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Ingenieurbau, Architektur und Planung
1Ernst & Sohn Special 2018 · BIM – Building Information
Modeling (Sonderdruck)
Mit BIM: Termine und Kosten im GriffÜber 4D-/5D-Planung von
Projekten in der Infrastruktur
Die Planung am virtuellen Modell macht die Planung
transpa-renter, zeigt Mängel schneller auf, bietet eine optimale
Grund-lage für Besprechungen und fördert die Kommunikation sowie
ein einheitliches Verständnis zwischen allen Projektbeteiligten.
Gleich zu Beginn des Planungsprozesses lassen sich Varianten
hinsichtlich Kosten und Terminen besser vergleichen. Die gra-fische
Darstellung macht die Mengenermittlung besser nach-vollziehbar und
erleichtert die Kosten- und Terminkontrolle. Ebenso können Mengen,
Kosten und Leistungsverzeichnisse (LV) bei einer Planungsänderung
schneller aktualisiert werden. Später ist eine teilautomatisierte
Ableitung der Bautermin-planung aus dem Modell möglich. Der
Bauprozess lässt sich am Modell bereits simulieren und selbst die
Baustelleneinrichtung sowie der Einsatz von Baumaschinen können
schon in der Planung berücksichtigt werden. Der größte Vorteil ist,
vorher schon zu wissen, ob später auf der Baustelle alles so
funktio-niert, wie es in der Planung vorgesehen wurde.
– i –BIM in der Gesamtplanung
Beim Gesamtplaner OBERMEYER ist die Anwendung von BIM-Methoden
und die Verknüpfung mit Geoinformations-systemen ein wesentliches
operatives und strategisches Un-
ternehmensziel, um Planungsaufgaben ganzheitlich zu be-trachten
und die Planungsqualität fortlaufend zu verbes-sern. Durch die
Nutzung digitaler und intelligenter Datenmodelle kann eine
durchgängige Informationskette über den Planungs-, Bau- und
Nutzungszyklus von Bauwer-ken gesichert werden. Zudem verbessert
die Methode Qua-lität, Funktionalität und Wirtschaftlichkeit der
Projekte.
Die Ingenieurinnen und Ingenieure nutzen BIM- und GIS-Methoden
für Planungen der Infrastruktur, um Ver-kehrskonzepte zu optimieren
und die besten Lösungen für den Neu- bzw. Umbau von Schienen- und
Straßenwegen zu ermitteln. Die auf den Strecken notwendigen
Ingenieur-bauwerke wie Brücken oder Tunnel werden in
gesamtpla-nerischer Zusammenarbeit aller Fachdisziplinen an
objekt-orientierten Modellen geplant, visualisiert und koordiniert.
Bauwerksinformationen lassen sich zentral sammeln und verwalten.
Neue Dimensionen der Termin- und Kostensi-cherheit sind dabei ein
Mehrwert unter vielen im Projekt-verlauf.
Bei OBERMEYER werden die modellbasierte Men-gen- und
Kostenermittlung sowie die Terminplanung mit dem Ziel eingesetzt,
Bauprojekte wirtschaftlich abzuwi-ckeln. Damit wird eine fundierte
Grundlage für die ganz-heitliche Evaluierung des Planungskonzepts
gewährleistet.
Bild 1. Modellbasierte Ausschreibung
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Bild 2. Koordiniertes Gesamtmodell Infrastruktur (Offenburger
Tunnel)
– ii –Vorgehensweise
In der BIM-Methodik dient ein „intelligentes“ Modell als
Grundlage. Jedoch wird dieses nicht nur als Visualisierung eines
zukünftigen Bauwerks betrachtet, sondern als ein Mo-dell, welches
um weitere Dimensionen erweitert werden kann. Dadurch entstehen 4D-
und 5D-Modelle. Ein 4D-Mo- dell ergibt sich aus der Erweiterung
eines 3D-Modells um die zeitliche Komponente (z. B. Bau- oder
Liefertermine). Wird die Komponente „Kosten“ dem Modell
hinzugefügt, spricht man von einer 5D-Planung.
