2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 233 Anwendung von BIM bei der Planung und Prüfung von Stahlbauten Berechnungsmodelle im Format SAF zu erzeugen, die in verschiedene Programme zur statischen Berechnung importiert werden können. Dadurch wird ein kontinuierlicher Arbeitsablauf möglich, der z. B. die Verfolgung von Planungsänderungen erheblich vereinfacht. Dabei steht mit der Kommunikation am Modell mittels BCF [14] ein Hilfsmittel zur Verfügung, das eine deutliche Beschleunigung des Prüfprozesses erwarten lässt. Dies setzt die Bereitschaft des Prüfingenieurs voraus, sich in BIM und die Verwendung einer gemeinsamen Datenumgebung einzuarbeiten. 5. Zusammenfassung und Ausblick In diesem Beitrag wurde über die Anwendung von BIM bei der Planung und Prüfung von Stahlbauten berichtet. Die Erfahrungen aus dem Pilotprojekt zeigen, dass eine modellbasierte Prüfung die Zusammenarbeit zwischen Tragwerksplaner, Prüfingenieur und Konstrukteur erheblich vereinfachen und beschleunigen kann. Bereits bei kleineren Projekten ergeben sich Vorteile, die mit wachsender Komplexität der Modelle zunehmen da insbesondere räumliche Tragwerke teilwiese aufwändig in zweidimensionalen Plänen darzustellen sind. Voraussetzung für die Zusammenarbeit ist jedoch, dass alle Daten korrekt und vollständig übergeben werden. Dies war bei dem Pilotprojekt nicht durchgehend gegeben und erfordert nach Meinung der Verfasser weitere Untersuchungen. Weiterhin sollte die Nutzung vorhandener Schnittstellen zwischen den Programmen niederschwellig ohne grundlegende Überlegungen und Einstellung möglich sein. Die Integration der Schnittstellen sollte so erfolgen, dass diese so einfach wie möglich nutzbar sind und sich in den Arbeitsauflauf nahtlos integrieren lassen. Die Sammlung weiterer Erfahrungen und der fortgeführte Austausch mit den Softwareherstellern sind wünschenswert. Die teilweise unvollständigen bzw. falsch exportierten Attribute der Modelle haben bei dem Pilotprojekt eine rein modellbasierte Prüfung verhindert. Daher ist die Entwicklung und Formulierungen von Kriterien zur Modellprüfung [5] notwendig, so dass idealiter eine automatisierte Prüfung möglich wird. Trotz der beschriebenen Probleme zeigte sich beim Pilotprojekt eine Verkürzung der Planungs- und Prüfprozesse, da beispielsweise Modelle übernommen werden konnten, Postlaufzeiten weggefallen sind und die Kommunikation am Modell erfolgte, so dass eine zügige Reaktion möglich war. Wünschenswerte wäre bereits ein Architekturmodell aus der Genehmigungsphase zu erhalten, dass vom Tragwerksplaner verwendet werden kann. Dadurch wäre die korrekte Übernahme der Geometrie für den Tragwerksplaner, als auch der Abgleich von Bauausführung mit Genehmigungsplanung durch den Prüfingenieur möglich. Idealerweise kann BIM bereits bei der Genehmigung des Bauwerkes eingesetzt werden. Dank Wir bedanken uns bei Dlubal Software und Allplan für die Unterstützung bei der Software und deren Anwendung sowie Stahlbau Perthel für die Mitarbeit im Pilotprojekt. Die Digitalisierung des Prüfprozesses mit Erprobung wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Verbundvorhabens „iECO - intelligent Empowerment of COnstruction Industry“ gefördert. Literatur [1] MBauVorlV: Musterbauvorlagenverordnung (MBauVorlV), Fassung Februar 2007, Änderung 25.09.2020, 2020. [2] NBauVorlV: Niedersächsische Verordnung über Bauvorlagen sowie baurechtliche Anträge, Anzeigen und Mitteilungen, 2021. --Fassung 24.08.2021. [3] DBauV: Verordnung über die digitale Einreichung bauaufsichtlicher Anträge und Anzeigen (Digitale Bauantragsverordnung - DBauV), 2021. --Fassung 24.08.2021. [4] BauVorlV: Verordnung über Bauvorlagen und bauaufsichtliche Anzeigen (Bauvorlagenverordnung - BauVorlV), 2007. --Fassung 24.08.2021. [5] Borrmann, A. ; König, M. ; Koch, C. ; Beetz, J. (Hrsg.): Building Information Modeling: Technologische Grundlagen und industrielle Praxis, VDI-Buch. 2., aktualisierte Auflage. Wiesbaden [Heidelberg]-: Springer Vieweg, 2021 --ISBN-978- 3-658-33360-7. [6] Masterplan BIM für Bundesbauten - Erläuterungsbericht, Bundesminsterium des Inneren, für Bau und Heimat ; Bundesministerium der Verteidigung (Hrsg.). [7] BIM Leitfaden - Digitales Planen und Bauen im Bereich Hochbau ; Bayerisches Staatsministerium für Wohnen, Bau und Verkehr (Hrsg.). [8] Oltmanns, H.-G. ; Oltmanns, H. ; Dirks, A.: BIM- Modelle und die Bearbeitung durch Prüfingenieure: Modellbasiertes Prüfen - gesamtheitliches Denken und neue Beurteilungskriterien. In: Bautechnik, Bd. 96 (2019), Nr.-3, S.-250-258. [9] Hennecke, M. ; Wüchner, R.: Prüffähigkeit digitaler 3D-Planunen. In: Bergmeister, K. ; Fingerloos, F. ; Wörner, J.-D. (Hrsg.): Betonkalender 2024. Bd. 2-: Ernst & Sohn, 2024, S.-694-715. [10] DIN EN ISO 16739-1: Industry Foundation Classes (IFC) für den Datenaustausch in der Bauwirtschaft und im Anlagenmanagement - Teil 1: Datenschema (ISO 16739-1: 2018); Englische Fassung EN ISO 16739-1: 2020, 2021. [11] SAF Documentation - SAF Documentation documentation. URL https: / / www.saf.guide/ en/ stable/ . - abgerufen am 2024-04-09. [12] Dlubal, D.: Untersuchung des Structural Analysis Format (SAF) auf Eignung für eine BIM-gestützte Tragwerksplanung. 