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Mit BIM von 0 auf 500

Die voranschreitende Digitalisierung macht auch vor dem Bauwesen nicht halt. Mit Building Information Modeling (BIM) wird eine Arbeitsmethodik für die Planung, das Errichten, den Betrieb bis zum Rückbau eines Gebäudes eingeführt, die alle relevanten Informationen und Daten mit digitalen Modellen verwaltet. Wie bei vielen neuen Prozessen sind in der Einführungsphase nicht alle Abläufe bis ins letzte Detail durchdefiniert und in der Praxis bewährt. Welche Genauigkeit und Tiefe der Informationen, auch als Level of Development (LOD) bezeichnet, zu den einzelnen Leistungsphasen in der Planung erbracht werden müssen, ist ein Punkt, der in der Praxis erprobt werden muss. Durch höhere Detaillierungsgrade in frühen Leistungsphasen verschiebt sich der Aufwand in eben diese. Die Abrechnung der Leistungen erfolgt aber weiterhin nach den Regeln der HOAI.

Am Beispiel der Planung einer Lüftungsanlage soll die Frage nach dem notwendigen Maß an Detaillierung für die einzelnen Leistungsphasen diskutiert werden.


BIM
BIM ist eine „kooperative Arbeitsmethodik“, bei der auf Grundlage digitaler Modelle alle relevanten Informationen und Daten für den Lebenszyklus des Bauwerks konsistent erfasst, verwaltet und in einer transparenten Kommunikation zwischen den Beteiligten ausgetauscht werden (1, S. 4). Somit setzt BIM eine partnerschaftliche Projektzusammenarbeit mit klaren Regelungen von Zuständigkeiten und zu liefernden Modellinformationen voraus (2, S. 17). Die Anforderungen des digitalen Bauens, hinsichtlich der Prozesse, Qualität und Modellinhalte, formuliert der Bauherr in den Auftraggeber-Informations-Anforde­rungen (AIA). Das BMVI1 empfiehlt in seinem Stufenplan die AIA jeweils vor Beginn der Planungsphase (LPH 1) und vor Beginn der Ausführung (LPH 8) auszuschreiben (1, S. 10). Mit der Vergabe werden die AIA mit den Auftragnehmern in dem BIM-Abwicklungsplan (BAP) umgesetzt und vertraglich vereinbart. Nach diesem Verfahren unterliegt einzig dem Bauherrn die Definition, wann und in welcher Detaillierung die Informationen in dem digitalen Modell vorliegen müssen. Da diese Aufgabe die meisten Bauherren überfordert, wird in dieser Phase häufig eine externe Beratung hinzugezogen. Mit der Zeit wird sich sicherlich eine gängige Praxis entwickeln, von der nur in Ausnahmefällen abgewichen wird. 
Die Beschreibung der Informationstiefe zu einem Projektzeitpunkt ist von entscheidender Bedeutung. Zum einen müssen alle notwendigen Informationen für alle Projektteilnehmer zu dem Zeitpunkt vorhanden sein, zu dem sie weiterverarbeitet werden. Zum anderen müssen diese Informationen in einer Form vorliegen, die direkt von unterschiedlichen Computerprogrammen gelesen werden können und somit nicht zunächst manuell vom Menschen interpretiert werden müssen. Mit der BIM-Methodik soll ein digitales Modell des Gebäudes entstehen, das am Ende auch für den Betrieb des Gebäudes genutzt werden kann. Aus diesem Grund sollte sich die Informationstiefe am weiterführenden Einsatz in der Betriebs- und Nutzungsphase orientieren (2, S. 78). Wichtig dabei ist, dass auch für den Betrieb nur die notwendige Informationstiefe erzeugt, also nicht das Maximum an möglichen Informationen erfasst wird, was zu einem unübersichtlichen und überladenen Modell führen würde (3, S. 142).


