BIM 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 229 Anwendung von BIM bei der Planung und Prüfung von Stahlbauten Dr.-Ing. Marcus Achenbach LGA Landesgewerbeanstalt Bayern KdöR, Nürnberg Dipl.-Ing. (FH) Jens Schikowski Ingenieurbüro Schikowski, Bad Lobenstein Zusammenfassung Die Prüfung des Standsicherheitsnachweises ist Teil des Genehmigungsverfahrens von Bauwerken. Bisher wurde der Bauantrag in Papier eingereicht, so dass auch die weiteren bautechnischen Unterlagen, wie z. B. statische Berechnung und Konstruktionspläne, in ausgedruckter Form vorgelegt und geprüft wurden. Durch die Digitalisierung des Bauantrages in verschiedenen Bundesländern ist die Einreichung des Bauantrages mit weiteren Bauvorlagen im Format PDF möglich und statische Berechnung und Pläne können auch als PDF geprüft und freigegeben werden. Damit ist der erste Schritt zur Digitalisierung des Bauantragsverfahrens erfolgt, indem Papier durch PDF ersetzt wird. Darüber hinaus schreitet die Verwendung von BIM- oder 3D-Modellen bei der Planung von Bauwerken voran, bzw. ist beim Stahlbau bereits seit längerem üblich. Einerseits liegt die Verwendung von BIM-Modellen bei der statischen Berechnung und Prüfung nahe, ist aber (noch) nicht durch Bauordnungen der Bundesländer im Hochbau geregelt. Andererseits wird die Verwendung von BIM bei Bauten des Bundes und der Bundesländer durch verschiedene Masterpläne verpflichtend vorgeschrieben. Die Autoren dieses Beitrages haben daher die Verwendung von BIM bei der Erstellung der statischen Berechnung, Ausführungsplänen und der Prüfung des Standsicherheitsnachweises anhand eines realen Bauvorhabens erprobt. Dabei zeigt sich, dass der Austausch von Berechnungs- und Ausführungsmodellen zwischen den Beteiligten maßgebend für die erfolgreiche Anwendung von BIM ist. Bei der praktischen Umsetzung bestehen jedoch noch mehrere Hürden. In dem Beitrag werden sowohl diese Schwierigkeiten als auch die Vorteile bei der Anwendung von BIM bei der Prüfung von Stahlbauten aufgezeigt. 1. Einführung Die Digitalisierung des Bauantrages liegt in Deutschland bei den Bundesländern. In der Musterbauvorlagenverordnung [1] ist bereits seit 2020 die Verwendung von Plänen und Unterlagen im Format PDF vorgesehen, wird aber in den Bundesländern unterschiedlich umgesetzt. Während in wenigen Bundesländern noch an Unterlagen in Papier festgehalten wird, werden bereits in Niedersachsen weitere Formate, wie z. B. DXF, DWG und IFC zugelassen [2] und gehen über die Musterbauvorlagenverordnung hinaus. Aufgrund der unterschiedlichen Umsetzung in den einzelnen Bundesländern wird daher in diesem Beitrag Bayern betrachtet, da hier beide Autoren den Schwerpunkt ihrer Arbeit haben und auch das in diesem Beitrag beschriebene Bauvorhaben realisiert wurde. Der digitale Bauantrag wird in Bayern seit März 2021 an verschiedenen Pilotlandratsämtern erprobt [3]. Im Rahmen der sogenannten Experimentierklausel darf hier von Bauvorlagen aus Papier [4] abgewichen werden, indem die Vorlage von Plänen und weitere Unterlagen im Format PDF ermöglicht ist. Statische Berechnung und Konstruktionspläne sind Teil der Bauvorlagen. Die Vorlage im Format PDF ermöglicht daher eine Digitalisierung des Prüfprozesses. Die Verwendung von Unterlagen im Format PDF statt in Papier stellt nur den ersten Schritt der Digitalisierung dar, da die Verwendung von digitalen Gebäudemodellen zunimmt. So wird derzeit durch die Bundesregierung die Verwendung von BIM [5] bei der Planung und dem Betrieb von Gebäuden vorangetrieben [6]. Dabei sind als Anwendungsfälle auch der Genehmigungsprozess, sowie die Bemessung und Nachweisführung vorgesehen. Die Umsetzung für Hochbauten in Bayern wird durch die Landesregierung für die staatlichen Bauämter, die teilweise auch Bundesbauten betreuen, im Rahmen von Leitfaden [7] konkretisiert und folgt weitestgehend den Vorgaben der Bundesregierung [5]. Die Verwendung digitaler Gebäudemodelle ermöglicht kollaborativ am Modell zu arbeiten und auf Pläne zu verzichten, da diese aus dem Modell abgeleitet werden können. Dies unterscheidet sich deutlich vom bisherigen Prüfprozess. Über die Verwendung digitaler