Virtual Design in Construction (VDC) ist auf dem Vormarsch. Gerade in der Ausführung von Gebäuden in Holzbauweise sind digitale Methoden in Verbindung mit hoch automatisierten Vorfertigungstechniken seit längerem nicht mehr aus der gängigen Praxis wegzudenken. Mit VDC eröffnen sich nun auch in den Planungsphasen neue Wege der Kommunikation sowie der Bereitstellung von Informationen. Building Information Modeling (BIM) ist einer der Kernbausteine des VDC und prägt somit den digitalen Wandel der Bauindustrie.
Ein „digitaler Zwilling“ des zu realisierenden Gebäudes bietet eine optimale Grundlage für Simulationen. Zugleich dient dieser als Kommunikationshilfe und als Austauschmedium für Informationen.
Auf der Grundlage des maximalen Informationsgehalts können vor Errichtung des Gebäudes fundierte Entscheidungen getroffen werden. Durch Anpassung von Abläufen im Planungsprozess kann der Informationsfluss optimiert und somit eine abgestimmte Planung durchgeführt werden. Dieser vonFelix Lechner entwickelte, optimierte Prozess ist nachfolgend als Schaubild dargestellt und beinhaltet die zeitliche Abfolge wichtiger Aufgaben und ihre Abhängigkeit zwischen den Planungsbeteiligten. Die verbesserte Abstimmung der Planungsbeteiligten führt folglich zu mehr Sicherheit im Planungsprozess, weniger Verschwendung von Ressourcen und optimierten Gebäuden.
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In diesem und dem folgenden Artikel, wollen wir kurz die wichtigen Komponenten in einem modernen Planungsprozess beleuchten und deren Umsetzung mit digitalen Methoden erläutern.
Der Grundstein eines Bauprojektes
Zu Beginn eines Bauprojektes steht meist eine Vision oder ein Bedürfnis des Auftraggebers. Da diese Bedürfnisse häufig aufgrund des fehlenden Fachwissens der Bauherrschaft weder frei heraus zu Wort gebracht noch konkret zu Ende gedacht werden können, müssen sie vom Planer gezielt erfragt werden. Vor dem Beginn der eigentlichen Planungsphasen sollte deshalb zuerst eine Bedarfsplanung durchgeführt werden. Diese ist in DIN 18205 beschrieben und dient dazu, „die Bedürfnisse, Ziele und Anforderungen des Bedarfsträgers, z.B. Bauherrschaft, Nutzer oder Betreiber, zum frühestmöglichen Zeitpunkt in einen Lösungsrahmen des Projekts zusammenzustellen“ (DIN 18205, 2016, S. 4). So werden Checklisten abgefragt und z.B. in Workshops Nutzen und Kosten verschiedener Möglichkeiten erarbeitet und gegenübergestellt.
Allerdings bietet die DIN 18205 keine Methoden zur Bedarfsermittlung. Hierzu kann weiterführende Fachliteratur wie z.B. HODULAK UND SCHRAMM, 2011 herangezogen werden. Bei sorgfältiger Durchführung entsteht durch die Bedarfsplanung ein solides Informationsfundament. Darauf basierend können wichtige Entscheidungen frühzeitig getroffen werden. Ebenso können Interessenskonflikte frühzeitig erkannt und Lösungsmöglichkeiten erarbeitet werden.
Ebenso wichtig ist die Festlegung der rechtlichen Grundlagen in Auftraggeber-Informations-Anforderungen (AIA) und BIM-Abwicklungsplan (BAP). So können die zu liefernden digitalen Informationen von der Bauherrschaft und den Projektpartnern festgesetzt werden. Da die BIM-Methode in unterschiedlichen Bereichen mit verschiedenen Anforderungen angewendet werden kann, sollten die Ziele, die mit Hilfe des digitalen Modells zu erreichen sind, zum Projektstart festgelegt werden. Diese Ziele definieren die Ausprägung der Nutzung von BIM und spielen eine große Rolle für die Auswahl der Auftragnehmer. Deshalb sollten sie als Grundlage für die AIA dienen. Die erarbeiteten Dokumente bilden zusammen die Vertragsgrundlage für die Ausführung des BIM-Projekts. AIA und BAP werden von Handreichungen und Leitfaden des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, der VDI 2552 sowie der DIN 19650 ausführlich beschrieben. Die Initiative BIM4Infra2020 sowie das Bauforum Stahl bieten zudem Mustervorlagen für beide Dokumente an.
Projektbeteiligte
Für einen optimalen Projektablauf müssen alle Planungsbeteiligten in der ersten Leistungsphase ins Team integriert und miteinander abgestimmt werden. Nur so wird sichergestellt, dass eine lückenlose Planung und somit ein optimiertes Gebäude entstehen kann.