Level of Development
Für die Beschreibung der Informationstiefe hat sich der Begriff Level of Development (LOD) etabliert. Die Definition des LOD hat sich über die Jahre immer weiterentwickelt. Die vom American Institute of Architects entwickelten Stufen der Detaillierung (4, S. 46–56) wurden vom australischen NATSPEC Standard (5, S. 24) weiter spezifiziert:

• LOD 100 konzeptionell
• LOD 200 ungefähre Geometrie
• LOD 300 genaue Geometrie
• LOD 400 Ausführung
• LOD 500 Bestandsdokumentation

Die Definitionen der Inhalte dieser Stufen orientiert sich vorrangig an der geometrischen Detaillierung. Dabei bestehen die Objekte in einem BIM-Modell nicht nur aus einer 3D-Geometrie, sondern beinhalten weitere Informationen (Parameter), die für die Massenermittlung und Dimensionierung genutzt werden. Vor allem in der technischen Gebäudeausrüstung sind die Parameter von entscheidender Bedeutung. Zu den Parametern gehören beispielsweise Volumenstrom, Druckverlust, Material, die Angabe des Herstellers sowie die Artikelnummer. Die geometrische Modellierung und der Informationsgehalt müssen nicht im gleichen Maß erweitert bzw. detailliert werden. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, den LOD in einen Level of Geometry (LOG) und einen Level of Information (LOI) aufzuteilen (3, S. 137). In der integralen Planung mit BIM entstehen Kollisionen zwischen und innerhalb einzelner Gewerke. In den frühen Leistungsphasen ist es nicht erforderlich jede Kollision aufzulösen, wenn diese im späteren Verlauf durch eine geometrische Verfeinerung, also die Steigerung des LOG aufgelöst werden kann. BIM hat ebenfalls den Anspruch eine bessere Terminplanung zu ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden zusätzliche Informationen benötigt, die den Errichtungsablauf beschreiben. Für die Vereinbarung des Umgangs mit Kollisionen sowie die Weitergabe der notwendigen Informationen für Terminplanung im Planungs- und Errichtungsprozess, sind zusätzlich der Level of Coordination (LOC) und der Level of Logistics (LOL) eingeführt worden (2, S. 58). Die Informationstiefe jedes Leveltyps (LOG, LOI, LOC, LOL) wird mit einer Zahl zwischen 0 und 5 beschrieben und orientiert sich an den Stufen des NATSPEC Standards. In der Tabelle 1 sind die Anforderungen der einzelnen Stufen der Levels zusammengefasst. Der LOD ergibt sich aus dem hintereinander Schreiben der Stufen LOG, LOI, LOC und LOL zu einer vierstelligen Zahl. 
Nicht jeder Fachbereich und jedes Gewerk muss in der gleichen inhaltlichen Tiefe modelliert werden. Die differenzierten Anforderungen des LOD an die Gewerke können vom Bauherrn anhand von Kostengruppen nach DIN 276 erfolgen. In der DIN 276 werden die lufttechnischen Anlagen in der Kostengruppe 430 zusammengefasst. Die Aufteilung in die Kostengruppen ist vom Ansatz gut, aber einen LOG-Wert für jede Leistungsphase für die gesamte Kostengruppe anzugeben greift zu kurz. Eine lufttechnische Anlage besteht aus vielen unterschiedlichen Bestandteilen. Ein Luftkanal enthält weniger Informationen und die geometrischen Abmessungen werden früher festgelegt. Dahingegen beinhalten Bauteile wie Luftdurchlässe, Klimazentralgeräte oder Volumenstromregler eine Vielzahl von technischen Parametern. Die Parameter und die geometrischen Abmessungen der Bauteile sind stark vom Hersteller abhängig, die unter Umständen erst nach der Ausschreibung (LPH8) festgelegt werden. 


