Kolloquium Bauen in Boden und Fels
kbbf
2510-7755
expert verlag Tübingen
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Erfahrungen zur 3D-, 4D- und 5D-Ebene im Rahmen der praktischen Anwendung von BIM bei der Planung einer tiefen Baugrube
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Janosch Sauerbrey
Jürgen Schmitt
Hendrik Ramm
Der Beitrag beschreibt die Erkenntnisse und Erfahrungen bei der Modellierung der 3D-, 4D- und 5D-Ebenen im Rahmen der BIM-Planung einer tiefen Baugrube. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der praktischen Einbindung von geotechnischer Berechnungssoftware und der Modellierung der Bauzeiten und Baukosten.
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13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 361 Erfahrungen zur 3D-, 4D- und 5D-Ebene im Rahmen der praktischen Anwendung von BIM bei der Planung einer tiefen Baugrube Janosch Sauerbrey M. Eng. CDM Smith Consult GmbH, Nürnberg, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmitt Hochschule für angewandte Wissenschaften Darmstadt, Darmstadt, Deutschland Dr.-Ing. Hendrik Ramm CDM Smith Consult GmbH, Bickenbach, Deutschland Zusammenfassung Der Beitrag beschreibt die Erkenntnisse und Erfahrungen bei der Modellierung der 3D-, 4D- und 5D-Ebenen im Rahmen der BIM-Planung einer tiefen Baugrube. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der praktischen Einbindung von geotechnischer Berechnungssoftware und der Modellierung der Bauzeiten und Baukosten. 1. Einleitung Building Information Modelling ist eine Arbeitsmethodik, bei der ein digitales Modell eines Bauvorhabens mit allen im gesamten Lebenszyklus benötigten Daten erstellt wird. Für ein Bauwerksmodell werden aufeinander aufbauende Dimensionen definiert. Diese beschreiben die nD-Ebenen für den gesamten BIM Lebenszyklus. In Tabelle 1 sind die Ebenen für Projekte in der Geotechnik basierend auf [1] dargestellt. Tab. 1: Ebenen in der Geotechnik Ebene Bestandteile 3D - Dreidimensionale, digitale Abbildung - des Verbaus mit zusätzlichen Bau- - teilinformationen - Kollisionsprüfung 4D - Verknüpfung von in Zeitplänen dar-gestellten Bauaktivitäten (Bauzeitendauer aus dem Modell) - Simulation des Bauprozesses - Bewertung von Baubarkeit und Arbeitsablaufplanung 5D - Generieren von modellbzw. - objektbasierten Kostenbudgets im Zeitverlauf 7D - Nachhaltigkeitskomponente (In der Geotechnik z. B. in Bezug auf Boden und Grundwasserkontamination) 8D - Entwurfs- und konstruktionsrelevante Sicherheitsaspekte So wird das 3D-Modell z. B. in der 4D-Ebene um den Zeitfaktor und in der 5D-Ebene mit den dazugehörigen Kosten ergänzt. Während im Umgang mit der geometrischen 3D-Modellierung im Bereich der Geotechnik mittlerweile ausreichende Erfahrungen vorliegen, sind die praktischen Erfahrungen mit der 4D- und 5D-Ebene 362 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Erfahrungen zur 3D-, 4D- und 5D-Ebene im Rahmen der praktischen Anwendung von BIM bei der Planung einer tiefen Baugrube nur sehr spärlich. Im Rahmen der praktischen Anwendung wurde für das BIM-Modell einer tiefen Baugrube ein durchgängiger digitaler Planungsprozess durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse bei der Einbindung von geotechnischer Berechnungssoftware in der 3D-Ebene sowie den Erfahrungen bei der Modellierung der 4D- und 5D-Ebenen werden im Rahmen des Beitrages vorgestellt, erläutert und bewertet. Insbesondere wird dabei ein Augenmerk auf die Schnittstellen der einzelnen Softwareapplikationen gelegt. 