234 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Anwendung von BIM bei der Planung und Prüfung von Stahlbauten [13] DIN EN ISO 19650-1: Organisation und Digitalisierung von Informationen zu Bauwerken und Ingenieurleistungen, einschließlich Bauwerksinformationsmodellierung (BIM) - Informationsmanagement mit BIM - Teil 1: Begriffe und Grundsätze (ISO 19650-1: 2018); Deutsche Fassung EN ISO 19650-1: 2018, 2019. [14] BIM Collaboration Format (BCF). URL https: / / technical.buildingsmart.org/ standards/ bcf/ . - abgerufen am 2022-11-10. --buildingSMART Technical. [15] Achenbach, M.; Weber, B.; Rivas, P.: Application of BIM in design review processes for buildings. In: Biondini, F.; Frangopol, D. M. (Hrsg.): Life-Cycle of Structures and Infrastructure Systems. Boca Raton: CRC Press -- ISBN- 978-1-00-332302-0, S.-3380-3387. 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 235 Aktueller Stand der bautechnischen Prüfung von Ingenieurbauwerken nach der BIM-Methodik Gustavo Cosenza, M. Sc. Emch+Berger GmbH Ingenieure und Planer Weimar/ Bauhaus-Universität Weimar Prof. Dr.-Ing. Christian Koch Bauhaus-Universität Weimar, Professur Intelligentes Technisches Design Dr.-Ing. Marcus Achenbach LGA Landesgewerbeanstalt Bayern Prüfamt für Standsicherheit, Hof Abstract Aktuell existieren weder anerkannte Regeln der Technik noch einheitliche Prozesse für BIM-basierten Tragwerksplanungen oder bautechnischen Prüfungen. Das stellt eine Hürde in den künftige modellbasierte Genehmigungs- und Freigabenprozesse von Baumaßnahmen in Deutschland dar. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Wissenschaft bzgl. der Durchführung von bautechnischen Prüfungen nach der BIM-Methodik präsentiert. Dafür werden sowohl nationale und internationale Veröffentlichungen als auch die aktuell gültigen und maßgebenden Normen, Verordnungen, Richtlinien und Verwaltungsvorschriften zusammengetragen. In einem Ausblick werden die noch offenen Punkte diskutiert, die für die Regelung eines BIM-basierten Prüfverfahrens erforderlich sind. 1. Einführung Das Building Information Modeling (BIM) ist eine kooperative Arbeitsmethode auf der Basis digitaler Fachmodelle zur Umsetzung spezifischer Anwendungen während des gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks (u. a. für die Bestandsmodellierung, die Planung, die Bauausführung und den Betrieb). Die Fachmodelle können sowohl räumliche, zeitliche und kostenaufwändige Dimensionen als auch uneingeschränkten semantischen Informationen aufweisen. Seit dem Jahr 2015 wird von der Bundesregierung die Implementierung der BIM-Methodik in der Realisierung von Infrastrukturprojekten gefördert. Mit dem Stufenplan Digitales Planen und Bauen [1] sollte die Implementierung in drei Phasen bis zum Jahr 2020 erzielt werden. Im Jahr 2022 hat das Bundeskabinett zusätzliche Digitalisierungsmaßnahmen zur Planungs- und Genehmigungsbeschleunigung beschlossen, um die Genehmigungsverfahren solcher Projekte künftig in digitaler Form zu ermöglichen. Ab dem Jahr 2025 sollen alle Planungen von öffentlichen Infrastrukturprojekten standardmäßig nach der BIM-Methodik erstellt werden. Die Vorreiter der BIM-Implementierung im Infrastruktursektor sind die Eisenbahninfrastruktur-unternehmen der Deutschen Bahn AG (DB InfraGO AG). Ihr Erfolg ergibt sich aus der konsequenten Umsetzung ihrer eigenen Strategie [2]. Sie haben die großen Herausforderungen bei der Umsetzung anhand zahlreicher Pilotprojekte unterschiedlicher Größe und Komplexität frühzeitig erkannt und ihre Strategie im Laufe der Jahre dementsprechend angepasst. Ihre aktuellen Ziele sind die Einführung von Genehmigungs- und Freigabeprozessen nach der BIM-Methodik im Einvernehmen mit dem Eisenbahnbundesamt (EBA) und die Erstellung von digitalen Zwillingen (auf Englisch Digital Twin). Für die Planung, die Erhaltung und den Betrieb von Bundesfernstraßen haben die Autobahn GmbH und die Auftragsverwaltung der Länder ein Masterplan entwickelt [3], in dem die BIM-Methodik als Regelprozess ab dem Jahr 2025 eingeführt werden soll. Der Fokus soll mittel- und langfristig bei der Erstellung von digitalen Zwillingen und regelbasierten Prüfungen liegen. Darüber hinaus wurden eigene Musterrichtlinien (MR BIM) und Handlungsempfehlungen (HE BIM) für die Projektbearbeitung erstellt. Für den Bundesbau wurde ein Masterplan [4] und eine Umsetzungs-strategie [5] erstellt. Der Bundesbau umfasst alle zivilen und militärischen Baumaßnahmen des Bundes im In- und Ausland. Ab dem Jahr 2025 soll der Schwerpunkt der Implementierung auf der Unterstützung von externen Genehmigungsprozessen durch andere Behörden liegen. Dafür ist die Vorgabe spezifischer Anwendungsfälle vorgesehen. Der vorliegende Beitrag ist in sechs Abschnitten gegliedert. Im zweiten Abschnitt wird der aktuelle Stand der bautechnischen Prüfung, der BIM-basierten Tragwerksplanung und der modellbasierten Prüfungen erläutert. Im dritten Abschnitt wird die angewandte Methodik für die vorliegende Literaturrecherche beschrieben. Im vierten Abschnitt werden die Themen erklärt, die als aktuelle Schwerpunkte der Forschung und BIM-Anwendung in Bezug auf die Tragwerksplanung identifiziert wurden. Im fünften Kapitel werden die offenen Punkte für ein künftiges BIM-basiertes Prüfverfahren diskutiert. Im letzten Kapitel werden die wichtigsten Ergebnisse der Recherche und Diskussion zusammengefasst. 