Durchgängiger BIM-Workflow für die Geotechnik
Daten per Knopfdruck für alle
von: Andreas Stünkel und Jürgen Maria Schmidt
Wird die Geotechnik in das Building Information Modelling (BIM) integriert, entsteht ein einheitliches 3D-Modell, das zu jeder Zeit die aktuellen Daten vorhält. Damit erweitert sich die Funktion von BIM weg vom reinen Bauwerk hin zu dessen Umgebungsbedingungen.
Im Tunnelbau, etwa beim Brennertunnel, muss genau berechnet werden, wie Maschinen durch den Baugrund getrieben werden können und wann bzw. wo Sprengungen erfolgen sollen. Die genaue Modellierung sorgt für den optimalen Einsatz der Tunnelbohrmaschinen und ist damit ein entscheidender Kostenfaktor. Doch die Geotechnik ist nicht nur für komplexe Bauwerke wie Tunnel relevant, sondern auch für den Bau von Häusern, Fabriken oder Brücken. Der Baugrund und seine Eigenschaften bestimmen die Planung mit – und digitale Tools unterstützen bei der Umsetzung. So ist die Digitalisierung, genauer Building Information Modelling (BIM), heute in der Geotechnik ein aktuelles Thema.
Gesamtheit eines Bauwerks samt Rahmenbedingungen
Vor noch fünf Jahren war BIM vor allem im Bereich der Gebäudeplanung mit Architektur, Statik und Haustechnik relevant, heute geht es deutlich darüber hinaus und umfasst die Gesamtheit eines Bauwerks samt Rahmenbedingungen wie Baugruben, Boden und Umwelt – zum digitalen Modell gehören also ebenfalls Visualisierungen von Vermessern und Geländeverlauf. Damit weitet sich das Bild des Bauprozesses und der ihn beeinflussenden Faktoren. Ging es früher zum Beispiel in erster Linie um Details wie die Vermeidung von Kollisionen etwa von Rohren oder Trägern, richtet sich heute der Blick auf das große Ganze und die Realisierbarkeit eines Projekts insgesamt.
Im Bereich der Geotechnik liegen Fokus und Nachfrage auf einem durchgängigen Workflow: Er umfasst in der Gesamtheit die Ermittlung der Bodenschichten, die Berechnung der Baugruben und ihrer Auffüllung, die Planerstellung mit der Massenermittlung unter Berücksichtigung von Bauphasen, eine Planableitung mit Böschungsschraffur und den Verbau oder die Statikberechnung. Damit kann der Baugrund als 3D-Modell in der Software modelliert werden, aus dem die Baugrube ausgehoben, das heißt Volumen im Modell herausgeschnitten werden. Im ersten Projektschritt mit einem digitalen Tool werden die Bodenschichten modelliert: Sie lassen sich in der Software aus Grunddaten von Bohrkernen und Bohraufschlüssen darstellen: Dafür werden Eckpunkte der Bohrungen linear verbunden, um den Verlauf der Schichten und ihre Dicke nachzuvollziehen. Im Tool können dann Materialkennwerte als Beschriftung hinzugefügt werden und der User kann sich mit einem Klick statisch relevante Bodenkennwerte anzeigen lassen. Auf dieser Grundlage kann die tragfähige Schicht für das Fundament ermittelt werden. Das ist entscheidend.
Im Tool wird die Baugrube selbst zu einem Gebäud
Schließlich darf das Bauwerk nicht kippen. Es darf sich nur innerhalb bestimmter Grenzen setzen und muss deshalb auf tragfähigem Untergrund stehen. Im Tool wird die Baugrube dann selbst zu einem Gebäude, einer Art Hülle, die sich in den Boden erstreckt. Es berechnet, wie die Baugrube konstruktiv gelöst werden kann, um zum Beispiel einen Nachrutsch des Erdreichs zu verhindern. Wichtig ist darüber hinaus die Massenermittlung auf Basis der Bauphasen: Hier muss die Reihenfolge berücksichtigt werden, damit Klarheit entsteht, wie viel Aushub wann und zu welcher Zeit wo abgenommen werden muss; wo der Grund es erlaubt, zum Beispiel Kräne aufzustellen, wo sich Rampen befinden werden und Fahrzeuge fahren oder wo Container platziert werden können.
