Building Information Modeling und Statiksoftware: Szenarien und Erfolgsfaktoren beim Datenaustausch

Fachbeitrag

Building Information Modeling beschreibt ein, wenn nicht das wichtigste aktuelle Thema in der gesamten Bausoftware-Branche. Dabei ist der Prozess gar nicht so neu und es ist eine allgemein bekannte Tatsache, dass sich durch gute Planung im Anfangsstadium eines Projekts die Gesamtkosten des gesamten Projekts maßgeblich positiv beeinflussen lassen.

Seit mehr als zwanzig Jahren werden z.B. im Stahlbau 3D-Modelle erstellt und daraus 2D-Fertigungsunterlagen automatisiert abgeleitet oder es werden über NC-Daten direkt Fertigungsautomaten angesteuert. Ebenso sind statische Berechnungen an 3D-Gesamtmodellen Stand der Technik. Für die Bausoftware ergeben sich durch den Aufbau von digitalen Modellen vor allem Themen des Datenaustauschs und wie diese Modelle zeiteffizient in Software unterschiedlicher Fachplaner verwendet werden können. Dabei spielen nicht nur rein geometrische, physikalische Modelle eine Rolle, sondern es existieren auch noch eine Reihe von anderen Modellen, die mehr als die physikalisch sichtbaren Bauteilinformationen beinhalten. Ein solches Modell ist das statische oder analytische Modell, in dem mechanische Materialeigenschaften, Randbedingungen oder Lastannahmen enthalten sind, also Dinge, die man aus einem reinen physikalischen Architekturmodell nicht sofort ablesen kann. Aus diesen Unterschieden heraus resultieren Schwierigkeiten beim Datenaustausch von BIM-Modellen in der Tragwerksplanung. Die Erwartungen an BIM in der Statik sind riesengroß. Ebenso groß ist die Aufgabenstellung für die Bausoftwarehersteller. In diesem Beitrag werden zunächst grundlegende Problempunkte beim Datenaustausch erläutert und anschließend praxiserprobte Lösungen dargestellt.

Tragwerksplanung im BIM-Prozess

Building Information Modeling basiert auf der ganzheitlichen Betrachtung des gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes (Building), beginnend mit der ersten Idee und Entwurfsplanung (Architekt, Bauherr) über die Ausführungsplanung (Fachingenieure) bis hin zum Betrieb des Gebäudes und dessen Abbruch. Zielsetzung ist u. a. eine Kostenoptimierung über die gesamte Lebensdauer. Die Tragwerksplanung selbst ist nur ein kleiner Teilbereich von BIM, dessen Einfluss an den Kosten des gesamten Lebenszyklus des Gebäudes in der Regel von untergeordneter Bedeutung ist. Die große "Revolution" von BIM geschieht daher derzeit mehr in den Aufgabengebieten von Architekten. Dennoch kommt der Statik im relativ kurzem Zeitraum der Ausführungsplanung eine sprichwörtlich tragende Rolle zu. Sie entscheidet über die Ausführbarkeit eines bestimmten Tragkonzepts und ist ein Meilenstein in der Planung, ohne dessen Freigabe weitere Abläufe blockiert werden. Sie hat erheblichen Einfluss auf die weitere Planungssicherheit und den damit verbundenen Kosten für notwendige Änderungen. Kurz: Die Statik muss schnell verfügbar und zuverlässig sein und dies möglichst auch bei nachträglichen Änderungen. Vorliegende dreidimensionale BIM-Modelle können hier wertvollen Dateninput liefern oder Mittel zur Kommunikation und besseren Verständnis sein.

Bild 01 - Typisches Datenaustausch-Szenario für BIM in der Tragwerksplanung

BIM-Modell und Statikmodell

BIM-Modelle im allgemein gebräuchlichen Sinn beinhalten alle geometrischen Informationen, Angaben zu Materialien und Halbzeugen eines Bauwerks. Sie beschreiben die Funktion eines Bauwerks und können auch Informationen über den zeitlichen Ablauf, zum Beispiel der Montage, enthalten. Sie eignen sich daher ausgezeichnet als visuelles Kommunikationsmittel der am Bau Beteiligten, sind Instrument für die Massen- und Kostenermittlung und dienen letztlich als Werkzeug zur Vermeidung von Planungsfehlern aufgrund von Kollisionen einzelner Bauteile oder Gewerke. Der Datenaustausch bezieht sich vor allem auf eine parametrische Beschreibung der exakten Gebäudegeometrie. Bauteile werden dabei durch Randflächenmodelle oder Extrusionsflächen beschrieben, die letztlich einen Volumenkörper ergeben.