2. Verwendete Softwareapplikationen Für die nD-Modellierung wurden verschiedene Softwareapplikationen verschiedener Softwarehersteller verwendet. In Tabelle 2 sind die einzelnen Softwareapplikation und deren Einsatz in den verschiedenen Ebenen aufgeführt. Tab. 2: Übersicht verwendete Softwareapplikationen Software Version Software-hersteller Ebene Einsatz Civil 3D 2019 Autodesk 3D Gelände- und Baugrundmodellierung Holebase SI (jetzt: OpenGround) 2019 Keynetix (jetzt: Bentley Systems) 3D Zusatzmodul für einfachere und effizientere Baugrundmodellierung Revit 2020 Autodesk 3D Modellierung des Verbaus Navisworks 2020 Autodesk 3D Übersichtliche 3D-Darstellung des Baugrundmodells DC-Integra 5.0 DC-Software 3D Modellierung des Verbaus für nachfolgende Bemessung DC-Baugrube 7.64 DC-Software (8D) Bemessung des Verbaus Plaxis 2D 20.3.0.60 Bentley Systems (8D) Finite-Element-Berechnung des Verbaus Sofistik Re-inforcement Detailing 2020 Sofistik 3D Zusatzmodul für einfachere Bewehrungsmodellierung iTwo 2020 RIB Software 4D, 5D Bauzeiten- und Baukostenplanung 3. Angaben zum Bauprojekt und zur tiefen Baugrube Im Rahmen eines Projektes, bei dem ein Gebäudekomplex aus vier Gebäuden mit Bauwerkshöhen bis zu 75 m errichtet werden soll, wurde eine tiefe Baugrube geplant. Die Grundfläche der Baugrube beträgt ca. 10.000 m² (ca. 145 m x 75 m). Die Baugrube wurde mit einer Tiefe von maximal ca. 8 m geplant. Aufgrund der Nähe zu einem Fluss steht ein hoher Grundwasserspiegel an, so dass sich die Baugrube ca. 3 m im Grundwasser befindet. Daher wurde bei der Baugrube eine Bohrpfahlwand, die wassersperrend ist, als Verbau vorgesehen. In Bereichen ist auf die Bohrpfahlwand eine 2 m hohe Trägerbohlwand aufgesetzt. Außerdem wird die Bohrpfahlwand in tiefen Bereichen mit einer Ankerlage gesichert. Die Fläche wurde vorher industriell genutzt. Somit waren bei der Planung auch die umwelttechnische Randbedingungen von besonderer Bedeutung. 4. 3D-Modellierung Die Baugrubenplanung erfolgte durch eine 3D-Modellierung. Mit der Software Civil 3D wurde zuerst ein Modell des bestehenden Geländes erstellt (s. Abb. 1). Abb. 1: Geländemodell für die Verbauplanung Dieses Modell wurde als Grundlage für die weiteren Modelle verwendet. Die Daten der Bohrungen aus der der Baugrunduntersuchung wurden mit der Software Holebase SI in die Software Civil 3D überführt. Dort wurde 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 363 Erfahrungen zur 3D-, 4D- und 5D-Ebene im Rahmen der praktischen Anwendung von BIM bei der Planung einer tiefen Baugrube mit Hilfe von Schnitten das geotechnische Baugrundmodell konstruiert (s. Abb. 2). Abb. 2: Dreidimensionale Darstellung des Baugrundmodells Ebenso wurde das umwelttechnische Baugrundmodell mit der gleichen Herangehensweise erstellt. Bei der Baugrunduntersuchung wurden Daten zur LAGA-Bodenklassifizierung sowie zur Grundwasser- und Bodenluftbelastung gesammelt, die in das umwelttechnische Baugrundmodell überführt wurden (s. Abb. 3). Abb. 3: Umwelttechnisches Baugrundmodell Abschließend wurde neben einem Baugrubenmodell in Civil 3D, auch ein Modell des Baugrubenverbaus mit der Software Revit erstellt (s. Abb. 4). Abb. 4: 3D Modell des Verbaus 5. Geotechnische Berechnung Zur Dimensionierung und geotechnischen Bemessung des Baugrubenverbaus wurden zwei Softwareapplikationen, DC-Baugrube und Plaxis, angewendet. Die DC-Baugrube ist eine Software, die für die Erstellung von Standsicherheitsnachweisen und die Bemessung von Baugrubenverbauten verwendet wird. Plaxis ist ein universell einsetzbares Programm, das mit der Finite Elemente-Methode Spannungen und Verschiebungen im Baugrund ermittelt. Für die Anwendung DC-Baugrube mussten die Daten des Verbaus zuerst in das Tool DC-Integra übertragen werden. In DC-Integra kann der Lageplan der Baugrube als dxf-Datei sowie Geländepunkte als txt-Datei eingeladen werden. Sowohl der Verbau als auch einfache Baugrundmodelle können auf Basis dieser Grundlagen in DC-Integra modelliert werden. Aus dem Modell können Schnitte erzeugt werden, anhand derer die Bemessung in DC-Baugrube durchgeführt werden kann. Das 3D-Modell (ohne die Bewehrung) kann über das IFC-Format in Revit überführt werden. Die Abbildung 