Kollisionsprüfung – endlich verständlich

Seit 2016 gibt es bei der Geiger Unternehmensgruppe den Fachbereich Digitalisierung, der sich u. a. um die flächendeckende Einführung der BIM-Methode bei den Bauprojekten der Unternehmensgruppe kümmert. Als ausführendem Generalunternehmer begegnen uns während der Bauphase häufig Herausforderungen, die auf eine mangelnde Planung zurückzuführen sind. Falsch gesetzte, nicht vorhandene Durchbrüche oder kreuzende Kabeltrassen, die mit dem Abwassersystem kollidieren, gehören zu den Problemen, die den Alltag auf der Baustelle bestimmen. Das sind keine Einzelfälle, sondern immer wiederkehrender Begleiter in Bauprojekten.

In der Geiger Unternehmensgruppe ist uns sehr daran gelegen, die Ursachen für solche Probleme frühzeitig zu identifizieren und Maßnahmen zu ergreifen, um kostenintensive Änderungen in der Ausführung zu vermeiden und die Bauleiter zu entlasten. Als Knackpunkt fehlerhafter Planungen sehen wir hier die interdisziplinäre Koordination und Kollaboration des gesamten Projektteams. Das beinhaltet neben dem Planungsteam auch den Bauherren, den Projektleiter und das ausführende Bauunternehmen. Ein wesentlicher Bestandteil der Planungskoordination bildet die Abstimmung von Kollisionen im digitalen Zwilling.

In diesem Artikel möchte ich zeigen, wie der Planungsprozess durch den Einsatz von digitalen Werkzeugen an einem realen Projekt verbessert und für alle transparenter gestaltet werden kann.

Beispiele realer Kollisionen aus unterschiedlichen Projekten (Bilder: Geiger Unternehmensgruppe)

Die Projektinitiierung

Bei dem vorgestellten Projekt handelt es sich um ein sechsstöckiges Gebäude mit 99 Wohneinheiten und einer Tiefgarage. Es ist empfehlenswert, zunächst Projekte mit einer einfachen Gebäudestruktur für den Einsatz der BIM-Methode zu wählen, denn hier lassen sich BIM-Anwendungsfälle wie beispielsweise ein kollisionsarmes Koordinationsmodell gut realisieren. Darüber hinaus sollten zu Beginn wenige BIM-Anwendungsfälle durchgeführt werden. Nach unseren Erfahrungen verringert das die Einstiegshürde in die BIM-Methode für alle Projektbeteiligten.

Bevor die Planungsphase beginnt, müssen unbedingt einige Randbedingungen, Standards und Regeln bestimmt werden, an die es sich ausnahmslos zu halten gilt. Vielen Beteiligten wird erst im Laufe eines Projektes bewusst, dass es sich beim Einsatz der BIM-Methode um einen ganzheitlichen Prozess handelt – und nicht um einen digitalen Gegenstand. Das Einholen der Auftraggeber-Informationsanforderungen (AIA) und das anschließende Aufsetzen eines BIM-Abwicklungsplans (BAP) sind notwendige Schritte für das erfolgreiche Umsetzen eines BIM-Projekts.

Ein wichtiger Punkt besteht darin, Rollen und Verantwortlichkeiten mit den jeweiligen Arbeitsinhalten zu klären. So sollte es bei jedem Planungsbeteiligten des Projekts einen BIM-Konstrukteur und einen BIM-Koordinator geben. Der BIM-Gesamtkoordinator wird noch zusätzlich beim Architekten angesiedelt, da letzterer laut HOAI die gesamte Planungskoordination besitzt. Als übergreifende Instanz sehen wir den BIM-Manager, der vom Bauherrn beauftragt wird und die Durchführung der BIM-Anwendungsfälle überwacht und steuert. Die Anzahl der BIM-Verantwortlichen variiert stark nach der Größe des Projektes und kann beliebig skaliert werden. In dem hier beschriebenen Projekt sind wir mit den oben genannten Rollen ausgekommen, wobei einige Positionen doppelt besetzt waren.

Neben den Verantwortlichkeiten sind auch der Datenaustausch und die Modelllieferung abzustimmen. Ich kann Ihnen versprechen, dass ein Datenaustausch über das offene Dateiformat IFC kein Problem ist. Sind die Spielregeln, nach denen ein Modell zu liefern ist, klar definiert, können sämtliche für den einzelnen BIM-Prozess notwendigen Daten zwischen den einzelnen Instanzen ausgetauscht werden.

