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13.01.2020 | Elisabeth Aberger, Elise Mandat, Dereje Alemu

Effektive Planung von Sonderbauten

Digitaler Zwilling

Der Einsatz eines digitalen Zwillings bietet große Einsparpotenziale bei Sonderbauten mit unterschiedlichen Nutzungen und sensiblen Einrichtungen wie beispielsweise Reinräumen.

Die besondere Herausforderung bei der Planung und Realisierung von Gebäuden mit technischen oder medizinischen Laboren liegt in der Einhaltung der Normvorgaben. Die Ausgestaltung von Reinräumen und ihre Prüfung ist durch internationale Standards geregelt. So formulieren die ISO 14644 „Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche“ oder die weiterführende VDI 2083 „Reinraumtechnik“ konkrete Anforderungen an die verschiedenen Reinraumklassen. Zur technischen Einrichtung gehören Luftschleusen und -filter sowie spezielle Klimageräte. Entscheidend für die Klassifizierung ist unter anderem, wie gut Staubpartikel oder Mikroorganismen aus der Luft gefiltert werden können.

Bei der Prüfung kommt es deshalb auf die Auslegung, die Einbausituation und den tatsächlichen Zustand der Filter an. Nicht zuletzt müssen die Sachverständigen dabei auch Undichtigkeiten detektieren. Reinräume werden in der Regel mit Überdruck beaufschlagt, weshalb auch die Druckunterschiede zu den angrenzenden Räumen gemessen werden. Anschließend wird die Leistung der Lüftungs- und Filteranlagen validiert und die Partikeldichte in der Luft gemessen. Je nach Einsatzzweck sind zudem Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Beleuchtung und Akustik relevant. Sind alle Anforderungen erfüllt, bescheinigt der Prüfer dem Betreiber die Reinraumklasse mit einem Zertifikat.

Vorzertifizierung am digitalen Zwilling

Ein digitaler Zwilling des Gebäudes entsteht durch die zentrale Speicherung von Gebäudeinformationen in einem virtuellen Modell. Der Einsatz von BIM-Modellen birgt großes Potenzial und Vorteile auf mehreren Ebenen. So lassen sich teure Nachprüfungen reduzieren, wenn die Leistungsparameter der Lüftungs- und Klimatechnik bereits vorab am Modell simuliert werden.

Durch eine bestimmte und normgerechte Platzierung der Geräte sowie ein den räumlichen Gegebenheiten angepasstes Design erleichtern die Planer den Prüfern wie auch den Facility Managern später die Arbeit erheblich. Klima- und Filteranlage können beispielsweise so angeordnet und installiert werden, dass sie für die Abnahmen und Wartungsarbeiten leicht zugänglich sind. Hier macht BIM die Planung wesentlich zuverlässiger und verhindert Folgekosten durch unentdeckte Fehler. Darüber hinaus erleichtert das auch den späteren Zertifizierungsprozess.

Arbeitsabläufe verbessern

Die Auslegung von Bewegungsflächen wie z. B. Flure, Treppenhäuser und Eingangsbereiche und die Zugänglichkeit von Technikräumen beeinflusst wesentlich den Arbeitsaufwand in der Betriebsphase eines Gebäudes. Räume, Flächen und Durchgänge müssen ausreichend dimensioniert sein, um den späteren Anforderungen des Betriebsalltags zu genügen. Das heißt, sie müssen genug Platz für die erwarteten Nutzer bieten; außerdem für die Installation sowie die Wartung und den Austausch der technischen Geräte. Gleichzeitig sollen sie nicht überdimensioniert sein. Laufwege werden idealerweise möglichst kurzgehalten.

Der Einsatz von modellbasierten automatisierten Prüfsystemen (Model Checker) ermöglicht es, das Gebäude weiter zu optimieren. So sind die Planung von Fluchtwegen und das Brandschutzkonzept in großen Klinikkomplexen eine Herausforderung. Mit BIM können Bewegungs-, Aufenthalts- und Sperrflächen für Wartungs- und auch sicherheitskritische Anlagen simuliert und dadurch bedarfsgerecht ausgelegt werden. Durch einen Model Checker werden die Sperrflächen auf Kollisionen überprüft, was insbesondere bei Planungsänderungen einen immensen Mehrwert im Sinne von Zeiteinsparung sowie eine Reduktion der Planungsfehler bedeutet. Dazu kommen weitere Optimierungsmöglichkeiten wie die Planung der Verschattung oder der WLAN-Auslegung.

