Gebäudetechnik als Strukturgeber im integralen Planungsprozess

Planung der „Viega World“

Planung eines neuen, interaktiven Weiterbildungszentrums in Attendorn

Die Planung der „Viega World“, einem neuen interaktiven Weiterbildungszentrum in Attendorn, erfolgte durch eine neue methodische Herangehensweise mit einem ganzheitlichen und am Lebenszyklus orientierten Ansatz. Die Gebäudetechnik wurde in der Integralen Planung mit der Arbeitsmethodik Building Information Modeling (BIM) als wichtigster Strukturgeber im Planungsprozess mit besonderen Anforderungen an das BIM-Informationsmanagement identifiziert. Im Anschluss an eine fundierte Bedarfsplanung erfolgte die Auswahl des Planungsteams in einem mehrstufigen Auswahlverfahren entsprechend dem Referenzprozess des Stufenplans „Digitales Planen und Bauen“. Für die BIM-seitige Abbildung von strukturgebenden Einheiten nach geometrischen, technischen und funktionalen Gesichtspunkten wurden verbindliche Vorgaben zur Modellorganisation nach DIN EN ISO 19650 und ein neuartiger Fertigstellungsgrad für die Abstimmung der technischen Gewerke eingeführt. Über die Auftraggeber-Informations-Anforderungen (AIA) und den BIM-Abwicklungsplan (BAP) wurden konkrete Vereinbarungen zum Informationsmanagement, das heißt, zum Gegenstand, Fertigstellungsgrad und Zeitpunkt von Informationslieferungen getroffen. Betriebsdaten aus der Gebäudeautomation werden am digitalen Zwilling in Echtzeit abgebildet. BIM-Anwendungsfälle erstrecken sich damit über alle neun Leistungsphasen der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI). Mit den Erfahrungen ist das Vorhaben ein wichtiges Referenzprojekt für die Anwendung von BIM in der TGA.

Das neue Seminarcenter „Viega World“ ist am Gründungsstandort des Unternehmens in Attendorn-Ennest als interaktives Weiterbildungszentrum für etwa 200 Kunden lokalisiert. Es gliedert sich strukturell in sechs Bereiche, Empfang und Erschließung, Lernwelten, Konferenz, Ausstellung, Cafeteria und Arbeitswelten, und soll Besuchenden eine Atmosphäre mit authentischem Markenauftritt bieten und als Plattform für den fachlichen Austausch dienen. Als Besonderheit werden unter der Leitidee „Wissen erlebbar machen“ künftig auch die Planung und der Betrieb Bestandteil einer Ausstellung, indem Teile der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) sichtbar bleiben und die Auswertung und Visualisierung von Betriebsdaten am realen und digitalen Zwilling in Echtzeit möglich wird. Der Entwurf des Gebäudes als klimaneutrales Objekt orientiert sich mit seinem Energiekonzept an wichtigen Zielvorgaben der Energiewende und stellt höchste Ansprüche an die Nachhaltigkeit.

Neben großflächigen Photovoltaikanlagen wird das hohe anergetische Nutzungspotential aus Abwärme eines benachbarten Viega-Produktionsbetriebes erschlossen und Wärme- und Kältelasten über Wärmepumpenprozesse verschoben. Das Gebäude erhielt hierfür bereits im Vorzertifikat der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) die Auszeichnung „Platin“ und im eingereichten Zertifikat mit 90,3 Prozent Gesamterfüllungsgrad die höchste Punktzahl in der Kategorie „Neubau Bildungsbauten“ (zum Zeitpunkt der Veröffentlichung noch in der Konformitätsprüfung). Für eine Übersicht über die am Planungsprozess des Gebäudes beteiligten Akteure und deren Funktion sei auf die ausführliche Darstellung in [1] verwiesen.