Im vorgestellten Projekt wurden die Lieferanforderungen des Bauwerks exakt festgehalten. So wurde beispielsweise sichergestellt, dass eine Wand mit dem Wandwerkzeug und eine Stütze mit dem Stützenwerkzeug modelliert und ins IFC geschrieben wird. Damit die Datenmengen reduziert werden können, wurden die angehängten Informationen am Bauteilelement des jeweiligen Fachmodells ebenfalls definiert. Das bedeutet, dass eine Wand aus dem Tragwerksmodell andere Informationen besaß (beispielsweise Druckfestigkeit und Expositionsklasse) als eine Wand aus dem Architekturmodell, die z. B. Informationen über das Material beinhaltete.

Zu den schwierigsten Themen, die im laufenden Projekt auftreten, zählt die Überführung der Daten aus der Autorensoftware in das IFC-Dateiformat. Beim beschriebenen Projekt kamen Revit, Archicad und Allplan zum Einsatz. Mit jedem dieser Programme kann eine IFC-Datei geschrieben werden, die alle benötigten geometrischen und alphanumerischen Eigenschaften besitzt. Wer sich zu diesem Thema informieren möchte, findet im Internet sehr gute Handbücher zum Im- und Export der jeweiligen Modellierungssoftware.

Eine andere Informationsquelle sind die Softwareunternehmen. Sie bieten einen qualifizierten Support zum Thema IFC. Nach den Erfahrungen mit unseren BIM-Projekten kann ich Sie nur ermutigen, mit IFC zu arbeiten. Es gibt keinen Grund, Angst vor diesem Dateiformat zu haben. IFC ist deutlich besser als sein Ruf.

Vielleicht fragen Sie sich, was die gesamten Festlegungen mit dem eigentlichen BIM-Anwendungsfall „Kollisionsarmes Koordinationsmodell“ zu tun haben. Auch hier ist ganz klar der ganzheitliche BIM-Prozess zu betrachten. Dieser beginnt mit der Initiierung und zieht sich über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes.

Umso wichtiger sind die anfangs getroffenen Festlegungen für das Erreichen der gesteckten BIM-Ziele im BAP. Liegen die eingegebenen Daten nicht in der Qualität vor, die ich benötige, sind sie für eine weitere Verarbeitung unbrauchbar. Zumal – in der Theorie – auch davon gesprochen wird, die gesammelten Daten immer weiter fortzuschreiben und aufeinander aufzubauen. Man muss sich lediglich vor Augen führen, welche fatalen Konsequenzen es hätte, wenn bereits in den ersten Leistungsphasen fehlerhafte Informationen produziert würden.

Ziel: Kollisionsarmes Koordinationsmodell

Wie eingangs erwähnt, bestand einer der festgelegten BIM-Anwendungsfälle in einem kollisionsarmen Koordinationsmodell. Die eindeutige Beschreibung, was unter einem kollisionsarmen Koordinationsmodell zu verstehen ist, sollte mit allen Projektbeteiligten im BAP definiert werden. So sind Inhalte wie die Auswahl der Prüfmengen und deren Toleranzen bei der Kollisionskontrolle zu hinterlegen.

Kollisionsarmes Koordinationsmodell in Desite MD (Bild: Geiger Unternehmensgruppe)

Im vorliegenden Projekt beschränkte man sich zunächst auf die statisch relevanten Bauteile. Außerdem durften keine Kollisionen zwischen dem ELT-Modell und dem HLS-Modell auftreten. Die Toleranz wurde auf einen Zentimeter beschränkt. Damit durften Rohre oder Leitungen ein statisches Bauteil mit maximal einem Zentimeter schneiden.

Da es durchaus vorkommen kann, dass Rohre mit einem Durchmesser von nur knapp einem Zentimeter verbaut werden, muss im gesamten Team evaluiert werden, welche Auswirkungen eine Kollision in der späteren Ausführung hätte und wie viel Sinn es ergibt, diese Kollision in einer Prüfung zu berücksichtigen.

