Building Information Modeling

Im Bauwesen sind Ansätze, die der Digitalen Fabrik entsprechen, noch relativ jung. Das Ziel besteht hier darin, die separierten Teilplanungen der Bauobjekte und deren Ergebnisse im Projektverlauf in einem digitalen Modell integriert abzubilden. Hierfür hat sich der Begriff Building Information Modeling (BIM) (etwa: Gebäudedaten-Modellierung) etabliert. Die technische Grundlage hierfür bildet die normierte 3D-CAD- Schnittstelle IFC (Industry Foundation Classes), ein offener Standard zur digitalen Beschreibung von Gebäudemodellen. IFC wird von zahlreichen Softwareherstellern unterstützt, die sich im Rahmen einer Industrieallianz für Interoperabilität zusammengeschlossen haben.

Während des Konstruktionsprozesses eines Gebäudes entsteht mit Hilfe eines Softwaresystems ein präzises, dreidimensionales Gebäudemodell. Neben der Geometrie werden alle für die Erstellung und Fertigung, Analyse und Optimierung sowie die für den späteren Betrieb relevanten Daten in einer zentralen Datenbank miteinander vernetzt und an zentraler Stelle dem Projektteam zur Verfügung gestellt. Alle am Bau Beteiligten - von den Nutzern, den Architekten über die Fachplaner für Statik und Gebäudetechnik sowie Prozess- und Logistikplanern bis hin zu den Ausführenden - greifen in sämtlichen Planungs- und Lebenszyklusphasen auf das zentrale Gebäu-dedatenmodell zurück und können so die für sie relevanten Informationen nutzen. Änderungen während der Planungsphase werden automatisch in alle betroffenen Bereiche übernommen und sämtliche "klassischen" Planungsdokumente wie z.B. Grundrisse, Schnitte, Ansichten, 3D-Isometrien und Bauteillisten zeitnah aktualisiert.

Das folgende Beispiel soll die Möglichkeiten und die Interaktion der verschiedenen Fachplaner mit Hilfe des BIM-Ansatzes anhand eines Beispiels näher erläutern:
Der Architekt entwickelt in Abstimmung mit dem Fabrik- und Logistikplaner aus der Layoutplanung ein räumliches Konzept für ein neu zu erstellendes Gebäude. Er übergibt nach Fertigstellung seine Rohbauplanung an den Tragwerksplaner, der daraus sein statisches Analysemodell ableitet. Im weiteren Projektverlauf kann der Statiker das Modell detaillieren und es für die Dimensionierung der Bauteile in ein Berechnungsprogramm überführen. Etwaige Änderungsvorschläge spielt er bei Bedarf fehlerfrei an den Architekten zurück.

Der Haustechnik-Ingenieur kann das vom Architekten erstellte dreidimensionale Gebäudemodell für die Planung von Technikzentralen und Leitungstrassen nutzen. Der Architekt führt aufgrund des Teilmodells des Gebäudetechnikers Kollisionsprüfungen auch mit der Produktionseinrichtungen durch und spürt so Fehler in der Planung auf. Konflikte zwischen den Fachgewerken sowie teure Nachträge während der Bauzeit aufgrund von Abstimmungsfehlern lassen sich so auf ein Minimum reduzieren.
Der Produktions- und Logistikplaner nutzt das Building Information Model in frühen Projektphasen als Tool zur Darstellung und Prüfung des mit dem späteren Nutzer erarbeiteten Flächenprogramms. In weiterführenden Phasen werden einzelne Produktionseinrichtungen als grobe Volumen dem Layout hinzugefügt und in der Datenbank den Räumen bzw. Raumbereichen automatisch zugeordnet. Zusätzliche für die weitere Planung erforderliche Parameter wie z. B. Gewicht, Anschlusswerte für Strom, Druckluft, etc. oder besondere Anforderungen an statische Entkopplung können je nach Bedarf und zu jedem Zeitpunkt ergänzt werden. Liegen bereits detaillierte dreidimensionale Prozessmodelle aus anderen Anwendungen wie z.B. Autodesk Inventor vor, können diese in das Gebäudedatenmodell importiert und deren Anschlusswerte für die Auslegung der Gebäudetechnik genutzt werden.
Sämtliche Interaktionen der verschiedenen Fachgewerke geschehen kollisionsfrei durch Zugriff auf ein zentrales Modell bzw. Teilmodell.
Bild 1 zeigt anhand eines realisierten Projektes anschaulich die Überlagerung der Teilmodelle "Architektur" (hier grau dargestellt), "Technische Anlagen" (hier orange dargestellt) und "Prozess" (hier blau dargestellt).

