Warum 3D-Modelle in der Tragwerksplanung?

Ihr wollt das ganze Gespräch über 3D-Modelle und ihren Nutzen hören? Die komplette Folge gibt es hier:

#002 Warum 3D-Modelle in der Tragwerksplanung?

Neue Technik und neue Modelle

Tragwerke wie Brücken oder Bürokomplexe sind in der Realität dreidimensional. Früher konnte man dreidimensionale Modelle und Bauwerke nicht berechnen, weshalb die Tragwerke vereinfacht und in ebene Teilsysteme zerlegt werden mussten. Dank leistungsfähiger PCs und Softwares kann man heute jedoch auf diese Vereinfachungen verzichten. Die Berechnung von 3D-Modellen ist möglich und kann durch digitale Trends unterstützt werden, z. B. BIM oder neue Möglichkeiten für realitätsnah visualisierte Modelle.

Bei der Tragwerksplanung ist das statische Konzept wichtig: Wie stelle ich statische Berechnungen auf und wie strukturiere ich mein komplettes statisches Vorhaben? Am Anfang stehen die Überlegungen dazu, wie das Tragwerk funktioniert, wie die jeweiligen Lastrichtungen verlaufen, ob man alle Lasten bis in die Fundamente führen kann, wie der Abstand der jeweiligen Stützen und der Querverbundträger sein muss usw. Hierfür ist das 3D-Modell gut geeignet, an dem sich auch die jeweiligen Kräfte viel besser ablesen und nachvollziehen können.

Auch Stabilität spielt bei der Berechnung eine große Rolle. In der 2D-Statik wird sie jedoch oft außer Acht gelassen, weil man dort idealisierte Modelle verwendet. Dies kann vor allem bei komplexeren Strukturen zum Problem werden. Aber was ist Stabilität überhaupt? Wenn zum Beispiel in den Medien von Stabilität gesprochen wird, ist eigentlich oft Tragfähigkeit gemeint. Als Beispiel dafür, was Stabilität tatsächlich bedeutet, kann man sich ein langes Lineal vorstellen. Dieses kann man langsam verbiegen, was es einige Zeit aushält, bis es schließlich zerbricht. Bauwerke verformen sich, das ist bis zu einem gewissen Grad normal, solange der kritische Punkt nicht überschritten wird. In 3D sieht man viel besser bzw. überhaupt, wo bei der Stabilität Probleme auftreten und kann ihnen entgegenwirken. Ein globales Stabilitätsversagen als Abschlussresümee ist so viel besser nachvollziehbar.

BIM-Modelle

BIM liefert solche gut idealisierten 3D-Modelle als Grundlage der Tragwerksplanung, die von Anfang an für die Berechnung genutzt werden können. Im Idealfall wird das 3D-Modell von BIM direkt aus dem CAD-Modell des Architekten mitgeliefert, was erheblich Zeit spart. Dieses Modell ist ein hilfreicher Weg zur Vorbemessung und zur Beurteilung, welches das richtige Tragwerk für die Statik ist.

Warum kann man die BIM-Modelle nicht gleich weiterverwenden? Hier liegt ein weiterer Trend: Die vollkommene Kopplung der parametrischen Entwurfsplanung mit einer Architektursoftware, sodass sie sich direkt weiter nutzen lassen. Die Datenaustauschprozesse in BIM funktionieren noch nicht einwandfrei, sie werden jedoch immer besser.

Was sind die Vorteile von 3D-Modellen?

Viele Gebäudestrukturen lassen sich in 2D nicht gut beschreiben und berechnen, wenn Geometrie und Struktur komplizierter werden. Beispiele sind Freiformstrukturen oder Membrantragwerke wie das Olympiastadion in München. Bei 2D wird mit erhöhten Sicherheiten gerechnet. Mit einem 3D-Modell ist hier eine wesentlich wirtschaftlichere Berechnung möglich.