Digitale 4D-Modelle werden zur virtuellen Darstel-lung eines
Bauprozesses während der Planungsphase – auch Bauablaufsimulation
genannt – erstellt und dienen
vorrangig der visuellen Kontrolle der Plausibi-lität des
geplanten Bauablaufs. Unter-stützt wird der Prozess durch den
logischen Aufbau des Volumen-modells und der zuge-hörigen
Attribute. Die 4D-Planung erfolgt bei OBERMEYER teilau-
tomatisiert unter Verwendung von speziellen Softwarelö-sungen.
Dabei werden zwei Ansätze verfolgt. Einerseits kann man für die
4D-Planung die traditionell erstellten Terminpläne (z. B. aus
MS-Project) verwenden und deren Vorgänge mit 3D-Objekten
teilautomatisiert verknüpfen. Dies funktioniert mit Hilfe von
Verknüpfungsregeln, die sowohl auf die Informationen eines
Modellbauteils als auch eines Vorgangs zugreifen (s. Bild 1).
Anders gesagt: ein oder mehrere Vorgänge bekommen eine
Verknüpfungs-regel, in der definiert ist, welche Informationen
zusammen-gehören. Nach der im System hinterlegten Logik werden die
Bauteile, die einen bestimmten Informa tionssatz besit-zen,
gefiltert und dem entsprechenden Vorgang zugewie-sen. Andererseits
besteht die Möglichkeit, 4D-Modelle durch die teilautomatisierte
Terminplanableitung aus ei-nem 3D-Modell zu erstellen. Auf Basis
geome trischer und semantischer Informationen der Objekte der
BIM-Modelle werden mit vordefinierten Bauprozessen,
Bauwerkstopolo-gien (Ebenen, Bauabschnitte, usw.), Ressourcen und
deren Abhängigkeiten untereinander automatisiert Vorgänge er-zeugt,
die als Terminplan ausgegeben werden können.
Mit Hilfe dieses so entstandenen Termin-Soll-Zu-stands
(Planungsphase) können während der weiterfüh- renden Phasen
mögliche Planungsvarianten erstellt und verglichen werden, um als
Grundlage für eine realistische Terminprognose zu dienen. In
späteren Leistungsphasen können Soll-/Ist-Vergleiche des aktuellen
Baufortschritts durch die Erweiterung der 4D-Modelle des
Soll-Zustands um die Ist-Daten der Baustelle durchgeführt werden.
So können Störungen im Bauablauf frühzeitig erkannt und ggf.
Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Digitale 5D-Modelle werden für die modellbasierte Kostenplanung
sowie Ausschreibung und Abrechnung erstellt. Als Basis hierfür
dienen 3D-Modelle und deren Men-gen. Als erstes werden die Bauteile
nach den Anforderun-
gen der jeweiligen Kostenplanung und des erforderlichen
Detaillierungsgrads gefiltert und zusammengefasst. Dies erfolgt
ebenfalls, wie im 4D-Prozess, nach Objektattributen und deren
Werten. Dadurch wird der Prozess der Bauteil-gruppierung
automatisiert und bei jeder Aktualisierung des 3D-Modells
selbständig durchgeführt. Zunächst werden die gruppierten Bauteile
den Kosten- oder LV-Positionen zuge-wiesen (Bild 2). Wie bei den
4D-Modellen erfolgt die Ver-knüpfung teilautomatisiert anhand von
Regeln und Skrip-ten. Außerdem werden für die 5D-Planung die
Mengener-mittlungen mit speziellen Formeln durchgeführt. Mit Hilfe
der so berechneten Mengen und den hinterlegten Einheits-preisen der
Datenbank ergeben sich die Gesamtkosten eines Projekts.
