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.
Planung muss nachziehen
Gerade im Holzbau ist die Digitalisierung durch die hoch automatisierte Vorfertigung weit vorangeschritten. Die Planungsbeteiligten kommen allerdings nur sehr langsam diesem Trend nach. Durch geschickte Anknüpfung einer digitalen Planung an den Holzbau können nicht nur einzelne Schritte optimiert werden, sondern übergreifende Synergien erzeugt und ausgenutzt werden, die die Arbeit der einzelnen Planungsbeteiligten erleichtern und den Informationsaustausch verbessern. Der gesamte, optimierte Planungsprozess ist als Schaubild dargestellt und beinhaltet wichtige Aufgaben und ihre Abhängigkeit zwischen den Planungsbeteiligten.
Erstellung des Gebäudeentwurfs
Zu Beginn der Entwurfsplanung müssen neben der Vordimensionierung des Tragwerks auch holzbauspezifische Belange betrachtet werden. Hier gilt es beispielsweise ein TGA Konzept für die Systemtrennung zu entwickeln, um Bauteile mit unterschiedlicher Lebensdauer und hoher Schadensanfälligkeit von der Tragstruktur fernzuhalten und einfach erreichbar zu verlegen. Ebenso müssen die notwendigen brandschutztechnischen Maßnahmen und Anlagen festgelegt werden, sodass diese in den weiteren Planungsverlauf der TGA Planung einbezogen werden können.
Sind von den einzelnen Planungsbeteiligten die Anforderungen an die Bauteile festgelegt, müssen in Zusammenarbeit des gesamten Planungsteams die Schicht- und Bauteilaufbauten bestimmt werden. Aufgrund der Komplexität des Werkstoffes Holz besteht in diesem Punkt ein hohes Konfliktpotential, besonders zwischen Tragwerk und Schallschutz. Hier müssen Kompromisslösungen gefunden werden, was häufig mehrere Iterationen benötigt. Die Ergebnisse sollten anschließend im digitalen Bauteilkatalog festgesetzt und mit dem Referenzmodell verknüpft werden. Diese stehen fortan dem gesamten Planungsteam zur Verfügung.
Anschließend müssen Ergebnisse der Bemessung der Tragwerksplanung in das Referenzmodell implementiert werden. Hier sollten nur Sonderbauteile wie Stützen und Unterzüge, welche sich außerhalb der Wände befinden, modelliert werden. Somit kann das Referenzmodell schlank und übersichtlich gehalten werden. Gleichzeitig wird verhindert, dass Informationen eingespeist werden, die noch nicht final bestimm sind. Beispielsweise handelt es sich bei Holzbauteilen im Tafelbau um vielschichtige Elemente, bei denen den einzelnen Schichten teilweise mehrere Aufgaben gleichzeitig zugeteilt werden. So wird die Ebene der Tragstruktur gleichzeitig als Dämmungsebene verwendet. Nicht selten richtet sich bei diesen Elementen, abhängig von den Anforderungen, die Dimension der Träger nicht nach der Tragfähigkeit, sondern nach dem geforderten Wärmeschutz. Diese detaillierten Informationen sollen erst in der Ausführungsplanung von der Holzbaukompetenz mit einem speziell auf Holzbaumodellierung zugeschnittenen Tool eingepflegt werden.
Abb. 1 - Detailreiches Holzbauplanungsmodell aus Ausführungsplanung (mikado, 2019)
Für einen optimierten Informationsaustausch zwischen Tragwerks- und Objektplanung fehlt es aktuell noch an einer optimalen Lösung. Die händische Erstellung von Tragwerksmodellen, deren einzige Aufgabe der Abgleich mit dem Architekturmodell darstellt, wird von Experten aus der Holzbaubranche als unwirtschaftlich angesehen. Viel mehr besteht der Wunsch in einer Möglichkeit, die jeweiligen Beteiligten automatisiert auf entstehende Konfliktpunkte aufmerksam zu machen. Diese Problemstellen müssen anschließend aufgrund der Vielzahl an Lösungsmöglichkeiten und Interessenskonflikten gemeinsam gelöst werden. ModuGen arbeitet an einer Lösung, die es ermöglicht, ein solches Abgleichsmodell der Tragwerksplanung automatisiert zu generieren. Dieses kann anschließend mit dem Architekturmodell verglichen werden. So werden Änderungen sofort sichtbar und können gemeinsam besprochen und im Optimalfall direkt in das Achitekturmodell übernommen werden. Dieses Vorgehen nimmt der Tragwerksplanung die aufwändige Modellierungsarbeit ab und ermöglicht, dass sich die Tragwerksplanung auf ihre Kernkompetenzen in der Analyse und Bestimmung des Tragwerks fokussiert.
Sind die Bauteilanforderungen bestimmt und ist die Tragwerksplanung ins Referenzmodell eingepflegt, folgt die Detailplanung der Architektur, welche sich mit der Entwicklung von Konzepten zu Fügungen und Knotenpunkten sowie weiterer konstruktiver Details auf Seite der Tragwerksplanung überschneidet. Anschaulich sind hier Wand - Dach - oder Wand - Decken - Anschlüsse sowie Details der Fassade zu betrachten. Diese Aufgaben sollten deshalb in enger Zusammenarbeit und unter Einbezug der Holzbaukompetenz durchgeführt werden.
Während dieser Aufgaben kann die TGA Planung die Schlitz- und Durchbruchsplanung, sowie die Planung von Brandschutzdurchführungen erarbeiten. Speziell für den Holzbau ist aufgrund der Feuchteanfälligkeit des Baustoffes ein Abdichtungskonzept bei Leckagen zu entwickeln. Dieses hat das Ziel, die tragenden Bauteile im Kern der Elemente vor Feuchtigkeit zu schützen.