236 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Aktueller Stand der bautechnischen Prüfung von Ingenieurbauwerken nach der BIM-Methodik 2. Grundlagen 2.1 Bautechnische Prüfung In Deutschland dürfen Baumaßnahmen wie Neubau, Ersatzneubau, Instandsetzung, Instandhaltung und Rückbau nur durchgeführt werden, wenn deren Standsicherheit nachgewiesen ist [6], [7], [8]. Die spezifischen Anforderungen an die Standsicherheit sind in den Technischen Baubestimmungen vorgegeben [9], [10]. Da werden sowohl die aktuellen anerkannten Regeln der Technik als gültiges anzuwendende Regelwerk als auch punktuelle Ergänzungen und Anpassungen der Normen für spezifische Fälle oder örtliche Gegebenheiten definiert. Im Rahmen der Bauaufsicht wird die Einhaltung der öffentlich-rechtlichen Vorschriften von den zuständigen Bauaufsichtsbehörden der Bundesländer und spezifisch für die Eisenbahninfrastruktur vom Eisenbahn-bundesamt überwacht [6], [11], [12]. Die Durchführung der bautechnischen Prüfung wird in der Regel durch anerkannte Prüfingenieure, Prüfämter und Prüfsachverständiger-- nachfolgend „Prüfer“ genannt - wahrgenommen [6], [7], [12]. Die Hauptaufgabe der Prüfer als Verwaltungshelfer der Bauaufsichtsbehörde ist die Prüfung der Einhaltung des gültigen Regelwerkes. Im Regelfall erfolgt der gesamte Prüfprozess in Papierform. In einigen Ländern und Institutionen darf die bautechnische Prüfung auf digitalen Planunterlagen (z. B. pdf-Format) basieren. Die Anwendung von Fachmodellen ist diesbezüglich noch auf Forschungsprojekte beschränkt [13]. 2.2 BIM-basierte Tragwerksplanung Die Anwendung und das Potential der BIM-Methodik in der Tragwerksplanung wurden in den letzten 10 Jahren schrittweise intensiver untersucht. Im Jahr 2019 haben Vilutiene, Kalibatiene, Hosseini und Pellicer [14] eine sehr umfangreiche Literaturrecherche aus 369 Veröffentlichungen zu diesem Thema aus den Jahren 2003 bis 2018 erstellt. In diesem langen Zeitraum lag der Fokus der Forschung auf die Interoperabilität, die Kollaboration, die Automatisierung, die Datenanalyse und die Entwicklung von Verwaltungssystemen. Im Jahr 2021 haben Ciotta, Manfredi und Cosenza [15] weitere BIM-Anwendungen für die statische Berechnung, die Planableitung, die Bemessungsoptimierung, das Erdbeben-Risikomanagement, die Modellierung von Randbedingungen, die Instandsetzung und das Bauwerksmonitoring identifiziert. In einer weiteren Literaturrecherche von Fernandez-Mora, Navarro und Yepes [16] vom Jahr 2022 werden die aktuellsten Schwerpunkte der Forschung ergänzt um: Nachhaltigkeit, Lebenszyklus und Bestands-modellierung von Denkmalen (auf Englisch Heritage-BIM, HBIM). Für die BIM-basierte Tragwerksplanung nach den Leistungsphasen der HOAI schlägt Eisfeld [17] spezifische Anwendungsfälle vor, wie die Übernahme des Architekturmodells (bzw. des Fachmodells der Objektplanung) als Referenz für die statische Berechnung, die Ableitung von statischen Informationen aus dem Tragwerksmodells (bzw. des Fachmodells der Tragwerksplanung), die modellbasierte Freigabe der Schalung, die Realisierbarkeitsprüfung der geplanten Bewehrungs-führung und die Erstellung des As-Built-Modells. Trotz der rasanten Entwicklung der BIM- und FE-Software in den letzten Jahren liegen aktuell nicht die technischen Voraussetzungen für die Interoperabilität im Planungsprozess vor. Die automatische Übernahme aller erforderlichen statischen Informationen aus dem Fachmodell der Objektplanung für die Durchführung der statischen Berechnung ist in der Regel ohne die nachträgliche Anpassung oder Ergänzung in die FE-Software nicht möglich. Einige Software bieten die Möglichkeit an, die erforderlichen Anpassungen und Ergänzungen und sogar einfache Berechnungen bereits in die BIM-Umgebung vorzunehmen. Das kann für einfache oder vereinfachte statische Systeme ausreichend sein. Für Tragwerke, bei denen die Berücksichtigung von kinematischen Kopplungen, Federn und spezifischen Einwirkungen wie Kriechen und Schwinden, Temperatur oder Vorspannung maßgebend für die Bemessung ist, ist diese Methode ungeeignet. Die Komplexität und Art des Tragwerks ist für die Übermittlung von statischen Informationen zwischen den BIM- und FE-Softwares maßgebend. Während im Hochbau die Tragglieder auf Raster und Ebenen bezogen werden, werden die Bauteile von Ingenieurbauwerken auf Achsen und Gradienten definiert. Im Brückenbau sind Längs- und Querneigung der Regelfall. Wenn diese geometrischen Eigenschaften keinen maßgebenden Einfluss auf die Bemessung haben, werden diese in der Erstellung eines konventionellen FE-Modells nicht explizit berücksichtigt. Diese Vereinfachung in der Berechnung kann nicht in einem einzigen Fachmodell erfolgen. Eine Trennung zwischen den Fachmodellen der Objekt- und Tragwerksplanung ist in diesem Fall zwingend erforderlich. In einigen Softwaren ist diese Trennung aus technischer Sicht eingeschränkt möglich, indem ein anpassbares Berechnungsmodell das „physische“ Fachmodell der Objektplanung im Hintergrund begleitet. In Bezug auf Änderungen, die in der Planung solcher Bauwerke unvermeidbar sind, kann aktuell keine Software funktionale und uneingeschränkte Round-Trip-Workflows anbieten. Die Änderungen, die erst nach der Übermittlung des Fachmodells in die FE-Software vorgenommen werden, können nicht durch eine weitere Übermittlung des angepassten Fachmodells zurück in die BIM-Umgebung ohne das Risiko von Informationsverlust während des Austauschprozesses übernommen werden. 