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27.11.2019 | Markus Wittke

Strombremse

BIM in der Elektrotechnik

BIM hat sich in der Elektrotechnik noch nicht durchgesetzt. Markus Wittke erklärt, warum, und gibt seine Erfahrungen weiter – von VDI und IFC bis TGA.

Elektro-CAD unterstützt Gebäudeautomatisierer und Elektroplaner von der Projektierung über die Ausführung und Dokumentation bis zur Instandhaltung der gesamten Gebäudesystemtechnik. Die Arbeitsmethode BIM soll den nahtlosen Datenaustausch und die Zusammenarbeit untereinander und mit anderen TGA-Gewerken über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes ermöglichen. Ziel ist es, alle Daten zum Objekt in einem austauschbaren Format zentral zu sammeln und zu nutzen.

Ein wichtiger Aspekt in der Planungsphase gilt zudem der Vermeidung von Konstruktionsfehlern. Gibt es Kollisionen, sind Dimensionierung und Platzbedarf der technischen Anlagen richtig ausgelegt und eingeplant? BIM soll darüber hinaus auch die Zeitplanung (4D), Kostenplanung (5D) und die as-built-Dokumentation (6D) für ein Bauprojekt unterstützen. Die Komplexität von BIM ist naturgemäß groß, und besonders in der Gebäudeautomation und Elektroinstallation besteht noch ein erheblicher Nachholbedarf.

Auswertung der Bauteildaten

Gebäudeautomation und Elektrotechnik hängen immer von anderen Gewerken ab. Eine Änderung in der Planung hat Auswirkungen auf die Automatisierung und Energieverteilung und zieht sich bis zur Steuerung im Schaltschrank durch. Im Idealfall stehen in der Gebäudeautomation alle Informationen aus den technischen Gewerken zur Verfügung. Dazu zählen Bauteildaten und technische Größen wie Anschlusswerte, Energieverbrauch, Verluste, Widerstände, das Verhalten im System, Messgrößen und die Art und Anzahl der Kabel.

Jede Komponente bringt einen oder mehrere analoge oder digitale Datenpunkte mit sich. Die Datenpunkte werden in den Funktionslisten gemäß VDI 3813 und 3814 ausgewertet, beispielsweise der Messwerte eines Temperaturfühlers. Der Datenpunkt kann verschiedene Werte annehmen, die im Controller interpretiert werden und eine Änderung wie den Stellwert eines Ventils oder einer Klappe auslösen. Die Verbindung vom Fühler zum Controller findet sich im Stromlaufplan und in der Elektroinstallation mit zugehörigen Angaben zu Kabel, Typ und Bezeichnung wieder.

Bei einem Einkaufszentrum kommen hier schnell mehrere hunderttausend Datenpunkte zusammen, die alle erfasst, verbunden und ausgewertet werden müssen. Letztlich ergeben sich daraus die Anzahl von Controllern und zusammen mit anderen Komponenten die dafür erforderlichen Schaltschränke.

Am Anfang auf Little Closed BIM setzen

Für die Planung und Dokumentation steht eine Reihe von Softwarewerkzeugen zur Verfügung. Weil aber die Zusammenarbeit gemäß dem BIM-Gedanken mangels Definitionen im Datenmodell in der Elektrotechnik noch in den Kinderschuhen steckt, ist es sinnvoll, von Beginn an eine Anwendung zu nutzen, die in sich mehrere Gewerke in Form einer Little Closed BIM-Lösung abbildet, beispielsweise Gebäude- und Raumautomatisierung, Elektroinstallation, Schaltschrankaufbau, Verteiler- und Stromlaufpläne. Nur dann müssen vom TGA-Fachplaner angelegte Bauteildaten nicht immer wieder neu erfasst werden. Umfangreiche digitale Artikel- und Produktdatenbanken schlagen automatisch die passenden Geräte und Komponenten vor. Weil in diesem Idealfall auch alle Anschlusswerte, Leitungslängen und angenommene Bedarfswerte vorliegen, lässt sich das elektrische Energieverteilnetz ebenfalls automatisch berechnen. Besonders Änderungen sind schnell und sicher vollzogen.

Nahezu jede verfügbare TGA-Software unterstützt heute den BIM-Ansatz. Konkret aber heißt das derzeit nur, dass die unterschiedlichen Anwendungen eine IFC-konforme Datei einlesen und meist auch exportieren können. Bei der Modellierung wurden bisher überwiegend Architektur und Statik sowie Abläufe am Bau und Prozesse berücksichtigt. Das Ziel war ein 3D-Modell eines Gebäudes, in dem alle ein¬gebauten Objekte enthalten sind. Dies ist auch gelungen. Für eine transparente und zuverlässige Arbeitsweise aber wird darüber hinaus ein noch umfassenderes Datenmodell benötigt. Dieses Datenmodell soll IFC liefern.