Leistungsphasen nach HOAI
In Deutschland legt die Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) als Preisrecht die Honorare für erbrachte Planungsleistungen im Verhältnis zu den anrechenbaren Kosten fest. Neben der Festlegung des gesamten Honorars bewertet die HOAI auch die Anteile des Honorars auf die jeweiligen Leistungsphasen. In Abbildung 1 sind die Leistungsphasen und prozentualen Anteile des Leistungsbilds „Technische Ausrüstung“ nach §55 HOAI (6) dargestellt. Es wird häufig beschrieben, dass sich mit der BIM-Methodik der Aufwand zu früheren Planungsphasen verschiebt und nicht mehr den prozentualen Anteilen der HOAI entspricht (3, S. 194–195), (2, S. 13). Bei einer Gesamtbeauft­ragung (LPH 1–9) können die Verschiebungen intern ausgeglichen werden, bei einer getrennten Ausschreibung der LPH 1–4 und LPH 5–9 kann der Mehraufwand nicht abgerechnet werden. Die Empfehlung des BMVI lautet, die Planungsleistung für die LPH 1–7 und LPH 8–9 auszuschreiben. Dieser Zeitpunkt ist geeignet, da sich die erbrachten Leistungen und die Honorierung hier in etwa wieder die Waage halten. Dennoch sollte die HOAI für den BIM-Prozess angepasst werden, damit der Bauherr frei entscheiden kann, welche Leistungsphasen er gegebenenfalls getrennt vergeben will. Für eine Anpassung der HOAI ist es aber noch zu früh, weil aufgrund der geringen Erfahrung bzw. geringen Standardisierung und der geringen Anzahl an umgesetzten BIM-Projekten noch keine quantitative Bewertung der Leistungsverschiebung vorliegt (3, S. 196). 


LOD im Planungsprozess 
Dieser Artikel beschreibt anhand eines Beispielprojekts die Planung einer Lüftungsanlage nach der BIM-Methodik. Dabei werden für die einzelnen Planungsschritte die benötigten Informationen beschrieben und eine Empfehlung für den LOD des Lüftungssystems gegeben. Die Empfehlungen sind aus der Prämisse entstanden, dass der Detaillierungsgrad bzw. der Arbeitsaufwand in den frühen Leistungsphasen begrenzt wird.


Leistungsphase 1 und 2
Der BIM-Prozess für die Lüftungsanlage wird an einem Bürogebäude mit ca. 60 Arbeitsplätzen, 3 Besprechungsräumen und einem Schulungsraum dargestellt. Am Anfang des Planungsprozesses steht die Grundlagenermittlung. Der Bauherr sollte in dieser Phase möglichst detailliert seine technischen und funktionalen Anforderungen an die Räume beschreiben. Diese werden in einem Raumbuch dokumentiert und dienen als Grundstein für die integrale Planung mit BIM. Je besser und genauer die Anforderungen formuliert werden, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit von Planungsänderungen in den späteren Leistungsphasen. Für das Beispielprojekt ist ein Auszug der Anforderungen für den Raumtyp Büro in der Tabelle 2 dargestellt. Die Büroräume sollen beheizt, gekühlt, be- und entlüftet werden. Die Anforderungen legen neben den Auslegungstemperaturen der Räume auch die Größe, Ausstattung und Helligkeit der Arbeitsplätze fest. Aus diesen Anforderungen entsteht in der Vorplanung (LPH 2) ein Raumkonzept, welches die Größe und Lage der einzelnen Räume im Gebäude festlegt. Das Raumkonzept wird in ein digitales Gebäudemodell umgesetzt, sodass bis spätestens nach Abschluss der Leistungsphase 2 das Modell allen Planungspartnern zur Verfügung steht. In dieser Phase zeigt das Gebäudemodell den architektonischen Eindruck des Gebäudes. Als geometrische Parameter sind die Positionen der Wände, Türen und Fenster enthalten, die mit den bauphysikalischen Eigenschaften (Schichtaufbau, Wärmeleitfähigkeit, Dichte, spezifische Wärmekapazität) als Parameter beschrieben sind. In dem Modell sind ebenfalls die Räume als Objekte definiert, deren Parameter mit dem Raumbuch verknüpft sind. Die Abbildung 2 stellt das Bürogebäude des Beispielprojekts von außen dar.


