14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 35 BIM im Spezialtiefbau - aktueller Stand am Beispiel Central Business Tower, Frankfurt Raphael Baur, M. Eng. Ed. Züblin AG, Stuttgart Dipl.-Ing. (FH) Bettina Bastian Ed. Züblin AG, Stuttgart Zusammenfassung Die Nutzung von 3D-Modellen und BIM im Spezialtief bau spielt im Zuge des Planungsprozesses eine immer bedeutendere Rolle. Die modellbasierte Planung bringt dabei für die Ausführungsplanung Vorteile, allerdings auch gewisse Herausforderungen mit sich, die anhand des Projektbeispiels Central Business Tower (CBT) in Frankfurt aufgezeigt werden. Bei komplexen geometrischen Randbedingungen und einer Vielzahl von Abhängigkeiten und Schnittstellen zu anderen Gewerken zeigen sich die Vorteile dieser Arbeitsweise: Abhängigkeiten und Zusammenhänge können visualisiert, dokumentiert und gelöst werden. Hinsichtlich der Planableitung aus dem Modell sind derzeit gewisse Grenzen vorhanden, die eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Arbeitsweise notwendig machen. 1. Projektvorstellung Im Herzen des Frankfurter Bankenviertels entsteht der Central Business Tower. Das neue Bürohochhaus wird mit einer Höhe von ca. 205 m das Stadtbild Frankfurts prägen. Für den Central Business Tower werden umfangreiche Tief baumaßnahmen erforderlich. Mit 5 Untergeschossen gehört die Baugrube des CBT zu den tiefsten Baugruben Frankfurts. Die Planung und Herstellung der innerstädtischen Baugrube brachte dabei zahlreiche Herausforderungen mit sich. Die Baugrubentiefe beträgt etwa 25 Meter, um genügend Platz für die Bodenplatte und die Untergeschosse zu schaffen. Als Teil der Kombinierten Pfahl-Platten-Gründung (KPP) wurden insgesamt 86 Gründungspfähle mit einem Durchmesser von 1,86 Metern hergestellt. Zusätzlich zu den Gründungspfählen wurden 276 Bohrpfähle mit einem Durchmesser von 1,5 Metern als überschnittene Bohrpfahlwand hergestellt. Diese sind ebenfalls Teil der KPP. Die Pfahllängen der Sekundärpfähle betragen etwa 40 bis 50 Meter, während die Primärpfähle eine Länge von etwa 25 Metern aufweisen. Der Verbau wird nicht nur während der Bauphase, sondern auch als Teil des Endbauwerks genutzt. Dabei wird der Erddruck von der Bohrpfahlwand und der Wasserdruck vom Kellerkasten aufgenommen. Die Baugrube wird in Deckelbauweise hergestellt, wofür Primärstützen notwendig wurden. Die Primärstützen gliedern sich in Verbund-, Fertigteil und temporärer Stahlstützen. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse und der zu erhaltenden Bestandsfassade, die mittels einer Fassadensicherung gestützt wird, werden hohe Anforderungen an die Herstellgenauigkeit und Verformungen gestellt. Projektbeteiligte: Der Bauherr des Central Business Towers ist die Landesbank Hessen-Thüringen Girozentrale (HELABA). Die Ausführung erfolgt durch die ARGE Central Business Tower, bestehend aus der Ed. Züblin AG, Direktion Stuttgart und Dobler Metallbau GmbH. Die Spezialtief bauarbeiten wurden durch die Züblin Spezialtief bau GmbH durchgeführt. Die Planung von Rohbau und Baugrube erfolgte in den Technischen Büros ‚Konstruktiver Ingenieurbau‘ und ‚Tief bau‘ der Ed. Züblin AG ab Leistungsphase 5. Hierfür wurde die Genehmigungsplanung des Bauherrn zur Verfügung gestellt. Im Technischen Büro Tief bau wurden neben der Hauptbaugrube und der Gründung zusätzlich Bauzustände, Kranstandorte und Vorverbauten geplant. 36 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 BIM im Spezialtiefbau - aktueller Stand am Beispiel Central Business Tower, Frankfurt Abb. 1: Webcam-Ausschnitt: Baugrube, Nachbarbebauung, Fassade, fortschreitender Rohbau (Stand 11/ 2023) Während für das zu errichtende Bauwerk inkl. HKLS (Heizung, Klimatechnik, Lüftung, Sanitär), Gebäudeautomation, Elektrotechnik und Küchenplanung konkrete Auftraggeber-Informationsanforderungen (AIA) vorlagen und infolgedessen ein BIM-Abwicklungsplan (BAP) für diese Gewerke erarbeitet wurde, gab es für die Spezialtief baumaßnahmen keinerlei Anforderungen an die Planungsmethode. Aufgrund der vielen Schnittstellen zwischen Verbau/ Gründung und Rohbau und der komplexen Randbedingungen erfolgte die Planung des Spezialtief baus trotzdem ebenfalls modellbasiert in Kooperation mit dem Tragwerksplaner der LPH 5. Sämtliche Planunterlagen für die Ausführung wurden aus den erstellten Modellen abgeleitet. 