Gebäudemodelle im Rahmen der Prüfung wird bereits von Oltmanns et al. [8] und Hennecke und Wüchner [9] berichtet. Im Rahmen dieses Pilotversuches wurde daher von den Autoren dieses Beitrages zusammen mit der Allplan GmbH, der Dlubal Software GmbH und der Stahlbau Perthel GmbH die Planung und Prüfung einer Stahlhalle in Bayern erprobt. Ziel ist die Anwendung einer modellbasierten Prüfung mit marktüblichen Softwaretools. Die Planung und Ausführung erfolgte Sommer bis Winter 2023. Die in diesem Beitrag dargestellten technischen 230 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Anwendung von BIM bei der Planung und Prüfung von Stahlbauten Ergebnisse sind daher auf den damaligen Kenntnisstand zu beziehen. Im nächsten Abschnitt erfolgte eine kurze Beschreibung des Bauwerkes und der verwendeten Software. Danach werden die Erfahrungen aus Sicht des Tragwerksplaners und der Ausführungsplanung sowie des Prüfenden dargestellt. Im letzten Abschnitt werden die wesentlichen Ergebnisse aus dem Pilotversuch zusammengefasst. 2. Beschreibung des Bauwerks und verwendete Software Bei dem Pilotprojekt handelt es sich um den Neubau des Betriebsgebäudes eines kommunalen Bauhofes in Bayern. Die tragenden Bauteile sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Abmessungen betragen ca. 50 × 16 × 7 m. Die Halle wurde als Stahlbau, der Sozialtrakt als Massivbau errichtet. Es wurden übliche Walzprofile verwendet die mit geschraubten Verbindungen, teilweise mit Vouten, zusammengebaut wurden. Die Dacheindeckung und Wandverkleidung wurde aus Sandwichelementen mit Pfetten und Wandriegeln aus Kaltprofilen herstellt. Abb. 1: Tragende Bauteile des Pilotprojektes Die Genehmigungsplanung erfolgte zweidimensional und der Bauantrag wurde digital eingereicht. Die Berechnung wurde mit der Software RFEM 6 erstellt und mit SCIA Engineer 22 geprüft. Für die Ausführungsplanung wurde Autodesk Advance Steel 2023 verwendet. Als Kolloborationsplattform wurde Allplan Bimplus eingesetzt. 3. Erfahrungen des Tragwerksplaners und der Ausführungsplanung Das statische Modell wurde mit der Software RFEM 6 als räumliches Stabwerk erzeugt und dann in die Format IFC [10] und SAF [11] exportiert, um das Berechnungsmodell mit dem Prüfingenieur auszutauschen. IFC ist das standardisierte Datenformat, das herstellerneutral zum Austausch von digitalen Bauwerksmodellen der einzelnen Fachplaner verwendet wird [5]. Das SAF-Datenformat basiert auf Excel und dient zum herstellerneutralen Austausch von Modellen der Tragwerksplanung [12]. Derzeit wird dieses Datenformat hauptsächlich bei in Deutschland genutzten Tragwerksplanungsprogrammen eingesetzt. Als Kollaborationsplattform wurde Allplan Bimplus gewählt, die einen Informationsaustausch entsprechend DIN EN 19650-1 [13] erlaubt. Dabei ist sowohl der Austausch von digitalen Gebäudemodellen, deren Verwaltung als auch die Kollaboration mittels des Austauschformates BCF [14] möglich. Als „gemeinsame Datenumgebung“ (CDE) ist der rechte- und rollenbasierte Austausch von Dokumenten ebenso integriert. Zusätzlich ist in der Plattform der SCIA-Autoconverter enthalten, mit dem die Umwandlung von Architekturmodellen zu Modellen der Tragwerksplanung im Format IFC bzw. der Export nach SAF möglich sind. In Abbildung 2 ist das in Bimplus importierte statische Modell dargestellt. Abb. 2: Modell des Tragwerkplaners in Bimplus Bei dem Pilotprojekt erfolgte die Genehmigungsplanung als konventionelle zweidimensionale Planung, ohne die Verwendung von digitalen Gebäudemodellen. Daher wurde das erste digitale Bauwerksmodell durch den Tragwerksplaner erstellt bzw. aus dessen Berechnungsmodell abgeleitet. Im Pilotprojekt wurde die Struktur mit Lasten, Knoten, Stäben und Querschnitten in die Formate SAF und - soweit möglich - IFC exportiert und in die Plattform Bimplus hochgeladen. Dieses Modell bildete die Basis für die Vergleichsberechnung des Prüfingenieurs, konnte allerdings nicht erfolgreich importiert werden. Insbesondere die im Stahlrahmenbau üblichen Vouten sind bezüglich des Exports in die Datenformate IFC und SAF problematisch, da hier keine einheitliche Modellierung festgelegt ist. Auch