1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 309 BIM im Brückenbau - Typische Fragen und praktische Lösungsansätze Andreas Müller Konstruktionsgruppe Bauen AG, Kempten, Deutschland Michael Frey Konstruktionsgruppe Bauen AG, Kempten, Deutschland Zusammenfassung Die Digitalisierung des Bauwesens verändert u.a. Leistungsbilder und Methoden für die Erbringung der Leistungen und wird heute häufig unter dem Akronym BIM zusammengefasst. Vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) wurde im Dezember 2015 der „Stufenplan Digitales Planen und Bauen“ veröffentlicht [1]. Demnach ist die standardmäßige Anwendung der Arbeitsmethodik Building Information Modeling im gesamten Verkehrsinfrastrukturbau bei neu zu planenden Projekten ab Ende 2020 vorgesehen. Über ausgewählte Erfahrungen aus der „Erweiterten Pilotphase (Niveau I)“ im Brückenbau wird im Rahmen dieses Beitrages aus Planer-Perspektive berichtet. Für „typischen Fragen“ werden Lösungsansätze beschrieben und angedeutet, welche Mehrwerte BIM für Planung und Bauausführung aus der Perspektive des Planers generieren kann und wo Entwicklungspotentiale bestehen. 1. Hintergrund Die nachstehende Definition macht deutlich, dass sich hinter dem Akronym „BIM“ nicht nur eine 3D-Planung verbirgt, sondern neue Methoden, Rollen und Werkzeuge: „Building Information Modeling (BIM) bezeichnet eine kooperative Arbeitsmethodik, mit der auf der Grundlage digitaler Modelle eines Bauwerks die für seinen Lebenszyklus relevanten Informationen und Daten konsistent erfasst, verwaltet und in einer transparenten Kommunikation zwischen den Beteiligten ausgetauscht oder für die weitere Bearbeitung übergeben werden.“ (aus [1], [2]). Trotz vorliegender Definitionen und Beschreibungen von BIM-Anwendungsfällen (siehe z.B. [4]) kann es zu unterschiedlichen Erwartungshaltungen kommen. Von den Autoren dieses Beitrags werden und wurden seit dem Jahr 2017 verschiedene Brückenbauprojekte in unterschiedlichen Leistungsphasen BIM-basiert bearbeitet. Ausgewählte Fragen, die während der Bearbeitung dieser Projekte auftraten oder sich rückblickend stellen, werden im Rahmen dieses Beitrages beantwortet - und zwar aus der subjektiven Sicht der Autoren, die in den Projekten ausschließlich die Rolle des „Planers“ innehatten. Bei den BIM-basiert bearbeiteten Projekten handelt es sich gemäß der Definition aus [2] um keine Großprojekte (d.h. Investitionsvolumen < 100 Millionen Euro). Recherchen im Rahmen der Erstellung eines BIM-Leitfadens für Deutschland [3] lassen darauf schließen, „dass die [BIM-]Methode grundsätzlich an Projekten aller Größen wertschöpfend einsetzbar ist.“ Die von den Autoren BIM-basiert bearbeiteten Projekte werden im Folgenden nicht näher vorgestellt und nicht explizit benannt. Die projektübergreifenden Erkenntnisse und Lösungsansätze sollen im Vordergrund stehen. 2. Typische Fragen und Lösungsansätze BIM ist doch viel schneller und günstiger als die bisherige Planungsmethode oder? Durch die Verwendung von Modellen ergeben sich neue Möglichkeiten. Dabei ist es wichtig, diese Möglichkeiten zu erkennen und Schritt für Schritt die hier liegenden Potentiale, zu heben. Aktuell werden im BIM Prozess Modelle UND Pläne erstellt. Informationen, die bereits im BIM-Modell enthalten sind, müssen nochmals in einer anderen Form (Plandarstellung) den Projektbeteiligten zur Verfügung gestellt werden, was einen gewissen Mehraufwand erzeugt. In Zukunft wird es daher immer wichtiger, dass die Modelle in der Breite mehr Anwendung finden und die bisher gängigen Arbeitsweisen und Richtlinien, sich darauf adaptieren. Einen