Nach Fertigstellung des Gebäudes kann die integrierte Planung an ein CAFM-System (Computer Aided Facility Management) übergeben und für die Bewirtschaftung genutzt werden. Spätere Umbaumaßnahmen lassen sich so leicht koordinieren und machen Gebäudeaufnahmen bei einer konsequenten Pflege nahezu überflüssig.
Auswertung des durchgängigen Gebäudedatenmodells
Die nachfolgenden Ausführungen zeigen am Beispiel eines realisierten Fabrik-Projektes sowie einer vorerst nur virtuellen Modellfabrik einige der möglichen Auswertungsmöglichkeiten des digitalen Gebäudedatenmodells.

Darstellung von Planungsvarianten

Die Erstellung und Darstellung von Planungsvarianten sowie die hiermit verbundene Gegenüberstellung von Erstellungskosten sind gängige Praxis in der Fabrikplanung. Bei der konventionellen Bearbeitung eines Projektes war die Planung und Verwaltung von Varianten häufig sehr zeit- und kostenintensiv und führte nicht selten zu redundanten Planungen. Mittels Building Information Modelling ist es möglich, wichtige Entwurfsalternativen im gleichen Gebäudedatenmodell zu entwickeln, zu prüfen und bis zur Entscheidungsfindung mitzuführen. Jede Option kann im Modell vorab dargestellt werden und beinhaltet je nach Darstellungstiefe die relevanten Informationen über Flächen, Massen, Bauteile, etc.
Änderungen, die das reguläre Projekt betreffen und nicht Teil einer Entwurfsvariante sind, sind aufgrund der zentralen Datenbank nur einmal durchzuführen, jedoch in sämtlichen Planungsvarianten automatisch mitgeführt. Dies erspart Zeit und hält sämtliche das Projekt betreffende Daten konsistent.
Bild 2 zeigt in einem sehr frühen Planungsstadium die Volumen verschiedener Erweiterungsstufender fiktiven Modellfabrik und die damit verbundene Flächen und Massenentwicklung.

Mit Hilfe von Modellierungstools innerhalb der BIM-Software ist es möglich, numerische Informationen des Geländeprofils aus Vermessungsprotokollen bzw. aus Tiefbau-Anwendungen in das Projekt zu importieren und daraus automatisch ein dreidimensionales Geländemodell zu generieren.
Bei Grundstücken mit einem starken Gefälle, Erdwällen, Gräben etc. können Erdbewegungen während der Planungsphase durch Höhennivellierung auf ein Minimum reduziert und unnötige Kosten für Abtragungen und Deponie bzw. Auffüllungen vermieden werden. Neben dem zeitlichen Vorteil der dreidimensionalen Geländemodellierung bietet diese Methode eine deutlich höhere Genauigkeit gegenüber der manuellen Berechnung über Geländeschnitte und Interpolation.
Bild 3 zeigt in den Phasen "Bestand", "Abtragung" und "Fertigstellung" die Optimierung anhand des dreidimensionalen Geländemodells sowie die Gegenüberstellung der erforderlichen Erdbewegungen.

Das virtuelle Gebäudedatenmodell besteht aus parametrierten Elementen, die eine Vielzahl von Informationen sowie die Beziehung zu anderen Objekten beinhalten. Einer einfachen Wand z.B. wird nicht eine globale Höhe in Metern zugewiesen, sondern das Modell verknüpft die Oberkante mit der darüber liegende Ebene. Wird später während einer Planungsänderung die Geschosshöhe angepasst, werden sämtliche Wände und alle weiteren Objekte, die an diese Ebene gebunden sind, automatisch angepasst.
Die Aktualisierung aller betroffenen Dokumente wie z.B. Grundrisse, Schnitte und Ansichten erfolgt danach automatisch.

Bauteillisten bieten neben den klassischen Planungsdokumenten eine weitere Sicht auf die Informationen des Gebäudedatenmodells. Hierbei handelt es sich um die numerische Darstellung aller im Modell vorhandener Elemente in Form von Tabellen und Berichten. Der Nutzer hat so die Möglichkeit, die für ihn relevanten Informationen je nach Bedarf zu betrachten und zu ändern. Räume und Flächenbereiche können z.B. in Form eines übersichtlichen Raumbuches dargestellt werden. Werte für die Fläche oder Volumen werden anhand der Geometrie automatisch ermittelt. Alle nicht an die Geometrie gebundenen Informationen wie z.B. Raumnummer und Raumbe-zeichnung können vom Benutzer übersichtlich in Tabellenform angepasst werden.
Neben den Räumen und Flächen stehen auch die Bauteile des Architekten, Haustechnikers, Statikers und Fabrik- und Logistikplaners zur Auswertung in Bauteillisten zur Verfügung. Produktionselemente werden beim Einfügen automatisch den Räumen bzw. Flächen zugeordnet und können in Raumbüchern oder Maschinenlisten erfasst werden.