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 237 Aktueller Stand der bautechnischen Prüfung von Ingenieurbauwerken nach der BIM-Methodik Abb. 1: Beispiel eines Fachmodells der Objektplanung (oben) und des entsprechenden FE-Modells (unten) einer Stabbogenbrücke [18] Für die Berechnung von Ingenieurbauwerken ist in der Regel die Eingabe weiterer relevanten Informationen erforderlich, die erst nach der Übertragung in die FE-Software definiert werden können. Die Autoren schlagen für diese Informationen drei Kategorien vor: (1) spezifische Bauprodukte, Bauarten und Bauverfahren, (2) Einwirkungen und Lastgruppen für den Brückenbau und (3) rechnerische Bauzustände. Einige Beispiele für die erste Kategorie sind Lager (Randbedingungen, Feder), Komponenten des Verbundbaus (Schubkraftübertragung), Spannverfahren (Systemkomponenten, Verluste), Bauwerksverschub und Taktschiebeverfahren. In der zweiten Kategorie sind sowohl die Lastmodelle und die weiteren Komponenten der Lastgruppen (z. B. horizontale Lasten wie Anfahren und Bremsen und Seitenstoß) als auch die außergewöhnlichen Einwirkungen (z. B. Entgleisung und Anprall) gemeint. Die letzte Kategorie berücksichtigt die Bauzustände, in denen sich das statische System oder die Querschnitte der Tragglieder während der Bauausführung ändern. Nach Eingabe dieser Informationen in die FE-Software ist eine weitere Übertragung von statischen Informationen aus der BIM-Umgebung ohne Datenverlust nicht möglich. Darüber hinaus ist eine Übertragung dieser relevanten Informationen aus der FE-Software zurück in die BIM-Umgebung nach dem aktuellen Stand der Technik ebenfalls nicht möglich. Eine weitere technische Einschränkung für Bauwerke aus Stahl- oder Spannbeton bezieht sich auf die automatische Übernahme von Bemessungsergebnissen in die BIM-Software. Obwohl es bereits Initiativen gibt, Vorschläge für Bewehrungsführungen auf Grundlage der Bemessungsergebnisse in die BIM-Umgebung zu übernehmen, beschränkt sich dies aktuell auf einfache Geometrien des Hochbaus. In der Regel wird die Bewehrungsführung in die BIM-Software manuell erstellt. Im Fall komplexer Bewehrungsführungen kann die Realisierbarkeit z. B. in Bezug auf Kollisionen im 3D-Modell geprüft werden. 2.3 BIM-basierte Prüfungen Im Jahr 2020 wurde ein erstes Konzept für einen BIMbasierten Bauantrag in Deutschland im Rahmen eines Forschungsprojektes [19] untersucht. Es wurden zwei neue Datenstandards (XPlanung und XBau) und spezifische Anwendungsfälle für bauordnungs-rechtliche Verwaltungsverfahren definiert. Mit dem Format XPlanung sollen planungsrechtliche Informationen wie Planwerke der Raumordnung, Landes- und Regionalplanung, Bauleitplanung und Landschaftsplanung künftig für einen Bauantrag einheitlich abgebildet und ausgetauscht werden. Der digitale Bauantrag selbst und die weiteren Bauantragsunterlagen wie Standsicherheitsnachweise sollen für den Datenaustausch im Format XBau enthalten sein. Der Austausch von Fachmodellen soll durch das herstellneutrale IFC-Format erfolgen. Für die modellbasierte Prüfung des Bauantrages müssen die Fachmodelle spezifische Anforderungen an Geometrie und Semantik gemäß einer Modellierungsrichtlinie aufweisen. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden mehrere Beispielsprojekte vom Hochbau herangezogen und analysiert. Die Ergebnisse wurden in Workshops mit Behörden, Verbänden und Bundeskammern von Architekten, Bauingenieuren und Prüfingenieuren diskutiert. Der Nachfolger des BIM-basierten Bauantrags ist das Forschungsprojekts zur Digitalisierung der Musterbauordnung [20]. Die Musterbauordnung ist ein unverbindlicher Leitfaden für die Bauaufsicht von Gebäuden. Diese enthält u. a. Bauvorschriften und soll als Grundlage zur Vereinheitlichung der eigenen Landesbauordnungen dienen. Im Rahmen der Digitalisierung wurden die messbaren bauteilbezogenen Anforderungen der Musterbauordnung in logische Regeln übersetzt. Diese beziehen sich beispielsweise auf Gebäudeklassen, Höhen, Aufenthaltsräume, Nutzungseinheiten, Bruttogrundfläche und Nettoraumfläche. Die Konformität mit diesen Anforderungen sollen künftig im Fachmodell regelbasiert geprüft werden. Die Umsetzung wurde im Rahmen des Forschungsprojekts in einem fiktiven Gebäude bewertet. Zur Digitalisierung der Genehmigungsprozesse von Eisenbahninfrastruktur wurden die Nutzungs-voraussetzungen zur Anwendung der BIM-Methodik im Inbetriebnahmegenehmigungsverfahren [21] analysiert. Die Bedingungen zur Erteilung einer Genehmigung zur Inbetriebnahme von Anlagen des regelspurigen Eisenbahnsystems im Zuständigkeitsbereich des Eisenbahn- Bundesamt (EBA) sind in der Eisenbahn-Inbetriebnahmegehemigungsverordnung (EIGV) [22] geregelt. Für 238 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Aktueller Stand der bautechnischen Prüfung von Ingenieurbauwerken nach der BIM-Methodik den Antrag fordert der Gesetzgeber das Einreichen der Antragsunterlagen in Papierform. Dennoch lässt er das Einreichen dieser Unterlagen in digitaler Form zu. Dafür wurde ein elektronischer Dienst (E-Service) eingerichtet, der in der Praxis jedoch keine Anwendung seitens des Auftragstellers