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Pelle Meholm, Jens Bredehorn

Vrooom!

Teststrecke in Tschechien

Ein bayerischer Automobilhersteller nutzt die BIM-Methodik, um eine Teststrecke zu bauen. Der Mehrwert gegenüber herkömmlichen Planungsmethoden ist beachtlich.

Seit 2014 motiviert die BMW Group alle Projektbeteiligten, für jedes zukünftige Bauprojekt­ die Mehrwerte der Methode Building Information Modeling (BIM) anzuwenden. Seither initiierte die BMW Group eine Vielzahl von BIM-Pilotprojekten. Anfang 2018 traf sie den Entschluss, alle Bauprojekte auf diese Weise abzuwickeln.

Um die BIM-Methode in den Bauprojekten erfolgreich zu implementieren und zu verfestigen, wurde ein BIM-Standard für die Leistungsphasen 1 bis 9 gemäß HOAI entwickelt. Der Standard enthält einen BIM-Leitfaden, der als internes und externes Kommunikationsinstrument dient, um den Beteiligten die Grundsätze, Ziele und Anwendungsfälle näherzubringen. Ferner werden alle erforderlichen projekt- und phasenspezifischen Anforderungen zur Umsetzung in einer BIM-Liefervorschrift beschrieben.

Beide Dokumente sind wesentliche Bestandteile der Umsetzung von BIM in Bauprojekten. Sie definieren gegenüber den Auftragnehmern, welche Maßnahmen erforderlich sind, welche sonstigen Anforderungen gestellt werden und welchem Zweck sie dienen. Die BIM-Liefervorschrift legt fest, welche Informationen, Dokumente und Prozesse für den Auftraggeber im Rahmen der Projektumsetzung von den Projektbeteiligten zu realisieren sind.

Der Standard wurde auf Basis der BIM-Pilot­projekte und der dort gewonnen Erkenntnisse verfasst. Eines der Pilotprojekte ist der Neubau der BMW-Teststrecke in Tschechien, der sich derzeit in der Planung befindet.

Modelbasierte Befahrung

Die angestrebten BIM-Ziele in diesem Projekt sollen sowohl der BMW Group als auch den Auftragnehmern (Planer, Bauunternehmer, FM-Dienstleister) einen größtmöglichen Nutzen bieten. Dabei werden insbesondere die Steigerung der Qualität durch konsistente Datenhaltung, das kollaborative und transparente Arbeiten, die Schaffung von besseren Entscheidungsgrundlagen und die höhere Mengengenauigkeit verfolgt. Letztendlich soll auf dieser Basis die Grundlage für einen optimierten Betrieb gelegt werden. Um diese Ziele zu erreichen, wurden verschiedene BIM-Anwendungsfälle definiert und im vorliegenden Projekt von den Beteiligten getestet und umgesetzt.

Testphase – Begin with the End in Mind

Um bei allen Projektbeteiligten ein einheitliches­ Verständnis für die Umsetzung der BIM-Methode und die angestrebten Ziele sicherzustellen, wurde das Projekt in drei verschiedene BIM-Phasen gegliedert. Dazu gehörte die BIM-Initiierungsphase, in der die projektspezi­fisch aufgesetzten BIM-Liefervorschriften zwischen Auftraggeber und Fachplaner abgestimmt wurden. Im Anschluss erfolgte eine Testphase, in der die in der BIM-Liefervorschrift beschriebenen Anforderungen von den Fachplanern anhand eines Testmodells erprobt werden mussten.

Hintergrund für die Testphase war die Schaffung einer Arbeitsgrundlage für die Realisierung der festgelegten BIM-Anwendungsfälle. Darauf aufbauend begann die Kollaborationsphase, in der Fachplaner die BIM-Anwendungsfälle vollständig umsetzten. Dafür wurden in regelmäßigen Intervallen 3D-Modelle zu Koordinationszwecken ausgetauscht.