Die BIM-Technologie ermöglicht es weiterhin, DIN-gerechte Tageslicht- und Kunstlichtsimulation zu erstellen und so schon in einem frühen Stadium der Planung sowohl einen visuellen Eindruck der Licht- und Schattenverhältnisse als auch einen quantitativen Nachweis über die an virtuellen Messpunkten zu erwartende Lichtstärke zu erhalten.
Im Fall einer Tageslichtsimulation wird das Gebäudemodell in eine Simulationssoftware überführt und dabei Informationen über den Standort und die Gebäudeausrichtung aus dem Building-Information-Model automatisch übertragen. Nach dem Einlesen der ortspezifischen Wetterinformation und Definition der zu simulierenden Uhrzeit bzw. des zu simulierenden Zeitintervalls können realitätsgetreue und DIN-gerechte Auswertungen in Form von z.B. animierten Schattenverläufen oder Falschfarbendarstellungen erfolgen. Beeinträchtigungen an den Arbeitsplätzen durch ungewollte Blendungen von z.B. direkt einstrahlendem Sonnenlicht sind so frühzeitig erkennbar und können dann durch geeignete Maßnahmen (Optimierung der transparenten Fassendenflächen oder des Sonnenschutzes) ausgeschaltet werden.
Bild 4 zeigt die Tageslichtsituation des Modellbeispiels bei wolkenfreiem Himmel gegen 7 Uhr morgens.

Im Fall einer Kunstlichtsimulation wird das Building-Information-Modell durch herstellerspezifische Leuchteninformation im IES-Format, ein international gängiges Datenformat zur Beschreibung der Lichtverteilung von Leuchten, ergänzt.
Mittels eines "Light Meter", ein vom Benutzer zu definierendes Raster zur virtuellen Messung der Beleuchtungsstärke, kann der zu untersuchende Bereich DIN-gerecht erfasst und verschiedene Beleuchtungskonzepte simuliert werden. So können sowohl einzelne Flächen als auch ein komplettes Gebäude realitätsgetreu simuliert, analysiert und für den jeweiligen Bedarfsfall optimiert werden.
Eine aufwendige und zeitintensive Bemusterung vor Ort kann somit in den meisten Fällen entfallen und für die Beleuchtung erforderliche bauliche Maßnahmen können in der weiteren Planung Berücksichtigung finden. Bild 5 zeigt einen Halleninnenraum bei künstlicher Beleuchtung von 500 lux; die spezifischen Hallenstrahler wurden aus dem Lieferprogramm eines Leuchtenherstellers (z.B. ERCO, Zumtobel) virtuell im Deckenbereich montiert.

In der Vergangenheit waren häufig niedrige Investitionskosten sowie die Amortisation der reinen Erstellungskosten in wenigen Jahren ausschlaggebende Kriterien für Entwurfsentscheidungen.
Steigende Energiepreise, die Einführung des Erneuerbare-Energie-Wärmegesetzes 1 (EEWärmeG) sowie die Einführung und stetige Verschärfung der Energieeinsparverordnung für Gebäude (EnEV) machen ein Umdenken für alle an der Planung Beteiligten - vom Architekten bis hin zum Investor und Nutzer - erforderlich. Das EE-WärmeG ist seit dem 1. Januar 2009 in Kraft und hat zum Ziel, den Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch für Wärme von derzeit 6% auf 14 % im Jahr 2020 zu erhöhen. Schon vermeintlich einfache Entwurfsentscheidungen in den ersten Planungsphasen wie z.B. die Ausrichtung auf einem Grundstück können erheblichen Einfluss auf die spätere energetische Bilanz eines Gebäudes haben und hohe Betriebskosten für Heizung / Kühlung nach sich ziehen.
Building Information Modeling ermöglicht Architekten und Ingenieuren zu einem frühen Zeitpunkt ihre virtuellen Modelle zur Simulation und energietechnischen Einschätzung in Tools wie IES Virtual Environment, Autodesk Green Building Calculation, Design Builder, etc. zu überführen und den Einfluss von Entwurfsentscheidungen auf die Leistung des Bauwerks zu prüfen.