Im Vergleich zu anderen Baustoffen ist Holz ein hochkomplexer Werkstoff. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften existiert eine Vielzahl an Besonderheiten, die beim Bauen mit Holz berücksichtigt werden müssen. Entscheidend für den Erfolg eines Holzbauprojekts ist daher das Einbeziehen der Holzbaukompetenz in das Planungsteam. Dies kann durch Projektbeteiligte erfolgen, die über weitreichende Erfahrung im Holzbau verfügen, es können allerdings auch externe Berater zum Thema Holzbau in das Planungsteam eingebunden werden. (vgl.Schuster et al., 2019)
Aus der Komplexität des Werkstoffes ergibt sich zusätzlich, dass das Festlegen des Werkstoffes Holz schon in der Grundlagenermittlung, allerdings spätestens nach der Variantenuntersuchung der Vorplanung notwendig ist. Auch für öffentliche Bauherren kann nach dem Leistungsbestimmungsrecht mit einer schlüssigen Begründung auf eine werkstoffneutrale Planung verzichtet werden (vgl.Schuster et al., 2020). So können die spezifischen Anforderungen zu einem frühen Zeitpunkt berücksichtigt und Re-Designs verhindert werden.
Die Planungsbeteiligten können in einem digitalen Planungsablauf in zwei Gruppen eingeteilt werden. Auf einer Seite stehen die modellierenden Planungsbeteiligten, bei welchen die Erstellung von Planunterlagen und Visualisierungen im Vordergrund stehen. Diese sind beispielsweise Objektplanung, Technische Gebäudeausrüstung oder Holzbauplanung. Im Vordergrund steht hier die Objektplanung, die nach HOAI die künstlerische Leitung und deshalb die Führung der digitalen Planung übernehmen. Ihnen gegenüber stehen die analysierenden Planungsbeteiligten, die im optimalen Falle aus den Architekturplänen ihre Konzepte, Anforderungen, oder Berechnungen ableiten können. Diese These wird im BIM - Leitfaden des DHV mit der Einteilung in BIM-Modellierungs- und BIM-Analysesoftware angeführt.
Abb. 1 - Zuteilung von verwendeten Softwarelösungen zu Planungsbeteiligten (Prause und Vadas, 2018)
Digitale Konzeption
Hat sich das Planungsteam mit den Rahmenbedingungen, der Aufgabe und den Dimensionen des Leistungsbedarfs abgestimmt, können vom Objektplaner erste digitale Gebäudevarianten entworfen werden. Diese werden digital bereitgestellt, sodass die Planungsbeteiligten fachspezifische Konzepte zu den Varianten erstellen können. Hier bietet es sich an, automatisiert fachspezifische Analysen des Modells durchzuführen, um optimale Lösungen zu generieren. Beispielsweise arbeitet ModuGen an einer Softwarelösung, die durch automatisierte Analysen des Architekturmodells auf Knopfdruck Tragwerkslösungen generiert. Dadurch lassen sich einzelne Varianten schnell auf Machbarkeit prüfen oder unter gegebenen Randbedingungen optimieren.
Nach der Entscheidung für eine Variante durch die Bauherrschaft erfolgt die Konzeption der einzelnen Fachbereiche wie beispielsweise das Aufstellen der Anforderungen an Bauphysik und Brandschutz oder das Aufstellen von Funktionsschemata für die Technische Gebäudeausrüstung. Mittels digitaler Tools können die einzelnen Varianten und Konzepte schneller auf Kompatibilität geprüft und in Einklang gebracht werden.
Abb. 2 – Konzeptionsmodell mit Raumvolumen und Ergebnis der Variantenstudie (nach Wohnbau - Studio)
Eine notwendige Neuerung ist die Abstimmung von Objekt- und Tragwerksplanung bei der Festlegung der Raum- und Bauteilstruktur. Diese hängt stark mit der Entscheidung über eine geeignete Tragwerkslösung zusammen. Beide Faktoren interagieren mit der Festlegung eines Holzbausystems, welches folglich für die gewünschte Nutzung optimiert werden kann. Beispielsweise hängt die Entscheidung zwischen Skelett- oder Holzrahmenbau bzw. Massivholzbau stark mit gewünschten Stützweiten und den Anforderungen an die Flexibilität der Nutzungseinheiten zusammen. Daraus lassen sich die Tragachsen festlegen und nötige Bereiche für statisch relevante Sonderbauteile können abgeschätzt werden. Durch die Abstimmung von Tragwerks- und Objektplanung mit der Holzbauplanung kann eine möglichst effiziente und ausführbare Lösung entworfen werden. Die einzelnen Holzbauvarianten sind grundsätzlich miteinander kompatibel, was eine gebäudeabschnittsweise Festlegung ermöglicht und flexible Lösungen zulässt. (vgl. Kaufmann et al., 2017)
Die ermittelten Systemlinien und Sonderbauteile können als Sperrzonen festgelegt und im Referenzmodell dargestellt werden. Diese Sperrzonen dienen der TGA-Planung als Hilfestellung für die Erstellung des Flächen-, Trassen- und Durchführungskonzeptes.