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Berechnung ist die Windbelastung. Statiker belasten Gebäude für ihre Berechnungen. Dazu gehören ständige Lasten wie der Fußbodenaufbau oder Verkehrslasten. Schneelasten sind noch relativ klar geregelt, bei Windlasten ist dies jedoch nur für vereinfachte Formen und Geometrien der Fall. Bei Windlastberechnungen ist die Frage, wie man die jeweiligen Lastansätze richtig anbringt. In der herkömmlichen Statik wurde bisher mit erhöhten Ansätzen gearbeitet, um auf der sicheren Seite zu bleiben. Inzwischen gibt es auch dafür Softwaretools mit digitalen Windkanälen für wirtschaftlichere Berechnungen. Diese funktionieren nur mit einem 3D-Modell.

Ein weiterer Punkt sind dynamische Analysen. Erdbebenberechnungen funktionieren ebenfalls nahezu nur mit 3D-Modellen. Eigenformen, -schwingungen und -frequenzen sind Ergebnisse, die sich ein Tragwerksplaner ansehen muss, um zu beurteilen, ob ein Bauwerk der gegebenen Erdbebenbeanspruchung standhält.

Planung und Berechnung werden durch die Digitalisierung revolutioniert.

Durch 3D-Modelle ist man auch bei Änderungen flexibel, die im Planungsablauf immer wieder auftreten. Für den Bauablauf ist Klarheit darüber wichtig, was statisch machbar ist und welche Änderungen vorgenommen wurden bzw. werden müssen.

Heutzutage wird ein komplettes 3D-Statikmodell automatisch mitgeführt und veränderte Kräfte im System sofort von Bauteil zu Bauteil übertragen. Wenn man das Programm neu rechnen lässt, ist das Modell auf dem aktuellen Stand und alle können darauf zugreifen. Der Mehraufwand, der anfangs entsteht, weil man sämtliche Werte sorgfältig eingeben muss, wird kompensiert.

Früher wurde die Positionsstatik verwendet. Dabei werden die einzelnen Bauteile eines Bauwerks gekennzeichnet und anschließend berechnet. Tragelemente wie Wände etc. sind Positionen, die sich der Tragwerksplaner in seinen statischen Berechnungen anschaut, sie kennzeichnet und entsprechende Dimensionen-Querschnitte vorgibt, mit denen die ausführende Firma dann arbeitet.

3D-Modelle sind auch bei Detailstatiken vorteilhaft. Dabei geht es um Stahlbauverbindungen, bei denen von einem Punkt oder Knoten mehrere Stäbe oder Verbindungen abgehen. Durch FEM-Software wurde es vereinfacht, solche schwierigen Berechnungen und Knotenpunkte zu realisieren, mit wesentlich wirtschaftlicheren Ergebnissen.

Weitere Nebeneffekte von 3D-Modellen sind anschaulichere Ergebnisse, auch für eher fachfremde Personen. Ein vollständiges Modell in 3D ist verständlicher als eine Vielzahl von Teilmodellen. Verformungen, Spannungen und Kräfte werden zudem visualisiert dargestellt. 3D-Modelle vermitteln einen professionellen Eindruck bei den Beteiligten: Der Tragwerksplaner erlangt ein gutes Image und Auftraggeber haben mehr Vertrauen in ihn.

An 3D-Modellen kann man auch die Kosteneinschätzungen fortführen und die Massen ermitteln. Man ist in der Optimierung des Modells in Hinsicht auf Form, Funktion und Gewicht sehr flexibel und es geht schnell. Bei größeren Bauvorhaben und komplizierteren Geometrien bieten 3D-Modelle eindeutige Vorteile.

2D- und 3D-Statik sollten sich jedoch nicht im Wege stehen und nicht konkurrieren, sondern sich ergänzen. Jede ist für andere Berechnungen gut geeignet. Letztendlich liegt die Wahl beim Ingenieur.