5 zeigt beispielhaft eine solche IFC-Datei (blau) in dem Modell des Verbaus in Revit. Abb. 5: IFC-Export aus DC-Integra Ein sehr interessanter Ansatz, mit dem die DC-Software effizient genutzt werden könnte, wäre es, zu Beginn des Projektes den Verbau zuerst in DC-Integra zu modellieren, die verschiedenen Positionen zu bemessen und den Verbau abschließend als IFC-Datei zu exportieren. Diese IFC-Datei könnte dann in Revit importiert und nachmodelliert werden und für die folgende Planung weiterverwendet werden. Ein Baugrundmodell für die Bemessung mit der DC-Software zu erstellen, ist nicht effizient. Es ist jedoch sinnvoll, die bereits vorhandenen Bohrpunkte in DC-Integra zu importieren, damit mit diesen und den dazugehörigen Bohrprofilen der Baugrund zumindest grob modelliert werden kann. In der Tabelle 3 ist eine Bewertung der DC-Software dargestellt. 364 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Erfahrungen zur 3D-, 4D- und 5D-Ebene im Rahmen der praktischen Anwendung von BIM bei der Planung einer tiefen Baugrube Tab. 3: Bewertung der DC-Software Positiv Negativ Vordefinierte Verbauarten (kombinierbar) Import von Baugrundmodell benutzerunfreundlich, bei vielen Geländepunkten nicht sinnvoll Einfache Handhabung der Funktionen Modellierung des Baugrunds aufwendig Schnelle und einfache Bemessung der Bauteile Objektfang für Punkte aus dxf-Lageplänen funktioniert nicht durchgängig Schnelle und einfache Ergebnisausgabe In Teilen unübersichtliche Bedienelemente Alle erforderlichen Nachweise werden automatisch erstellt und können auf Plausibilität überprüft werden Berechnungsparameter nicht komplett in DC-Integra darstellbar -> Anpassungen des Berechnungsschnitts noch erforderlich Ermittelter Verbau exportierbar Viele Dateien (unübersichtliche Ordner) Neben der DC-Software wurde auch das Programm Plaxis 2D bzw. Plaxis 3D im Hinblick auf die potenzielle Nutzung in einem BIM-Projekt untersucht. Dazu wurde ein Schnitt aus Revit in Plaxis importiert und berechnet (s. Abb. 6). Abb. 6: Berechneter Querschnitt in der Software Plaxis 2D Der Import ist jedoch nicht direkt möglich. Aus Revit muss der Schnitt als dxf-Datei exportiert werden, in Autocad angepasst werden und kann dann erst in Plaxis eingefügt werden. Außerdem ist anzumerken, dass hiermit nur die Geometrie aus dem Modell übernommen wird. Die Bodenparameter müssen in Plaxis eingearbeitet werden. Weiterhin können die Daten aus Plaxis nicht in Revit zurückgeführt werden. In der Tabelle 4 ist eine Bewertung von Plaxis dargestellt. Tab. 4: Bewertung von Plaxis 2D Positiv Negativ Jegliche Art von dxf-Datei ist importierbar Kein Export des Verbaus möglich Import von IFC-Datei möglich Ergebnisausgabe nur einzeln möglich und zeitaufwendig Einfache Handhabung der Funktionen Nachweise nicht als Ergebnis ausgebbar Übersichtliches Arbeitsfenster Ungenauigkeiten oder doppelte Linien in der dxf-Datei führen zu Problemen in Plaxis, deren Lösung teils aufwendig ist Universelle geotechnische Berechnungen möglich Überführung von Revit in Plaxis aufwendig Baugrundmodell gut integrierbar Plaxis kann während des gesamten Planungsprozesses immer wieder verwendet werden, um bestimmte Verschiebungen im System zu berechnen. Der Import der Geometrien ist jedoch aufwendig und die Ergebnisse können nicht automatisch, sondern nur manuell, in das zentrale Modell zurückgeführt werden. Es ist aber auch hier zu hinterfragen, ob es sinnvoll ist, die Ergebnisse aus Plaxis in das Zentralmodell zu integrieren. 