist zu berücksichtigen, dass die Rüge der fehlerhaften denkmalpflegerischen und gestalterischen Beurteilung des Bauvorhabens, die von den Beschwerdeführerinnen als eine Rüge beurteilt wird, zahlreiche Aspekte aufwies. Sie umfasste einen verfahrensrechtlichen Aspekt (angebliche personelle Verstrickung der beteiligten Personen und Behörden) sowie verschiedene materiellrechtliche Fragen. Streitig war die Einordnung in das Quartier Mühlebergstrasse einerseits und Zollikerstrasse andererseits, die Beeinträchtigung des Schutzobjekts Villa Patumbah durch die Neubaukomplexe, die Öffnung des geschützten Zauns und Eingriffe in den wertvollen Baumbestand). Für die Beantwortung dieser Fragen war ein grosses und komplexes Bauvorhaben zu beurteilen.
Zudem verlangte die Beschwerdeführerin 2 eine erneute Abklärung der Schutzwürdigkeit des nördlichen Patumbah-Parks wegen neuerer Erkenntnisse der gartenhistorischen Forschung der Gartendenkmalpflege. Damit wurde vorfrageweise die Wiedererwägung der 1994 rechtskräftig gewordenen Inventarentlassung des Baugrundstücks verlangt, was das Verfahren weiter komplizierte.
Insgesamt kann daher die Gebührenfestsetzung nicht als krass unangemessen und damit als willkürlich erachtet werden.
5.3 Auf die Beschwerdeführerin 2 als ideelle Vereinigung entfallen 7/15 und damit knapp die Hälfte der Gerichtsgebühr, was zuzüglich der Schreib- und Kanzleikosten total Fr. 8'736.-- ausmacht. Dies kann nicht als geradezu abschreckend hoch erachtet werden und stellt daher das Beschwerderecht nach § 338a Abs. 2 PBG nicht in Frage.
5.4 Schliesslich rügen die Beschwerdeführerinnen eine Verletzung des Gleichheitssatzes. Bei kleineren Bauvorhaben lege die Baurekurskommission praxisgemäss Gebühren von Fr. 3'000 bis Fr. 5'000 fest; diese würden jedoch bei grösseren Bauvorhaben, die mehr Aufwand verursachen, nur leicht angehoben und nur in ganz seltenen Fällen verdoppelt. Eine Spruchgebühr von Fr. 16'000.-- sei nach Wissen des Rechtsvertreters der Beschwerdeführerinnen noch nie festgelegt worden.
Die Beschwerdeführerinnen belegen ihre Vorwürfe, wonach die Gerichtsgebühr viel höher festgelegt worden sei als in vergleichbaren Fällen, nicht näher. Der ihrer Replik beigelegte Entscheid der Baurekurskommission (soweit er nach dem oben E. 2.2 Gesagten überhaupt berücksichtigt werden kann) ist mit dem vorliegenden Fall insofern nicht vergleichbar, als dort alle Rekurrenten eine gemeinsame Rekurseingabe eingereicht hatten.
5.5 Schliesslich rügen die Beschwerdeführerinnen, dass die Parteientschädigung von Fr. 6'000.-- das Vierfache dessen betrage, was regelmässig als Entschädigung im Rekursverfahren zugesprochen werde (Fr. 1'500.--), und dem tatsächlichen Aufwand nicht angemessen sei.
Das Verwaltungsgericht schätzte den effektiven Vertretungsaufwand der Beschwerdegegnerinnen im Rekursverfahren auf mindestens Fr. 10'000.--, weshalb die zugesprochene Parteientschädigung von Fr. 6'000.-- angemessen erscheine und nicht rechtsverletzend sei. Die Beschwerdeführerinnen legen nicht substantiiert dar, weshalb der Vertretungsaufwand wesentlich geringer gewesen sei. Unter diesen Umständen ist der angefochtene Entscheid jedenfalls nicht willkürlich.
6. Schliesslich rügen die Beschwerdeführerinnen auch den Kostenentscheid des Verwaltungsgerichts als willkürlich. Dieser stützt sich auf § 13 VRG und die Verordnung über Gebühren, Kosten und Entschädigungen im Verfahren vor Verwaltungsgericht vom 26. Juni 1997 (GebV VGr). Letztere legt den Gebührenrahmen gestaffelt nach Streitwert fest (§ 3); bei Verfahren ohne bestimmbaren Streitwert beträgt die Gebühr in der Regel zwischen Fr. 1000.-- bis höchstens Fr. 50'000.-- (§ 4). Innerhalb dieser Rahmen bemisst sich die Gerichtsgebühr insbesondere nach dem Zeitaufwand des Gerichts, der Schwierigkeit des Falles und dem tatsächlichen Streitinteresse (§ 2 GebV VGr).
Die Beschwerdeführerinnen sind der Auffassung, die vom Verwaltungsgericht festgesetzte Gerichtsgebühr von Fr. 12'000.-- sei völlig unangemessen, nachdem kein Augenschein durchgeführt worden sei, die materiellen Erwägungen des Gerichts nur rund 16 Seiten umfassen und für die Begründung verschiedentlich auf die Erwägungen der Vorinstanz verwiesen worden sei. Damit habe das Verwaltungsgericht §§ 2 und 3 GebV VGr offensichtlich unrichtig angewandt.
Aufgrund des Verweises auf § 3 GebV VGr gehen die Beschwerdeführerinnen offensichtlich von einem Verfahren mit bestimmbarem Streitwert aus. Sie legen aber nicht dar, welcher Streitwert und damit welcher Gebührenrahmen ihres Erachtens anwendbar ist. Damit genügt die Beschwerde den Anforderungen gemäss Art. 42 Abs. 2 i.V.m. Art. 106 Abs. 2 BGG nicht, weshalb auf diese Rüge nicht einzutreten ist.
7. Nach dem Gesagten ist die Beschwerde abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Damit wird der Antrag auf Gewährung der aufschiebenden Wirkung gegenstandslos. Bei diesem Ausgang des Verfahrens werden die Beschwerdeführer kosten- und entschädigungspflichtig (Art. 65 ff. BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 4'000.-- werden den Beschwerdeführerinnen auferlegt.
3. Die Beschwerdeführerinnen haben die privaten Beschwerdegegnerinnen für das bundesgerichtliche Verfahren mit insgesamt Fr. 4'000.-- zu entschädigen.
4. Dieses Urteil wird den Parteien, der Bausektion der Stadt Zürich, der Baudirektion und dem Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, 1. Abteilung, 1. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 4. Juni 2009
Im Namen der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Féraud Gerber