Durch die Verknüpfung mit einem Terminplan ent-steht ein
5D-Modell, aus dem die zeitliche Entwicklung der Kosten des
Projekts abgelesen werden kann. Somit ist es möglich, die Kosten
über die Laufzeit eines Projekts oder einer Baustelle auszuwerten
und in Diagrammform darzustellen.
In späteren Leistungsphasen können durch die Erwei-terung der
5D-Modelle des Soll-Zustands um die Ist-Daten der Baustelle
Soll-/Ist-Vergleiche des aktuellen Projekt-stands durchgeführt
werden. Bei Baustellenbegehungen werden die erbrachten Leistungen
zu einem Stichtag am virtuellen 5D-Modell erfasst. Mit den
Informationen ist eine Software in der Lage, die geplanten und
tatsächlichen Leistungen zu vergleichen und als Bericht sowie am
Mo-dell farblich darzustellen (Bild 3).
– iii –4D-/5D-Planung in der Praxis: Offenburger Tunnel (Bild
4)
Offenburg, die 60.000-Einwohner-Stadt im Westen
Baden-Württembergs bekommt einen Eisenbahntunnel, der den
Güterverkehr insbesondere aus Lärmschutzgründen aus der Stadt
ableiten soll. Der Eisbahnbahntunnel wird der derzeit längste in
Deutschland werden und ist eines der größten aktuellen
Ausbauvorhaben der Deutschen Bahn.
Digitale 4D-Modelle werden zur virtuellen Darstellung eines
Bauprozesses während der Planungsphase – auch Bauablaufsimula-tion
genannt – erstellt und dienen vorrangig der visuellen Kontrolle der
Plausibilität des geplanten Bauablaufs. Unterstützt wird der
Prozess durch den logischen Aufbau des Vo-lumenmodells und der
zugehörigen Attribute.
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3Ernst & Sohn Special 2018 · BIM – Building Information
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Im Zusammenhang mit der Planung des Offenburger Tunnels soll im
zugehörigen Planfeststellungsabschnitt eine ca. 15 km lange
Neubaustrecke für den Güterverkehr entstehen. Ca. 10 km davon
verlaufen im Tunnel. Hinzu kommen eine ca. 6 km lange Ausbaustrecke
und eine ca. 3 km lange Verbindungskurve.
Im Großprojekt Karlsruhe–Basel wird erstmalig bereits in frühen
Leis-tungsphasen die BIM-Methodik zum Einsatz kommen. Über eine
Strecke von etwa 24 km werden als Grundlage in einem ersten Schritt
3D-Bestands-modelle erstellt, auf deren Basis die
3D-Planungsvarianten generiert wer-den. Die koordinierten Modelle
der Bestandssituation und der Planung bestehen aus den Fachmodellen
„Ver-kehrsanlagenplanung Schiene“, „Tech-nische Ausrüstung Bahn“,
„Verkehrsanlagenplanung Straße“, „Technische Ausrüstung Straße“,
„Tunnel- und
Rampenbauwerk“, „Eisenbahnüberführung“, „Straßen-überführung“,
„Lärmschutzwand“, „Geoinformationssys-tem“, „Digitales Gelände“ und
„Baugrund“. Aus den 3D-Modellen sollen 4D- und 5D-Modelle durch
Verknüpfung der Geometrie mit Termin- und Kostenplanwerten
erzeugt
werden. Anschließend werden bis zu zehn verschiedene
3D-Planungsvarian-ten generiert, welche dann zu 4D- und
5D-Datenmodellen weiterentwickelt werden.
Es ist vorgesehen, das komplette 4D-/5D-Modell eines
übergeordneten Gesamtmodells in einem Gesamtpro-jekt abzubilden.
Die modellierten und attributierten 3D-Fachmodelle werden nach
ihrer Freigabe sukzessive als IFC-Daten in das Programm
eingelesen.