6. Modellierung der Bewehrung Die Bohrpfahlbewehrung kann in Revit ohne zusätzliche Software modelliert werden. Hierfür muss zuerst ein Plan mit verschiedenen Grundrissen, Ansichten und Schnitten erstellt werden. In diesen können dann die Bewehrungsbestandteile modelliert werden. Die Querkraftbewehrung kann nach dem Einstellen der Überdeckung eingearbeitet werden. Damit die Längsbewehrung korrekt im Bohrpfahl platziert werden kann, wurde eine Hilfskonstruktion gezeichnet (s. Abb. 7). Für weitere Bewehrungselemente, wie Montagering und Fußkreuz mit Fußplatte, müssen Familien, vordefinierte Bauteile, erstellt werden. Die Abstandshalter sind nicht in Revit vordefiniert. Um diese einzufügen, wurde das Sofistik-Add-In für Revit verwendet. Dieses Add-In hilft nicht nur bei speziellen Bewehrungsformen, sondern es vereinfacht und beschleunigt die Bewehrungsmodellierung und vor allem auch die Erstellung der Bewehrungspläne. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 365 Erfahrungen zur 3D-, 4D- und 5D-Ebene im Rahmen der praktischen Anwendung von BIM bei der Planung einer tiefen Baugrube Abb. 7: Hilfskonstruktion Bewehrungsmodellierung 7. 4D- und 5D-Modellierung Für die Bauzeiten- und Baukostenplanung wurde das Programm iTwo von RIB Software SE verwendet. Das Modell des Verbaus und der Baugrube kann aus Revit mit einem Add-In direkt über das CPIXML-Format in iTwo exportiert werden. Vor dem Export sollte darauf geachtet werden, dass im 3D-Modell die Objekte durch Parameter genau unterschieden werden können. Hierfür kann der SPTB1.0-Code verwendet werden. Dieser wurde vom Hauptverband der deutschen Bauindustrie e.V. [2] definiert. Weiterhin ist es empfehlenswert mit Phasen in Revit zu arbeiten. Dies vereinfacht die 4D- Planung in iTwo. 7.1 4D-Modellierung Damit in iTwo die Bauzeit anhand des 3D-Modells geplant werden kann, müssen in iTwo die Aufwandswerte in einem Katalog vordefiniert werden. Dieser wird nicht für ein Projekt, sondern projektübergreifend erstellt. Für die projektinterne Planung muss zuerst eine Art Leistungsverzeichnis erstellt werden. Die maßgebenden Bauteilmengen im LV werden aus dem 3D-Modell gezogen. Das Leistungsverzeichnis ist jedoch auf die Bauzeitenplanung abgestimmt und kann nur schwer für Kostenberechnung und Ausschreibung verwendet werden. Weiterhin muss das Grundgerüst des Balkenplans ohne die Dauer der einzelnen Bauschritte erstellt werden. Die Dauer der einzelnen Bauschritte kann in iTwo über die vordefinierten Aufwandswerte und die Mengen aus dem LV berechnet werden. Da in den Bauschritten die zugehörigen Objekte hinterlegt sind, kann abschließend eine Simulation des Bauablaufs erstellt werden (s. Abb. 8). Hiermit kann kontrolliert werden, ob der geplante Bauablauf in der Realität auch möglich ist. Abb. 8: Simulation der Bauzeiten und Baukosten 7.2 5D-Modellierung Die Baukosten wurden mit Hilfe eines Leistungsverzeichnisses berechnet. Hierfür wurde ein zweites Leistungsverzeichnis erstellt (s. Abb. 9). Abb. 9: Berechnung der Baukosten Das Leistungsverzeichnis, das für die Bauzeitplanung erstellt wurde, beinhaltet Positionen, die für Baukosten nicht relevant sind bzw. relevante Positionen fehlen. Während für den Aushub bei der Terminplanung pro Phase eine Position notwendig ist, gibt es bei der Baukostenermittlung nur eine Gesamtposition. Weiterhin werden beispielsweise bei den Ankerpositionen verschiedene Einheiten verwendet (Terminplanung: Meter, Baukosten: Stückzahl). Die Mengen im LV wurden wiederum zum größten Teil aus dem 3D-Modell ermittelt. Die Daten für die Vorhaltekosten wurden aus der Terminplanung übernommen. Die Einheitspreise sind in iTwo auch in den Katalogen unternehmensweit für alle Projekte vordefiniert. Die mit dem LV ermittelten Kosten sind nach Positionen gestaffelt und können dadurch den einzelnen Bauschritten zugeordnet werden. Somit sind die Kosten abschließend in der Bauzeitsimulation darstellbar und die Entwicklung der Kosten kann übersichtlich nachvollzogen werden. In der Tabelle 5 sind die positiven und negativen Aspekte bei der Anwendung der Software iTwo aufgeführt. 