Die Entwicklung einer neuartigen Systematik zur Verknüpfung von Energiemonitoring, funktionalen Zusammenhängen der Gebäudeautomation, BIM-Prozessen und der Anbindung an CAFM wurde durch das seitens des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Forschungsvorhaben Energie.Digital (Verbundpartner Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, RWTH Aachen University und Viega, Laufzeit 2018 bis 2023) wissenschaftlich parallel erarbeitet. Im Ergebnis werden Daten der Gebäudeautomation auf Feldebene mittels Methoden des Linked Data mit Informationssystemen zum energetischen Monitoring und dem 3D-Informationsmodell verknüpft. Betriebsdaten werden am digitalen Zwilling in Echtzeit visualisiert, für einen Besuchenden beispielsweise erfahrbar an verschiedenen „digitalen Schachteinblicken“ im Gebäude.In der Planung, Projektentwicklung und Projektsteuerung wurde ein Paradigmenwechsel vollzogen und eine neue methodische Herangehensweise mit besonderem Fokus auf die TGA umgesetzt [1]:

Auswahlverfahren Integrale Planung mit der Arbeitsmethodik BIM

Die Umsetzung des Projektes wurde durch eine entsprechende Projektentwicklung und strukturierte Bedarfsplanung ermöglicht, die ausführliche Vorgaben des Bauherrn zu BIM als AIA enthielt, sowie durch ein Auswahlverfahren zur Selektion des besten Planungsteams gemäß Referenzprozess des Stufenplans „Digitales Planen und Bauen“ und Formulierung eines detaillierten BAP zur technischen Umsetzung. Vor Beginn der Planung wurden durch die Projektsteuerung und das Qualitätsmanagement im Rahmen der Bedarfsplanung die Bedarfe, Vorgaben und Ziele des Bauherrn in einem Lastenheft dokumentiert. Das Lastenheft stellt eine Dokumentation sämtlicher Anforderungen aus Sicht der Nutzung (Nutzungsprozesse) und des Betriebs (FM-Prozesse) dar und enthält Vorgaben zu BIM im Sinne von Auftraggeber-Informations-Anforderungen. Parallel sind Ausführungen zur Projektorganisation und Organisationsprozessen, Leistungsbilder und Verpflichtungen in einem Organisationshandbuch festgeschrieben. Besondere Vertragsbedingungen BIM (BIM-BVB) wurden parallel durch eine Rechtsanwaltskanzlei erarbeitet.

Für die Auswahl des Planungsteams wurde kein Architekturwettbewerb durchgeführt. Der Entwurf erfolgte im Rahmen eines privaten Auswahlverfahrens mit Realisierungszusage auf Basis der im Lastenheft formulierten Nutzungsprozesse und Anforderungen und unter dem Leitgedanken eines Integralen Ansatzes. Das dreistufige Auswahlverfahren „Integrale Planung BIM“ entspricht dem Referenzprozess des Stufenplans „Digitales Planen und Bauen“ des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr (BMDV) [4]. Nach der Ansprache von Planungsbüros mittels entsprechender Ausschreibungsunterlagen und deren Bewerbung wurden einer vorausgewählten Gruppe von namhaften Bewerbern bzw. Bietergemeinschaften detaillierte Projektunterlagen zur Verfügung gestellt. Die AIA enthielten Informationen über Ziele, Akteure, BIM-Prozesse und Rahmenbedingungen sowie Anforderungen an die Technik und das Daten- und Informationsmanagement.

Ziel des Auswahlverfahrens war die Einholung von Auswahlverfahrens-Gutachten, die neben einem architektonischen Entwurf insbesondere gewerkeübergreifende und am Lebenszyklus orientierte Vorkonzepte enthalten sollten. Hierzu zählten etwa ein Segment-/Achsenkonzept, ein Trassenkonzept, ein Energiekonzept, ein Brandschutzkonzept und auch ein vorvertraglicher BIM-Abwicklungsplan (Pre-BAP) als Antwort auf die AIA. Zum Auswahlverfahren gehörte auch ein Kompetenzscan, der neben der allgemeinen fachlichen Eignung und Qualifikation auch Bestandteile zu BIM gemäß Stufenplan enthielt. Die Ausschreibung wurde durch die Projektsteuerung in Zusammenarbeit mit dem fachlichen BIM-Berater ausgearbeitet und ausgewertet.