weiteren Aspekt stellen die immer noch fehlen-den Standards, bzw. auch die nicht Konsolidierung dieser, BIM im Brückenbau - Typische Fragen und praktische Lösungsansätze 310 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 dar. Dadurch ist es momentan noch schwierig, ausreichende Wiederholungs- und Einarbeitungseffekte bei der Projektbearbeitung zu erzielen. Welche Vorteile bietet ein Bestandsmodell? Was sollte enthalten sein? Im Sinne des BIM4INFRA-Anwendungsfalls 1 „Bestandserfassung“ (vgl. [4]) kann ein Bestandsmodell aus mehreren Fachmodellen bestehen - z.B. mit folgenden Inhalten: • Bestandsstrecke • Umgebung (DGM, Orthofotos, 3D-Gebäudemodelle, Kataster, Angaben des Umweltplaners, etc.) • Sparten + Medien (Bestand und ggf. Neuverlegung) • Bestehende Ingenieurbauwerke Ein vollständiges und genaues Bestandsmodell ist eine ideale Planungsgrundlage. Im 3D-Modell können z.B. Kollisionen zwischen Sparten und geplanten Verbauelementen rechtzeitig erkannt und durch Umplanungen vermieden werden. Wichtig ist eine möglichst wirklichkeitsnahe Modellierung von Sparten. Dies betrifft z.B. den Durchmesser und die Höhenlage eines Abwasserkanals oder den Schutzraum um eine Gasleitung. Für die Planung der in Bild 1 dargestellten Brücke war die Modellierung der bestehenden und neuverlegten Sparten sehr hilfreich. Ist für eine Planungsvariantenuntersuchung in LPH 2 eine BIM-basierte Bearbeitung „notwendig“? Wenn für jede Planungsvariante ein eigenes Teilmodell erstellt wird, kann dies im Vergleich zu einfachen 2D- Zeichnungen zunächst zu einem Mehraufwand bei der Planung führen. Die Modelle können jedoch z.B. die Mengenermittlung als Grundlage für die Kostenschätzung vereinfachen. Als sehr hilfreich erwiesen sich die 3D-Modelle von Planungsvarianten bei Abstimmungen mit Trägern öffentlicher Belange (TÖBs) und weiteren Planern (z.B. Umweltplaner), da sie zum schnellen Verständnis beitrugen und die Unterschiede zwischen einzelnen Varianten anschaulich erläutert werden konnten. Die Teilmodelle stellen außerdem die Basis für Visualisierungen dar. Bereits anhand von vergleichsweise einfachen nicht-fotorealistischen Visualisierungen können gestalterische Aspekte aus unterschiedlichen Betrachtungspositionen beurteilt werden (vgl. Bild 2). Trotz der genannten Vorteile werden von den Autoren nicht alle Vorplanungen BIM-basiert bearbeitet. Z.B. bei Ersatzneubauten mit eingeschränktem Gestaltungsspielraum kann eine klassische 2D-Planung als Grundlage für die Variantenentscheidung weiterhin ausreichend sein. Wie können bzw. müssen die aus Modellen abgeleiteten Pläne in der Vorplanung oder Entwurfsplanung aussehen? Sind Abweichungen von RAB-ING-Vorgaben möglich bzw. sinnvoll? Die Ableitung von RAB-ING-konformen 2D-Plänen aus Entwurfs- und Vorplanungsmodellen kann mehr oder weniger aufwändig sein. Besondere Schritte sind z.B. für die Ableitung eines abgewickelten Längsschnittes durch einen im Grundriss gekrümmten Überbau erforderlich. Die Planableitung erfolgt daher vorzugsweise erst am Ende einer Leistungsphase. Abstimmungen erfolgen davor am Koordinations- oder Teilmodell. In der Vorplanung (LPH 2) kann es ausreichend sein, wenn auf 2D-Plänen anstelle eines Längsschnittes durch das Brückenbauwerk nur eine Ansicht dargestellt wird. Klassische Entwurfspläne könnten z.B. durch isometrische Darstellungen ergänzt werden. Aus Sicht der Autoren ist es wünschenswert, wenn Beispielpläne aus BIM-Projekten allgemein zur Verfügung gestellt werden könnten. Dies würde die Akzeptanz von Abweichungen gegenüber bisher üblichen Darstellungen erhöhen. Wie können