TÜV SÜD Advimo unterstützt den Bauherren bei der Implementierung von modellgestützten Prozessen und erstellt die Lastenhefte für eine BIM-konforme Planer-Ausschreibung, die sogenannten Auftraggeber-Informationsanforderungen (AIA). Die AIA definiert die Anforderungen, die der Bauherr an die modellbasierte Umsetzung stellt. Sie wird der Ausschreibung beigelegt und ist Vertragsbestandteil. TÜV SÜD Advimo schafft zudem mit der Vorlage des BIM-Abwicklungsplans (BAP) die Grundlage für die Zusammenarbeit von Bauherren und Fachplanern. Alle Entscheidungen und Prozesse werden darin zentral dokumentiert. Außerdem werden gemeinsam genutzte Dateien und Projektvorlagen gesammelt, im Hinblick auf alle relevanten Richtlinien und Normen qualitativ und inhaltlich geprüft sowie optimiert, um sie im Anschluss allen Beteiligten zur Verfügung zu stellen.

Virtuelle Realität im Autodesk VR Lab München: Die Personen in der Greenbox begehen das BIM-Modell mittels VR-Brille und begutachten u. a. Wege und Flächen. Gleichzeitig werden die beiden Personen von außen beraten und geleitet. So können Fachplaner, Nutzer und Sachverständige (hier für Laborabnahme) das Gebäude in der Planung bewerten und optimieren, was kostenintensive Änderungen in späteren Phasen stark reduziert (Foto: TÜV SÜD)

Außerdem überprüft und beurteilt TÜV SÜD Advimo im Rahmen von Audits die einzelnen Fachmodelle auf die Einhaltung der in der AIA definierten Anforderung an LOG (Level of Geometry) in der grafischen Umsetzung und LOI (Level of Information) in der alphanumerischen Datenstruktur. Die Prüfungen umfassen eine Bautechnik- und Reinraumanalyse für Funktionalität, Baubarkeit, Wartungsfreundlichkeit und Betriebskonformität. Die Experten überprüfen auch die Vollständigkeit und Richtigkeit der modellintegrierten Berechnungen der technischen Systeme. So können Heiz- und Kühllasten oder die Rohrnetze vollständig am Modell berechnet werden.

Fehler vermeiden bevor sie entstehen

Der digitale Zwilling hilft, Fehler, die kostenintensive Anpassungen in der Bauphase verursachen würden, bereits im Entstehen zu vermeiden und die Planung transparenter zu machen. Durch die modellbasierte Mengenberechnung, also eine direkte Verlinkung zwischen dem Modell und den Bauteillisten, können Unvollständigkeiten der Listen oder auch eine falsche Zuordnung der Materialien bereits in einem frühen Planungsstadium erkannt werden und nicht erst auf der Baustelle.

Während der Bauphase wird eine Kopie des Arbeitsmodells erstellt und durch Lasermessungen auf der Baustelle validiert. Das so entstehende As-Built-Modell stellt das Gebäude detailliert und genauer dar und bildet den Projektfortschritt in Echtzeit ab. Die Abweichungen des As-Built-Modells werden im Vergleich zum Arbeitsmodell unmittelbar sichtbar. Der Auftraggeber bekommt damit ein Abbild von dem errichteten Gebäude als digitaler Zwilling. Insofern dienen die digitalen As-Built-Modelle sowohl als umfassende Dokumentation, wie auch als digitale Prototypen.

Über die ganze Lebensdauer

Das volle Potenzial entfaltet BIM, wenn es über die gesamte Lebensdauer eingesetzt wird. Das digitale Modell dient dann nicht nur der 3D-Planung, sondern darüber hinaus als Grundlage für die Mengenermittlung der Kostenberechnung, der Simulation und anschließenden Optimierung des Gebäudes im Betrieb. Das heißt: Alle Gewerke arbeiten an einem zentralen Modell und greifen auf dieselbe Datengrundlage zurück.

Eine weitere Möglichkeit ist, dass alle Planer ihre auf eigenem Server erstellten Informationen (Teilmodelle) auf die gemeinsame Informationsaustauschplattform hochladen und anderen Planungsbeteiligten zur Verfügung stellen. Damit übermitteln sie die neuen Änderungen an die weiteren Beteiligten, die ihre Informationen entsprechend anpassen können. Zudem lassen sich die Betriebsabläufe deutlich optimieren, wenn auch das Facility Management von Projektbeginn an berücksichtigt wird. BIM unterstützt dann auch die Gebäudeverwaltung.

Fazit

Gerade Gebäude mit Laboren haben in der Regel hohe Betriebs- und Instandhaltungskosten. Während hier noch vor wenigen Jahren die Planungsüberprüfung bis zu vier Wochen dauern konnte, gelingt das mit BIM in nur zwei Tagen und mit deutlich weniger Personaleinsatz. Möglich wird das durch die Echtzeitprüfung anhand der virtuellen Modelle. Gutachter können den Bau dank digitaler Auditmechanismen schneller, früher und einfacher bewerten.