Zu Abschluss der Entwurfsplanung müssen die ausführenden und planenden Leistungen des Holzbaus ausgeschrieben und bestenfalls Vergeben werden. So hat das Fachpersonal noch die Möglichkeit, an der Genehmigungsplanung mitzuwirken. Zusätzlich kann die aufwändige Modellierungsarbeit des 3D Modells, welches für die Maschinenansteuerung der Vorfertigung der Holzbauteile benötigt wird, während der Ausführungsplanung erfolgen. Dies ermöglicht weiterhin die Abstimmung zwischen den Planungsbeteiligten und den tatsächlichen Ausführungsmöglichkeiten.
Automatisiertes Ableiten von Plänen, Dokumentationen und Unterlagen
Durch einen kontinuierlichen digitalen Informationsfluss und eine strukturierte Datenablage kann die Genehmigungsplanung auf einen minimalen Aufwand reduziert werden. Ein nicht zu unterschätzender Vorteil der digitalen Planung ist die Möglichkeit, aus den erstellten Gebäudemodellen und Dokumentationen automatisiert Pläne und Unterlagen für die Genehmigung des Planungsvorhabens zu generieren. Auch hier bietet ModuGen die Möglichkeit, die Ergebnisse der statischen Analysen prüffähigen Berechnungen und Plänen direkt aus dem Gebäudemodell zu exportieren.
Das Bundesinstitut für Bau-, Stadt-, und Raumforschung hat in Kooperation mit der Universität Bochum bis 2020 ein Konzept für einen BIM-basierten Bauantrag entwickelt. Demnach könnte es bald schon möglich sein, tatsächlich digitale Planunterlagen zur Genehmigung einzureichen. (vgl. König, 2020)
Nach erfolgreicher Genehmigung der Pläne sollte ein Design-Freeze stattfinden. Das heißt, dass ab diesem Punkt keine Änderungen mehr am Gebäudeentwurf vorgenommen werden. Durch die aufwändige Modellierung der Detailmodelle von TGA und Holzbau in der Ausführungsplanung sind Änderungen ab diesem Zeitpunkt mit enormen Kostensteigerungen verbunden und daher zu vermeiden.
Die ausführungsreife Planung
Durch die gesammelten Informationen aller Planungsbeteiligten sowie der Festlegung der Schicht- und Bauteilaufbauten im digitalen Bauteilkatalog können diese Informationen von der Holzbauplanung übernommen werden. Dadurch entsteht die Möglichkeit, das Holzbaumodell teilautomatisiert zu erstellen. Der Holzbauplaner kann die festgelegten Schichtaufbauten im Holzbauplanungstool wie beispielsweise CADwork, Dietrich’s oder hsbcad definieren. Durch die Unterstützung offener Dateiformate kann das Referenzmodell in die jeweilige Softwarelösung eingelesen werden. Alle Bauteile, denen diese vordefinierten Schichtaufbauten zugewiesen werden, können anschließend auf Knopfdruck automatisiert in native Bauteile dieser Spezifikationen umgewandelt werden. Danach werden die Knotenpunkte und Details eingespeist, die Maschinenpläne generiert und die Fertigung kann beginnen.
Exaktes Referenzmodell
Entscheidend für die Nutzungsmöglichkeiten des Referenzmodells ist die geometrische Exaktheit dieser Referenz. Die Objektplanung muss sich darüber im Klaren sein, dass es sich nicht um einen groben Entwurf handelt, sondern dass die gesamte Planung von der Qualität und geometrischen Genauigkeit dieses Modells abhängt. Ist das Gebäudemodell fehlerhaft, bzw. befinden sich Ungenauigkeiten im Modell, können die Synergieeffekte nicht ausgenutzt werden. Somit muss jeder Planungsbeteiligte wieder händisch ein Gebäudemodell für den jeweiligen Use Case erstellen.
Das Vorziehen der Vergabe des Holzbaus, sowie die Vorverlagerung einzelner Planungsschritte führen so zu einer effizienten Planung, bei der die Bedürfnisse der einzelnen Planungsbeteiligten aufeinander abgestimmt werden. Insgesamt kann die Digitalisierung des Bauwesens, hauptsächlich der Planungsbeteiligten im Holzbau, zu weitreichenden Synergieeffekten führen, sodass sich die einzelnen Planungsbeteiligten auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren können.
Eine durchgehend digitale Planung hat ihre Vorteile nicht nur in neuen Möglichkeiten, die Abläufe komplexer zu machen scheinen. Vielmehr ist die Digitalisierung des Baugewerbes als Chance zu sehen. Sie ermöglicht bestehende Probleme, die hauptsächlich mit der Bewältigung und Verwaltung großer Mengen an Informationen verbunden sind, einfach und strukturiert zu lösen. Dadurch kann eine transparente und organisierte Planung ermöglicht werden. Dies ermöglicht effiziente und wirtschaftliche Bauwerke, bei denen auch nach der Vollendung der Bauphasen in der Nutzung des Gebäudes noch von den Planungsleistungen profitiert werden kann.
Wir freuen uns über Fragen und Anregungen zum Planungsprozess im Holzbau.
Autor: Felix Lechner (https://www.linkedin.com/in/felix-lechner-83a891201/)
Literaturverzeichnis
König, M., „Abschlussbericht - Konzept für die nahtlose Integration von Building Information Modelling (BIM) in das behördliche Bauantragsverfahren“, BIM-basierter Bauantrag, Bochum, 2020.
mikado, „hsbcad GmbH - mikado“ (2019), verfügbar unter https://www.mikado-online.de/guide/hsbcad-gmbh/ (Zugriff am 25. Mai 2021).