Der vom Auftraggeber übergebene Termin-/Bauzeitenplan sowie der
Kostenplan werden im nativen Format in das Gesamtprojekt importiert
und als
Bild 3. Regelbasierter 4D-Soll-Ist-Vergleich
Die verschiedenen Varianten werden nicht mehr separat bearbeitet
bzw. mit Kosten und Terminen verknüpft, sondern es wird ein
Vorlagenprojekt mit vorbereiteten Skripten, Berechnungsformeln und
Regeln angelegt, in das die Planungsvarianten im-portiert und von
der Software automatisiert ausgewertet werden. Indem sich so der
Aufwand reduziert, wird der Planungspro-zess beschleunigt.
Bild 4. Visualisierung Offenburger Tunnel aus VR-Modell Bild 5.
Visualisierung Bashaide mit 3D-Punktwolke (Umgebung)
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Grundlage für die 4D-/5D-Planung inklusive teilautomati-sierter
Verknüpfung „Objekt-Vorgang“ und „Objekt-Kosten-element“ verwendet.
Auf Basis der eingegangenen Doku-mente werden die Modelle geprüft,
ob deren Informations-tiefe der Detaillierungstiefe des Termin- und
Kostenplans entspricht. Die Verknüpfung zwischen den Objekten aus
den 3D-Fachmodellen und den Positionen der Dokumente läuft
regelbasiert unter Nutzung der projektspezifischen Programmierung
(Java-Skripte) ab, die die automatisierten Prozesse und
Berechnungen im Projekt ermöglicht. Diese greifen überwiegend auf
die alphanummerische Informa-tion des Modells und dessen Bauteile
zurück und verknüp-fen dadurch die zusammengehörigen Objekte und
Positio-nen selbstständig. Aus dem so erzeugten 4D-Modell kann
anschließend eine Visualisierung des Bauablaufs erzeugt werden.
Diese Simulation dient nicht nur der virtuellen Darstellung der
Baustellenprozesse, sondern vorrangig der visuellen Kontrolle der
Plausibilität des Bauablaufs. Anhand der erzeugten 5D-Modelle
werden die modellbasierten Ge-samtkosten des Projekts berechnet und
als Bericht darge-stellt. Außerdem werden die ermittelten Kosten
über die Zeit-Komponente aus dem 4D-Modell ausgewertet und in
Grafikform dargestellt.
Solche automatisierten Abfragen funktionieren unab-hängig vom
Planungsstand oder der Modellversion. D. h., die Berechnungen und
Verknüpfungen werden von der Software unabhängig von Änderungen im
Modell durchge-führt. Dadurch ist eine erneute manuelle Verknüpfung
bei einem eventuellen Austausch oder einer Fortschreibung des
zugrundeliegenden 3D-Modells obsolet.
In der frühen Phase des Projekts (Vorplanung) besteht die
Aufgabe darin, die Planungsvarianten hinsichtlich Kos-ten und
Terminen miteinander zu vergleichen. Dabei er-weist sich die
beschriebene teilautomatisierte Arbeit als ein enormer Vorteil beim
Variantenvergleich bzw. bei der Fin-dung des wirtschaftlich
günstigsten Entwurfs. Die verschie-denen Varianten werden nicht
mehr separat bearbeitet bzw. mit Kosten und Terminen verknüpft,
sondern es wird ein Vorlagenprojekt mit vorbereiteten Skripten,
Berech-nungsformeln und Regeln angelegt, in das die
Planungsva-rianten importiert und von der Software automatisiert
aus-gewertet werden. Indem sich so der Aufwand reduziert, wird der
Planungsprozess beschleunigt. Durch die Automa-tisierung wird zudem
die Fehleranfälligkeit gesenkt. Die Visualisierung am Modell hat
auch den Vorteil, dass Unter-schiede schneller sichtbar werden und
sich der Bauherr leichter für die endgültige Variante entscheiden
kann.