366 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Erfahrungen zur 3D-, 4D- und 5D-Ebene im Rahmen der praktischen Anwendung von BIM bei der Planung einer tiefen Baugrube Tab. 5: Bewertung von iTwo Positiv Negativ Cloud-Nutzung und somit paralleles Arbeiten am gleichen Projekt ist möglich Kein Rückgängig-Machen möglich Importschnittstelle ist einfach bedienbar und mit Kontrollfunktionen versehen Erstellung von verschiedenen LVs für Bauzeitensimulation und Kostenschätzung Parameter aus Revit sind einfach in iTwo weiter verwendbar (Erleichterung der Arbeit in iTwo) Teils unübersichtlicher Aufbau von Fenstern und Funktionen Große Teile vordefinierbar bzw. aus anderen Projekten übertragbar Problem mit „Generic Models“ (z. B. Anker) bei Import der Modelle Leistungsverzeichnis einfach und schnell (mit automatischer Mengenermittlung) erstellbar In der Bauzeitensimulation manche Bauteile, Prozesse nicht optimal darstellbar (DGM, Bohrung Bohrpfahl und Bohrschablone) Schnelle Kalkulation der Bauzeiten, sofern gut vordefinierter Katalog „Kostenarten“ vorhanden Bestimmte Massen (Aushub) nicht aus Modell ermittelbar, sondern manuelle Übertragung erforderlich Einfache und übersichtliche Verknüpfung von Kosten und Bauzeiten Keine automatische Aufrundung der berechneten Bauzeit möglich Weiterführende Funktionen, wie Vergleich der Kosten von verschiedenen Varianten oder Kostenkontrolle Anpassung der Druckvorlagen nicht selbsterklärend, vordefinierte Vorlagen teils zu klein/ nicht optimal 8. Fazit Es wurde gezeigt, dass die durchgehende Anwendung von BIM bei der Planung von tiefen Baugruben mit derzeit angebotenen Programmen im Prinzip möglich ist. Die Softwareapplikationen funktionieren in den einzelnen Planungsschritten jedoch unterschiedlich gut. Die Programme, die für die geotechnische Bemessung und Berechnung verwendet wurden, haben verschiedene Stärken und Schwächen. Bei beiden Programmen funktioniert der durchgehende BIM-Planungsprozess jedoch noch nicht einwandfrei. Die DC-Software ist sehr gut für die Planung der Elemente des Baugrubenverbaus auf Grundlage eines Lageplans geeignet. Eine Einschränkung hierbei ist jedoch, dass das Einladen aufwendiger Baugrundmodelle in das Programm ineffizient ist. Der berechnete Verbau kann schließlich als IFC-Datei exportiert werden. Somit ist der offene Datenaustausch gewährleistet. Plaxis hingegen lässt sich besser im fortgeschrittenen Planungsprozess verwenden, bei dem die Modellierung des Verbaus im Wesentlichen abgeschlossen ist. Bemessungsschnitte mit genauem Baugrundmodell können mit einer vorherigen Bearbeitung einfach importiert werden. Die Ergebnisse können jedoch nicht mehr in das zentrale Revit-Modell zurückgeführt werden. Die Termin- und Kostenplanung einer Baugrube mit iTwo funktionierten gut. Die Importschnittstelle zwischen Revit und iTwo ist anwenderfreundlich zu bedienen. Jedoch wurden teilweise bei den geotechnischen Bauteilen kleine Probleme beim Import festgestellt. Elementar für das effiziente Arbeiten mit iTwo sind gut definierte Standards für die Modellierung. Außerdem müssen die Grundlagewerte für die Planung, wie Aufwandswerte, Einheitspreise etc. vordefiniert sein. Sofern diese Elemente und Erfahrung im Umgang mit der Software vorhanden sind, kann das Programm sehr effizient genutzt werden. Durch die weiteren Funktionen von iTwo, Kostenkontrolle etc. kann BIM somit durchgehend in der Planung und im Bau einer Baugrube angewendet werden. Durch die Weiterentwicklung der Programme, vor allem durch die Nutzung von Clouds, sollte sich die Effizienz dieser Programme und dieses Planungsprozesses in den nächsten Jahren weiter steigern. Literatur [1] Stange, M.: Building Information Modelling im Planungs- und Bauprozess, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2020. [2] BIM im Spezialtiefbau, Technisches Positionspapier der Bundesfachabteilung Spezialtiefbau im Hauptverband der Deutschen Bauindustrie e. V., 2. Auflage, Dezember 2019.