2. Modelle und Anwendungsfälle in der Planung 2.1 Modellerstellung Für die Entwicklung des Spezialtief baumodells war nur ein Teil der zahlreichen zu erstellenden 3D-Modelle relevant. So wurden neben dem Rohbaumodell auch Krane, die Baustelleinrichtung sowie die Modelle der Fassade und ihrer Sicherungsmaßnahmen einbezogen. Die Modelle für den Massivbau und die Spezialtief baumaßnahmen wurden mit der Software Autodesk Revit 2021 auf der Plattform BIM360 in einer gemeinsamen Projektumgebung erstellt. Dieser Umstand (closedBIM) machte die Koordination von Bauwerks- und Baugruben-/ Gründungsmodell einfach. Die weiteren Modelle wurden teilweise von externen Planern mit anderer Software erstellt. Für deren Integration in die Revit-Modelle wurden ifc-Modelle aus der nativen Software exportiert. Die Verwendung dieses Dateiformates erfordert hohen Abstimmungsbedarf zwischen den Beteiligten, um einen möglichst reibungslosen Modellaustausch zu gewähren. Eine kurze Testphase zu Beginn des Projektes ist hier sehr hilfreich. Der Detaillierungsgrad der Modellierung entsprach einer Tiefe, die für die Planableitung bis zu einem Maßstab von 1: 50 ausreichend war. 2.2 Bestandserfassung Neben oberirdischem Bestand (wie Nachbargebäude oder in diesem Fall eine zu erhaltende Fassade auf dem Baufeld) ist im Spezialtief bau je nach Aufgabenstellung auch die Berücksichtigung von bestehenden unterirdischen Strukturen erforderlich. Dazu gehören beispielsweise der Baugrund, Leitungen und Schächte oder die Gründung von Nachbarbebauung. Im beschriebenen Projekt war es für die Planung erforderlich, einen Teil der Bestandsbebauung und die innerstädtische Infrastruktur (Leitungen, Kanäle, Schächte) im Modell zu berücksichtigen. Baugrund Aufgrund der Vertragskonstellation, dass die Zentrale Technik (Technisches Büro Tief bau) lediglich für die Ausführungsplanung (Leistungsphase 5) beauftragt war, wurde auf eine 3D-Baugrundmodellierung in dieser Phase verzichtet, da die Interpretation der Schichtverläufe bereits in die Genehmigungsplanung (Leistungsphase 4) eingeflossen war. Die Baugrundschichtung wurde aus diesem Grund aus der Leistungsphase 4 übernommen. Jedoch wurde bereits im Zuge der Angebotsbearbeitung ein 3D-Schichtenmodell des Baugrundes inkl. Baugrubensohle zur Massenermittlung und zur Visualisierung von möglichen Schichtgrenzen- und Böschungsverläufen erstellt. 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 37 BIM im Spezialtiefbau - aktueller Stand am Beispiel Central Business Tower, Frankfurt Abb. 2: Baugrundmodell aus der Angebotsbearbeitung Für das Ausführungsmodell wurde jedoch die Topografie des Geländes aus einem aktuellen Geländeaufmaß modelliert und bei der Verbauplanung berücksichtigt. Bestandsbebauung Die zu erhaltende Fassade auf dem Baufeld wurde im Vorfeld der Maßnahme durch einen externen Vermesser aufgenommen und in einem 3D-Modell umgesetzt. Die Planung und Modellierung der Sicherungsmaßnahme erfolgte durch einen externen Tragwerksplaner. Abb. 3: integriertes Modell der Bestandsfassade samt Sicherung (Modelle: externe Planer) Da durch die Deckelbauweise lediglich eine Ankerlage mit relativ geringer Länge notwendig war, war es hinsichtlich der Nachbarbebauung und deren Gründung ausreichend, diese in einer zweidimensionalen Grundriss- Darstellung zur Kollisionsprüfung heranzuziehen. Sparten Die eigentliche „Bestandserfassung“ im Sinne einer Modellierungsleistung beschränkte sich beim Projekt CBT also auf die Bestandsleitungen im Nahbereich des Verbaus. Dafür wurden 2D-Bestandsunterlagen herangezogen und die relevanten Sparten und