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Was derzeit komplett fehlt, ist die Beschreibung und Definition der funktionalen Zusammenhänge – ein ganz wesentlicher Aspekt in der Gebäudeautomation und Elektrokonstruktion. In der Gebäudeautomation findet daher die Planung noch immer überwiegend auf Basis abgeleiteter 2D-Schemata und mit Listen statt. Die Ausarbeitungen der GA können nicht in ein BIM-Model eingepflegt werden. Auch die Nutzung einer integrierten Elektroplanung kommt in der Praxis noch sehr selten vor.

Normen und Standards

Damit BIM funktioniert, müssen sämtliche Daten in einheitlicher und maschinenlesbarer Form zur Verfügung stehen. Im VDI, dem größten technisch-wissenschaftlichen Verein Europas, wird mit der Richtlinie VDI 3805 ein Datenmodel definiert, auf dessen Grundlage Produktdaten über Datenbanken in der TGA einheitlich ausgetauscht werden können. Diese Idee wurde mit der ISO 16757 zum weltweiten Standard erhoben und wird laufend weiter ausgearbeitet.

Die Industry Foundation Classes (IFC) ist ein offener, unter dem ISO-Standard 16739 registrierter Standard zur digitalen Beschreibung von Gebäudemodellen im Bauwesen. Abgebildet werden logische Gebäudestrukturen wie Fenster, Öffnungen, Wände, Geschosse, Gebäude mit den zugehörigen Eigenschaften sowie optionalen Geometrien. Damit lassen sich unter anderem komplexe 3D-Planungsdaten mit den Bauelementen und beschreibenden Attributen zwischen Softwaresystemen austauschen.

Im aktuellen und in der ISO 16739:2013 veröffentlichten Release IFC4 wird zunehmend am Abbau von Hürden im Datenaustausch gearbeitet. Beispielsweise wurden eine Model View Definition (MVD) und ein einfaches Open BIM-Collaboration-Format (BCF) definiert. Der internationale Anspruch wird auch durch das BuildingSmart Data Dictionary (bSDD) unterstrichen. Dieses Datenwörterbuch ermöglicht die sprachübergreifende Verwendung des IFC-Datenmodells durch eine standardisierte Terminologie.

Nicht vollständig abgebildet im IFC sind die in der ISO 81346-1 beschriebenen und in der Elektroplanung etablierten strukturierenden Aspekte. Im Wesentlichen sind dies

  • der Funktionsaspekt – was ein Objekt machen soll oder was es tatsächlich macht
  • der Produktaspekt – mit welchen Mitteln¬ ein Objekt macht, was es machen¬ soll sowie
  • der Ortsaspekt – der geplante oder tatsächliche¬ Raum des Objekts

Mit diesen drei Aspekten kann ein Bauteil oder eine Baugruppe umfassend identifiziert und aus verschiedenen Sichten betrachtet werden. Für die technischen Gewerke ist der Funktionsaspekt ein ganz essentieller Bestandteil in der Planung und Dokumentation.

Einmal erstellt, liegt der große Vorteil der Strukturkennzeichnung in der Automatisierung und der hohen Transparenz – von der Planung bis zur Instandhaltung. Wird ein Klappenantrieb, bestehend aus Motor, Absicherung und Steuerung, als Ganzes aus den Plänen von Gebäude A nach Gebäude B kopiert, werden alle hinterlegten Kennzeichen eineindeutig für das Gebäude B automatisch übernommen. Ohne vorherige Strukturierung mit den funktionalen Aspekten wäre ein zeitintensives und fehleranfälliges manuelles Anpassen erforderlich.

Datenmenge als Herausforderung

Für die Gebäudeautomation und Elektrotechnik sind besonders die funktionalen Aspekte wichtig, weil dadurch Baugruppen und Systeme zusammengefasst werden. Nur so können die Zusammenhänge in einer Anlage umfassend beschrieben werden. Das Fehlen ist aktuell eine Hürde, die eine Teilnahme an BIM-Projekten für GA und ET schwierig bis unmöglich macht. Auch die Menge der Daten ist bei der Weitergabe des Modells eine Herausforderung.

