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Fabian Scheurer

Digitale Perle an der Seine

Holzbau: BIM to Fabrication

Die hölzerne Hülle für die neue Pariser Konzerthalle La Seine Musicale wurde digital vorgefertigt – basierend auf digitalen 3D-Modellen von Design-To-Production aus der Schweiz.

Design-to-Production hat seit 2007 die digitale Planung zahlreicher renommierter Holzbauprojekte bis hin zur Erstellung der notwendigen CNC-Fertigungsdaten übernommen. Dreh- und Angelpunkt dafür waren und sind parametrische, objektorientierte 3D-Modelle auf Ausführungsniveau. Hauptsächlich aufgrund der komplexen Freiform-Geometrien können diese bisher weder mit einer der üblichen Holzbau-CAD-Lösungen noch mit herkömmlichen BIM-Software-Paketen erstellt werden. Stattdessen kommt eine NURBS-Modellierungs-Software aus dem Designbereich zum Einsatz, die mit projektspezifisch programmierten Tools jeweils ergänzt wird. Als Beispiele dafür wird ein Projekt vorgestellt, das im Laufe des Jahres 2017 vollendet wurde und an dem sich einige entscheidende Herausforderungen identifizieren lassen.

Im Zuge der intensiver werdenden Diskussionen um die Methode BIM (Building Information Modelling) und um die Erhöhung des Vorfertigungsgrades in der Baubranche (in Erwartung höherer Produktivität und Qualität) ergibt sich für den Holzbau eine interessante Situation. Erstens ist das Prinzip Vorfertigung von jeher zentraler Bestandteil der Branchen-DNA im Holzbau. Zweitens ist der Digitalisierungsgrad in dieser Branche schon jetzt höher als in den meisten anderen Baugewerken, und zwar bis hin zur digitalen Fertigung (CNC) und daher notwendigerweise auch in der vorgelagerten Planung und Arbeitsvorbereitung.

Daraus ergibt sich für den Holzbau ein nicht zu unterschätzender Startvorteil bei der weiteren Digitalisierung der Prozesse. Allerdings werden dadurch auch einige strukturelle Hürden auf dem Weg von der BIM-Planung zur Digitalen Fabrikation sichtbar, die in dieser Schärfe an anderen Stellen noch nicht deutlich geworden sind.

Projektbeispiel: La Seine Musicale

La Seine Musicale ist das Flagschiff des Stadterneuerungsprojekts auf der Île Seguin im Westen von Paris. Das Gebäude enthält eine Reihe von Konzert- und Probesälen. Kernstück von Shigeru Bans Projekt ist ein Auditorium mit 1.100 Plätzen, das vom mittlerweile ikonischen Sechseckmuster des japanischen Architekten umschlossen wird. Die fast 30 Meter hohe Glasfassade sitzt auf einer Holzstruktur, deren doppelt gekrümmte Holzträger sich an den Knotenpunkten gegenseitig durchdringen.

La Seine Musicale, Außenansicht (Foto: Design-to-Production)

Design-to-Production wurde vom Holzbauer Hess Timber beauftragt, die gesamte Struktur digital zu modellieren, und übernahm eine aktive Rolle bei der Konzeption der komplexen Montagesequenz der Struktur. Dazu wurde ein 3D-Modell der Konstruktion komplett bis hin zur letzten Schraube entwickelt. Aus diesem parametrischen 3D-CAD-Modell wurden dann automatisch Fertigungsdaten für Verleimung und Abbund der über 1.300 Trägersegmente und Volumenmodelle aller 3.300 Fassadenrahmen abgeleitet sowie ein vollständiger Satz von Werkstatt- und Montageplänen erstellt.