Schächte hinsichtlich ihrer Höhenlage, Abmessungen und Lage im 3D-Modell umgesetzt. Abb. 4: bestehende Leitungen und Kanäle 2.3 Visualisierungen Die Visualisierung des Bauvorhabens mithilfe der koordinierten (sprich: zusammengeführten) 3D-Modelle brachte für die Umsetzung der Deckelbauweise, bei der ein deutlich höherer Koordinations- und Abstimmungsaufwand zwischen Spezialtief bau und Rohbau notwendig ist, große Vorteile mit sich. Komplexe statische, geometrische und bauablauftechnische Zusammenhänge und Problemstellungen konnten durch die gemeinsame Sichtung der dreidimensionalen Darstellung in Abstimmungen und Planungsbesprechungen einfacher verdeutlicht, allen Beteiligten besser verständlich gemacht und dadurch schneller gelöst werden. 2.4 Bemessung und Nachweisführung Dieser Anwendungsfall wurde beim CBT lediglich für die Rückverankerung genutzt. Während für die Bemessung der Anker im Statikprogramm „ideale“ Randbedingungen zugrunde gelegt werden (konstante Ankerabstände und Neigungen), können diese in der Konstruktion nicht immer eingehalten werden: Nicht selten bedingen bestehende Strukturen wie Schächte, Kanäle oder unterirdische Nachbarbebauung mit zwingend einzuhaltenden Mindestabständen eine Abweichung von der betrachteten Bemessungssituation: es werden Verschwenkungen im Grundriss, angepasste Ankerneigungen oder größere Abstände erforderlich. Diese Anpassungen verursachen meist größere Ankerlasten, die die zulässigen Werte überschreiten. Mithilfe der modellbasierten Arbeitsweise konnte der Prozess der Identifikation solcher Anker und eine Lösung durch Va- 38 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 BIM im Spezialtiefbau - aktueller Stand am Beispiel Central Business Tower, Frankfurt riation der geometrischen Randbedingungen beschleunigt werden. Neben der Modellierung der Anker mit ihren tatsächlich erforderlichen geometrischen Randbedingungen wurden auch die für das jeweilige Bauteil in der Bemessung angesetzten Werte und ermittelten Lasten eingepflegt. Dadurch konnten die tatsächlich zu erwartenden Lasten aufgrund geänderter Randbedingungen direkt ermittelt und mit hinterlegten Nachweisbedingungen und Grenzwerten bereits in der Modellierungssoftware überprüft werden. Eine optische Hervorhebung und textliche Warnung zeigten direkt bei Anpassung von Parametern ein Einhalten oder Überschreiten von zulässigen Werten an. So konnte entweder die Ankergeometrie variiert oder falls dies nicht möglich war die entsprechenden Nachweise in der Statik nachgeliefert werden. Mussten Konstrukteur und Ingenieur bisher in mehreren iterativen Runden die Ankergeometrie anpassen und Berechnungen durchführen, konnten sie beim CBT während gemeinschaftlicher Sichtungen des Modells die kritischen Bauteile betrachten, durch Modifikation der Geometrie deren Anzahl verringern und dadurch die Zeit für Abstimmungen und Nachweise minimieren. Auch die Fehleranfälligkeit beim Übertrag von Zahlenwerten aus der Berechnungssoftware in die CAD-Umgebung und umgekehrt konnte auf ein Minimum reduziert werden. 2.5 Koordination der Fachgewerke Mithilfe der umfassenden Modellierung der Einzelgewerke in einer gemeinsamen Projektumgebung und des regelmäßigen interdisziplinären Modell-austausches konnten gewerkeübergreifende Anschlüsse, wie der Anschluss der Baustraße an den Verbau, die Kranfundamente sowie der Anschluss der Decken und der Bodenplatte an den Verbau bereits frühzeitig geplant und koordiniert werden. Im Zuge der Ausführungsplanung wurde auch eine modellbasierte Kollisionsprüfung der Spezialtief baugewerke durchgeführt. Hierbei wurden Anker, Leitungen und Bestandsgebäude (Bestandsfassade) auf Kollision geprüft. Bei der die Kollisionsprüfung mit dem Rohbau (Kellerkasten des Hochhauses mit 5 Untergeschossen) wurden Kollisionen zwischen der Baugrubensicherung unter Berücksichtigung der Herstelltoleranzen und dem Kellerkasten sowie mit dem geplanten Kopf balken geprüft. Auch die Lage der Gründungspfähle