findet [21]. Das unterstützt auch keine BIM-Anwendungen. Die technischen Voraussetzungen für die Implementierung der BIM-Methodik in den Genehmigungsprozessen sind sowohl die Anpassung und Erweiterung der bestehenden IT-Infrastruktur und -verfahren (z. B. das Dokumentenmanagement- und Workflowsystem im EBA, DOWEBA) als auch die Schaffung einer eigenen gemeinsamen Datenumgebung (auf Englisch Common Data Environment, CDE). Die mittel- und langfristigen Ziele des EBA für digitale Genehmigungsprozesse sind die Visualisierung und automatische Prüfung von Modellen und die Schaffung eines einheitlichen Nutzungsrahmens für die elektronische Signatur. Bezüglich der Standsicherheit von Bauwerken schlagen Ciotta, Ciccone, Asprone, Manfredi und Cosenza [23] einen ersten Ansatz für die regelbasierte Prüfung von Gebäuden aus Stahlbeton in Erdbebengebieten vor. Es wurde die Integration von Informationen aus der statischen Berechnung in das IFC-Format untersucht. Aufgrund technischer Einschränkungen des IFC-Formats zum Zeitpunkt der Untersuchung im Jahr 2021 wurde dies nicht weiterverfolgt. Stattdessen wurde die Integration dieser Informationen in einen externen Datencontainer (auf Englisch Information Container Data Drop, ICDD) gemäß ISO 21597 als sinnvolle Variante bewertet. Somit werden die statischen Informationen mit dem Fachmodell verknüpft. Auf dieser Grundlage soll eine automatische regelbasierte Konformitätsprüfung mit dem Regelwerk erfolgen. In [24] erweitern Ciccone, Ciotta und Asprone diesen Ansatz mit der Integration von Ausnutzungsgraden aus der statischen Berechnung in das IFC-Format. Dafür werden benutzerdefinierte Eigenschaftssätze (auf Englisch Property Sets, IfcPropertySet) und neue Definitionen für die Modellvisualisierung (auf Englisch Model View Definition, MVD) erstellt. Die Integration beschränkt sich auf die maßgebenden Ausnutzungsgrade auf punktuellen Stellen der Tragglieder im Fachmodell. 3. Methodik Die vorliegende Literaturrecherche wurde in zwei Phasen durchgeführt. In der ersten Phase lag der Fokus auf nationalen und internationalen wissenschaftlichen Arbeiten und Veröffentlichungen, die über BIM-basierte Tragwerksplanungen und bautechnische Prüfungen, regelbasierte Prüfungen mit Bezug auf die Tragwerksplanung, Interoperabilität und Datenaustausch berichten. Die Recherche wurde auf drei Sprachen (Englisch, Deutsch und Spanisch) beschränkt. In der zweiten Phase wurde die aktuelle technische und rechtliche Umsetzung in Deutschland anhand von BIM-Strategien, Masterplänen, Handbüchern unterschiedlicher Akteure untersucht. Es wurden insgesamt 65 Dokumenten konsultiert. 4. Ergebnisse Die nachfolgenden Themen stellen die aktuellen Schwerpunkte der Forschung und Anwendung der BIM-Methodik in Bezug auf die Tragwerksplanung und Prüfverfahren dar. 4.1 Datenaustausch Für die Realisierung öffentlicher Infrastrukturprojekte setzt der Stufenplan Digitales Planen und Bauen einen offenen und neutralen Datenaustausch (OpenBIM-Ansatz) für die BIM-Anwendung voraus [1]. Das ist auch verbindlich für den Datenaustausch im Rahmen der Tragwerksplanung (z. B. für statische Berechnung und Nachweisführung). Einige Beispiele von herstellerneutralen Formaten für den Datenaustausch auf dem deutschen Markts sind IFC (auf Englisch Industry Foundation Classes), OKSTRA, GAEB DA, XBau und XPlanung [25]. Für den spezifischen Austausch von Fachmodellen wurden das IFC-Format und die dazugehörigen Definitionen für die Modellvisualisierung (MVD) von der internationalen Non-Profit-Organisation buildingSMART entwickelt. Die Fachmodelle und ihre Bestandteile werden durch geometrische und semantische Eigenschaften objektorientiert beschrieben. Da das IFC-Schema sehr umfangreicht und komplex ist, sind die Eigenschaftssätze in Domänen, Ebenen, Klassen und Subklassen hierarchisch gegliedert. Jedes Objekt im Fachmodell weist eine eigene unduplizierbare Identifizierungsbezeichnung (auf Englisch Globally Unique Identifier, GUID) auf. Das IFC-Format bietet auch die Beschreibung von Beziehungen zwischen Objekten an, um „intelligente“ Fachmodelle zu erstellen [26]. Nach der Veröffentlichung der Version IFC4 wurde das Format als Standard ISO 16739 offiziell aufgenommen. Die Domäne IfcStructuralAnalysisDomain des IFC-Schemas ist spezifisch für die Tragwerksplanung vorgesehen. Hier werden das Berechnungsmodell (in der Fachliteratur auch als Tragwerksmodell bezeichnet) und weitere statische Informationen wie Auflagerbedingungen, Lasten, Schnittgrößen und Verformungen beschrieben [27]. Ab der Version IFC4.3 wurde das IFC-Schema für Ingenieurbauwerke wie Brücken und Tunnel erweitert. Das berücksichtigt die Beschreibung spezifischer Brückenbzw. Überbauarten wie Platten, Balken, Plattenbalken, Hohlkasten, Rahmen und Durchlässe. Die nachfolgenden BIM-Anwendungsfälle für die Tragwerksplanung wurden aufgrund deren Komplexität in der Erweiterung nicht weiter berücksichtigt: Datenaustausch von modifizierbaren Objekten des Berechnungsmodells, statische Berechnung, Konformitätsprüfung mit dem Regelwerk und Planableitung [28]. Durch die Definitionen für die Modellvisualisierung (MVD) werden spezifische Teile des IFC-Schemas nach Bedarf exportiert. Mit der MVD für die BIM-Koordination (auf Englisch Coordination View) ist die Übertragung von