Nach Auswertung (ausführlich in [1]) auf Basis der in der Ausschreibung kommunizierten Bewertungskriterien wurden drei besonders qualifizierte Teams eingeladen und nach Briefing zur (pauschal vergüteten) Erarbeitung detaillierter Gutachten aufgefordert. Die Bewerber waren gebeten, Aussagen zum Team, der Qualifikation, zu Qualifizierungsmaßnahmen, zur Qualitätssicherung und zur technischen Ausstattung vorzulegen, sowie eine Kostenschätzung und ein Honorarangebot auszuarbeiten, Flächen- und Rauminhalte anzugeben, die Erfüllung der vorgegebenen Nutzungsprozesse zu kommentieren und Angaben zum Erfüllungsgrad der Nachhaltigkeitszertifizierung zu geben. Kernaspekt des Gutachtens stellten die jeweils auszuarbeitenden Vorkonzepte und Konzepte dar, die untereinander abzustimmen waren. Ein abgestimmtes Trassenkonzept dient hierbei zur Darstellung der technischen Erschließung; das Segment-/Achsenkonzept regelt aus Sicht der TGA und insbesondere der Gebäudeautomation die technische und funktionale Segmentierung des Gebäudes, aus Sicht der Nutzung das Raumkonzept sowie aus Sicht des Tragwerks das Achsraster.

Die Bieter waren damit aufgefordert, bereits vor Beginn der Planung in einem gewerkeübergreifenden Dialog konkrete Abstimmungsprozesse zu führen und das Ergebnis dieser Abstimmungsprozesse in den Vorkonzepten darzulegen. Die Vorkonzepte wurden nach Planungsbeginn zu Konzepten ausgearbeitet, deren Fertigstellung und Freigabe eine Voraussetzung für den Start von Leistungsphase 3 darstellte. So wurde beispielsweise über die Einführung eines neuen Fertigstellungsgrades für die TGA (LoC) vorgeschrieben [5], frühzeitig in einem zunächst sehr groben geometrischen Modell die Kollisionsfreiheit zwischen Haupttragwerk und TGA-Trassenkonzept (nur grobe Volumenkörper der Trassen, keine Rohrleitungen) im geometrischen Modellentwicklungsgrad LoG 1 nachzuweisen.

Die Entwurfsleistung der Architektur bestand unter anderem darin, die komplexen, sich gegenseitig teils beeinflussenden gewerkeübergreifenden Vorgaben und Nutzungsanforderungen im Raumprogramm in eine aussagekräftige Formensprache zu übersetzen. So entstand ein „frühes BIM-Modell“ als Ergebnis eines integralen Abstimmungsprozesses und planerischer Koordination mit den anderen Konzepten.

Wichtige Strukturgeber im integralen Planungsprozess

Unabhängig von der Frage, welche Rolle für die Koordination von Planung und Ausführung jeweils zuständig ist, sind Aspekte voneinander zu unterscheiden, die zu verschiedenen Zeitpunkten strukturgebend für die Entwicklung eines Projektes sind. So ist es die Aufgabe der Architektur, Nutzeranforderungen aus einem Raumprogramm in eine individuell gestaltete Formensprache zu übersetzen und technisch-funktional umzusetzen. Entscheidender Strukturgeber vor Beginn dieser Planung ist jedoch zunächst eine solide Bedarfsplanung (DIN 18205) [6]. Diese mündet in ein Lastenheft, das Ziele, Bedarfe und Nutzungsprozesse vollständig beschreibt (Abb. 4, gelbe Kurve). Die Betriebs- und Nutzungsphase (Abb. 4, grüne Kurve) bestimmt den Bedarf entsprechend mit.

