Georg Hewelt
Die Heiz- und Kühllastberechnung ist nach wie vor die zentrale Berechnungsgrundlage für die technische Gebäudeausrüstung. Auf Grundlage deren Ergebnisse werden die Heizkörper, Fußbodenheizungen und Lüftungssysteme ausgelegt. Im Gegensatz zu den sonstigen Berechnungen in der Haustechnik liegen die Eingabeparameter jedoch nicht in der Kontrolle der jeweiligen Fachingenieure, sondern auf den Angaben der Architekten, da die Berechnungen auf Grundlage ihrer Vorgaben und Änderungen erfolgen müssen.
Bei vielen Anwendern besteht deshalb der Wunsch, diese Berechnung möglichst effektiv und schnell zu erstellen. Durch die fortschreitende Einführung des BIM-Prozesses in der Bauwirtschaft stützt sich die Hoffnung darauf, dass aus dem digitalen Modell der Architekten eine entsprechende Berechnung abgeleitet werden kann. Mit der IFC-Schnittstelle steht auch noch ein Kommunikationspfad für eine Übergabe des Modells zwischen unterschiedlichen Softwaresystemen zur Verfügung.
Stand der Architekturmodelle
Um zu beurteilen, ob das reine Architekturmodell nur heute oder auch zukünftig für eine thermische Betrachtung geeignet ist, muss man sich zunächst vor Augen führen welchen Nutzen die Architekten aus dem Modell ziehen möchten. Wenn Architekten ihre Gebäudemodelle in einer Software entwickeln, stehen Punkte wie die Visualisierung (3D-Ansicht), Erzeugung von 2D-Plänen und -Schnitten sowie Auswertungen über die Bauteile und Flächen im Vordergrund. In der Praxis führt dies oft zu sehr detaillierten Modellen. In das Modell der Architekten werden hierbei viele Elemente eingefügt, die für eine thermische Betrachtung nicht entscheidend sind (Inneneinrichtung, Putz, Bodenbeläge usw.). Andererseits werden Komponenten für thermische Modelle nicht immer sinnvoll eingebracht: zum Beispiel das Hinzufügen einer Verglasung (Fenster) und eines Sonnenschutzes (Jalousie) als getrennte Bauteile. Für eine Kühllastbetrachtung gehören diese aber zwingend zusammen. Darüber hinaus werden häufig Bauteile eingebracht, die aus thermischer Sicht keinen Sinn ergeben. In vielen Architekturmodellen werden zum Beispiel mehrschalige Wandsysteme über mehrere Wandelemente eingebracht; für das thermische Modell ist es aber nur eine Wand.
Beispiele für Probleme bei Übernahme eines Architekturmodells (Bild: G. Hewelt)
In der täglichen Praxis muss man deshalb feststellen, dass das Architekturmodell in der Regel für eine thermische Betrachtung nicht geeignet ist.
Aufbau des thermischen Modells
Welche Daten lassen sich dann aber für das thermische Modell nutzen? In der Praxis kann man Folgendes feststellen: Der Raumkubus selber ist in der Regel nutzbar, er beschreibt die tatsächlichen Ausmaße des Raumes sehr zuverlässig. Die Öffnungen, wie Türen und Fenster, können von ihren Abmessungen ebenfalls genutzt werden.
Jetzt besteht die Möglichkeit, das thermische Modell nicht aufgrund der überfrachteten Architekturelemente aufzubauen, sondern die Raumkörper zu nutzen. Abstände zwischen den Räumen selber werden als Innenwände, Abstände zwischen dem Raumkörper und der Außenkontur werden als Außenwände generiert.
Generierung der Wände aus einer Rauminformation (Bild: G. Hewelt)
Die übernommenen Öffnungen werden dann in diese generierten Wände eingesetzt. So wird ein sauberes sowie überschaubares thermisches Modell erstellt.
Ebenso wird auch gewährleistet, dass alle generierten Bauteile einen eindeutigen Raum- und Geschossbezug erhalten, was für eine normkonforme Berechnung notwendig ist.
Tabellarische (manuelle) Erfassung oder zeichnerische Erfassung?
Bei der Überlegung, wie ein thermisches Modell aufgebaut sein soll, bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Man kann ein thermisches Modell entweder rein virtuell als tabellarische Information oder aber als grafische Ableitung aufbauen und für die jeweilige Berechnung auswerten. Vorteile, die für das visuelle, grafische Modell sprechen, sind:
● Übersichtlichkeit für den Anwender
● Nutzung des (schlanken) Modells für Visualisierungen
● 3D-Darstellung des Modells
● Grafische Darstellung des Modells kann weiterverwendet werden (z. B. Raumstempel darstellen)
● Schnelle und einfache Manipulation des Modells durch den Anwender
Mit diesem Modell sind jedoch auch Nachteile verbunden: Im Wesentlichen kann eine Manipulation des Modells zu Inkonsequenzen führen. Ein tabellarisches Modell hingegen erlaubt in besonderen Situationen ein besseres Multiselect (z.B. alle Außenwände anzeigen / editieren lassen).
In der täglichen Praxis hat sich aber gezeigt, dass diese Probleme durch entsprechende Unterstützungen für den Anwender leicht zu beheben sind.