Im Unterschied dazu liegt beim Statik-Modell der Schwerpunkt auf der mechanisch korrekten Abbildung der Tragstruktur. Die Geometrie wird vereinfacht und auf die statisch relevanten tragenden Bauteile reduziert. Voluminöse Geometriebeschreibung wird nur dort verwendet, wo notwendig und der erhöhte Berechnungsaufwand gerechtfertigt erscheint. Stützen und Träger werden als Stäbe (1D-Element) und Wände und Decken als Scheiben und Platten (2D-Elemente) berechnet. Diese Stab- und Flächenelemente können auch in den 3D-Statikmodellen kombiniert werden. Damit diese idealisierten Modelle numerisch berechenbar sind, ist es notwendig, dass alle Bauteile aneinander anschließen und die Übergangsbedingungen bekannt sind. Durch die Reduktion der Bauteile von Volumen auf Mittellinien (bei Stäben) und Mittelebenen (bei Flächen) ist aber eine automatische Verschneidung nicht immer gegeben.

Weiter sind wesentliche Bestandteile des Statikmodells unter anderem:

  • Lager- und Gelenkdefinitionen
  • mechanische Eigenschaften von Materialien und Querschnitten
  • äußere Lasten (Wind, Schnee, Nutzlasten etc.) und Lastkombinationen
  • Einwirkungen aus seismischer Aktivität oder andere außergewöhnliche Einwirkungen
  • Bemessungsvorschriften
  • lineare und nichtlineare Berechnungsmethoden und -theorien

Aus der reinen Geometrie-Information eines im herkömmlichen Sinn verstandenen BIM-Modells lässt sich daher ohne Zutun eines qualifizierten Ingenieurs kein Statikmodell automatisch ableiten. Eine geometrisch identische Modellbildung würde auch in der Statik eine Abbildung als Volumenmodell erfordern. Doch selbst bei den heute zur Verfügung stehenden Rechenkapazitäten ist eine Berechnung eines Gebäudes als Volumenmodell nicht denkbar.

Praxisrelevante BIM-Austauschszenarien

Grundsätzlich kann man den Datenaustausch zwischen Programmanwendungen gleicher Disziplin und unterschiedlicher Disziplin unterscheiden. Werden Daten zwischen Architektursoftware oder Konstruktionssoftware ausgetauscht, so handelt es sich um die gleichen Objekte und der Informationsgehalt und deren Datenmodelle werden in beiden Programmen sehr ähnlich sein. Die unterschiedlichen Softwareanwendungen können die Informationen direkt weiterverarbeiten und in die softwarespezifischen intelligenten Objekte übersetzen. Man spricht hier auch von horizontalem Datenaustausch.

Werden die Daten zu einer anderen Disziplin weitergegeben, beispielsweise von einer Architektursoftware in die Statikanwendung, dann liegt der Fokus auf einer anderen Sicht der Daten (nur tragende Bauteile, wie Stützen, Wände, Träger, Decken). Notwendige weitere Informationen, wie Lage der statischen Wirklinie, Nachgiebigkeit der Elementverbindungen oder genaue mechanische Angaben zu Material und Querschnitten, fehlen noch. Man spricht hier auch vom vertikalen Datenaustausch. Bleibt man innerhalb einer Disziplin, so liegt es in der Natur der Sache, dass sich ein eventueller Datenverlust oder Interpretationsfehler leichter vermeiden lassen. Bei BIM in der Tragwerksplanung hat man es in der Regel mit einem vertikalem Datenaustausch zu tun, da in vielen Fällen zunächst ein Architekturmodell vorliegt, aus dem ein Statikmodell entwickelt wird. Aber auch die Übergabe von Statiksoftware zu Statiksoftware tritt auf, zum Beispiel zur Prüfung von statischen Berechnungen.