Anwendungsfälle

Komplexes Klinikgebäude

Bereits mehrfach übernahm TÜV SÜD Advimo das Manage- ment von Gebäudeinformationen medizinischer Großprojekte. Im Fall eines Klinikgebäudes mit Laboreinrichtungen verbesserten die Planer auch den Arbeitsalltag der Nutzer. Mit den integrierten Wartungsprozess- und Flächensimulationen wurden die Technikzentralen bestmöglich angeordnet. Damit reduzierten sie die Laufwege für das Klinikpersonal und gleichzeitig die negativen Einflüsse auf die empfindlichen Reinräume. Das erleichterte auch die Wartung und Instandhaltung.

Ein weiterer, technisch und architektonisch anspruchsvoller Klinikneubau umfasste rund 170.000 Quadratmeter Nutzfläche, davon allein 25.000 Quadratmeter Laborräume. Die Bauherren hatten zum Ziel, den Energiebedarf gegenüber den rund einhundert Bestandsgebäuden um 25 Prozent zu senken.
Mit BIM konnte dieses Ziel sogar um weitere 25 Prozent unterboten werden. Entscheidend für den Erfolg waren auch hier die Material-, Auslegungs- und Flächensimulationen in den digitalen Prototypen.

Kombiniertes Büro- und Laborgebäude

In Singapur ist der Einsatz von BIM für die Genehmigung seit Jahren verpflichtend. Hier realisierte TÜV SÜD Advimo ein eigenes Bauvorhaben. Rund 600 Mitarbeiter beziehen ein integriertes Büro- und Laborgebäude mit über 18.900 Quadrat meter Nutzfläche. Die Büroräume erfüllen die Anforderungen des lokalen Nachhaltigkeitsstandards Green Mark Platinum für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit. Aufgrund der vielen und teils hochkomplexen Anwendungsfälle wurde in einer geschlossenen, nativen Projektumgebung (Closed BIM) gearbeitet und die lokalen Standards von Singapur wurden um eigene erweitert. Das Bauvolumen beträgt 65 Millionen Euro.

Das Gebäude wird im klassischen Zweiphasen-Verfahren aus erweitertem Rohbau plus Gebäudeausstattung geplant und errichtet. Ziel war es, das Facility Management (FM) zu unterstützen beziehungsweise zu optimieren. So wurde von Beginn an ein Standard für computergestütztes FM (CAFM) integriert. Damit gingen die Daten der Fachplaner, z. B. zu Flächen und technischer Gebäudeausrüstung, direkt ins CAFM-System, anstatt dass die Facility Manager sie nachträglich manuell erfassen mussten.

In Singapur erleichterte TÜV SÜD Advimo mit Hilfe eigens entwickelter Model Checker zudem die Reinraumanalyse und -vorzertifizierung. Indem sie die Wartungsflächen optimierten, sorgten die Planer dafür, dass die Reinräume durch Wartungen oder Reparaturen weniger beeinträchtigt werden.
Zudem senkte das interne BIM-Consulting die nötigen Investitionen für die Baukosten (CAPEX) sowie die Betriebskosten (OPEX). Das gelang unter anderem durch die effiziente Planung der Lüftungs- und Klimatechnik, der Wasser- und Abwasserversorgung und der elektrischen Installation.

© TÜV SÜD
Autoren

Elise Katharina Mandat (B.Arch) ist BIM-Beraterin bei der TÜV SÜD Advimo GmbH. Zuvor war sie als Architektin und BIM-Leiterin tätig. Die gebürtige US-Amerikanerin arbeitete zwischen 2012 und 2015 als Projektingenieurin und Architekturdesignerin in Colorado. tuev-sued.de/advimo


Elisabeth Aberger ist Diplom-Ingenieurin für Architektur sowie für Wirtschafts- und Bauingenieurwesen. Seit Anfang 2019 ist sie Senior Consultant bei TÜV SÜD Advimo. Zuvor arbeitete sie als BIM-Koordinatorin bei der Ed. Züblin AG und der STRABAG SE und war zugleich Lehrbeauftragte an der Fachhochschule Wien. tuev-sued.de/advimo


Dereje Alemu (Dipl.-Ing. Architekt) ist seit 2019 Senior Consultant/Real Estate Consulting & Advisory bei TÜV SÜD Advimo. Er hat über 21 Jahre Berufserfahrung mit dem Entwurf und Bau von Kliniken sowie Gebäuden für die Pharma- und Hightechbranche. tuev-sued.de/advimo

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