geometrischen und semantischen Eigenschaften der Fachmodelle möglich. In der Regel kann die übertragene Geometrie der Objekte nach dem Export nicht mehr modifiziert werden. Für die nachträgliche Modifizierung der 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 239 Aktueller Stand der bautechnischen Prüfung von Ingenieurbauwerken nach der BIM-Methodik Geometrie ist die MVD für die BIM-Planung (auf Englisch Design Transfer) vorgesehen. Aufgrund technischer Einschränkungen findet diese MVD bei Infrastrukturprojekten keine Anwendung. Für den Austausch von spezifischen Informationen für die statische Berechnung von Bauwerken wie Tragglieder, Randbedingungen und Einwirkungen wurde die MVD für BIM-Tragwerksplanung (auf Englisch Structural Analysis View) entwickelt [29]. Im Rahmen der Erweiterung des IFC-Schemas wurden zwei zusätzliche MVD spezifisch für Brücken veröffentlicht: (1) MVD für Brückenreferenzierung (auf Englisch Bridge Reference View) und (2) MVD für Brückenplanung (auf Englisch Bridge Design Transfer View) [28]. Abb. 2: Beispiel eines Fachmodells einer Eisenbahnbrücke im Hbf. Hannover nach dem IFC-Export [30] Ein weiteres Austauschformat ist das auf Initiative der Nemetschek Gruppe entwickelte SAF (auf Englisch Structural Analysis Format). Dies ist ein Excel-basiertes Format für den spezifischen Austausch von relevanten Informationen für die Tragwerksplanung [31]. Die erste Version wurde im Jahr 2019 veröffentlicht. In der aktuellen Version können die Eigenschaften von Stab- und Flächenelementen, Auflagerbedingungen, Gelenken, Lasten, Lastgruppen, Lastfällen, Lastkombinationen und Schnittgrößen gespeichert werden. Der objektorientierte Auf bau des SAF-Schemas in Excel erleichtert für den Anwender die Nachvollziehbarkeit und Prüfung der auszutauschenden Informationen. Im Jahr 2021 hat Dlubal [32] die Eignung des SAF für eine BIM-basierte Tragwerksplanung untersucht. Das Format erfüllt aktuell nicht alle Voraussetzungen für den neutralen Datenaustausch nach dem OpenBIM-Ansatz. Entwicklung und Pflege der Spezifikation des SAF erfolgen nicht durch neutrale Gremien. Die Anwendung ist nicht normiert. Eine weitere Möglichkeit für den offenen und neutralen Datenaustausch ist die Verknüpfung von Daten mit den Fachmodellen in einem externen Datencontainer (ICDD) gemäß ISO 21597. 4.2 Regelbasierte Prüfung Die automatische Konformitätsprüfung von Planungen mit dem Regelwerk wird seit mehr als 30 Jahren erforscht [33]. In den letzten 15 Jahren lag der Schwerpunkt auf der regelbasierten Prüfung von Fachmodellen. Das ist die maschinelle Bewertung anhand von Algorithmen, ob die geometrischen und semantischen Eigenschaften der Objekte in den Fachmodellen vordefinierten Bedingungen erfüllen. In Bezug auf die Prüfung der Standsicherheit muss die Konformität mit dem Regelwerk in logischen und lesbaren Bedingungen übersetzt werden [34]. Weitere aktuelle Anwendungen sind die Identifizierung von Sicherheitsrisiken [35], die Sicherheitsprüfung von Bauzuständen [36], die Vollständigkeitsprüfung von Fachmodellen in Bezug auf den Datenaustausch für die Tragwerksplanung [37] und die Digitalisierung von Prüfprozessen für Bauanträge [19], [20] und [38]. Diese Anwendungen fokussieren sich ausschließlich auf den Hochbau. Es gibt in vielen Bereichen noch erheblichen Forschungsbedarf [39]. 4.3 Rechtlicher Rahmen Die Anwendung von Fachmodellen als Grundlage für die bautechnische Prüfung von Bauwerken ist in Deutschland nicht geregelt. Für die Festlegung eines gültigen rechtlichen Rahmens ist die Klärung von drei maßgebenden Themen bzgl. der Anwendung von Fachmodellen zwingend erforderlich: (1) Datensouveränität, (2) Validierung und Legitimierung durch digitale Signatur und (3) Zulässigkeit im Prüfverfahren. Im Gegensatz zum materiellen Eigentum gibt es aus rechtlicher Sicht keine klare Definition für das Dateneigentum. Die Datensouveränität beschreibt die Randbedingungen zum Schutz des Dateneigentums [40]. Mit der Einführung des Europäischen Datenverwaltungsaktes (auf Englisch Data Governance Act, DGA) soll ein rechtlicher Rahmen für den Austausch und die Nutzung von Daten geschaffen werden. Es werden drei Rollen definiert: Dateninhaber, Datennutzer und Datenmittler. Die Dateninhaber gewähren den Datennutzern den Zugang auf Daten für einen spezifischen Zweck. Die Datenmittler bieten Dienste für den Datenaustausch zwischen Dateninhabern und Datennutzern an [41]. Im Sinne der Datensouveränität gibt der Europäische Datenverwaltungsakt (DGA) die strikte Trennung zwischen Bereitstellung, Nutzung und Vermittlung von Daten vor. Das gilt nicht, wenn der Austausch und die Nutzung von Daten innerhalb spezifischer Phasen eines Projektes zwischen den Parteien vertraglich geregelt sind [42]. Bei der Anwendung von Fachmodellen in einem Prüfverfahren kann die Datensouveränität entweder durch die Erfüllung der Vorgaben des Europäischen Datenverwaltungsakts (DGA) oder vertraglich zwischen den Bauherrn, den Planern und den Prüfern gewährleistet werden. Im aktuellen Prüfverfahren werden die Ergebnisse der bautechnischen Prüfung, die Freigabe zur Bauausführung und ggf. die Auflagen für die Freigabe der Planunterlagen in einem Prüf bericht dokumentiert. Die Validierung und die Legitimierung des Prüf berichtes erfolgen durch den grünen Stempel zur Anerkennung des Prüfers und die Unterschrift des Prüfers. Im Fall digitaler Planunterlagen (z. B. pdf-Format) werden die Validierungs- und Legitimierungsprozesse durch qualifizierte elektronische Sig- 240 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Aktueller Stand der bautechnischen Prüfung von Ingenieurbauwerken nach der BIM-Methodik natur (auf Englisch Qualified Electronic Signature, QES) gemäß EU-Regularien für die elektronische Identifizierung (eIDAS 2014) aus rechtlicher Sicht abgedeckt [13]. Die Validierung und die Legitimierung von Fachmodellen befinden sich aktuell noch in der Forschung. 