im Voutenbereich der Bodenplatte konnte geprüft werden. Abb. 5: Herstellung der Bohrpfahlwand (Züblin Spezialtief bau GmbH) 2.6 Erstellung von Ausführungsplänen inkl. Mengenermittlung Für die Ausführungsplanung ist die Planableitung ein essenzieller Bestandteil. Für das vorliegende Projekt wurden sämtliche Pläne für die Bohrpfahlwand, die Gründungspfähle, die Anschlüsse der Kopf balken, die Vorverbauten, die Wasserhaltung, Fundamente und der Stahlbau aus den 3D-Modellen abgeleitet. Die Planableitung beinhaltet auch die Ausgabe sämtlicher notwendiger Tabellen auf den Ausführungsplänen. Lediglich Details wurden teilweise in 2D erstellt. Mithilfe der modellbasierten Planung können gerade komplexe geometrische Strukturen wie Versprünge, Rundungen und Verschneidungen besser geplant und dargestellt werden, z. B. durch Platzierung von Isometrien auf den Planunterlagen. Im Zuge der Modellierung und Planableitung wurden jedoch auch Schwachstellen bzw. Mehraufwand augrund der modellbasierten Arbeitsweise sichtbar. So müssen neue, noch nicht im Bauteilkatalog enthaltene Bauteile zunächst modelliert und attribuiert werden. Dies kann je nach Bauteil zeitaufwändig sein und bei engen Terminen zu Problemen führen. Des Weiteren sind gerade bei schiefen Schnitten und bei der Darstellung von Ansichten in Rundungsbereichen Fragestellungen hinsichtlich der Darstellung auf den abgeleiteten Plänen zu klären. Winkelangaben, tatsächliche Bauteilabmessungen und Bemaßungen stoßen hier schnell an ihre Grenzen, wodurch teilweise eine Nachbearbeitung der Pläne erforderlich wird. 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 39 BIM im Spezialtiefbau - aktueller Stand am Beispiel Central Business Tower, Frankfurt Die Bewehrungsplanerstellung für die Pfähle erfolgte außerhalb der Revit-Umgebung. Ggf. ergeben sich hier in Zukunft weitere Möglichkeiten für Schnittstellen für eine bessere Abstimmung zwischen Verbau- und Bewehrungsplanung. Abb. 6: Übersicht über das Baufeld (Züblin Spezialtiefbau GmbH) 3. Anwendungsfälle auf der Baustelle Der vorliegende Beitrag konzentriert sich auf die Modellnutzung in der Planung. Dennoch sollen hier die BIM-Anwendungsfälle, die vom operativen Personal der Züblin Spezialtief bau GmbH genutzt und umgesetzt wurden, nicht unerwähnt bleiben: So wurde das Modell für die Baufortschrittskontrolle als Grundlage für das Controlling genutzt und die Baustellendokumentation mit dem Modell verknüpft. Abb. 7: modellbasierte Baufortschrittskontrolle (Züblin Spezialtief bau GmbH) Abb. 8: Verknüpfung von Baustellendokumenten mit dem Modell (Züblin Spezialtief bau GmbH) 4. Fazit In Summe bietet die modellbasierte Arbeitsweise auch im Planungsprozess große Vorteile, vor allem bei komplexen geometrischen Randbedingungen. Gerade in Planungsbesprechungen und Abstimmungen ist die dreidimensionale Visualisierung des Projektes ein großer Vorteil. Da die meisten BIM-Softwareprodukte den Fokus auf die Modellierung richten, gibt es hinsichtlich der Planableitung jedoch noch Herausforderungen, die eine Weiterentwicklung der Arbeitsweise bzw. der Softwareanwendungen notwendig machen. Die zur Verfügung stehenden, marktüblichen Technologien für die modellbasierte Projektbearbeitung (Modellierungssoftware, Projektplattformen) sind weit entwickelt, jedoch müssen für bestimmte Anforderungen immer wieder projektspezifische Lösungen mithilfe zusätzlicher Werkzeuge oder Programmierungen gefunden werden. Grundsätzlich ist festzustellen, dass es oft noch keine oder nur selten Anforderungen an BIM-Modelle für Spezialtief baumaßnahmen seitens der Auftraggeber gibt, auch wenn das Bauvorhaben selbst mithilfe von BIM geplant und ausgeführt werden soll. Neben den technologischen Grenzen und mangelnder Anforderungen von außen ist der „Faktor Mensch“ nicht zu unterschätzen: Alle Projektbeteiligten müssen sich mit neuen Technologien und Arbeitsweisen auseinandersetzen und können nicht auf gewohntes, altbewährtes zurückgreifen.