3D-Modellierung – Hochbau versus Streckenbau

Der Detaillierungsgrad der Geometrie und die Informationsdichte der 3D-Modelle ergaben sich auf Basis der durchzuführenden BIM-Anwendungsfälle und Leistungsphasen. Die BMW Group definierte für jeden BIM-Anwendungsfall und jede Leistungsphase Mindestdetaillierungsgrade für Geometrien und Informationen, die projektspezifisch generiert werden können.

Die 3D-Modellierung im Hochbau bewährt sich bereits flächendeckend im Bauwesen und konnte reibungslos von den Fachplanern im Projekt angewandt werden. Das 3D-Modell setzt sich dabei aus verschiedenen geometrischen­ Bauteilen und Räumen zusammen, die wiederum alphanumerische Informationen wie z. B. Bauteileigenschaften enthalten.

Die Erstellung von Plänen aus der Bau- und Raumgeometrie reduzierte die hohe Anzahl aufwändiger Plausibilisierungen zwischen den einzelnen Grundrissen, Schnitten und Ansichten, da eine konsistente Ableitung der graphischen Informationen erfolgte.

Die Umsetzung einer modellbasierten Einrichtungsplanung diente der Abstimmung zwischen den Akteuren der Einrichtungs- und Objektplanung. Die Gebäude wurden vom Objektplaner nach den Anforderungen der Einrichtungsplanung dimensioniert und in festgelegten Intervallen übergeben. Darauf aufbauend konnte die Einrichtungsplanung die 3D-Einrichtung für den späteren Betrieb lagegenau im 3D-Modell platzieren. Das Anlagenmodell mit allen relevanten Informationen wurde wiederum an die Objektplanung übergeben und für Koordinationszwecke genutzt. Auf dieser Basis konnten frühzeitig Unstimmigkeiten zwischen Gebäude und Einrichtung identifiziert werden.

Die 3D-Modellierung der Streckenmodule war die größte Herausforderung im BIM-Prozess. Aufgrund des aktuellen Stands der Technologie der BIM-Software kann kein Vergleich zwischen Streckenbau und Hochbau vorgenommen werden.

Im Gegensatz zum Streckenbau gibt es für den Hochbau eine Vielzahl von BIM-Planungssoftware, die eine objektbasierte und parametrisierte Modellierung ermöglicht. Für die Streckenplanung kann jedoch zum jetzigen Zeitpunkt keine CAD-Software alle Anforderungen erfüllen. Aus diesem Grund musste das Team auf verschiedene CAD-Systeme zurückgreifen und miteinander in Verbindung bringen. Hierbei standen die hohen Datenmengen und die Performance der Systeme unter ständiger Beobachtung, da beides die Bearbeitung wesentlich beeinflusst.

Variantenuntersuchung – Massenreduzierung als Ziel

In der frühen Planungsphase wurden mehrere Varianten der Streckenführung und der Gebäudeanordnung untersucht. Grundlage hierfür war ein digitales Geländemodell, dessen Daten durch eine Drohnenbefliegung gewonnen wurden.
Das Ziel der Variantenuntersuchung in der Streckenplanung lag in der Reduktion der erforderlichen Erdmassen und der Erstellung des optimalen Streckenlayouts auf dem 525 Hektar großen Gelände. In erster Linie wurde die Realisierung der Variantenuntersuchung mit der Software InfraWorks von Autodesk erprobt. Durch den Einsatz von InfraWorks in der Streckenzone ergaben sich neue Möglichkeiten der Ausprägung der Detaillierungsgrade in einer frühen Planungsphase.

Gegenüber der klassischen Arbeitsweise, in der die Varianten zweidimensional skizziert werden, konnten eine dreidimensionale Modellierung und eine grobe Erdmassenermittlung durchgeführt werden. Ferner wurde eine höhere – und fotorealistische – Detaillierung erreicht, die nicht nur für visuelle Zwecke genutzt, sondern auch für Fahrsimulationen herangezogen werden konnte.