Für die erste Einschätzung ist ein "grobes" Modell mit Informationen über Umfassungswände, transparenten Fassaden, Raumbereiche sowie Geschossdecken und Trennwände ausreichend. Das Gebäudedatenmodell wird über die gbXML-Schnittstelle (Green building extensible markup language) in die jeweilige Simulations-Anwendung exportiert und mit den für die Berechnung erforderlichen Informationen für Bauteile, Zonierung und technischen Anlagen ergänzt. Grundlage hierfür ist die Zonierung eines Modells in Bereiche unterschiedlicher Temperaturanforderungen für z.B. Produktion, Büros oder Verkehrsflächen.
Bild 6 zeigt schematisch Beispiele für derart erfasste spezifische Anforderungen an Heizung, Lüftung, Beleuchtung und Trinkwasserversorgung für verschiedene Zonen sowie die daraus resultierende Konfiguration der Haustechnik.

Je nach Komplexität des Gebäudemodells lassen sich nach kurzer Berechnungszeit die Ergebnisse der Simulation in Form einfacher Grafiken bis hin zu ausführlichen Berichten betrachten. Die Resultate reichen vom Primärenergiebedarf über die energetische Qualität der Gebäudehülle und dem sommerlichen Wärmeschutze bis hin zur CO2-Emission.

Umfangreiche Tools wie z. B. TAS oder das auf dem angelsächsischen Markt verbreitete IES Virtual Environment sind in der Lage, komplexe CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) für sehr genaue Simulationsergebnisse zu liefern. Diese Verfahren sind derzeit noch sehr aufwändig und bedürfen fundierter Fachkenntnisse  Sie finden daher ihren Einsatz vorrangig bei komplexen Projekten mit besonderen Anforderungen.

Neben den zuvor beschriebenen teilweise recht trockenen Simulationen, Analysen und Auswertungen ist die Visualisierung ein wichtiges Werkzeug zum Transport von Entwurfsgedanken sowie zur Darstellung der Funktionsweise technischer Anlagen und Prozessabläufe. Schattierte Darstellungen des Gebäudedatenmodells mit einfachen Materialdarstellungen sind in den aktuellen BIM-Anwendungen Stand der Technik und ermöglichen insbesondere den Nutzern schon während der Konstruktion einen sehr anschaulichen Eindruck des virtuellen Modells.
Darüber hinaus sind fotorealistische Darstellungen und Kamerafahrten um und durch das Gebäude schon für kleinere Projekte mit wenig zusätzlichem Aufwand möglich. Hier stehen dem Anwender in der BIM-Anwendung hochwertige Werkzeuge zur fotorealistischen Visualisierung von Räumen zur Verfügung, die mit wenigen Einstellungen gute Ergebnisse in kurzer Zeit liefern.
Alternativ bietet der Markt auch High-End-Anwendungen wie 3D-Studio Max oder Cinema 4D. Diese Programme erfordern fundierte Kenntnisse im Bereich der Visualisierung und werden daher häufig nur von großen Planungsbüros mit eigenen Visualisierungsabteilungen oder spezialisierten Unternehmen eingesetzt. Bild 7 zeigt als Beispiel die Atmosphäre der Eingangssituation der als "Green Factory" gestalteten Modellfabrik.

Building Information Modeling ist eine vergleichsweise neue Technologie im Bereich der Konstruktion im Bausektor und bietet ein enormes Potential zur Effizienz- und Qualitätssteigerung des gesamten Planungsprozesses.

Die digitalen Modelle können die Informationen über beispielsweise ihre Nutzung, Isolationswerte der Gebäudehülle, solare Wärmegewinne und die strukturellen Komponenten stetig mitführen.

Während der Erstellung werden die Konsequenzen von Entwurfsentscheidungen auf betroffene Bereiche unmittelbar generiert. So wird der Architekt die Auswirkungen einer Änderung der Gebäudeausrichtung auf dem Grundstück oder einer veränderten Fassadenkonstruktion auf die Energiebilanz und die Gebäudetechnik praktisch in Echtzeit bereits in der Frühphase einer Planung durchspielen können.

Building Information Modeling ist demnach nicht nur ein Tool, sondern vielmehr ein Prozess, der Nutzern, Planern und ausführenden Unternehmen hilft, die steigende Informationsmenge und Komplexität von Fabrikplanungsprojekten zu beherrschen. Die vielfältigen Synergien in Planung und Ausführung rechtfertigen den erhöhten Aufwand und die gebotene Disziplin im Planungsprozess.