4.4 Anwendungsfälle Die Umsetzung der BIM-Methodik während des gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks wird zielorientiert in spezifischen Anwendungsfällen beschrieben. In Bezug auf die BIM-basierte Tragwerksplanung ist der Bedarf eines spezifischen Anwendungsfalls für die künftige modellbasierte Nachweisführung und Bemessung von Bauwerken sowohl im Masterplan BIM für Bundesfernstraßen [43], [44] als auch im Master BIM für Bundesbauten [4] erkannt worden. Für die Straßenbrücken werden weitere Anwendungsfälle für die Bauwerksprüfung, die Nachrechnung von bestehenden Bauwerken, die Schwertransporte (inkl. Berechnungsstufen und Lastbilder), die Instandsetzung und die Erneuerung von Bauwerken beschrieben [45]. Die wissenschaftliche Begleitung von BIM-Projekten im Bereich des Infrastrukturbaus [39] empfiehlt die Erstellung eines Kataloges von Anwendungsfällen mit Bezug auf die Leistungsphasen. 5. Diskussion In [23] und [24] wird ein erster Ansatz für die regelbasierte Prüfung von Fachmodellen bzgl. der Standsicherheit von Bauwerken vorgeschlagen. Für den Datenaustausch werden die statischen Informationen objektbasiert mit den Fachmodellen in einem externen Datencontainer (ICDD) verknüpft. In der Regel ist die Anzahl an Unterlagen (z. B. Berechnungsprotokolle), die zur bautechnischen Prüfung eingereicht werden müssen, immens. Beispielsweise werden die Diagramme der Schnittgrößen als pdf-Format gespeichert. Das sind keine „intelligente“ Informationen, die in einer regelbasierten Prüfung genutzt werden können. Die Qualität und die Lesbarkeit der Diagramme sind projektspezifisch sehr unterschiedlich. Die Nachvollziehbarkeit der eingereichten Unterlagen wird im Vergleich zum konventionellen Prüfprozess damit nicht verbessert. Eine Alternative dazu ist die Anwendung von Metadaten. Das setzt voraus, dass die FE- Software die Berechnungs- und Bemessungsergebnisse objektbasiert als Metadaten exportieren kann. Die Verknüpfung mit den Fachmodellen kann analog zum Ansatz von Taraben, Hallermann, Kersten, Morgenthal und Rodehorst [46] mit der unduplizierbaren Identifizierungsbezeichnung der Objekte (GUID) automatisch oder nachträglich erstellt werden. Auf dieser Grundlage können die Informationen in einem Prüfprozess nach bestimmten Kriterien sortiert und bewertet werden. Da in [23] und [24] der Fokus auf der Bemessung von Gebäuden aus Stahlbeton in Erdbebengebieten lag, beziehen sich die Ergebnisse auf Ausnutzungsgrade. Im Regelfall werden die Bemessungsergebnisse von Bauteilen aus Stahlbeton auf die mind. erforderliche Bewehrung im Querschnitt bezogen. Diese Information kann nicht in einer einzigen Anzahl analog zu den Ausnutzungsgraden punktuell im Fachmodell beschrieben werden. Die aktuellen gültigen Grundlagen für die bautechnische Prüfung sind ausschließlich Planunterlagen in Papier- oder in digitaler Form (in der Regel als pdf-Format). Die Anwendung von Fachmodellen in BIM-basierten Prüfverfahren muss künftig im Regelwerk explizit zugelassen werden. Die Voraussetzung für die Zulassung ist es, dass die Anforderungen, die Randbedingungen, die Einschränkungen und die Prozesse für die Anwendung von Fachmodellen geklärt sind. Die Anwendung von Fachmodellen soll künftig nicht auf die bautechnische Prüfung eingeschränkt werden. Der Einstig in BIM-basierte Prüfprozesse soll die Einbindung von Fachmodellen als Grundlage für das gesamte bauaufsichtliche Prüfverfahren berücksichtigen. In einer konventionellen Planung werden die Bauwerke anhand von Draufsichten, punktuellen Schnitten und Ansichten beschrieben. Diese geometrische Beschreibung der Bauwerke in zwei Dimensionen ist die Grundlage für die bautechnische Prüfung, die Freigabe zur Bauausführung und die Übereinstimmungskontrolle vor Ort durch die Bauüberwachung. Diese Vorgehensweise setzt voraus, dass die zweidimensionale Darstellung der Bauwerke die maßgebenden Stellen des statischen Systems berücksichtigt. Die restlichen Bereiche außerhalb dieser zweidimensionalen Beschreibung werden in der bautechnischen Prüfung nicht explizit freigegeben. In einem BIM-basierten Prüfverfahren wird das Bauwerk nicht auf zwei Dimensionen reduziert. Im Regelfall soll die Standsicherheit eines dreidimensionalen Fachmodells geprüft werden. Wenn es Bauzustände gibt, die einen Einfluss auf die Standsicherheit, die Betriebssicherheit oder die Verkehrssicherheit haben, erweitert sich das Fachmodell mit den Bauphasen auf vier Dimensionen. Die statische Berechnung von mehrdimensionalen Tragwerken ist mit der aktuellen Technik nicht außergewöhnlich. Die Herausforderung besteht darin, die Übereinstimmung mit dem freigegebenen mehrdimensionalen Bauwerk