Leistungsphase 3
Mit dem Modell aus der Vorplanung beginnt die Entwurfsplanung. Die gewählten Systeme der Gebäudetechnik müssen die Anforderungen der Räume abdecken. Die Anzahl der Variationen ist groß und ist neben technischen auch von architektonischen Überlegungen abhängig. Zur Bewertung der technischen Realisierbarkeit einer Systemkombination wird eine Heizlast- sowie eine Kühllastberechnung und der hygienische Mindestvolumenstrom benötigt. Die zur Berechnung erforderlichen Daten müssen bereits im Modell enthalten sein bzw. aus den Parametern eindeutig abgeleitet werden können. Zur Verdeutlichung wird hier die Kühllastberechnung weiter ausgeführt. Um die Kühllast nach VDI 2078 zu ermitteln, wird der Schichtaufbau der Wände benötigt, weswegen dieser bereits in der LPH 2 spezifiziert werden muss. Aus den Anforderungen aus dem Raumbuch werden die Personen-, Maschinen-, Beleuchtungslasten und Betriebszeiten für die Raumtypen ermittelt. In dem Beispielprojekt wird aus den Angaben zur EDV-Ausstattung (ein Rechner und zwei Monitore) eine Last von 125 W pro Arbeitsplatz festgelegt. Die Festlegungen und die Ergebnisse der Berechnungen werden als weitere Parameter an die Raumobjekte geschrieben. Aufgrund der geringen Kühllast im Verhältnis zu dem Mindestluftwechsel kann in diesem Fall die Kühllast der Büros über das Lüftungssystem abgedeckt werden. Die Wahl des Lüftungssystems fällt auf ein Mischlüftungssystem mit Drallauslässen in den Zwischendecken und einem Zentralgerät auf dem Dach. Mit der Wahl des Lüftungssystems und der Untertemperatur der Zuluft ergeben sich die Auslegungsvolumenströme der einzelnen Räume. 
Mit den Auslegungsvolumenströmen können die Luftkanäle zur Versorgung der Räume im Modell positioniert und dimensioniert werden. Falls noch nicht in der Vorplanung definiert, wird in der Entwurfsplanung die Lage der Versorgungstrassen festgelegt. Der Platzbedarf der Versorgungstrassen ergibt sich aus den jeweiligen Volumenströmen der Medien, die durch eine Luftkanalnetzberechnung zu optimierten Rohr- bzw. Kanaldimensionen führen. Die Lüftungstechnik ist traditionell das Gewerk mit dem meisten Platzbedarf. In dieser Phase können zwei Arten von Kollisionen zwischen der Architektur und den Luftkanälen auftreten. Der reservierte Raum für die technische Gebäudeausrüstung kann zu klein gewählt sein, wenn beispielsweise die Breite des Versorgungsschachts zu gering ist. Diese Kollisionsart sollte umgehend in Absprache mit dem Architekten gelöst 
werden. Dahingegen ist es noch nicht erforderlich eine Kollision durch eine Kreuzung eines Luftkanals mit einer Wand, die einen Durchbruch erfordert, im Gebäudemodell aufzulösen. Es ist empfehlenswert in der Entwurfsplanung nur das Kanalsystem bis zu den einzelnen Räumen zu modellieren und auf Einbauteile wie Brandschutzklappen und Volumenstromregler zu verzichten. Des Weiteren dürfen zu diesem Zeitpunkt Kollisionen innerhalb des Gewerks zwischen Zu- und Abluftleitungen vorhanden sein. Diese minimale Modellierung des Lüftungssystems reduziert den Aufwand, wenn sich Raumabmessungen durch verschieben einer Wand ändern. In diesem Fall ist es notwendig, die vorherigen Berechnungen der Kühllast, des Auslegungsvolumenstroms und die Kanalnetzberechnung erneut durchzuführen und gegebenenfalls eine Redimensionierung des Luftkanalsystems durchzuführen. Durch die konsequente Erweiterung der Parameter können die Berechnungen automatisiert und somit ohne manuellen Aufwand erfolgen. Die Redimensionierung ist einer der Gründe für die minimale Modellierung des Luftkanalsystems. Je detaillierter das System modelliert ist, desto eher können Situationen auftreten, die durch eine Redimensionierung nicht automatisch aufgelöst werden können und somit eine manuelle Nachbearbeitung erforderlich machen. In Abbildung 3 ist das Luftkanalsystem von Zu- und Abluft nach der Entwurfsphase im Grundriss für die zweite Etage dargestellt. 