Bild 02 - Horizontaler und vertikaler Datenaustausch

Die einzelnen wichtigsten Szenarien lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Architektur -> Statik -> Konstruktion
  • Statik -> Architektur zum Abgleich von Änderungen nach der statischen Berechnung
  • Statik -> Statik zur Prüfung
  • wahlweise Export von Gesamtsystemen oder Teilsystemen
  • wahlweise mit Aktualisierung von Materialien, Dicken und Querschnitten (bidirektional) und Rückgabe der Berechnungsergebnisse

Bild 03 - BIM-Szenario: Modellübergabe BIM-Software zu Statik-Programm, Update von Querschnitten und Übergabe von Ergebnissen der Berechnung (Schnittgrößen) an BIM-Modell

Beim Datenaustauschformat gibt es verschiedene Optionen. Eine besondere Rolle spielt das IFC-Format als weltweiter Standard. Das IFC-Format ist in unterschiedliche Sichten unterteilt und jede Disziplin hat ihre eigene Sicht. Die wichtigste Sicht ist der Coordination View, für den sich einzelne Softwareprodukte auch zertifizieren lassen können. Spricht man vom IFC-Format, ohne auf die einzelnen Sichten genauer einzugehen, so meint man in der Regel den Coordination View. Dieser wird von den meisten Architekturprogrammen unterstützt. Im Gegensatz dazu gibt es in der Statik den Structural Analysis View, der eine Beschreibung des statischen Modells einschließlich von Lasten und Lastkombinationen enthält. Dieser View ist zurzeit nicht zertifizierbar und wird nur von einer überschaubaren Zahl von Statikprogrammen unterstützt. Generell ist anzumerken, dass das IFC-Format, obwohl als Standard definiert, sich unterschiedlich interpretieren lässt und für den erfolgreichen Austausch letztendlich immer eigene Tests mit Daten der betreffenden Softwareprodukte notwendig sind.

Bild 04 - IFC-Coordination-View-Modelle in RFEM, Visualisierung und selektive Umwandlung in natives, intelligentes RFEM-Objekt

Zusätzlich zum IFC-Format wird aber weiter auf etablierte Formate wie DXF/DWG, Produktschnittstelle Stahlbau oder auch andere textbasierte Formate zurückgegriffen. Eine wichtige Rolle spielen auch direkte Schnittstellen, die ohne Austauschdateien auskommen. Dabei kommunizieren die einzelnen Programme direkt über programmierbare Schnittstellen (APIs).

Wichtige Erfolgsfaktoren für den Datenaustausch

Grundsätzlich ist zu klären, welches Austauschszenario vorliegt. Kennt man die einzelnen Softwareprodukte, so sind auch die möglichen unterstützen Schnittstellen bekannt. Darauf aufbauend sind gezielte Austauschtests mit Systemen überschaubarer Größe notwendig. Häufig erfordern Material- und Querschnittsangaben weitere Aufmerksamkeit. In der Regel liefert jede Software eigene Datenbanken dafür mit, die im Falle der Tragwerksplanung alle normenabhängigen Parameter enthalten. Die Zuordnung der Datenbanken untereinander erfolgt in sogenannten Mapping-Files, die einfache Tabellen mit den zugehörigen Bezeichnungen beschreiben. Diese Zuordnungsdateien werden zum Teil vom Programmhersteller geliefert. Es empfiehlt sich, diese Dateien entsprechend der beteiligten Programme firmenintern zu vereinheitlichen und untereinander abzustimmen.

Es gibt auch BIM-Software, die bereits im Architekturmodell ein analytisches Modell (Statikmodell) mitführt. Dies hat den Vorteil, dass beide Modelle übereinanderliegen, referenziert sind und sich so leichter prüfen lassen. Neben den Systemdaten sind auch Lastangaben möglich. Der Anwender solcher Software muss dann in der Lage sein, beide Modelle korrekt aufzubauen. Dazu ist eine entsprechende Koordination zwischen den Beteiligten notwendig. Da die Bearbeiter der Modelle häufig nicht aus dem gleichen Planungsbüro kommen, stellt sich die Frage, wer für die entsprechenden Kosten der disziplinübergreifenden Modelle aufkommt und für die Richtigkeit Gewähr übernimmt. Dies gilt es in jedem Fall im Vorfeld zu regeln. Hier liegen zweifelsohne große Chancen für BIM und das haben größere Firmen erkannt. Wenn diese die gesamte Planungskette abbilden können, dann lassen sich die BIM-Modelle bereits frühzeitig auch für den späteren Gebrauch zur statischen Berechnung optimal vorbereiten.