Die Holzstruktur besteht aus knapp 300 kreuzförmigen Diagonalstützen und 15 horizontalen Ringen, die im Freivorbau ohne Gerüst aus über 1.300 individuell gefrästen BSH-Segmenten montiert wurden (Bild: Design-to-Production)

Für jedes Trägersegment wurde ein doppelt gekrümmter Rohling verleimt, dessen Produktionsdaten (Pressbettstellung) genauso automatisch aus dem digitalen Modell generiert wurden wie die BTL-Daten für die CNC-Bearbeitung in zwei Aufspannungen (Bild: Design-to-Production)

Herausforderungen

Das Projekt wurde nicht nach der BIM-Methode im eigentlichen Sinne geplant und ausgeführt. Design-to-Production kam erst nach der Vergabe als beratender und planender Subunternehmer des ausführenden Holzbauers zum Einsatz. Zur Übergabe existierten nur Geometriemodelle der zu bauenden Strukturen, und es gab es keinen organisierten BIM-Prozess von Seiten der Bauherrschaft oder des Generalunternehmers.

Das ist bisher als Standardfall zu betrachten. Erst in jüngster Vergangenheit kommen Projekte zur Vergabe, die zumindest ab der Vorprojekt- oder Projektphase nach BIM-Verfahren geplant wurden und daher nicht nur 2D-Pläne oder ein 3D-Geometrie-Modell für den Ausführenden bereitstellen, sondern ein objektorientiertes BIM-Modell z.B. im Format IFC. Es ist davon auszugehen, dass der Anteil solcher Projekte in Zukunft rapide zunimmt, und ich versuche im Folgenden, einige Punkte zu identifizieren, an denen sich entscheiden wird, ob der Übergang an dieser Schnittstelle funktionieren kann.

Modellqualität

Die typische Fertigungstoleranz liegt in der CNC-Holzbearbeitung bei wenigen Zehntelmillimetern. Sollen aus einem digitalen Modell direkt Produktionsdaten für die digitale Fertigung abgeleitet werden, darf die Modelltoleranz nicht grösser sein als die Fertigungstoleranz. Ansonsten werden Ungenauigkeiten in der Modellierung bei der Bearbeitung unerbittlich im Material reproduziert, was vor allem bei Verbindungsdetails (z.B. Stabdübel) schnell problematisch werden kann. Aufgrund der unvermeidlichen numerischen Fehler bei der Berechnung sollte das digitale Modell sogar um eine Größenordnung präziser sein (Hundertstelmillimeter-Bereich).

Die Erfahrung zeigt, dass die 3D- bzw. BIM-Modelle, die den Ausführenden aus vorgehenden Planungsphasen zur Verfügung gestellt werden, diesen Qualitätsanforderungen in der Regel nicht genügen. Die klassischen Ausschreibungs- und Koordinationsmodelle werden typischerweise mit einer Präzision erstellt, die dem 1:50 Plan entsprechen, und weisen oft Ungenauigkeiten von einigen Millimetern oder sogar mehr auf. Es ist auch nicht zu erwarten, dass manuell erstellte Modelle die notwendige Präzision irgendwann erreichen werden, so dass in der Regel der Holzbauer die Eingangsdaten der Architekten und Planer als (ungefähre) Grundlage für ein eigenes, neu erstelltes Modell verwendet.

Da die präzisen Details, Abmessungen, Schichtdicken usw. bei der Erstellung der BIM-Modelle oft noch gar nicht bekannt sind, liegt hier sogar ein strukturelles Problem vor. Die notwendigen Informationen und Abhängigkeiten werden erst während der Detaillierung bekannt, das Modell müsste also bereinigt werden, was aber in der Regel eher mehr Aufwand bedeutet als eine komplette Neuerstellung des Modells. Abhilfe könnten hier höchstens konsequent parametrisch definierte BIM-Modelle schaffen, die nach der Änderung von einzelnen Abmessungen die davon abhängigen Bauteile automatisch aktualisieren und so gleichzeitig anpassbar und präzise bleiben.

Design-to-Production erstellt zu Beginn des Projekts in der Regel ein Referenzmodell, das nur die definierenden Design-Surfaces, Achsen und Bezugskanten enthält und nach der Abnahme als zentrale Geometriereferenz für parametrisch erstellte Komponenten dient. Da diese automatisiert erstellt werden, können Modellierungsfehler praktisch ausgeschlossen werden. Eine automatische Aktualisierung nach der Änderung einzelner Parameter ist jederzeit möglich.