Das Koordinationsmodell bestand aus den Teilmodellen des Architekten, Tragwerkplaners, HLS-Planers und ELT-Planers. Die besondere Aufgabe lag hierbei in der Zusammenführung aller vier Teilmodelle, da alle Planer in unterschiedlichen Autorensystemen modellierten. In der Planungsphase gelang dies mit wenigen Ausnahmen reibungslos, und so konnten die Modelle aufgrund des definierten BAP via IFC ausgetauscht werden.

Hier sei hervorgehoben, dass nicht an einem gemeinsamen nativen Modell gearbeitet wird. Als Grundphilosophie gilt, dass jeder Planer in seiner für ihn gewohnten Planungssoftware modelliert. Über die IFC-Schnittstelle wird das jeweilige Teilmodell veröffentlicht. Dies hat den enormen Vorteil, dass das ursprüngliche native Modell geschützt und die Haftung beim jeweiligen Planer verortet bleibt. Die IFC-Datei wird ausschließlich zur Koordination verwendet.

Teilmodelle der Architekten und Fachplaner

Die Planungsphase startet mit der Modellierung des Architekturmodells. Das Entwurfsmodell ist in einem Detaillierungsgrad zu erzeugen, wie es während der Projektinitiierung im BAP festgelegt wurde. Die Detaillierung einzelner Gebäudebereiche und Elemente steigt im Laufe des Planungsprozesses.

Hier ist hervorzuheben, dass die Informationsdichte der einzelnen Elemente bereits in den Leistungsphasen 3 und 4 deutlich höher ist, als bei der herkömmlichen Planung in 2D. Um die positiven Effekte der BIM-Planungskoordination ausnutzen zu können, benötigt man im frühen Stadium des Projekts ausreichend Daten.

Nachdem der Architekt das Entwurfsmodell in Archicad erstellt hat, wird ein IFC-Modell gemäß den Projektanforderungen exportiert. Wichtig ist, dass der zuständige BIM-Koordinator des Architekten die Qualität des Teilmodells prüft, bevor er es auf einer zentralen Projektplattform ablegt. Wir verwendeten beim genannten Beispielprojekt als zentrale Projektplattform u. a. Trimble Connect. Genutzt wurde diese Plattform ausschließlich für das Modellmanagement.

Alle Modelle mussten auf dieser Plattform hochgeladen werden. Die Verteilung der Modelle über andere Kanäle wie E-Mail war strikt untersagt. Dadurch wurde sichergestellt, dass alle Projektbeteiligten auf dem gleichen Stand arbeiteten. Darüber hinaus werden alle Projektbeteiligten, die Zugriff auf den Projektraum in Trimble Connect haben, per E-Mail über jede Aktion wie z. B. Down- oder Uploads von Modellen informiert.

Nachdem alle Projektbeteiligten per E-Mail über ein neues Teilmodell in Kenntnis gesetzt wurden, luden sich die zuständigen Fachplaner das Architekturmodell herunter. Der Tragwerksplaner konnte nun die IFC-Datei in Allplan importieren und auf dieser Grundlage sein eigenes Modell erstellen. Die HLS- bzw. ELT-Planer hatten die Möglichkeit, in Revit eine Verknüpfung anzulegen. Auch hier kann in Revit das verknüpfte Modell als Grundlage für die Modellierung des eigenen nativen Teil-modells genutzt werden.

Mir wird immer wieder die Frage gestellt, welchen Vorteil diese Herangehensweise bringt, da man gewöhnlich davon ausgeht, dass man das Modell des Architekten einliest und dann alle Bauteile übernimmt. Dies ist nicht zu empfehlen, weil dadurch Fehler im Architekturmodell oder in einem anderen Teilmodell vererbt werden und die Haftungsfrage verschwimmt. Erfahrungen zeigen außerdem, dass die Modellierung der Teilmodelle auf der Grundlage eines verknüpften Modells deutlich schneller geht, weil spezielle Bauwerksstrukturen wie Split-Level schneller erkannt werden als mit herkömmlichen 2D-Plänen.

Schlitz- und Durchbruchsplanung

Wurden die ersten Modelle aller Fachplaner – inklusive des Architekten – erstellt und auf der zentralen Plattform veröffentlicht, kann mit der Schlitz- und Durchbruchsplanung begonnen werden. Nach unseren Erfahrungen ist eine frühzeitige Schlitz- und Durchbruchsplanung zwischen Leistungsphase 3 und 4 äußerst sinnvoll.