Wichtigster Strukturgeber während der folgenden Planungsphase (Vorplanung und Entwurfsplanung) ist die Technische Gebäudeausrüstung. Diese stellt das mit Abstand komplexeste Gewerk dar. So sind in einem gewerkeübergreifenden Dialog (Abb. 4, gelbe Kurve) auf Basis von Nutzungsprozessen und Energiekonzept grundlegende Abhängigkeiten, die Verortung von Nutz- und Nebenflächen, die Anordnung von Trassen und Schächten, die Definition von Versorgungsbereichen sowie die Verortung von Technikzentralen und Brandabschnitten zu klären und mit Architektur und Tragwerk abzustimmen. Sind diese Fragestellungen geklärt, so sind auch die meisten Projektfragen geklärt.

Mit dem Vorliegen abgestimmter Konzepte kann der Modellaufbau beginnen (Abb. 4, hellgraue Linie). Die konzeptbasierte Vorgehensweise liefert zudem die Voraussetzung für die räumliche Modellpartitionierung nach ISO 19650 [3] (bzw. VDI 3814 [7] aus Sicht der Automation), indem verschiedene Informationscontainer wie Räume, Bereiche, Trassen usw. definiert sind, die nun in einem höheren geometrischen und informationstechnischen Modellentwicklungsgrad ausdetailliert werden. Grundlegende Abstimmungsprozesse zwischen Trassen und Tragwerk finden in dieser Phase vorzugsweise nicht mehr statt, diese Abstimmung war Gegenstand der vorgenannten Konzepte. In der Phase der Bauausführung sind es dann Prozesse der Logistik (Abb. 4, graue Kurve), in der Betriebs- und Nutzungsphase Prozesse des CAFM (Abb. 4, dunkelgraue Linie), die als Strukturgeber identifiziert werden können.

Modellorganisation nach DIN EN ISO 19650

Das Informationsmanagement wurde im BIM-Abwicklungsplan nach DIN EN ISO 19650 [3] im höchsten Reifegrad der Stufe 3 umgesetzt. Neben entsprechenden BIM- und Prozessstandards enthält ISO 19650 auf der Technologieebene Vorgaben zum gemeinsamen Datenraum (Common Data Environment, CDE) sowie auf der Informationsebene Vorgaben zu Informationslieferungsprozessen und zur Organisation von Daten zu Bauwerken.

Besonders hervorzuheben ist die Organisation des Modells mittels entsprechender Informationscontainer. Hierbei wurden strukturgebende Einheiten identifiziert und zusammengefasst (Spatial Federation Strategy) und Ordnungsstrukturen für den Modellaufbau (Container Breakdown Structures) eingeführt. Als Informationscontainer wird unterschieden zwischen Bereich, Raum, Segment, Anlage, Trasse und System. Ein Segment stellt hierbei in Analogie zur Methodik nach VDI 3814 [7] die „kleinste betrachtete funktionale und geometrische Einheit“ dar, „die nicht-teilbar, eigenständig nutzbar ist und für die Funktionen der Raumautomation anwendbar sind“. Informationscontainer wurden im BIM als Bounding-Box-Objekte abgebildet und mit einem Kennzeichnungsschlüssel verwaltet.

Segmente gleicher Art und Nutzung wurden zu Segmenttypen zusammengefasst. Bereiche fassen mehrere Räume zusammen. Die Typisierung von Segmenten ermöglicht zudem die Identifikation von Wiederholfaktoren mit entsprechenden wirtschaftlichen Vorteilen für die modulare Vorfertigung und flexible Umnutzung sowie für die Vervielfältigung von Software für die Gebäudeautomation.