Freiform-Geometrie

Räumliche Körper werden in fast allen CAD- und BIM-Systemen als Polygonnetz aus Dreiecken und/oder Vierecken dargestellt. Dieses approximative Mesh ist quasi der kleinste gemeinsame Nenner zur Darstellung von Körperoberflächen. Für gekrümmte Formen ist mit dieser Approximation eine geometrisch präzise Beschreibung, die den im Absatz „Modellqualität“ aufgeführten Qualitätsanforderungen genügt, unmöglich. Spätestens wenn bei der parametrischen Erstellung von Details z. B. Offsets von der gekrümmten Referenzgeometrie erzeugt werden müssen, potenzieren sich auch die kleinsten Abweichungen der vereinfachten Mesh-Repräsentation so schnell, dass eine Modellierung innerhalb der notwendigen Toleranzen unmöglich wird.

Die präzise Konstruktion von Freiform-Strukturen ist nur auf der Basis mathematisch genauer NURBS-Modelle möglich. Nur so lassen sich z. B. Offsets für Materialstärken erzeugen und Schnittpunkte zwischen Trägerkanten sauber ermitteln (Bild: Design-to-Production)

Die Beschreibung von gekrümmten Kurven und Flächen durch sogenannten NURBS (Nonuniform rational B-Splines) wurde zwar schon in den 1950er Jahren mathematisch definiert, ist aber erst seit den 1990er Jahren in CAD-Software außerhalb der Automobil- und Luftfahrtindustrie verfügbar. Im BIM-Austauschformat IFC können NURBS seit Version 4 (2013) abgebildet werden, jedoch sind die Softwarehersteller hier noch sehr zurückhaltend mit der Implementierung. Ähnliches gilt für die bekannten Holzbau-Branchenlösungen.

Die Bearbeitung von Freiform-Geometrie ist damit im BIM-Workflow eine vorerst weiterbestehende Herausforderung, weshalb bei Design-to-Production ein NURBS-Modeller aus dem Designbereich (Rhinoceros 5) zum Einsatz kommt, der mit Hilfe eigener und teilweise projektspezifischer Weiterentwicklungen das Erstellen objektorientierter parametrischer Modelle in Fertigungsqualität ermöglicht.

Detaillierungsniveau und Skalierbarkeit

Selbstverständlich kann eine digital gesteuerte Maschine nur diejenigen Bearbeitungen ausführen, die in ihren Eingangsdaten definiert sind. Werden diese Maschinendaten direkt aus einem digitalen Bauwerksmodell generiert, heißt das notwendigerweise, dass jede Bohrung, jeder Schlitz und jede Tasche auch zuvor im Modell definiert sein müssen. Das ist heute mit jeder gängigen Holzbau-Software möglich, stellt die verfügbare BIM-Software allerdings vor Herausforderungen, da diese in der Regel nicht auf eine solche Detailtiefe ausgelegt ist.

 

Jedes Bohrloch muss korrekt im Modell definiert werden, was zu Update-Problemen und zu extremen Datenmengen führen kann (Bild: Design-to-Production)

Die Standardlösung ist derzeit auch hier eine Neumodellierung des Projekts mit Hilfe einer Branchensoftware, wobei das importierte BIM-Modell als Grundlage genutzt wird. Die beiden großen Fragestellungen dabei sind die Effizienz und das Reagieren auf Änderungen. Können zumindest Teile des detaillierteren Holzbaumodells automatisch aus dem BIM-Modell generiert werden, statt alles manuell neu zu bauen? Werden Änderungen am BIM-Modell automatisch im Holzbaumodell nachgeführt oder zumindest markiert?

Bei großen Projekten mit komplexen Verbindungsdetails wächst außerdem die Informationsmenge in zwei Dimensionen gleichzeitig – die Anzahl der individuellen Bauteile mit der Größe des Projekts und die Anzahl der Detailbearbeitungen mit der Komplexität der Verbindungen –, was in den gängigen dateibasierten Modellen langsam aber sicher zu Skalierungsproblemen führt: Die Modelle werden zu groß und lassen sich nur noch mühsam bearbeiten.