Dialog zur Überprüfung des Modells (Bild: G. Hewelt)
Anreichern des thermischen Modells
Im BIM-Gedanken soll ein erstelltes Modell (auch das des Architekten) alle nötigen technischen Parameter beinhalten. Allerdings unterscheidet sich, wie oben bereits ausgeführt, die Sichtweise auf das Modell eines Architekten gänzlich von dem eines Haustechnikers. Klare Baustoffangaben, Fensterqualitäten, haustechnische Rauminformationen oder auch nur der U-Wert sind in der Regel am Bauteil nicht enthalten. Eine Ableitung des Architekturmodells auf das thermische Modell ist nicht möglich, dieses muss daher für die Berechnung zuerst angereichert werden. Der unschlagbare Vorteil eines selbst aufgebauten thermischen Modells ist hier natürlich, dass alle Informationen, die zusätzlich herangeführt werden, hart am Modell gespeichert werden können.
Hier ist die jeweilige Software gefordert, die den Anwender möglichst effektiv unterstützen soll. Effektive Mehrfachauswahl, Gruppierungen und Filterungsmöglichkeiten können den Anwender unterstützen, schnelle Ergebnisse zu erzielen.
Filtern der Wände nach Wandstärke zur Einstellung der U-Werte (Bild: G. Hewelt)
Es sollten jedoch nicht die Augen davor verschlossen werden, das insbesondere für die Kühllast eine große und sehr detaillierte Menge an Informationen bereitgestellt werden muss. An die Fenster sind die detailliertere Angaben zur Verglasung und zum Sonnenschutz heranzuführen und für die Räume bedarf es vielfältige Angaben zum Regelungskonzept, den Lastprofilen und technischen Vorgaben. Diese notwendigen Angaben sind spezifisch für die einzelne Anwendung zu definieren und können vom Modell her nicht abgeleitet werden. Die Software kann hier den Arbeitsprozess durch sinnvolle Vorlagesysteme und Default-Einstellungen unterstützen.
Pflege von Änderungen … aber wie?
Ein ständiger Begleiter für den haustechnischen Planer sind Änderungen. Meist sind es Änderungen die von der Bauherrenseite kommen. Durch die so entstehenden architektonischen Änderungen müssen neben den Anlagenkomponenten (Rohre / Komponenten) auch die Berechnung der Heizlast und Kühllast angepasst werden. Im Hinblick auf eine effiziente Arbeitsweise sollte der Anwender natürlich stets prüfen und beurteilen ob die jeweilige Änderung für die technische Berechnung relevant ist.
Aufgrund der zeichnerischen Verfügung des Modells ist eine Änderung oft zeitsparend umsetzbar. Da die Räume und Bauteile aus dem Modell generiert werden, werden bei einer entsprechenden Anpassung (z. B. das Verschieben einer Wand) alle betroffenen Räume und angrenzenden Bauteile auch mit angepasst.
Änderung z. B. Verschieben einer Wand und ihre Auswirkungen (Bild: G. Hewelt)
Falls notwendig und gewünscht können natürlich auch ganze Geschosse gelöscht und bei entsprechend umfangreichen Änderungen neu erfasst werden.
Da der Raum (als Hauptinformationsträger) bei einer Änderung des thermischen Modells jederzeit aktualisiert wird, werden entsprechende Verbrauchswerte und Verbraucher auch aktualisiert und können, wo nötig, neu ausgelegt werden.
Natürlich müssen die Informationen der Berechnung auch entsprechend dargestellt werden können. Durch die direkte Verbindung zwischen dem thermischen Modell und der Berechnung können die Ergebnisse zurückgeschrieben und visualisiert werden. Der besondere Vorteil des thermischen Modells besteht auch darin, dass entsprechende Einstellungen und Daten an die Modellelemente zurückgeschrieben werden und jederzeit dort für diverse Berechnungen zur Verfügung stehen.
Ein weiterer Punkt sind die Durchbrüche, die im weiteren Planungsverlauf angegeben werden müssen. Diese können aus der modellorientierten Betrachtung dynamisch generiert und den Architekten als „provision for void“ übergeben werden. Der Architekt erhält so nur den jeweiligen Durchbruch mit einer eindeutigen Lage und kann diesen dann in sein eigenes Architekturmodell übernehmen.
Auch Hinweise und Rückfragen zwischen den Planungsbeteiligten können aus dem Modell erzeugt werden. Mit dem „BIM Collaboration Format“ lassen sich an die Objekte des Modells entsprechende Hinweise und Anmerkungen „anhängen“, die dann elektronisch übermittelt werden können.
Fazit
Aus Erfahrungen in der Praxis lässt sich feststellen, dass ein vom Architekten geschaffenes Gebäudemodell oft nicht geeignet ist, um als thermisches Modell herangezogen zu werden. Es bietet aber, mit entsprechender Software, oft eine brauchbare Grundlage um ein vereinfachtes thermisches Modell aufzubauen. Mit der IFC-Schnittstelle ist hierfür auch sicherlich ein Lösungsansatz gefunden worden. Die zunehmende Orientierung in den BIM- Workflow wird dies auch weiterhin unterstützen.
Es zeichnet sich auch zunehmend ab, dass die derzeit zur Verfügung stehenden Softwareprodukte nach und nach der Aufgabenstellung von sich häufig ändernder Architekturmodellen immer besser folgen können, so schreitet die intelligente Übernahme des Architekturmodells in ein thermisches Modell stetig voran.