Auf den einzelnen Konzepten und deren Anforderungen basierend kann zu Ende der LPh 2 von allen Fachplanern gemeinsam ein Bauteilkatalog erstellt werden, in dem die Anforderungen an die einzelnen Bauteile festgeschrieben werden. Dieser kann in Form einer Datenbank für alle Planungsbeteiligte bereitgestellt werden. Hierbei sollten die einzelnen Anforderungen mit den jeweiligen Bauteilen des Referenzmodells verknüpft werden. Verknüpfungen von Datenbanken und Gebäudemodellen werden auch Multimodelle genannt (vgl. DIN Spec 93150, 2016). OneTools bietet mit BuildingOne ein digitales Raum- und Gebäudebuch an, welches bidirektional mit Gebäudemodellen verknüpft werden kann und somit als Speicher sämtlicher relevanter Informationen dienen kann.
Essenziell für den Projekterfolg ist der frühzeitige Kontakt mit den Behörden. Gerade weil größere Holzgebäude in vielen Gemeinden noch zur Seltenheit gehören, stößt man in Genehmigungsverfahren häufig auf Widerstände seitens der staatlichen Administration. Mittels digitaler Visualisierung des Vorhabens kann in diesen Instanzen Verständnis und Akzeptanz aufgebaut werden, was eventuelle Kompromisse, beispielsweise bei den brandschutztechnischen Anforderungen und Möglichkeiten, positiv beeinflusst. Gerade im mehrgeschossigen Holzbau sind Brandschutzanforderungen häufig mit Diskussionen verbunden. Beispielsweise sind in NRW bei Gebäudeklasse 5 keine brennbaren Baustoffe zugelassen.
„Nach der LBO §26 Absatz 3 dürfen in Abweichung hierzu auch für die Gebäude-klasse 5 Baustoffe aus brennbaren Baustoffen zugelassen werden, wenn die Feuerwiderstandsdauer nachgewiesen wird und die Bauteile so eingebaut werden, dass Feuer und Rauch nicht über die Grenzen von Brand- und Rauchabschnitten übertragen werden“ (Walter, 2016)
Somit ist zu erkennen, dass hauptsächlich im mehrgeschossigen Holzbau häufig Ausnahmen und Sonderabsprachen notwendig sind. Diese Hürden sollten in frühen Planungsphasen abgebaut werden, um einen reibungslosen und sicheren Projektverlauf gewährleisten zu können.
Im Hinblick auf den hohen Vorfertigungsgrad des Holzbaus ist eine frühzeitige, detaillierte Planung unabdingbar. Ebenso bedingt die Komplexität des Baustoffes Holz eine gute und häufige Abstimmung des Planungsteams. Digitale Planung ermöglicht eine übersichtliche Projektabwicklung mithilfe eines dreidimensionalen Gebäudemodells, sodass in weiteren Planungsphasen optimal auf dem aktuellen Planungsstand aufgebaut werden kann.
Wie das im Detail entlang des BIM-Prozesses aussieht, sehen wir im nächsten Artikel.
Literatur
Prozess Schaubild: http://modugen.de/bim-in-der-holzbauplanung-2-2/
Deutsches Institut für Normung, „DIN Spec 93150. Verlinkter BIM-Datenaustausch von Bauwerksmodellen und Leistungsverzeichnissen“, Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2016.
Kaufmann, H., Krötsch, S. und Winter, S., „Atlas. Mehrgeschossiger Holzbau“, erste Auflage, Detail Business Information GmbH, München, 2017.
Prause, G. und Vadas, T., „DHV Leitfaden für BIM im Holzbau“, DHV, 2018.
Schuster, S., Stieglmeier, M. und Christoph Ammer, B. A., „Holz und BIM Forschungsbericht. Schlussbericht zum Vorhaben Holz & Bim“, München, 2019.
Schuster, S., Stieglmeier, M. und Lattke, F., „Alles im Fluss“, Holzbau quadriga, Nr. 2, 2020.
Walter, B., „Bauen mit Holz in der GK 4 in Nordrhein-Westfalen“, 2016.