Leistungsphase 5
Im Zuge der Genehmigungs- und Ausführungsplanung (LPH 4 und 5) sollte eine Änderung im Grundriss nicht mehr erfolgen, sodass eine Modellierung des Lüftungssystems innerhalb der Räume erfolgen kann. Bei der Ausführungsplanung kommt es häufig zu einem Konfliktpunkt mit dem Vergaberecht. Bei der Ausschreibung von Planungs- und Bauleistungen für Projekte der öffentlichen Hand ist das Prinzip der Gleichbehandlung und Produktneutralität einzuhalten. Das Hinterlegen von realen Produkten aus Bauteilbibliotheken und die Übernahme als Produktvorgabe in der Ausschreibung ist aus vergaberechtlicher Sicht hier nicht zulässig. Die Wahl einer Planungsmethode ist kein anzuerkennender Ausnahmefall, um vom Gleichbehandlungsgrundsatz abzuweichen (7, S. 51). Aus diesem Grund sollte bei Projekten der öffentlichen Hand in dieser Leistungsphase auf eine Modellierung mit Herstellerbauteilen zunächst verzichtet und neutrale Bauteile verwendet werden. Für die Wahl der Anzahl und Größe der Luftdurchlässe ist deren Druckverlust und Schallpegel entscheidend. Diese Daten können auch ohne Herstellerdaten abgeschätzt werden, so ist in der VDI 2081 ein Berechnungsverfahren für das Schallleistungsspektrum von Luftdurchlässen beschrieben. Ebenfalls gibt es Richtlinien für die Geschwindigkeiten innerhalb eines Klimazentralgeräts, sodass dessen ungefähre Abmessung abgeschätzt und in ein neutrales Bauteil überführt werden kann. Falls diese Abschätzungen nicht ausreichen, können sich die Parameter der neutralen Bauteile auch an den Daten von Herstellern orientieren. In der Ausführungsplanung sollten alle Kollisionen innerhalb eines Gewerks aufgelöst werden. Die Kollisionen von Leitungen und Kanälen mit Wänden werden durch eine Schlitz- und Durchbruchsplanung entfernt. Am Ende der Leistungsphase 5 ist ein Modell des Lüftungssystems entstanden, das alle Bauteile und Formstücke enthält, die für die Ausschreibung erforderlich sind und mit dem Massenauszug quantifiziert werden können.


Leistungsphase 8 
Die weitere Modellierung erfolgt im Anschluss der Ausschreibung und zu Beginn der Objektüberwachung. Die neutralen Bauteile werden durch Herstellerbauteile ersetzt. Die Herstellerbauteile steigern durch ihre Abmessungen und Produktdaten den LOG und LOI der Bauteile im Lüftungssystem, wohingegen die Informationstiefe der Luftkanäle und Räume nicht durch die Herstellerbauteile erweitert wird. Es ist zu erwähnen, dass durch die Nutzung der Produktdaten Anpassungen in der Planung erforderlich sein können. So ist beispielsweise eine genaue Positionierung von Luftdurchlässen erst mit den Auslegungskriterien des Herstellers möglich, um sicherzustellen, dass die Behaglichkeitskriterien im Raum eingehalten werden und im Betrieb keine Zugerscheinungen auftreten. Auch kann die Einhaltung des Schalldruckpegels erst mit den Herstellerbauteilen final geprüft werden. Der letzte Anstieg des LOD der Bauteile erfolgt mit Abschluss der Bauphase bei der Übergabe (nach LPH 8). Die Bauteile müssen in ihrer tatsächlich verbauten Position und Abmessung im Gebäudemodell eingepflegt sein. Weil im errichteten Gebäude keine Kollisionen auftreten, muss das auch im Modell der Fall sein. Die Abbildung 5 zeigt das Lüftungsmodell mit allen Herstellerbauteilen und einen Auszug der Parameter des Klimazentralgeräts. 