Modelle geprüft werden? Wenn bemaßte 2D-Pläne erst am Ende einer Leistungsphase aus den Modellen abgeleitet werden, müssen vorab durchgeführte Prüfungen am Modell erfolgen. Da dem Auftraggeber in der Regel nicht das native Modell und die native Software zur Verfügung stehen, ist die geometrische Prüfung u.U. nicht unproblematisch. Für die Überprüfung von Querschnittsabmessungen müssen in der Koordinationssoftware Schnitte senkrecht zur (gekrümmten) Achse erzeugt und die geschnittenen Elemente exakt bemaßt werden können. Die Anforderungen des Auftraggebers sollten vor der Modellerstellung bekannt sein. Wie nützlich ist ein 3D-Bewehrungsmodell in der Ausführungsplanung? Selbst wenn - wie bisher üblich - 2D-Bewehrungspläne zu erstellen sind, können die erzeugten 3D-Bewehrungsmodelle sehr nützlich sein: • Die Vollständigkeit und die Einbaubarkeit der Bewehrung kann einfacher überprüft werden. • Für Bereiche mit hohen Bewehrungskonzentrationen kann eine Einbausimulation erstellt werden. • Teilautomatisierte Kollisionsprüfungen und Abstandkontrollen können zu einer Qualitätsverbesserung beitragen. Aus Sicht der Autoren wäre es wünschenswert, wenn vermehrt 3D-Bewehrungsmodelle für die Bauausführung und Bauüberwachung benutzt würden. International wird bereits aufgezeigt, wie Brücken modellbasiert in der Bauausführung erstellt werden. Die Bewehrungsverlegung anhand des Modells stellt dabei BIM im Brückenbau - Typische Fragen und praktische Lösungsansätze 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 311 einen der Schlüsselanwendungsfälle bei der Umsetzung auf der Baustelle dar. In welchen Fällen ist eine 4D-Bauablaufsimulation hilfreich? Bevor der Detaillierungsgrad einer 4D-Bauablaufsimulation festgelegt wird, sollte feststehen, für welchen Zweck die Simulation zu erstellen ist. Eine zielgerichtet erstellte Simulation kann bei Abstimmungsprozessen in der Entwurfs- oder Genehmigungsphase sehr hilfreich sein. Ein unnötiger Zusatzaufwand kann vermieden werden. Warum 5D und wann? Ist 5D immer vollautomatisiert? Bei einer 5D-Simulation wird - vereinfacht formuliert - das 3D Modell mit Vorgängen aus dem Bauzeiten / bzw. Gesamtterminplan und Positionen des Leistungsverzeichnisses verknüpft. Dadurch kann die Kostenentwicklung über die Projektlaufzeit ausgewertet werden. Für eine zielgerichtete Erstellung ist es von Vorteil nur ausgewählte LV-Positionen zu verknüpfen. Häufig ist es ausreichend die sogenannten A-Positionen, welche 80% der Gesamtkosten ausmachen, zu betrachten. Das Thema 5D wird häufig als eine vollautomatisierte Black Box betrachtet, an deren Ende alles mit allem und jedem verknüpft ist. Die Erfahrung im Infrastrukturbau hat hier aber gezeigt, dass weniger, häufig mehr ist. 5D Simulationen können in vielen Fällen auch durch manuelle Verknüpfung zwischen Bauteil, Terminplan und Kosten erstellt werden. Sollte eine automatisierte Zuweisung notwendig sein, muss im Vorfeld ein eindeutiger Schlüssel („Matchkey“) definiert werden. Kann BIM auf der Baustelle eingesetzt werden? Die Verwendung von Modellen auf der Baustelle er-folgt aktuell nur in geringem Umfang. Ein Pilotprojekt zeigt hier aber plakativ allen Beteiligten den Mehrwert auf. Im Vertragsverhältnis AG (Bauoberlei-tung/ Bauüberwachung) und AN (Bauausführung) wer-den alle notwendigen Dokumentationen (Bewehrungs-abnahme, Mängelmanagement, Fotodokumentation, etc.) über das Modell abgewickelt und direkt am Bau-teil verortet. Alle Projektbeteiligten haben über mobile Anwendungen jederzeit Zugriff auf die Projektdaten und können ihre Aufgaben managen. Die Pläne stehen im