Erdmassen

Da der zukünftige Nutzer bereits zu diesem frühen Zeitpunkt involviert war, bestand das Bestreben, das Modell als Grundlage für eine Fahrsimulation zu nutzen, um damit einen rea­listischen Eindruck der Dimensionen und der topographischen Geländeführungen zu erhalten. Hierzu wurden einzelne Streckenmodule in eine Software für Fahrsimulationen integriert, die eine Befahrung dieser Module ermöglichte. Der Nutzer erhielt somit bereits in einer­ frühen Phase einen Eindruck des gesamten Streckenlayouts und konnte Optimierungsvorschläge in die Planung einbringen.

 Der Aufwand für die Erstellung einer Streckenmodul-Variante war in InfraWorks gering. Das gilt jedoch nur für einfache Streckenmodule. Komplexe Straßenmodule wie z. B. Strecken mit Steilkurven oder Kreisplatten können nur über Umwege und zusätzliche Software in InfraWorks dargestellt werden.
Trotzdem verfügen die Straßenelemente über einen hohen Detaillierungsgrad, der mit einer klassischen CAD-Software und einem vergleichbar geringen Aufwand nicht erreicht worden wäre. Auf dieser Basis konnte eine Vorzugsvariante entschieden und im nächsten Schritt detaillierter geplant werden.

Modellbasierte Koordination – Konflikte erkennen

Die Koordination zwischen allen Projektbeteiligten wurde während der Projektabwicklung durch ein fachübergreifendes Koordinationsmodell unterstützt. Hierzu tauschten die Projektbeteiligten untereinander die fachspezifischen 3D-Modelle im Zwei-Wochen-Intervall aus und führten sie zu einem Koordinationsmodell zusammen.

Die Zusammenführung der Fachmodelle erfolgte in einer Koordinierungssoftware, in der alle Projektbeteiligten Einsicht in das Koordinationsmodell nehmen konnten. Eingesetzt wurde die Koordinierungssoftware für Plausibilitätsprüfungen u. a. durch Kollisionsprüfungen und in Projektbesprechungen. Auf dieser Grundlage konnten bereits in einer frühen Phase eine Vielzahl von Unstimmigkeiten erkannt und beseitigt werden.

Die wichtigsten Vorteile der modellbasierten­ Koordination sind eine optimierte Planungsqualität, ein schneller und anschaulicher Vergleich von Planungslösungen, eine erhöhte Interaktion zwischen den Projektbeteiligten sowie eine schnelle Entscheidungsfindung innerhalb der BMW Group.

Modellbasierte Mengenermittlung und Kostensicherheit

Die Mengenermittlung nimmt einen hohen Stellenwert im Projekt ein, weil sie die Grundlage für Kostenermittlung, Ausschreibung, Kalkulation, Terminplanung und Abrechnung darstellt. Die modellbasierte Mengenermittlung fungiert auf der Ableitung der Mengen aus den 3D-Modellen. Im 3D-Modell werden Bauteile und deren Mengen ausgewertet und strukturiert in Listen zusammengeführt. Bereits bei der Modellierung von Bauteilen werden die Mengen von der Modellierungssoftware berechnet, sodass eine direkte Auswertung möglich ist.

Für die weitere Nutzung der Mengen in der Kostenermittlung oder Ausschreibung sind mehr Informationen wie beispielsweise Typ oder Eigenschaften an die Bauteile anzufügen. Ferner werden bestimmte Informationen – u. a. Einheitspreise – in einer externen Datenbank gehalten, die jedoch einen direkten Modellbezug haben. Am Beispiel einer Teilleistung werden die Positionsbeschreibung, die Menge und der Einheitspreis in einer Datenbank verwaltet. Die Teilleistung hat über eine eindeutige Identifikationsnummer, die sowohl in der Datenbank als auch am Bauteil beschrieben ist, einen direkten Bezug zu den Elementen im 3D-Modell. Somit wird die Mengenherkunft nachvollziehbar und transparent dargestellt.

Dieser Punkt wurde auch im Projekt erreicht. Er zählt deshalb zu dem Anwendungsfall, der den größten Mehrwert hervorgebracht hat.