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl der richtigen Software ist die Unterstützung verschiedener Datenformate. Dabei ist zu beachten, dass die Beschreibung im vorliegenden Datenformat in die softwareeigenen Objekte umgesetzt werden muss. Eine alleinige Visualisierung oder nur Referenzierung der Datenmodelle reicht für die Tragwerksplanung nicht aus und kann nur zur visuellen Kontrolle beitragen. Können mehrere Modelle von der Software eingelesen und in das eigene Daten-Objektmodell interpretiert werden, so erhöht dies die Flexibilität enorm und die Chancen eines erfolgreichen und effizienten Datenaustauschs steigen an. Dies ist ein entscheidender Erfolgsfaktor, wenn zum Beispiel IFC-Coordination-View-Dateien in Statiksoftware verwendet werden sollen.

Auch wenn der Aufwand zunächst etwas größer erscheint, sollte auch die Programmierung einfacher eigener Tools für den Datenaustausch nicht von vornherein ausgeschlossen werden. Damit ist es möglich, in einfacher Weise zusätzliche Informationen in Form von Parametern zu übergeben. So lassen sich beispielsweise Positionspläne aus der Statik in BIM-Software darstellen, Änderungen kommunizieren oder firmenspezifische Workflows in der Software abbilden. Dazu ist erforderlich, dass die beteiligten Softwareprodukte über entsprechende APIs verfügen, die über übliche und bekannte einfache Programmiersprachen bedienbar sind (VBA, C# etc.).

Wichtige Erfolgsfaktoren für einen erfolgreichen und effizienten Datenaustausch sind:

Aufbau des BIM-Modells auch unter Gesichtspunkten der Tragwerksplanung

  • Frühzeitige Einbindung des Tragwerksplaners und Absprache der Übergabezeitpunkte und Inhalte
  • Festlegung von Standards für Material- und Querschnittsbezeichnungen (Mapping-Tabellen)
  • Funktionsgerechte und einheitliche Modellierung von Bauteilen (Stützen, Träger als Stabobjekte, Wände, Decken als Flächenobjekte)
  • Abschnittsgerechte, geschossweise Modellierung von Wänden, Decken und Stützen

Umfang und Inhalt der Datenübergabe festlegen

  • Wer erstellt das idealisierte statische Modell und in welcher Software (BIM- oder Statiksoftware)?
  • Werden nur geometrische Abmessungen, statische Wirklinien oder auch weitere statische Informationen wie Lager oder Gelenke übergeben?
  • Wer definiert Lastfälle, Lastkombinationen und Lasten?
  • Wer ist befugt, was zu ändern: Verschiebung von tragenden Bauteilen, tragende Bauteile hinzufügen oder entfernen, Festlegung der Querschnitte und Bauteildicken?
  • Wie und wann erfolgt gegebenenfalls ein automatisierter Modellabgleich?

Arbeitsabschnitte definieren

  • Wer arbeitet wann in welchem Modellbereich?
  • Gleichzeitiges Bearbeiten identischer Bauteile vermeiden, wo immer möglich

Test der Austauschszenarien und der verwendeten Austauschformate und Schnittstellen

  • Unterstützten BIM- und Statiksoftware die gleichen Schnittstellen und in welchem Umfang?
  • Durchführen von Tests an überschaubaren Modellen mit definierten Austauschobjekten

Verbindliche Regelung, dass überhaupt BIM-Modelle zur Verfügung gestellt werden

  • Möglichst in mehreren Formaten (IFC, eigenes Dateiformat der Software, DWG/DXF, SDNF, STEP…)
  • Erweitert die Austauschmöglichkeiten und ermöglicht Prüfung und Gegenüberstellung der Modelle

Zusammenfassung

Die Tragwerksplanung ist Bestandteil von Building Information Modeling. Durch die zunehmende Anwendung von BIM-orientierten Planungsmethoden ergeben sich neue digitale Prozessketten mit der Chance zu Effizienzsteigerungen. BIM-Modell und Statik-Modell sind in ihrer Natur unterschiedlich und die Ableitung von Statik-Modellen aus BIM-Modellen ist nicht immer automatisch und eindeutig möglich. Eine effektive Gestaltung des Planungsprozesses in Bezug zur Tragwerksplanung erfordert ein frühzeitiges Einbinden des Tragwerksplaners und die Beachtung von Gesichtspunkten der Tragwerksplanung und des Datenaustauschs bereits bei der Erstellung des BIM-Modells. Die verwendete Software sollte in der Lage sein, über Schnittstellen zur Verfügung gestellte parametrische Geometrieinformation in softwareeigene, intelligente Objekte umzusetzen. Letztendlich kann sich die Tragwerksplanung durch eine gute, auf die verwendete Software abgestimmte Datenaustausch-Strategie sehr gut in den BIM-Prozess integrieren.

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