Die Koordination der einzelnen Durchbrüche wird mit speziell erzeugten Körpern durchgeführt. Die HLS- und ELT-Planer verwenden in Revit eine selbstgebaute Familie, die sowohl als Abzugskörper wie auch als allgemeines Modellbauteil definiert ist. Auf Grundlage des Architekturmodells modelliert der HLS- und ELT-Planer sein Leitungs- und Trassensystem. Zusätzlich setzt er an die notwendigen Stellen das Durchbruchsbauteil.

Durch die intelligente Durchbruchsfamilie in Revit wird im 2D-Grundriss bzw. im Schnitt entsprechend ein Symbol hinterlegt, sodass sich die geforderten 2D-Schlitz- und Durchbruchspläne direkt aus dem 3D-Modell ableiten lassen. Ähnlich geht der Tragwerksplaner in Allplan vor. Dieser kann in seinem Tragwerksmodell bestimmte Räume, sogenannte No-Go Areas, setzen, in denen ein Durchbruch oder Ähnliches aufgrund statischer Belange ausgeschlossen ist.

TGA-Modell mit roten Durchbruchskörpern in der Software Desite MD (Bild: Geiger Unternehmensgruppe)

Architekurmodell als Grundlage mit TGA-Modell und roten Durchbruchskörpern in Autodesk Revit (Bild: Geiger Unternehmensgruppe)

Tragwerksplaner, HLS- und ELT-Planer exportieren nun das nativ erstellte Modell mit der selbsterzeugten Durchbruchsfamilie als IFC in Revit und Allplan. Im Anschluss müssen die jeweiligen¬ BIM-Koordinatoren der Fachplaner die exportierten IFC-Modelle prüfen und auf Trimble Connect hochladen.

Kollisionsprüfung im Koordinationsmodell

Nun beginnt die koordinative Aufgabe des Architekten. Er führt die einzelnen Teilmodelle zu einem gesamten Koordinationsmodell zusammen. Aufgrund der geringeren Komplexität ging man in zwei Stufen vor. Im ersten Schritt wurden die einzelnen Teilmodelle der Fachplaner als Hotlink im Archicad-Modell eingefügt. Danach erfolgten eine erste visuelle Prüfung zur Identifizierung der einzelnen Durchbruchskörper in den verschiedenen Fachmodellen und deren Nachmodellierung im eigenen nativen Architekturmodell. Im Anschluss wurde das Architekturmodell wieder als IFC exportiert. Im zweiten Schritt wurden die gesamten IFC-Modelle vom BIM-Gesamtkoordinator in Desite MD zusammengeführt, um eine regelbasierte Kollisionsprüfung durchzuführen.

In Desite MD besteht die Möglichkeit, einzelne Fachmodelle zu individualisieren und je nach Anforderungen regelbasiert zu prüfen. So werden definierte Teilmengen miteinander verglichen und die auftretenden Kollisionen via BIM Collaboration Format (BCF) an alle Planer verteilt. Zu beachten ist, dass das Architekturmodell hier als zentrale Grundlage dient. So bestand die erste Teilmenge der Kollisionsprüfung immer aus den tragenden Elementen des Architekturmodells und die zweite Teilmenge aus den Durchbruchskörpern der Fachmodelle. Der Algorithmus in Desite MD prüft nun, ob alle Durchbruchskörper genau in die angelegten Öffnungen des Architekturmodells passen. Ist keine Öffnung vorhanden oder liegt der Durchbruchskörper etwas außerhalb, so wird sofort eine Fehlermeldung angezeigt.

Ansichtspunkt Kollision Durchbruchskörper mit tragender Wand in Desite MD (Bild: Geiger Unternehmensgruppe)

Die Ergebnisse der Kollisionskontrolle werden im Anschluss unsortiert aufgelistet. Die Aufgabe des BIM-Gesamtkoordinators besteht nun darin, die einzelnen Ergebnisse zu gruppieren und logisch zu sortieren. Diese werden im Nachgang als Ansichtspunkte via BCF exportiert und über eine weitere zentrale Plattform an alle Projektbeteiligten verteilt.