Modell ebenfalls zur Verfügung und können entsprechend ihrer Lage angezeigt werden (Bild 3). Neben der Dokumentation ermöglicht diese Arbeitsweise auch datenbankbasierte Auswertungen. Mittels eines Dashboards kann der Projektverlauf jederzeit ausgewertet und visualisiert werden. Wie sieht ein as-built Modell aus und wofür kann es nützlich sein? Welche Elemente und Informationen ein as-built Modell enthalten soll, hängt von den Anforderungen des Nutzers ab. Mögliche und sinnvolle Inhalte von as-built und asmaintained Modellen wurden und werden in einem aktuellen BASt-Forschungsprojekt unter Federführung der Technischen Universität München (Prof. Borrmann) zusammengestellt und bewertet ([5]). Berücksichtigt werden dabei typische Anforderungen und Szenarien im Erhaltungsmanagement - wie z.B.: • Bauwerksprüfung • Nachrechnung • Schwertransporte • Durchführung von Erhaltungsmaßnahmen • Erweiterung des Bauwerks in Form von Um- und Ausbau • Auswertung von Netzstatistiken Erkenntnisse aus dem BASt-Forschungsprojekt sind in die Erstellung des in Bild 4 dargestellten as-built Modells eingeflossen. Es entspricht im Wesentlichen dem digitalen Bauwerksmodell, das im Zuge der Planung des Bauwerks erstellt wurde. Es handelt sich jedoch um eine überarbeitete und erweiterte Version des Entwurfs- und Ausführungsplanungsmodells. Im vorliegenden Fall wurden zusätzlich zu sematischen auch geometrische Anpassungen im Bereich des Fahrbahnbelages, der Kappen und der Oberseite des Konstruktionsbetons vorgenommen. Die Modellerweiterungen betreffen im Wesentlichen die Ergänzung bzw. Verlängerung von Lärmschutzwänden im Straßendammbereich. Von der im Zuge der Ausführungsplanung komplett modellierten Bewehrung sind im as-built Modell nur die Spannglieder enthalten. Das as-built Modell ist ein Bestandteil der digitalen Bauwerksakte. Kombiniert mit weiteren Bestandteilen, wie z.B. den Daten die entsprechend der ASB ING in SIB- Bauwerke vorgehalten werden, stellt die digitale Bauwerksakte die wesentliche Informationsgrundlage für die oben genannten Anwendungen aus dem Erhaltungsmanagement dar. Übergeordnete Auswertungen sind möglich, wenn viele digitale Bauwerksakten mit filterbaren Informationen vorliegen. BIM im Brückenbau - Typische Fragen und praktische Lösungsansätze 312 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Abbildung 1: Beispiel für ein Bestandsmodell mit Sparten und Verbauten Bi Abbildung ld 2: Beispiel einer „einfachen“ Visualisierung einer LPH-2-Planungssvariante für einen Brückenneubau (im Auftrag von Hessen Mobil von der Konstruktionsgruppe Bauen AG in Zusammenarbeit mit Boll und Partner erstellt) BIM im Brückenbau - Typische Fragen und praktische Lösungsansätze 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 313 Abbildung 3: Beispiel für eine kombinierte Darstellung zwischen Modell und Regelquerschnitt Abbildung 4: Beispiel für ein as-built Modell 3. Zusammenfassung und Ausblick Die Einführung von BIM im Brückenbau ist - in Anlehnung an [3] - als „langfristige und weitreichende Herausforderung“ auf unterschiedlichen Ebenen zu betrachten („Unternehmen, Mitarbeiter, Organisationen, Prozesse, Methoden, Technik und Werkzeuge“). Es ist hilfreich, sich die BIM-Methode als Informationskreislauf vorzustellen, der nicht nur bauwerksspezifisch sondern übergeordnet von Bedeutung ist. Welche Information in welcher Phase in welcher Form von wem bereitgestellt werden muss, ist im BIM-Kontext bisher nicht so klar geregelt, dass Missverständnisse ausgeschlossen werden können. Da es sich bei der digitalen Transformation um einen dynamischen