Die Koordination des Raumbedarfs für Trassen und Schächte erfolgte im Trassenmodell in der Vorplanung. Der objektbezogene Raumbedarf wurde mit Hilfe von Störkörpern definiert. Neben dem Komponentenraum (Component Space), das heißt, dem Raum, den ein Bauteil als solches einnimmt, wurden durch die Fachplaner Montageräume (Assembly Space), Wartungsräume (Maintenance Space) und Bedienräume (Operating Space) modelliert.

Mit diesem Vorgehen wurde die Modellpartitionierungsstrategie der Konzepte in BIM umgesetzt, indem unterschiedliche Informationscontainer für funktionale Bereiche, die räumliche Koordination und geometrische Zusammenhänge als strukturgebende Einheiten zusammengefasst und deren Einsatz im BIM-Datenmanagementsystem verbindlich vorgeschrieben wurde. CAD-seitig wurde das Modell nach den Vorgaben der Modellierungsrichtlinie des BAP auch in Ebenen organisiert, die einer einheitlichen Namenskonvention folgten.

Bedeutung für das Erreichen wichtiger Prozessziele

Die Modellorganisation in Informationscontainer hat auch Einfluss auf das Erreichen wichtiger Prozessziele. So beeinflussen im Lastenheft definierte Anforderungen zahlreiche Aspekte. Die Kenntnis der Nutzungsprozesse ist beispielsweise wichtig zum Erreichen des Prozessziels der Trinkwassergüte, indem Überdimensionierungen von Rohrleitungen vermieden werden (Nutzungsprozesse auf Segment-/Raumebene), eine getrennte Trassenführung für kalte und warme Medien angestrebt (Trassenkonzept) oder eine entsprechende separate Leitungsführung für Kalt- und Warmwasserleitungen umgesetzt wird (geometrische Ausdetaillierung auf Segmentebene) oder eine systemische Betrachtung von Trinkwassermanagement-Systemen erfolgt (Regelung auf Systemebene).

Die Überwachung eines energieeffizienten Anlagenbetriebs wird durch digitale Funktionsbeschreibungen oder das Benchmarking von Performance-Indikatoren auf der Ebene von Informationscontainern ermöglicht (Methodik Gegenstand der Forschung im Projekt Energie.Digital).

Betriebsdaten aus der Feldebene der Gebäudeautomation werden am digitalen Zwilling in Echtzeit dargestellt. Grundlage hierfür bilden unter anderem die im Rahmen des Förderprojektes Energie.Digital entwickelten wissenschaftlichen Methoden, die mit Hilfe von Linked Data [8] Informationssysteme miteinander verknüpfen und Daten für das Energiemonitoring aufbereiten. Digitale Schachteinblicke im Gebäude machen diese Daten für Besuchende sichtbar.

Danksagung

Dieser Beitrag entstand in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Viega (Viega GmbH & Co. KG) als Bauherrn und verschiedenen Projektbeteiligten, der Preuss Project Partner GmbH, der Heidemann und Schmidt GmbH, der e3D Ingenieurgesellschaft mbH, der Rechtsanwaltskanzlei Kapellmann und Partner mbB und mehreren Fachplanern – im Einzelnen: Heinle Wischer und Partner, FACT GmbH, Boll und Partner GmbH, HGI Trox GmbH, Kurz und Fischer GmbH, Scape GmbH, M Plus GmbH, Atelier Markgraph, Fraunhofer ISE, Meckmann und Kollegen (DGNB), Ingenieurbüro Schmidt, Ingenieurbüro Reintsema und weiteren Gutachtern und in der Werkplanung und Bauausführung Caverion Deutschland GmbH und Köster GmbH. Die Autoren danken allen Beteiligten für die gute Zusammenarbeit im Projekt.

Die wissenschaftlichen Forschungsarbeiten im Projekt Energie.Digital wurden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unter dem Förderkennzeichen 03EN1026A gefördert. Die Autoren danken dem BMWK für die Unterstützung und den projektbeteiligten Instituten, dem Fraunhofer ISE und der RWTH Aachen University, für die gute Zusammenarbeit.