Der Transport des Materials muss organisiert werden, außerdem muss ermittelt werden, um welches Material es sich handelt und ob es belastet oder verunreinigt ist, etwa mit Öl. Auch das stellt einen Kostenfaktor für die Baustelle dar. Auch die Auffüllung, nachdem das Bauwerk in der Grube errichtet wurde, kann berechnet werden, was mathematisch nicht trivial ist. Die User füllen die Baugrube dabei wie eine Badewanne und klicken in den Raum, um ihn bis zu einer gewissen Höhe zu befüllen. Die Berechnung ermittelt, wie viel Material mit Lkw heran- und abtransportiert werden muss. Sinnvoll ist auch die Funktion einer Planableitung mit Böschungschraffur, um den genauen Verlauf der Baugrube, ihre Schrägen und gekrümmte Bereiche abbilden zu können. Die Herausforderung besteht in der Eindeutigkeit des Plans – wo was und in welche Richtung ausgehoben werden soll. Oft ist auf Plänen nicht klar, wo sich ein Gefälle befindet. Manuelle Pläne oder 2D-Zeichnungen müssen mit diesen Informationen nachbearbeitet werden, was Zeit kostet.
Statik für den Verbau berechnet
Final wird die Statik für den Verbau berechnet: Auch dafür sind geotechnische Daten relevant, etwa um zu ermitteln, ob eine Böschung stabil genug ist oder abzurutschen droht, wie dick Stahlträger sein müssen und wie tief und in welcher Höhe Anker angebracht werden müssen. Früher erfolgten die einzelnen Berechnungen der Projektschritte als losgelöste Prozesse an unterschiedlichen Modellen, was viel Interpretations- und Konvertierungsarbeit erforderte. Auch Zeichnungen und Schnitte wurden aus verschiedenen Vorlagen generiert.
Da ein 3D-Modell als einheitliche Grundlage fehlte, waren eine hohe Abstimmungsarbeit zwischen den Beteiligten notwendig und Unklarheiten an der Tagesordnung. Ein BIM führt die Daten der spezialisierten Planungsbüros zusammen und erlaubt deren einfache Weiterverarbeitung. Daten stehen auf Knopfdruck zur Verfügung und müssen nicht mühsam zusammengetragen werden. Ein 3D-Modell bietet dann die Chance, alle notwendigen Informationen für alle Beteiligten vorzuhalten – für Vermesser, Konstrukteure und Statiker. Aus diesem Modell können sich die Gewerke die relevanten Informationen für Berechnungen der Statik, für Konstruktion und Auswertung der Massen ziehen, etwa in Form von Schnitten und Ansichten. Gerade, wenn sich das Bauwerk durch neue Abmessungen und Maße verändert, ergeben sich Änderungen und damit neue Bedingungen für die anzupassende Baugrube. Der Statiker muss die Berechnung aktualisieren. Das Gleiche gilt für die Bodenschichten. Deswegen ist eine durchgängige Anbindung der Geotechnik essenziell: Änderungen schlagen sich sofort im Modell nieder, sind für alle sichtbar und alle arbeiten mit den aktuellen Daten. Doppeleingaben werden vermieden, Vertipper bei Überträgen entfallen und Fehler können reduziert werden.
Fehler früher entdecken
Ohne BIM kann es passieren, dass ein Schnitt nicht zum Modell passt oder eine Berechnung davon abweicht. Insgesamt werden Fehler früher entdeckt und können verhindert oder rechtzeitig gegengesteuert werden, was sich ebenfalls positiv auf die Folgekosten auswirkt. Mit einem Tool, das alle Prozessschritte abbildet, kann die Planung schneller, einfacher und fehlerfreier erfolgen. Es ermöglicht damit die Koordination mit anderen Projektbeteiligten und macht die Vorgänge transparenter.
Damit kann der Kunde oder Bauherr auf Basis einheitlicher und valider Daten besser und schneller Entscheidungen treffen, da er die Auswirkungen kennt. Das trägt wiederum zur Kostenersparnis bei. Damit die Funktionalitäten geologisches Modell, Massenermittlung, Planung von Baugruben, statische Berechnung sowie Konstruktion und Planerstellung auf Basis eines Datenmodells für einen übergreifenden Workflow zusammengeführt werden können, braucht es das passende Tool: Die Basis kann als BIM-Plattform zum Beispiel das Autodesk-Tool Revit darstellen. Für den vollen Funktionsumfang setzen darauf Lösungen des Systemhauses Contelos und der FIDES DV-Partner Beratungs- und Vertriebs-GmbH auf.
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Andreas Stünkel ist Bereichsleiter Architektur, Bauwesen & Konstruktion bei Contelos; Jürgen Maria Schmidt ist Geschäftsführer von Fides DV-Partner.
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