auf der Baustelle zu kontrollieren. Aus diesem Grund schlagen die Autoren für einen künftigen BIMbasierten Prüfprozess eine bauteilbezogene Freigabe im Fachmodell vor. Somit kann das Bauwerk wieder für die Bauüberwachung vor Ort entkoppelt werden. Für die Validierung und Legitimierung des BIM-basierten Prüfverfahrens sind mehrere Ansätze denkbar. Ein pragmatischer Ansatz ist die von den Autoren vorgeschlagene bauteilbezogene Freigabe im Fachmodell. Die geprüften und freigegebenen Bauteile können anhand der unduplizierbaren Identifizierungsbezeichnung der Objekte (GUID) im Prüf bericht aufgenommen werden. Mit einer bauteilbezogenen Versionierung auf semantischer Ebene wird der aktuelle Prüfstand in Bezug auf die Umsetzung von Prüfanmerkungen oder bei Planungsänderungen sowohl im Fachmodell als auch im Prüf bericht registriert. Die Verknüpfung zwischen den Bauteilen und dem digitalen Prüf bericht kann entweder in einem externen Datencontainer (ICDD) oder mit einem alphanumerischen Code als Attribut der Bauteile erstellt werden. Somit behält der digitale Prüf bericht mit qualifizierter 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 241 Aktueller Stand der bautechnischen Prüfung von Ingenieurbauwerken nach der BIM-Methodik elektronischer Signatur (QES) seinen aktuellen gültigen rechtlichen Status. Wenn ein Bauteil zur Bauausführung freigegeben wird, darf die Geometrie und die weiteren statischen und konstruktiven Komponenten des Bauteils wie Bewehrung, Schraub- und Schweißverbindungen ohne die Zustimmung des Prüfers nicht mehr geändert werden. Durch einen neutralen Datenaustausch mit dem IFC-Format und der entsprechenden Definition für die Modellvisualisierung (MVD) ist eine nachträgliche Änderung des IFC-Modells nicht möglich. Die Nachvollziehbarkeit von Änderungen wird durch die Versionierung der Bauteile und Fachmodelle sichergestellt. In Bezug auf den offenen und neutralen Datenaustausch für künftige BIM-basierte Prüfverfahren sind drei Szenarien denkbar: (1) die Integration von statischen Informationen in die aktuelle Version des IFC-Formats, (2) die Verknüpfung von Metadaten mit den Fachmodellen in einem externen Datencontainer (ICDD) und (3) die Ergänzung des IFC-Formats mit dem Excel-basierten SAF. Die Anwendung des SAF ist eine praxisnahe Alternative, wenn die Voraussetzungen für den neutralen Datenaustausch nach dem OpenBIM-Ansatz erfüllt sind. 6. Zusammenfassung Für die künftige Realisierung öffentlicher Infrastrukturprojekte wird die Umsetzung der BIM-Methodik als Regelprozess mit einem offenen und neutralen Datenaustausch gefordert. Aktuell liegen die technischen Voraussetzungen für die Interoperabilität zwischen BIM- und FE-Softwaren nach dem OpenBIM-Ansatz für ein BIM-basiertes Prüfverfahren nicht ausreichend vor. Die Anwendung von Fachmodellen als Grundlage für die bautechnische Prüfung von Bauwerken ist in Deutschland nicht geregelt. Das muss künftig im Regelwerk explizit zugelassen werden. Die Anforderungen, die Randbedingungen, die Einschränkungen und die Prozesse für die Anwendung von Fachmodellen sind Voraussetzungen für die Standardisierung. Für einen künftigen BIM-basierten Prüfprozess schlagen die Autoren eine bauteilbezogene Freigabe im Fachmodell vor. Die regelbasierte Konformitätsprüfung mit dem Regelwerk ist ein aktuelles Thema sowohl für die Forschung als auch für den kommerziellen Zweck in Deutschland. Die Prüftätigkeit und die fachkundige Bewertung eines anerkannten Prüfers kann nicht durch die Anwendung einer regelbasierten Prüfung von Fachmodellen ersetzen werden. Stattdessen soll diese den Prüfprozess künftig unterstützen. Literatur [1] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: Stufenplan Digitales Planen und Bauen, Berlin 2015. https: / / www.bundesregierung.de/ bregde/ service/ publikationen/ stufenplan-digitales-planen-und-bauen-730980, abgerufen am: 28.03.2024 [2] DB AG: BIM-Strategie Implementierung von Building Information Modeling (BIM) im Vorstandsressort Infrastruktur der Deutschen Bahn AG, 2022. https: / / www.deutschebahn.com/ de/ konzern/ bahnwelt/ bauen_bahn/ BIM-6875938, abgerufen am: 28.03.2024. [3] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: Masterplan BIM Bundesfernstraßen. Digitalisierung des Planes, Bauens, Erhaltens und Betriebens im Bundesfernstraßenbau mit der Methode Building Information Modeling (BIM), 2021. https: / / www.bmdv.bund.de/ SharedDocs/ DE/ Artikel/ StB/ masterplan-bim-bundesfernstrassen. html, abgerufen am: 28.03.2024. [4] Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat: Masterplan BIM für Bundesbauten. Erläuterungsbericht, 2021. https: / / www.bmi.bund.de/ SharedDocs/ downloads/ DE/ veroeffentlichungen/ 2021/ 10/ masterplan-bim.pdf? __blob=publicationFile&v=3, abgerufen am: 28.03.2024. [5] Bundesministerium der Verteidigung u. Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen: Umsetzungsstrategie BIM für Bundesbauten, 2023. https: / / www.bimdeutschland.de/ service/ downloads#c647, abgerufen am: 28.03.2024. [6] DIBt: Musterbauordnung. MBO. 2022. [7] Bundesministerium der Justiz: Allgemeines Eisenbahngesetz. AEG. 2023. [8] Bundesministerium der Justiz: Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung. EBO. 2019. [9] 2023-05. 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