– iv –ABS/NBS Karlsruhe–Basel, Streckenabschnitt 1, Freie
Strecke Abzweig Bashaide–Rastatt Süd (Bild 5)
Im Zuge des Projekts wird die bestehende Ausführungspla-nung der
Zulaufstrecken zum Rastatter Tunnel, der sich bereits im Bau
befindet, mittels BIM umgesetzt. Es ist eines von 13 Pilotprojekten
der Deutschen Bahn, die analog der 2. Stufe des Stufenplans des
Bundesministeriums für Ver-kehr und digitale Infrastruktur (BMVI)
mit BIM bearbeitet werden.
Der Projektumgriff befindet sich ca. 15 km südlich von
Karlsruhe. Er umfasst den Neubau einer ca. 12 km
langen, zweigleisigen Bahnstrecke sowie der nördlichen und
südlichen Einfädelung in die Bestandsstrecke Karls-ruhe–Basel und
betrifft die Gewerke Oberbau, Erdbau, Entwässerung, Kabeltiefbau
sowie Schallschutzwände.
Ziel des BIM-Pilotprojekts ist die Umsetzung einer bestehenden,
klassi-schen Ausführungspla-nung in ein BIM-Modell (3D/4D/5D) und
des-sen Nutzung für eine modellbasierte Projekt-steuerung parallel
zur konventionellen Projek-tabwicklung. Die Basis für die
Modellierung bil-den die übergebenen, freigegebenen
2D-Aus-führungsplanunterlagen, der Bauablaufplan sowie die der
Bauausführung zugrundeliegenden Vertrags-Leis-tungsverzeichnisse.
Das bereits existierende 3D-Modell des Rastatter Tunnels, der sich
innerhalb des Projektgebiets befindet, soll für eine
Kollisionsprüfung an den Schnittstel-len integriert werden.
Auf Basis der erstellten Modelle wird im Rahmen des Projekts
eine BIM-basierte Projektsteuerung über die ge-plante Bauzeit von
rund fünf Jahren durchgeführt. Dabei werden monatliche Auswertungen
wie Soll-Ist-Vergleiche des Bauablaufs und der Baukosten auf Basis
des Modells vorgenommen.
Dazu werden monatlich gemeinsame Baustellenre-views
durchgeführt, bei denen der Ist-Zustand der verschie-denen Anlagen
mittels einer Baustellenbegehung der Pro-jektbeteiligten
(Auftraggeber, Baufirma, Auftragnehmer) erfasst wird. Die so
erfassten Daten fließen in einen Ist-Terminplan, wobei der
tatsächliche Anfangstermin sowie der prognostizierte Endtermin
gemäß dem auf der Bau-stelle beobachteten Baufortschritt der
einzelnen Termin-vorgänge fortgeschrieben werden. Die Ist-Termine
werden im Terminplan mit den Soll-Terminen verglichen. Die dabei
festgestellten Abweichungen und deren Gründe werden während des
Ortstermins im örtlichen Baubüro gemein-sam diskutiert. Der
Ist-Terminplan dient anschließend als Grundlage für die Erstellung
von Ist-Modellen (4D/5D), welche mit den Soll-Modellen verglichen
werden können. Die Modelle ermöglichen eine visuelle
Baufortschritts-kontrolle (4D) und eine stichtagsgenaue
Earned-Value-Betrachtung.
Die Verknüpfung der 3D-Objekte mit den Terminvor-gängen des
Bauablaufplans (4D) und den Positionen der Leistungsverzeichnisse
(5D) erfolgt mittels automatisierter Verknüpfungsregeln und
Auswahlgruppen auf Basis der Objektattribute. Auf diese Weise wird
gewährleistet, dass bei den im Projektverlauf erforderlichen
Anpassungen am 3D-Modell die Verknüpfungen erhalten bleiben und
nicht aufwendig nachgeführt werden müssen. Dies vereinfacht und
beschleunigt den Modellierungsprozess im Projekt.
Durch die Definition von Visualisierungsregeln (Farb-gestaltung
von abgeschlossenen, aktuellen und zukünftigen Bauvorgängen (s.