Fazit
Die Methodik des Planungsprozesses mit BIM wird anhand des Beispielprojekts deutlich. Bei BIM entsteht ein digitales Modell des Gebäudes mit allen Bauteilen und dessen Informationen. Über den Planungsprozess wird das Modell immer weiter verfeinert und der LOD gesteigert, dabei ist es von entscheidender Bedeutung, dass alle Informationen direkt von Computerprogrammen verarbeitet werden können. So können Berechnungen wie beispielsweise die Kühllast- oder die Schallpegelberechnung ohne großen Aufwand erneut durchgeführt werden, wenn dieses aufgrund einer Änderung oder durch erhöhen des LOI von Bauteilen erforderlich wird. 
Das Beispiel zeigt auch einen Ansatz, den Aufwand in den frühen Leistungsphasen zu reduzieren und dadurch den Aufwand und die Abrechnung der erbrachten Leistung nach HOAI wieder anzunähern. Durch den Verzicht der Modellierung der Kanalführung in den Räumen während der Entwurfsplanung wird die Möglichkeit geschaffen, flexibel auf Änderungen zu reagieren und sich in dieser Phase auf die Modellierung der Versorgungstrassen zu beschränken. Erst wenn die Versorgungstrassen mit allen Gewerken abgestimmt sind, erfolgt in der Ausführungsplanung die Planung der Leitungsführung innerhalb der Räume. Weiter wird die Notwendigkeit von herstellerneutralen Bauteilen für eine vergaberechtskonforme BIM-Planung verdeutlicht. In einem guten neutralen Bauteilkatalog sind alle notwendigen Parameter der einzelnen Bauteile für die Ausschreibung enthalten. Nach der Ausschreibung und zu Beginn der Leistungsphase 8 werden die neutralen Bauteile durch Herstellerbauteile ersetzt.

 

Eingesetzte Software im Beispielprojekt
Im beschriebenen Beispielprojekt wurde das BIM-Projekt mit den Softwarelösungen der liNear GmbH geplant. Als CAD-Plattform diente Autodesk Revit. Besonders die durchgängigen Planungsmöglichkeiten mit den Konstruktions- und Berechnungsprogrammen liNear Desktop, liNear Analyse und liNear Building direkt im Revit-Modell, machen diese Lösungen zu optimalen Werkzeugen für eine BIM-konforme Planung. liNear liefert sowohl neutrale als auch umfangreiche Herstellerbibliotheken mit, die je nach Leistungsphase ausgetauscht werden können. Die unterschiedlichen Detailtiefen und die Möglichkeit der Informationsanreicherung der genutzten Bauteile ermöglicht die Lieferung des geforderten LOD zu jedem Zeitpunkt. 

 

LITERATUR
1. BMVI. Stufenplan Digitales Planen und Bauen. 
Einführung moderner, IT-gestützter Prozesse und Technologien bei Planung, Bau und Betrieb von Bauwerken, 2015.
2. VAN TREECK, C., R. ELIXMANN, K. RUDAT, S. HILLER, S. HERKEL und M. BERGER. Building Information Modeling: Routledge, 2016.
3. HAUSKNECHT, K. und T. LIEBICH. BIM-Kompendium. 
Building Information Modeling als neue Planungsmethode. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2016. ISBN 9783816794899.
4. AMERICAN INSTITUTE OF ARCHITECTS. 
Instructions and Commentary to the 2013 AIA Digital Practice Documents, 2013.
5. NATSPEC. NATSPEC National BIM Guide, 2011.
6. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure. HOAI, 2013.
7. DISCHKE, E. Vergaberecht & BIM: Vorteile für Spezialisten? Build-Ing., 2018, (3), 50-51
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Tabelle 1: Anforderungen der Level und Typen des LOD
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Abbildung 1: Honoraranteile des Leistungsbilds Technische Ausrüstung nach § 55 HOAI
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Tabelle 2: Auszug aus den Anforderungen des Bauherrn für den Raumtyp Büro
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Abbildung 2: Außenansicht des Bürogebäudes
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Abbildung 3: Luftkanalsystem für eine Etage nach der Entwurfsplanung
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Abbildung 4: Ausführungsplanung für das Lüftungssystem mit den neutralen Bauteilen und Kanalnetzberechnung
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Abbildung 5: Klimazentralgerät mit Herstellerdaten