Weil es schwierig ist, die Möglichkeiten technischer Geräte vollumfänglich zu beschreiben, kann das IFC-Datenmodell niemals vollständig sein und bildet immer den kleinsten gemeinsamen Nenner. Das ist dann oft die Komponente und der Ort, wo diese eingebaut ist. Die Beschreibung eines Schaltschranks oder einer Lüftungsanlage mit ihren Einbauten wie Lüfter, Filter, Heiz- und Kühlregister und den funktionalen Zusammenhängen ist nicht möglich. Es wird die äußere Hülle mit den räumlichen Abmessungen genommen und eingezeichnet. Rein normativ ist dies nicht falsch, denn das gelieferte Produkt ist der Schaltschrank beziehungsweise die Lüftungsanlage. Es ist aber eine Blackbox-Betrachtung, die dem großen Ziel nicht nahekommt, alle Daten über den gesamten Lebenszyklus und den Gebäude-betrieb zur Verfügung zu haben.

Offen und nicht geklärt ist zudem die Bereitstellung eines zentralen Open BIM-Servers, auf den alle Beteiligten eines Projekts zugreifen können. Zwar gibt es Lösungsansätze, der Aufwand und die Kosten werden aber oft nicht eingeplant oder es mangelt am notwendigen Know-how. Stattdessen wird eine IFC-Datei weitergereicht. Dies entspricht dann dem aus früheren Zeiten bekannten Weiterreichen von DWG-Dateien mit der Frage: „Wo liegt die aktuelle?“

Auch wenn der Datenaustausch funktioniert, gibt es immer wieder Datenbrüche, und die Zusammenführung der Modelle ist aufwendig. Da im Bauwesen Arbeiten parallel laufen, ist es notwendig, die Modelle in Echtzeit abzugleichen, um Kollisionsprüfungen, neue Berechnungen und Anpassungen durchführen zu können. Lösungen wie Revit können dies auf einer gemeinsamen zentralen Datenbasis. Sie zeigt die Änderungen und ihre Auswirkungen in den verschiedenen Fachmodellen direkt an.

Für die TGA gibt es leistungsfähige Tools, die auf Revit aufbauen und normgerechte Berechnungen für Heiz- und Kühllast, Lüftung und Wasser liefern. Anbieter, die angeben, IFC-kompatibel zu sein, können mindestens eine IFC-Datei einlesen. Wird ein IFC-Modell verändert und angereichert, wird es mit der Ausgabe schon schwierig. Auch sind Tools, die von der Anwendung her das Gleiche leisten, untereinander meist nicht kompatibel.

Fazit

Im Klartext bedeutet dies, dass die technischen Gewerke beim Thema BIM noch viel Raum für Verbesserungen haben. Aktuell ist die Erfassung und Verortung aller elektrischen Geräte, Verlegesysteme und Kabel möglich. Die funktionale Beschreibung der Anlagen erfolgt außerhalb des IFC-Modells. Softwarelösungen, die sich auf ein bestimmtes Thema konzentrieren, haben somit noch auf längere Zeit das Problem, dass sie Hürden in der gewerkeübergreifenden Zusammenarbeit überwinden müssen. Je mehr Sichten eine Elektro-CAD-Software auf eine Anlage bietet, desto einfacher ist es, alle Aspekte zu modellieren und zu visualisieren.

Auch das Thema Datenaustausch in Ausführung, Konfiguration und Inbetriebnahme der Anlagen wird damit einfacher, weil das verwendete Datenmodell alle Informationen für die integrierten Disziplinen vorhält. Mit Sicht auf BIM und IFC lässt sich sagen, dass eine Software eher einen hohen Nutzwert über die gesamte Lebensdauer bietet, wenn sie ein Thema möglichst umfassend abbildet und verschiedene Gewerke unterstützt. Ein Little-Closed-BIM-System wie die WSCAD SUITE, bei der die Basisdaten aus einem Open BIM-System gezogen werden, kann derzeit eine sinnvolle und hilfreiche Lösung sein.


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© WSCAD GmbH
Autor

Markus Wittke arbeitet nach Abschluss des Studiums im Fachgebiet Energie- und Automatisierungstechnik an der Fachhochschule Aachen in ausführenden Unternehmen und fast sieben Jahre für die LEONI AG als Product Manager und Projekt Ingenieur. Seit September 2013 ist er für die WSCAD GmbH tätig und verantwortete hier das Business Development für den Bereich Gebäudeinstallation und Gebäudesystemtechnik. Aktuell ist er als Produktmanager für alle Software-Suiten der WSCAD GmbH verantwortlich. wscad.com

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