Einrichtungsplanung

Der Planer der Hochbauzone setzte bei diesem Anwendungsfall eine modellverknüpfte Datenbank ein. Der Vorteil liegt in der bidirektionalen Schnittstelle zwischen der BIM-Planungssoftware und der Datenbank. Durch die Schnittstelle können Parameteränderungen sowohl in der BIM-Planungssoftware als auch in der Datenbank durchgeführt werden. Zudem wurde in der Datenbank eine Struktur vor­gegeben, die das Einpflegen von Daten im Modell erleichterte. Ein anderer Punkt, der für eine Auslagerung der Informationen in eine Datenbank spricht, ist die Erweiterung der Kostenermittlung mit Teilpositionen, die keinen Bezug zum 3D-Modell haben, wie beispielsweise die Baustelleneinrichtung.

Die Einrichtungsplanung konnte im Gegensatz zur Objektplanung die Mengen- und Kostenermittlung vollständig in der BIM-Planungssoftware durchführen. Die Mengenermittlung erfolgte ausschließlich über Stücklisten, die vollumfänglich modellbasiert erstellt werden können. Kosten, die keinen direkten Bezug zu einem Bauteil hatten, wurden durch die Platzierung von einfachen, geometrischen 3D-Objekten, an denen Kosten und Teilleistungen beschrieben worden sind, hinterlegt. Somit wurde in der Einrichtungsplanung eine zentrale Datenbasis für die Ermittlung der Mengen und Kosten geschaffen.

In der Streckenplanung wählte man eine andere Vorgehensweise der Mengenermittlung. Hier haben sich die Mengenermittlung und die darauf aufbauende Kostenermittlung auf die Erstellung von Tabellen anhand sogenannter AutoLISP gestützt. Dabei werden die Kostenstruktur, eine ID und die Mengen aus dem Layer und den Objekten der CAD-Software in eine Excel-Tabelle gelesen.

An dieser Stelle ist jedoch zu erwähnen, dass die Mengen im Straßenbau auf der Basis von Flächen und Linien, die auf einer Ebene und nicht räumlich liegen, durchgeführt wurden. Durch Straßenneigung, Gefälle oder Ähnliches würden sich aufgrund des räumlichen Verlaufes­ die tatsächlichen Mengen ergeben. Diesbezüglich wurde eine Gegenüberstellung der 2D- und 3D-Fahrbahnoberflächen bestimmter Module durchgeführt.

Bei der Analyse stellte sich heraus, dass die Steilkurven im Oval die größten Abweichungen mit sich bringen. Die anderen geprüften Module wiesen nur minimale Abweichungen auf, die keinen Einfluss auf die Kostenermittlung hatten.

Die Berechnung der Erdmassen erfolgte auf Basis von dreidimensionalen digitalen Geländemodellen. Dazu wurden das Ursprungsgelände mit dem Soll-Gelände verglichen und die Einschnitts- und Aushubmassen berechnet. So lassen sich im Vergleich zur 2D-Arbeitsweise genaue Mengen ermitteln.

Nächster Schritt – Modellbasierte Bauablaufplanung

Der nächste Schritt, der derzeit im Projekt fokussiert wird, ist die modellbasierte Bauablaufplanung zur Visualisierung der gewerkeweisen Planung der Arbeitsabläufe auf der Baustelle. Dieses Vorgehen unterstützt die Bauausführung, insbesondere auch dann, wenn sich durch äußere Einflüsse Bauprozesse verschieben und daraufhin andere Vorgänge angepasst werden müssen.

Die Planung dieser Bauabläufe ist eine komplexe und zeitaufwändige Aufgabe. Um diese Arbeit zu erleichtern, sind eine modellbasierte Bauablaufplanung sowie ihre Simulation sinnvoll. Bei der modellbasierten Bauablaufplanung können die Bauprozesse direkt den Bauteilen des 3D-Modells zugeordnet werden.

