Helgolandkai – BIM-Pilot im Hafenbau

Zwischen 1877 und 1886 erbaut, diente der Helgolandkai lange im Wilhelmshavener Schiffsverkehr als „Erste Einfahrt“. Seither hat das künstliche Ufer mit einer nutzbaren Kajenlänge von etwa 100 Metern so manche Baumaßnahme gesehen, darunter das Vorsetzen einer rückverankerten Spundwand (1953 bis 1957) oder die Installationen einer Korrosionsschutzanlage (1985), einer Entwässerungsanlage (Drainagen und Pumpenschächte) und eines Stahlbetonholms (2004).

Natürlich blieben auch regelmäßige Instandhaltungsmaßnahmen nicht aus. Die letzte davon erfolgte zwischen 2007 und 2008. Ebenso wurde das Bauwerk kontinuierlich überprüft, wobei die Hauptprüfungen zuletzt ergaben, dass die Kaianlagen nur noch eingeschränkt genutzt werden können. Das ändert sich nun.

Seit Anfang 2019 läuft eine umfassende Instandsetzung des über 130-jährigen Bauwerks – vergeben an die Tiefbau GmbH Unterweser, ein Unternehmen der LUDWIG FREYTAG Unternehmensgruppe –, die bis Mitte 2020 fertiggestellt wird. Anders als bei den bisherigen Sanierungsarbeiten, handelt es sich diesmal jedoch um einen Meilenstein in der Geschichte des deutschen Hafenbaus: Der Eigentümer und Betreiber, Niedersachsen Ports (NPorts), hat die Baumaßnahme zu seinem ersten Pilotprojekt für Building Information Modeling (BIM) auserkoren.

Mit der Objektplanung (LP 1-3 und 6, teilweise LP 5) und der Tragwerksplanung (LP 1-4, 6) wurde WK Consult (WKC) beauftragt. Die Ausführungsplanung und technische Bearbeitung übernahmen Ingenieure aus der BIM-Abteilung von LUDWIG FREYTAG in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbau-Team der Eriksen und Partner GmbH aus Oldenburg. Unterstützt wurden die Planer während Ausschreibung und Bauausführung durch das BIM-Management von albert.ing.

Bis Mitte 2020 wird der Helgolandkai einer umfassenden Instandsetzung unterzogen, Bild: WKC

Nachträgliche BIM-Prozesse

Die Instandsetzung des Kais umfasst ein technisch forderndes Maßnahmenbündel. Vor die bestehende Spundwand wird eine neue Wellenspundwand gesetzt, verankert und anschließend hinterfüllt. Der Kajenkopf muss aufgebaut und eine Treppenanlage der Spundwand vorgestellt werden. Darüber hinaus gilt es, Steigleitern, Haltekreuze, Kopfpoller sowie Anlege- und Festmacherdalben zu installieren.

WKC wurde im Juli 2015 von NPorts mit der Planung des Projekts beauftragt. Im März 2017 entschied die Hafengesellschaft in Abstimmung mit den Ingenieuren, die Baumaßnahmen als BIM-Projekt umzusetzen. Für sie ein ideales Projekt, um die BIM-Methode an einer komplexen und bestehenden Infrastruktur zu testen. Darüber hinaus fiel die Entscheidung für Open BIM. Dadurch sollte der Bieterkreis offengehalten und ein möglichst barrierefreier Datenaustausch zwischen allen Projektbeteiligten mit Softwarelösungen unterschiedlicher Hersteller gewährleistet werden. Da zu diesem Zeitpunkt die konventionelle Planung (LP 3 und 6) nahezu abgeschlossen war, wurden die BIM-Prozesse nachträglich simuliert. Insgesamt ergab sich dabei eine Reihe neuer Aufgaben für die Objektplanung.

Zusammen mit NPorts entwickelte WKC die Auftraggeber-Informationsanforderungen (AIA), auf deren Grundlage wiederum durch den BIM-Gesamtkoordinator des Auftragnehmers ein BIM-Abwicklungsplan (BAP) erstellt wurde. Die Bestandssituation und Entwurfsplanung wurden als attribuiertes 3D-Modell in Allplan Engineering erstellt, aus dem sich wiederum sämtliche 2D-Entwurfspläne ableiten ließen. Das objektorientierte 3D-Modell diente darüber hinaus pilotweise der modellbasierten Kommunikation mit NPorts über eine gemeinsame openBim-Plattform (Common Data Environment). Leistungspositionen und Mengenberechnungen wurden im Modell attribuiert und zusätzlich mit einer AVA-Software verknüpft.