der Import der auf das Stabwerksmodell angesetzten Lasten konnte nicht zufriedenstellend, bzw. nur mit zusätzlichem Aufwand bewerkstelligt werden. Die Erfahrungen des Prüfingenieurs werden im folgenden Abschnitt genauer beschrieben. Das Berechnungsmodell des Tragwerkplaners mit gewählter Profilierung bildete die Grundlage für die Werkstattplanung der Stahlbaufirma. Diese erfolgte am 3D- Modell, aus dem die Werkstattzeichnungen abgeleitet wurden. Dieses Modell wurde im Format IFC exportiert und ebenfalls auf Bimplus hochgeladen und mit den weiteren Projektbeteiligten geteilt. In der CDE Bimplus können die verschiedenen Modelle des Tragwerkplaners, Prüfingenieurs und der ausführenden Firma visualisiert werden, so dass eine erste Kontrolle bezüglich geometrischer Abweichungen leicht möglich ist. 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 231 Anwendung von BIM bei der Planung und Prüfung von Stahlbauten Für die einzelnen Fachmodelle können für jedes Bauteil die zugehörigen Attribute eingesehen werden. Eine einheitliche Verwendung der Attribute innerhalb der unterschiedlichen Programme ist derzeit nicht gegeben, sodass sich bei dem Ex- und Import via IFC Abweichungen ergeben. Teilweise sind Querschnittsdaten nicht vorhanden oder in unterschiedlichen Attributen festgehalten bzw. werden Schweißnähte im 3D-Werkstattmodell nicht im Format IFC exportiert, oder Schrauben mit falschen Einheiten versehen. Dies ist in Abbildung 3 dargestellt. Der beschriebene Daten- und Informationsaustausch setzt die Verwendung einer gemeinsamen Datenumgebung voraus. Dazu ist von den Beteiligten vorab zu definieren und einzuhalten, wer für die Datenumgebung verantwortlich ist und wer diese betreibt bzw. zur Verfügung stellt. Weiterhin ist ein einheitlicher Ursprung zu definieren, um den Austausch der Modelle in korrekter Lage und Orientierung zu ermöglichen. Bei Tragwerksplanungssoftware wird dieser ohne Bezug zu geografischen Koordinaten definiert, wohingegen bei Architekturmodell ein Bezug dazu hergestellt wird. Im Rahmen des Pilotprojektes konnte gezeigt werden, dass ein Austausch von Modellen mit dem Prüfingenieur möglich ist und der Austausch über die Kollaborationsplattform den Austausch von Information und Dateien zur Prüfung erleichtert. Allerdings konnte in dem Pilotprojekt keine ausschließlich modellbasierte Prüfung, d. h. ohne weitere Ausführungspläne, durchgeführt werden, da beim Austausch mittels IFC beispielsweise die Verbindungsmittel nicht, oder nur fehlerhaft, übergeben wurden. Diese sind jedoch maßgebend für die Standsicherheit des Tragwerkes. Weiterführende Nachweise, wie Detail- oder Knotennachweise, wurden nicht am 3D-Modell geführt und waren daher auch nicht Bestandteil des 3D-Modells des Tragwerkplaners. Üblich ist derzeit die Nachweisführung für Details in der Bemessungssoftware des Stabwerkes selbst oder die teilweise automatisierte Übergabe an gesonderte Software. Eine komplette Übernahme in das 3D-Modell ist nur teilweise möglich. Daher ist der Austausch von statischer Berechnung und Konstruktionsskizzen noch in anderen Formaten, wie PDF, zwingend erforderlich. Abb. 3: Kommunikation zwischen Prüfingenieur, Konstrukteur und Tragwerksplaner mittels BCF 4. Erfahrungen des Prüfingenieurs Die Prüfung der statischen Berechnung und der Konstruktionspläne erfolgten bei diesem Projekt papierlos. Die Verwendung von Modellen im Format IFC und SAF, sowie der Austausch über eine gemeinsame Datenumgebung im Rahmen der Prüfung wurden bei diesem Pilotversuch erprobt. Das Berechnungsmodell wurde vom Tragwerksplaner in den Formaten IFC und SAF bereitgestellt. Der Import der SAF-Datei in das Stabwerksprogramm des Prüfingenieurs ist nicht gelungen, da hier zum Zeitraum der Erprobung seitens des Ex- und Imports unterschiedliche Stände der Schnittstelle SAF implementiert waren. Auch die Wahl weiterer Exportparameter hat sich als schwierig herausgestellt, da deren Wirkung für den Anwender kaum zu überschauen sind. In der weiteren Bearbeitung wurde daher der Austausch des Strukturmodells via IFC weiterverfolgt. 