Teststrecke

Die virtuelle Baustelle als Repräsentation für das geplante Bauvorhaben kann strategische Entscheidungen unterstützen und absichern, Störungen im Bauablauf frühzeitig sichtbar und alternative Bau- und Ausführungsvarianten durch eine Prozess- und Logistiksimulation transparent machen. Bauteile mit Informationen zu Konstruktionsmethoden und Bauablauffolgen lassen sich durch die berechnete Ablauffolge visualisieren. Die Projektbeteiligten können dadurch schon in frühen Planungsphasen auf mögliche Kollisionen beim Bauablauf hingewiesen werden.

Fazit

Durch den Einsatz der BIM-Methode im Projekt konnten Mehrwerte generiert werden, die sich auf Koordination, Kommunikation, Transparenz, Entscheidungsfindung und Kostensicherheit ausgewirkt haben.

Einer der größten Mehrwerte ist die höhere Genauigkeit bei der Mengenermittlung und daraus resultierend auch bei der Kostenermittlung. Durch den hohen Detaillierungsgrad konnte bereits in dieser frühen Planungsphase eine bauteilbezogene Kostenermittlung nach der Feinelementmethode durchgeführt werden.

Ein weiterer mehrwertbringender Anwendungsfall war die modellbasierte Zusammenarbeit der Projektbeteiligten. Durch die stetige Einforderung von BIM-Modellen im Zwei-Wochen-Intervall wurden Transparenz und Kommunikationskultur im Projekt geschaffen, die eine positive Auswirkung auf die Planungsergebnisse hatten. Zudem konnten Fortschritt und Qualität der BIM-Planung regelmäßig bewertet werden. Das erhöhte nicht nur die Transparenz, sondern brachte auch eine schnellere Entscheidungsfindung, was sich auf die Planungsqualität auswirkte. Diese steigerte sich u. a. durch die konsistente Ableitung von 2D-Plänen aus dem BIM-Modell. Außerdem ließen sich neue Verfahren der Variantenfindung erproben – mit dem Resultat, dass man bereits in einer frühen Phase eine hohe Informationsgrundlage schuf, um die optimale Variante zu finden.

Die größte Herausforderung bei der Implementierung der BIM-Methode im Projekt lag in der Gewinnung der Akzeptanz der Fachplaner und dem einheitlichen Verständnis aller Projektbeteiligten, bezogen auf die BIM-Methode. Maßgeblicher Faktor hierfür war, dass BIM kein definierter Begriff ist, sodass zu Beginn eine Vielzahl unterschiedlicher Meinungen zur Ausprägung dieser Arbeitsweise vorlagen. Das erforderte natürlich eine gewisse Motivation und Bereitschaft der Fachplaner. Beides wurde durch eine intensive Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten erreicht, bis hin zur vollständigen Akzeptanz im Planungsprozess.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die BIM-Methode bedeutende Mehrwerte im Projekt generierte. Dazu zählen:

Erhöhung der Transparenz
Erhöhung der Planungsqualität
Verbesserung der Kollaboration
Präzisere Mengenermittlung und daraus­ resultierend eine höhere Kostensicherheit­
Unterstützung der Entscheidungs­findung
Besseres Verständnis für das Gesamtprojekt
Hohe Detaillierung bereits in einer frühen Phase
Reduzierung von Informations­redundanzen

© Pelle Meholm, Jens Bredehorn
Teststrecke
Autoren

Pelle Meholm ist Bauingenieur und arbeitet als Project Consultant bei der vrame Consult GmbH. Er begleitet die Implementierung vielschichtiger Prozessabläufe in Pilotprojekten auf Bauherrenseite, fördert die gesamtheitliche, kollaborative Abwicklung in Projekten und ergänzt sie durch die Entwicklung neuer Anwendungsfelder im Hoch- und Ingenieurbau sowie Prozessmanagement. www.vrame.com


Jens Bredehorn ist Bauingenieur und Geschäftsführer der vrame Consult GmbH. Er agiert durch das Erkennen von internen und externen Risiken und Chancen, definiert Informations- und Qualitätsanforderungen und zugehörige Managementprozesse und entwickelt interdisziplinäre Workflows und Anforderungen für komplexe Projekte. www.vrame.com

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