Bild 6), können die geplanten Aktivitä-ten des Bauablaufplans in
einer digitalen Simulation dargestellt und deren Abfolge einfach
visuell kontrolliert
Die Ist-Termine werden im Terminplan mit den Soll-Terminen
verglichen. Die dabei festgestellten Abweichungen und deren Gründe
werden während des Ortstermins im örtlichen Baubüro gemeinsam
diskutiert. Der Ist-Terminplan dient anschließend als Grundlage für
die Erstellung von Ist-Model-len (4D/5D), welche mit den
Soll-Modellen verglichen werden können. Die Modelle ermöglichen
eine visuelle Baufortschritts-kontrolle (4D) und eine
stichtagsgenaue Earned-Value-Betrachtung.
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Modeling (Sonderdruck)
werden. Im 4D-Modell des Ist-Zustands werden mit Hilfe der
Visualisierungsregeln die Ursachen für eine Bauzeit-
verzögerung, welche im Ist-Terminplan hin-terlegt ist, farblich
kenntlich gemacht. Anhand dieser visuel-len
Baufortschritts-kontrolle sind Abwei-chungen vom Soll-Ab-lauf und
deren Gründe frühzeitig erkennbar und es können ent-
sprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Durch die
Verknüpfung mit den bepreisten Auftrags-Leistungs-verzeichnissen
steht ein 5D-Modell des Ist-Zustands zur Verfügung, mit dem die
tatsächlichen Projektkosten zu jedem beliebigen Zeitpunkt ermittelt
werden können. Die Ist-Kosten können mit den prognostizierten
Kosten aus dem 5D-Modell des Soll-Zustands verglichen werden.
Da-mit steht dem Bauherrn ein starkes Steuerungsinstrument für die
Projektabwicklung zur Verfügung.
– v –Fazit
Durch die 4D-/5D-Planung rückt die Ausführung der Pro-jekte
stärker in den Fokus des Planers. Er kann frühzeitig
simulieren, was im vorgegebenen Zeit- und Kostenrah- men
erreicht werden kann, auf Mängel hinweisen und Alternativen
vorschlagen, die für alle Beteiligten einen Mehrwert darstellen:
verkürzte Bauzeiten, Einsparungen beim Material, geringerer
Flächenverbrauch der Umwelt, geringere Risiken in der Bauzeit durch
alternative Baume-thoden, usw. Das 5D-Modell wird zum
Proof-of-Concept: Was am Modell funktioniert, wird mit hoher
Wahrschein-lichkeit auch in der Realität umgesetzt werden können.
Insofern stellt die 4D-/5D-Planung mehr als ein reines Termin- bzw.
Kostenmodell dar. Sie bildet die Basis, um zu einem frühen
Zeitpunkt eine valide Aussage über die Durchführbarkeit eines
Projekts machen zu können. Für den Planer, der den Werkerfolg
schuldet, ist sie die geeig-nete Methode, um schneller und
effizienter ans Ziel zu gelangen.
Markus Hochmuth, Leiter Fachbereich BIM Infrastruktur;
Steffen Scharun, Leiter Fachbereich Oberbau; Kristina
Tyryshkina, BIM-Management,
Spezialistin 4D / 5D, OBERMEYER Planen + Beraten GmbH sowie
Sascha Björn Klar, Leiter Building Information Modeling,
Großprojekt Karlsruhe–Basel
(I.NGK (8)) DB Netz AG
www.opb.de
Bild 6. Regelbasierter 4D-Soll-Ist-Vergleich (Abb.:
Obermeyer)
Das 5D-Modell wird zum Proof-of-Concept: Was am Modell
funktioniert, wird mit ho-her Wahrscheinlichkeit auch in der
Reali-tät umgesetzt werden können. Insofern stellt die
4D-/5D-Planung mehr als ein rei-nes Termin- bzw. Kostenmodell dar.
Sie bil-det die Basis, um zu einem frühen Zeitpunkt eine valide
Aussage über die Durchführ-barkeit eines Projekts machen zu
können.