Design-to-Production verteilt daher bei großen komplexen Projekten wie La Seine Musicale die Daten in mehrere Teilmodelle: Ein zentrales Referenzmodell und eine Reihe von Einzelmodellen für Bauteiltypen, die bei Bedarf zusammen geladen werden können. Zudem wird konsequent parametrisch geplant, d. h., es findet praktische keine manuelle Modellierung statt, sondern die Abhängigkeiten zwischen einzelnen Bauteilen werden formalisiert und in Scripts programmiert, die dann die Anpassung und Detaillierung automatisch für eine große Anzahl von Teilen und Details automatisch übernehmen.

Design for Manufacturing and Assembly

Einhergehend mit Bemühungen, die industrielle Vorfertigung auch auf größere Bauwerkskomponenten anzuwenden statt nur auf kleinere, hochstandardisierte Bauteile, wird dem Begriff Design for Manufacturing and Assembly (DfMA) seit einiger Zeit auch im Bauwesen immer mehr Beachtung geschenkt. DfMA ist im Produktdesign seit den 1980er Jahren ein eingeführter Begriff. Er befasst sich mit der Optimierung von Produktionsprozessen durch das Neu- oder Umgestalten von Bauteilen und deren Schnittstellen. Auf diesem Gebiet hat der Holzbau den vielleicht größten Vorsprung vor anderen Baugewerken aufgrund seiner traditionellen, intensiveren Beschäftigung mit den Themen Vorfertigung, Toleranzen, Verbindungsdetails, Transport und Montage.

Besondere Herausforderungen stellen Freiform-Projekte, da hier nicht nur die einzelnen Bauteile individuelle Formen annehmen müssen, sondern auch die Verbindungen. Dabei kann es durchaus vorkommen, dass bei naivem Herangehen einzelne Verbindungen aufgrund der Geometrie nicht montiert werden können. Bei der Holzgitterschale von La Seine Musicale müssen z. B. die bis zu 24 Meter langen Ringträger gleichzeitig mit vier bis sechs Diagonalstützen verbunden werden, deren Enden alle in unterschiedliche Richtungen zeigen. Hier muss sichergestellt werden, dass überhaupt ein Montagepfad existiert, mit dem das Bauteil in die gewünschte Endlage mit kraftschlüssigen Verbindungen gebracht werden kann.

Die Ringträger von La Seine Musicale werden in die Verbindungen der bereits montierten Diagonalstützen und des vorhergehenden Ringträgersegments eingedreht (Bild: Design-to-Production)

Um für die rund 1.400 Bauteile und 2.800 Knotenpunkte von La Seine Musicale einen effizienten Planungsprozess zu ermöglichen, müssen diese parametrisiert, d. h., regelbasiert gelöst werden, so dass mit möglichst wenig verschiedenen Typen von Bauteilen und Knotendetails alle notwendigen Fälle abgedeckt werden. Dazu ist zunächst eine Identifikation der Worst Cases, also der extremen Bauteile und Knoten, notwendig, um den Rahmen für eine systematische Lösung abzustecken. Jedes daraus entwickelte Detail muss dann wieder an ALLEN betreffenden Bauteilen und Knoten getestet werden, um die Montage wirklich sicherzustellen.

Gleichzeitig zur Montage muss die effiziente Produktion der Teile betrachtet werden, um die Gesamtkosten zu optimieren. Dazu gehören bei La Seine Musicale nicht nur die CNC-Fertigung in zwei Aufspannungen, sondern auch die Verleimung der doppelt gekrümmten BSH-Rohlinge, jeweils unter Berücksichtigung der Maschinen- und Transportmasse.

Bestehende BIM- und Holzbaulösungen bieten hier zwar Funktionen zur Planung von Prozessen und Sequenzen an, nicht aber die geometrische Simulation der Montage. Auch ist die Ermittlung von Produktionskosten in Abhängigkeit von geometrischen Faktoren in der Regel nicht möglich. Design-to-Production greift auf selbst entwickelte Tools zurück, die entsprechende Auswertungen teilweise schon auf der Basis der Referenzgeometrie erlauben.