Dr.-Ing. habil., Universitätsprofessor Christoph van Treeck E3D – Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen RWTH Aachen University Mathieustr. 30 D-52074 Aachen treeck@e3d.rwth-aachen.de

e3D Ingenieurgesellschaft mbH Am Guten Hirten 4 D-52072 Aachen info@e3d-ingenieure.de

M. Sc. Jaroslaw Siwiecki E3D – Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen RWTH Aachen University Mathieustr. 30 D-52074 Aachen siwiecki@e3d.rwth-aachen.de

e3D Ingenieurgesellschaft mbH Am Guten Hirten 4 D-52072 Aachen info@e3d-ingenieure.de

Ulrich Zeppenfeldt Viega GmbH & Co. KG Viega Platz 1 D-57439 Attendorn

Literatur

[1] C. van Treeck, A. Heidemann, J. Siwiecki, P. Schmidt und U. Zeppenfeldt, Integrale Planung BIM – Umsetzungserfahrungen im Neubauprojekt Viega World. In: Gebäudetechnik als Strukturgeber für Bau- und Betriebsprozesse: Trinkwassergüte – Energieeffizienz – Digitalisierung, van Treeck, Kistemann, Schauer, Herkel und Elixmann, Hrsg., Berlin Heidelberg: Springer VDI Fachbuch, 2018.

[2] A. Heidemann und P. Schmidt, Raumfunktionen. Ganzheitliche Konzeption und Integrationsplanung zeitgemäßer Gebäude, Stockach: TGA-Verlag, 2012.

[3] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN EN ISO 19650-1 Organisation von Daten zu Bauwerken – Informationsmanagement mit BIM – Teil 1: Konzepte und Grundsätze,“ Beuth Verlag, Berlin, 2018.

[4] BMVI, „Stufenplan Digitales Planen und Bauen,“ Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), Berlin, 2015.

[5] C. van Treeck, „Erweiterung von BIM Modellentwicklungsgraden zur Unterscheidung von Modellinhalt und Modellqualität,“ HLH : Lüftung, Klima, Heizung, Sanitär, Gebäudetechnik, Nr. 11, pp. 47-51, 2016.

[6] Deutsches Institut für Normung e.V., „DIN 18205:2015-11 Bedarfsplanung im Bauwesen (Entwurf),“ Beuth Verlag, Berlin, 2015.

[7] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 3814:2019-01 Blatt 1 Gebäudeautomation (GA) – Grundlagen,“ 2019. [Online]. Verfügbar: https://www.vdi.de/nc/richtlinie/vdi_3814_blatt_1-gebaeudeautomation_ga_grundlagen/. [Zugriff am 01.05.2019].

[8] J. F. C. v. T. N. Pauen, „IFC2TSO – Algorithmic processing, complexity reduction, and transfer of information regarding technical systems from IFC to TSO,“ in 33. Forum Bauinformatik, Technische Universität München, 2022.

[9] Verein Deutscher Ingenieure e.V., „VDI 3813:2011-05 Blatt 1 Gebäudeautomation (GA) - Grundlagen der Raumautomation,“ 2011. [Online]. Verfügbar: https://www.vdi.de/richtlinie/vdi_3813_blatt_1-gebaeudeautomation_ga_grundlagen_der_raumautomation/. [Zugriff am 19.05.2016].

[10] C. van Treeck, R. Elixmann, K. Rudat, S. Hiller, S. Herkel und M. Berger, Gebäude.Technik.Digital. Building Information Modeling, VDI-Buch Hrsg., C. Holst-Gydesen, Hrsg., Berlin Heidelberg: Springer, 2016.

Weiterführende Informationen: https://www.viega.de/de/homepage.html

Donnerstag, 13.07.2023