Für das BCF-Management nutzen wir die Plattform BIMcollab. Sie ermöglicht eine direkte, interdisziplinäre Zusammenarbeit und eine übersichtliche Dokumentation der BCF-Dateien. Wie bei Trimble Connect wurde auch in diesem¬ Fall ausschließlich über die Plattform BIMcollab kommuniziert. Dadurch ist der einheitliche Wissensstand aller Projektbeteiligten garantiert.

Der Vorteil von BIMcollab besteht darin, dass die Plattform über direkte Schnittstellen zu einigen Modellierungsanwendungen wie Revit oder Archicad verfügt. Sofern kein direktes Plug-In vorhanden ist, besteht noch die Möglichkeit, innerhalb der Plattform über den Viewer BIMcollab Zoom im Team zu arbeiten. BIMcollab ermöglicht außerdem, den importierten BCF-Dateien einen verantwortlichen Bearbeiter sowie Kommentare, Bilder und ein Datum hinzuzufügen. Letzteres legt fest, bis wann die Kollision zu beheben ist.

Dashboard Projektraum in BIMcollab für das BCF-Management (Bild: Geiger Unternehmensgruppe)

Nachdem der BIM-Gesamtkoordinator die Kollisionen in BIMcollab importiert hat, erfolgt eine gemeinsame Abstimmung in einer Koordinationsbesprechung. Diese findet häufig im Anschluss an einen Planer Jour Fixe statt bzw. kann in den Jour Fixe integriert werden, was eine gemeinsame Terminfindung deutlich vereinfacht. In der Koordinationsbesprechung werden die einzelnen Kollisionen, Anmerkungen der Planer usw. diskutiert und die jeweiligen Verantwortlichkeiten mit Datum bis zur Behebung der Aufgabenstellung gemeinsam festgelegt. Ich empfehle, je nach Anzahl der Kollisionen den Diskussionsspielraum deutlich einzuschränken. Als Richtwert bietet sich eine Diskussionsdauer zwischen einer Minute und fünf Minuten je Kollision an.

Im Nachgang sind die Planer dazu verpflichtet, die besprochenen und zugewiesenen Kollisionen in ihren Modellen zu beheben. So ist es durch die Schnittstellen in Revit und Archicad möglich, sich die Kollisionen direkt im nativen Teilmodell in der Autorensoftware anzeigen zu lassen. Der Planer kann folglich in seiner gewohnten Umgebung arbeiten und muss keine zusätzlichen Programme öffnen, was die Arbeit immens vereinfacht. Ist die Kollision behoben, setzt er die Aufgabe in BIMcollab auf „Gelöst“ und lädt abschließend sein bearbeitetes Fachmodell erneut als IFC-Datei auf Trimble Connect hoch.

Die neu geschriebene IFC-Dateien der Fachmodelle werden in Desite MD neu verknüpft und somit das Koordinationsmodell aktualisiert. Der BIM-Gesamtkoordinator prüft nun in Desite MD, ob alle Kollisionen behoben wurden. Ist dies der Fall, setzt er die zugewiesene Kollision des jeweiligen Fachplaners in BIMcollab auf „Abgeschlossen“. Folgen im laufenden Prozess weitere Änderungen an bestimmten Teilmodellen, so beginnt der Koordinierungsprozess von vorn, indem die Modelle in Desite MD miteinander kollidiert, via BCF in BIMcollab verteilt und in einer Koordinationsbesprechung miteinander diskutiert werden.

Kollisionsarmes Koordinationsmodell in Desite MD (Bild: Geiger Unternehmensgruppe)

Fazit

Zusammenfassend kann man festhalten, dass die Durchführung von BIM-Anwendungsfällen – wie z. B. eine Kollisionskontrolle – im Planungsprozess reibungslos funktioniert. Es ist zu empfehlen, sich dem Thema BIM von Projekt zu Projekt anzunähern. Dies gelingt durch den Einsatz einzelner definierter BIM-Anwendungsfälle, die mit der Zeit ausgebaut werden. Schlussendlich wird sämtlichen Beteiligten, allen voran den Planern, ein Weg aufgezeigt, wie der Prozess mit dem Einsatz von digitalen Werkzeugen vereinfacht und effektiver gestaltet werden kann. Das macht den Mehrwert für jeden Einzelnen spürbar und verdeutlicht ihm den Nutzen der BIM-Methode.