Fertigungsdaten

Der letzte und entscheidende Schritt zur digitalen Produktion ist das Bereitstellen der notwendigen Fertigungsdaten. Die detaillierte und präzise Geometrie eines Bauteils zu beschreiben ist in der Regel nicht ausreichend, um daraus Produktionsdaten abzuleiten. Eine automatische Erkennung geometrischer Eigenschaften (engl. Feature Recognition, also z. B. „diese Aussparung ist ein Bohrloch) und anschließende Zuweisung einer Maschinenbearbeitung (Bohren mit Werkzeug W, Tiefe T) funktioniert zwar bei vielen Standardbearbeitungen einigermaßen, ist jedoch fehleranfällig und kann mit Mehrdeutigkeiten z. B. bei komplexen Freiform-Bearbeitungen nicht umgehen. Wenn die detaillierte Bauteilgeometrie aufgrund von parametrischen Regeln generiert wurde, ist es zudem fragwürdig, diese Information zu vergessen und die Entstehung später auf der Grundlage der resultierenden Geometrie wieder zu erraten.

Hier zeigt sich der größte Unterschied zwischen den Branchenprogrammen und der Standard-BIM-Software. Erstere sind in der Regel darauf ausgelegt, zumindest (geometrisch) einfache Bauteile und Standardverbindungen parametrisch zu beschreiben, und bieten am Ende auch entsprechende Schnittstellen zur digitalen Fertigung an. Dazu gehören beim Holzbau inzwischen vor allem CAM-Datenformate wie BTL und BVX, die eine maschinenunabhängige Beschreibung von Geometrie UND Maschinenbearbeitungen erlauben. Auch in anderen Gewerken gibt es entsprechende Standards, wie z. B. die DSTV-Schnittstelle für den Stahlbau. Teilweise wird dabei allerdings immer noch Feature-Recognition benutzt.

Auf Seiten der Standard-BIM-Software und des Austauschformats IFC gibt es bisher noch keine Möglichkeit, geometrische Eigenschaften und Maschinenbearbeitungen sauber zu verknüpfen. In der Regel wird also ein IFC-Modell als Input dazu führen, dass das Modell mit Hilfe einer passenden Branchenlösung neu aufgebaut wird.

Design-to-Production geht auch hier den individuellen Weg, vor allem, weil in Freiform-Projekten ohnehin selten Standard-Verbindungsdetails zum Einsatz kommen und daher Sonderlösungen programmiert werden müssen. Diese individuelle Programmierung bietet auch die Möglichkeit, die bekannte Entstehungsgeschichte der detaillierten Geometrie direkt zu nutzen, um mit hoher Sicherheit korrekte Maschinenbearbeitungen zu generieren. In der Regel kommen dabei maschinen- und werkzeugunabhängige Sprachen zum Einsatz (z. B. BTL im Falle von La Seine Musicale). In Ausnahmefällen wird auch ein spezifischer Postprozessor entwickelt, der aus dem 3D-Modell direkt ISO-G-Code für eine bestimmte CNC-Maschine generiert.

Zusammenfassung

Eine bruchlose digitale Kette vom BIM-Modell zur digitalen Produktion ist im Moment nur mit einigem Aufwand zu erreichen – wenn es denn überhaupt mehr Projekte gäbe, die in frühen Phasen schon mit Hilfe der BIM-Methode geplant würden.

Bei Projekten mit komplexer Geometrie endet es in der Regel schon bei den mangelnden NURBS-Fähigkeiten der BIM-Software, so dass die Referenzgeometrie mit spezieller Modellierungssoftware neu aufgebaut werden muss, um überhaupt eine präzise Detailplanung zu ermöglichen. Aber auch bei Standardprojekten führt in der Regel kein Weg am Neuaufbau des Modells in einer entsprechenden Branchensoftware vorbei. Einerseits aufgrund der mangelnden Modellpräzision, die den Fertigungsanforderungen nicht gerecht wird. Andererseits aufgrund der speziellen Anforderungen aus der weiteren Detaillierung und schlussendlich dem Ableiten von Produktionsdaten, die in den herkömmlichen Standard-BIM-Programmen nicht möglich sind.