232 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Anwendung von BIM bei der Planung und Prüfung von Stahlbauten Das importierte Modell des Tragwerksplaners ist in Abbildung 4 dargestellt. Wie im vorigen Abschnitt beschrieben, ist die Modellierung von Vouten im Stahlbau im Format IFC nicht eindeutig. Daher sind die Stäbe, bei denen eine Voute enthalten ist, nicht in dem Modell enthalten. In dem Pilotprojekt betraf dies alle Dachbinder. Abb. 4: Import des Modells des Tragwerkplaners in Scia Engineer 22 Im Rahmen der Vergleichsrechnung wurde daher der sich wiederholende Hallenrahmen als zweidimensionales Tragwerk modelliert. Dabei konnte die Geometrie leicht mit den Maßfunktionen und der Abfrage von Attributen in Bimplus abgeleitet werden. Beim Giebel wurde das in Scia Engineer 22 importierte Modell des Tragwerkplaners verwendet, da Querschnitte und Materialen der Bauteile richtig übernommen wurden und kaum Korrekturen der Geometrie des Modells erforderlich waren. Bei der Vergleichsrechnung wurden die Belastungen der Teiltragwerke unabhängig vom Modell des Tragwerkplaners aufgebracht. Die Struktur des Hallenrahmens wurde im Format IFC exportiert und die Datenumgebung Bimplus hochgeladen. Das Ergebnis ist in Abbildung 5 dargestellt. Es ist offensichtlich, dass Orientierung und Lage des Rahmens in der Statiksoftware des Prüfingenieurs nicht mit der Modellierung des Tragwerksplaners übereinstimmen. Abb. 5: Export des Modells der Vergleichsrechnung in Bimplus In Bimplus waren während der Erprobungsphase keine Werkzeuge zum Verschieben oder Verdrehen des Modells der Vergleichsrechnung vorhanden. Das Modell wurde daher mit der Autorensoftware Bricscad manipuliert. Das verschobene und verdrehte Modell ist in Abbildung 6 dargestellt. Dies setzt voraus, dass der Prüfingenieur entsprechende Software besitzt und bedienen kann. Eine Implementierung entsprechender Werkzeuge in die Datenumgebung wäre daher wünschenswert. Abb. 6: Bearbeitetes Modell der Vergleichsrechnung in Bimplus Wie bereits im vorigen Abschnitt beschrieben, wurden die Details der Verbindungsmittel, wie Schweißnahtdicke oder Schraubengüte und Durchmesser falsch oder unvollständig übermittelt. Die Kommunikation mit dem Tragwerksplaner und Konstrukteur erfolgte in dem Pilotprojekt in der Datenumgebung Bimplus, wie in Abbildung 3 dargestellt. Anmerkungen und Rückfragen zum Modell können dabei einfach und schnell via BCF [14] kommuniziert und geklärt werden. Die Prüfung und Freigabe der Konstruktion erfolgte daher konventionell mit Plänen im Format PDF, wobei das in Abbildung 1 dargestellte Modell die Prüfung wesentlich erleichtert hat, da Bauteile räumlich gut zugeordnet werden konnten. Die Kommunikation am Modell erfolgte auf der gemeinsam verwendeten Plattform der Beteiligten. Dies setzt voraus, dass alle Beteiligten daran teilnehmen und sich in diese einarbeiten. Für den Prüfingenieur stellt diese eine Herausforderung dar, da üblicherweise mehrere Projekte mit ggf. unterschiedlichen Datenumgebungen bearbeitet werden. Es wird daher davon ausgegangen, dass bei zukünftigen Projekten die Modelle in der Datenumgebung des Prüfingenieurs geprüft werden. Dies setzt angepasste Arbeitsabläufe unter Beachtung der rechtlichen Randbedingungen und Vorgaben der jeweiligen Bauordnung voraus [15]. Eine Bearbeitung beim Prüfingenieur ohne eigene Datenumgebung, d. h. nur mit BIM-Viewer und ggf. Erweiterungen zur Erzeugung von Anmerkungen im Format BCF ist technisch möglich. Allerdings können dann die Funktionen einer gemeinsamen Datenumgebung, wie revisionssichere Verwaltung der Modelle und ggf. rechtssichere Dokumentation des Prüfprozesses nicht genutzt werden oder müssen anders abgebildet werden. Ebenso kann der wesentliche Vorteil einer CDE, die Bündelung der Modelle, Daten und Kommunikation an einem Ort, nicht genutzt werden. Bei Verwendung einer Datenumgebung ergeben sich darüber hinaus für den Prüfingenieur weitere Möglichkeiten, da das Modell des Tragwerkplaners, das Modell der eigenen Vergleichsberechnung und das Modell der ausgeführten Konstruktion in verschiedenen Versionen überlagert werden können. Bei der hier verwendeten Plattform Bimplus besteht darüber hinaus die Möglichkeit