Ferner lieferte WKC die AIA für die Bauausschreibung und die Integration in die konventionelle Leistungsbeschreibung. Die BIM-ModellautorInnen von LUDWIG FREYTAG erstellten auf Grundlage des Entwurfsmodells ein Ausführungsmodell (einschließlich 2D-Planableitung) mit deutlich höherem Detaillierungsgrad (LOD 400 statt LOD 200), das bis zum Übergabemodell (LOD 600) weitergepflegt und vertieft wird.

Ein Kai, 14 Fachmodelle

Insgesamt wurden durch WKC 14 Fachmodelle erstellt – fünf für den Bestand, sechs für den Neubau sowie drei speziell für Abbrucharbeiten. Die sechs Neubaumodelle umfassten Spundwand/Tiefgründungsarbeiten, Anker, Gurtung/Stahlbauarbeiten, Erdarbeiten, Betonarbeiten und Ausrüstung. Die Unterteilung in die verschiedenen Fachmodelle erfolgte allerdings nicht in der nativen CAD-Software, sondern erst im IFC-Export aus Allplan.

Der Grund für die Splittung in einzelne Fachmodelle bestand darin, dass sich so sowohl die visuelle als auch die regelbasierte Modellprüfung einfacher gestaltete und bei Änderungen im Modell nur das jeweilige Fachmodell neu exportiert und ausgetauscht werden musste. Das Handling der IFC-Modelle erwies sich hierdurch als sehr viel intuitiver. Dies galt auch für verschiedene Prüfsoftwares wie den Solibri Model Checker oder die im Projekt implementierte Open-BIM-Plattform (CDE), auf der die einzelnen Fachmodelle vom Auftragnehmer zu Koordinationsmodellen zusammengefügt und an das BIM-Management auf Auftraggeberseite übergeben wurden.

Bei der Mengenberechnung zeigte sich leider der Export in das AVA-Programm problematisch, weshalb man sich dazu entschloss, die Berechnungen ausschließlich direkt in Allplan durchzuführen, was problemlos funktionierte.

Ansicht der zusammengeladenen Teilmodelle (Ausführungsplanung), Bild: LUDWIG FREYTAG

Ansichten von Teilmodellen (Entwurfsplanung), Bilder: WKC

Pragmatische Ausführungsplanung

Im Zuge der Ausführungsplanung kehrte LUDWIG FREYTAG die Trennung der Teilmodelle – zumindest teilweise – noch einmal um und strukturierte diese neu. Um die Abbruchbauteile den Bestandsbauteilen besser zuordnen zu können, wurden die Bestands- und Abbruchmodelle zusammengefasst.

Eine Kernbohrung durch eine Schwergewichtswand verdeutlicht beispielhaft, warum. Zunächst wird die Bohrung als zylindrischer Hilfskörper modelliert, der bezüglich Lage im Raum, Durchmesser usw. ihrem späteren Loch entspricht. Anschließend wird der Schnittkörper von diesem Hilfskörper mit der Schwergewichtswand erstellt und von letzterer abgezogen. Damit ist das Loch in der Wand hergestellt und der Bohrkern als Menge (LV-Position) vorhanden. Bei Änderungen der Kernbohrung kann das Modell somit durch die Änderung des Hilfskörpers gut angepasst und beide Bauteile attribuiert werden. Diese Vorgehensweise ist allerdings nur dann einfach nachvollziehbar, wenn Abbruch und Bestand in einem Modell dargestellt werden. Über den Status als Attribut sind die Bauteile filter- und zuordenbar.

Darüber hinaus machten sich die Ingenieure eine Funktion in Allplan zunutze, die im Wasserbau normalerweise keine Rolle spielt. Sie verwendeten kurzerhand die flexible Geschosszuordnung des Programms zur Gliederung des Gesamtmodells in Teilmodelle. Demnach wurde in der Allplan-Bauwerksstruktur der Strukturstufe „Gebäude“ das Gesamtmodell und der Strukturstufe „Geschoss“ die Teilmodelle zugeordnet. Dies ermöglichte ein gut strukturiertes Arbeiten und einen performanten IFC-Export, da über das Geschoss sämtliche Teilbilder eines Teilmodells letzterem automatisch zugewiesen werden.

Detailansichten: Zusammengeladene Ausführungsmodelle von Spundwand, Verankerung, Gurtung und Betonholm, einschl. Bewehrung und Ausrüstungsbauteile, Bilder: LUDWIG FREYTAG