Prozess handelt, ist eine schrittweise Vor- BIM im Brückenbau - Typische Fragen und praktische Lösungsansätze 314 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 gehensweise sinnvoll und zwar nicht nur übergeordnet, wie im Stufenplan [1] vorgesehen, sondern auch im Ingenieurbüro als Planer von Brückenbauwerken. Über ausgewählte, eigene Erfahrungen ist oben berichtet worden. Zusammenfassend lässt sich bisher Folgendes feststellen: • Die Anwendung der BIM-Methode ist zumindest in der Lern- und Abstimmungsphase mit einem Zusatzaufwand verbunden. • Ein Zusatzaufwand entsteht auch dadurch, dass zusätzlich zu den BIM-Modellen herkömmliche 2D- Pläne zu erstellen sind. Planableitungen aus BIM- Modellen funktionieren bisher nicht vollautomatisch. Manuelle Nacharbeiten auf den Plänen, wie z.B. das Ergänzen von Beschriftungen, Maßketten und Details, führen dazu, dass sich Modellanpassungen nicht automatisch und konsistent auf alle Planinhalte auswirken. • Um zu guten Endergebnissen (Brücken) zu kommen, ist die „Richtigkeit“ von Planungsgrundlagen, der eigentlichen Planung und der Ausführung nach wie vor entscheidend. • Die BIM-basierte Planung liefert Modelle und Werkzeuge, die bei der Qualitätskontrolle sehr hilfreich sein können (siehe z.B. Bestandsmodell, 3D-Bewehrungsmodell). • Die Prüfung der Richtigkeit von Planung und Ausführung erfordert nach wie vor Zeit und Expertise. • Ein gutes Endergebnis (Brücke) ist nur erzielbar, wenn alle Beteiligten konstruktiv, ohne Vorbehalte und engagiert zusammenarbeiten. • Die BIM-Methode liefert Möglichkeiten, Abstimmungsprozesse unmissverständlicher zu gestalten. Weitere Fortschritte bei der Anwendung der BIM-Methode sind zu erwarten, wenn Folgendes erreicht wird: • Komplettierung des Informationskreislaufes (Ziel: klare Vorgaben bzgl. der Inhalte von as-built Modellen, etc.) • Standardisierte Vorgaben bzgl. Bauteiltypen, Attribuierung, Detaillierungsgrad, etc. (Ziel: Projektbzw. AG-übergreifende Nutzung von Vorlagen) • Bereitstellung von Musterbeispielen für den BIM- Output (2D / 3D / 4D / 5D) (Ziel: einfacher Abgleich von Erwartungshaltungen; Grundlagen für die Angebotskalkulation) • Leistungsfähige Koordinationssoftware und zukunftsfähige, herstellerunabhängige Austauschformate (Ziel: einfache, aber genaue Geometriekontrolle ohne die native Software; Ermöglichung von Modellanpassungen bei as-maintained Modellen) • Vorgaben und Regelungen zu modellbasierten Prüfungen (Ziel: verstärkte Nutzung von Modellen) • Verwendung der „BIM-Modelle“ bei Ausschreibungen und in der Bauausführung Die bisherigen BIM-Erfahrungen wurden durch eine vertrauensvolle und konstruktive Zusammenarbeit mit unseren Auftraggebern, Projektpartnern und unserem Team bei der Konstruktionsgruppe Bauen AG erzielt. Bei allen möchten wir uns hiermit ganz herzlich bedanken - insbesondere bei: • Autobahndirektion Südbayern (jetzt: Autobahn GmbH) • Hessen Mobil • Deutsche Bahn AG • Boll und Partner • Bernd Gebauer Ingenieure • Max Bögl • Technische Universität München Literaturverzeichnis [1] BMVI: Stufenplan Digitales Planen und Bauen (Dezember 2015) [2] BMVI: Endbericht der Reformkommission Bau von Großprojekten (Juni 2015) [3] BMVBS: BIM-Leitfaden für Deutschland. Endbericht der ARGE AEC3 & OPB 2013 [4] ARGE BIM4INFRA2020: Handreichungen und Glossar (https: / / bim4infra.de/ handreichungen/ zuletzt abgerufen am 30.04.2021) [5] BASt-Forschungsprojekt: Building Information Modeling (BIM) im Brückenbau. FE 15.0622/ 2016/ RRB (Zwischenberichte der Technischen Universität München in Zusammenarbeit mit der Konstruktionsgruppe Bauen AG)