Dagegen ist an sich nichts einzuwenden, denn der sogenannte Open-BIM-Ansatz ist ja gerade dazu gedacht, statt eines zentralen BIM-Modells eine Sammlung von Modellen der einzelnen Fachplaner zu verknüpfen. Entscheidend ist dabei allerdings, dass die Arbeitsabläufe sauber definiert werden und dass der Kontakt zwischen diesen Modellen nicht abreißt, um bei Änderungen im einen Modell entsprechende Aktualisierungen in den anderen anzustoßen. An dieser Stelle wird klar, warum unter BIM nicht nur das Modell, sondern vor allem die Methode zu verstehen ist.

Um diese Methode möglichst effizient zu machen, wird es also vor allem nötig sein, die Schnittstellen sauber zu definieren. Und zwar nicht nur in technischer, sondern vor allem in organisatorischer und inhaltlicher Form. Wenn zum Beispiel davon ausgegangen werden kann, dass das Modell beim Eintritt in die Ausführungsphase sowieso komplett neu aufgebaut werden muss, sollte es zu diesem Zeitpunkt nicht mehr Informationen enthalten als unbedingt nötig. Noch wünschenswerter wäre es, wenn dieses Referenzmodell so sauber aufgebaut wäre, dass eine zumindest teilweise automatische Übersetzung in das Ausführungsmodell möglich wird. Außerdem muss geklärt werden, welches Modell zu welchem Zeitpunkt führend ist, d. h., in welche Richtung Änderungen jeweils propagiert werden.

Design-to-Production verfolgt hier bisher einen Sonderweg abseits der Standard-BIM-Werkzeuge, wendet aber die BIM-Methode letztlich seit über zehn Jahren erfolgreich an: Ein zentrales, objektorientiertes 3D-Modell als Referenz für weitere fachspezifische Modelle sowie detaillierte Produktionsmodelle, aus denen Fertigungsdaten direkt abgeleitet werden. Eingebettet in einen jeweils projektspezifisch definierten Workflow, in dem Themen wie Koordination und DfMA kollaborativ mit allen Beteiligten gelöst werden. In diesem Sinne blicken wir einer weiteren Entwicklung von Open BIM gespannt und freudig entgegen.

 



Zahlen:

2.798 einzigartige Verbindungsdetails an Kreuzungs- und Stoßpunkten. Jedes Detail besteht aus bis zu 205 Schrauben, Bolzen und Nägeln.

Einzelteile Brettschichtholz: 1.296
Einzelteile Fassade-Unterkonstruktion: 3.342
Verbindungsdetail-Familien: 8
Verbindungsdeatil-Unterkategorien: 120
Bohrlöcher: 73.909

 

 

 

Projektbeteiligte:

Architekt: Shigeru Ban & Jean de Gastines, Paris
Beratung: Création Holz, Hermann Blumer, Frankreich
Generalunternehmer: Bouyges, Paris
Holzbau: Hess Timber, Kleinheubach, Deutschland
Ingenieur: SJB Kempter Fitze, Eschenbach, Schweiz
Digitale Planung: Design-to-Production, Zürich, Schweiz

 

 

 

Bilder
Diagonale Segmente während der Montage nach dem Fräsen (Bild: Design-to-Production)
Holzstruktur, Blick von innen (Bild: Design-to-Production)
Holzstruktur, Blick von innen (Bild: Design-to-Production)
Holzstruktur, Blick von außen. Die Fassadenelemente sind noch nicht montiert (Bild: Design-to-Production)
© Design-to-Production
La Seine Musicale, Außenansicht
Autor

Fabian Scheurer ist Managing Partner bei Design-to-Production. Das Büro wurde 2007 von ihm und Arnold Walz gegründet. Das in einer ehemaligen Textilfabrik in Erlenbach bei Zürich und in Stuttgart ansässige Unternehmen hat mittlerweile über 35 wegweisende Projekte ermöglicht – in Zusammenarbeit mit Architekten und Architekturbüros wie SANAA, UN Studio, Zaha Hadid, Shigeru Ban und Renzo Piano. designtoproduction.com

 

 

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