räumliche tragwerksplanung und konstruktion - Hochschule ...
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HOCHSCHULE REGENSBURG<br />
UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES<br />
Fakultät Bauingenieurwesen<br />
Master “Bauen im Bestand”<br />
Februar 2010<br />
MASTER-<br />
THESIS<br />
2009/2010<br />
BUILDING INFORMATION MODELING –<br />
RÄUMLICHE TRAGWERKSPLANUNG UND<br />
KONSTRUKTION<br />
Am Beispiel einer Produktionshalle<br />
| Miriam Welser<br />
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Steigende Anforderungen an Planung <strong>und</strong> Ausführung des Bauwesens, treiben die<br />
technische Entwicklung unterstützender Softwareprodukte, sowie die Optimierung<br />
vorhandener Strukturen <strong>und</strong> Prozesse wesentlich voran. Eine Vorgehensweise die den<br />
zunehmenden Anforderungen, gestützt durch den technischen Entwicklungsstand, gerecht<br />
werden könnte, wird von Fachkreisen im Building Information Modeling prognostiziert. Die<br />
Idee ist es das Geometriemodell als Basis, mit allen anderen Modellen, wie dem der<br />
Tragwerksplanung oder der Gebäudetechnik, zu verknüpfen. Jedes Modell kann unabhängig<br />
bearbeitet <strong>und</strong> relevante Änderungen über Schnittstellen im Basismodell importiert <strong>und</strong> so für<br />
alle anderen Modellbereiche zur Verfügung gestellt werden. Resultat ist eine effiziente<br />
Planung, Tragwerkbemessung <strong>und</strong> Ausführung, sowie eine vollständige <strong>und</strong> strukturierte<br />
Dokumentation.<br />
Im Rahmen dieser Master Thesis wird der aktuelle Entwicklungsstand räumlicher<br />
Tragwerksplanung <strong>und</strong> Konstruktion <strong>und</strong> die effektive Umsetzung des Building Information<br />
Modeling untersucht. Dabei wird eine komplett modellbasierende Herangehensweise<br />
gewählt <strong>und</strong> daraus resultierender Nutzen dargestellt. Als Software-Werkzeuge werden<br />
Dlubal RFEM für die Tragwerksplanung <strong>und</strong> TEKLA Structures für die Konstruktion<br />
verwendet. Die auf die „Partner-Software“ abgestimmten Funktionen des Direktimports <strong>und</strong> –<br />
exports erleichtern dabei die Kommunikation zwischen den verwendeten Programmen <strong>und</strong><br />
minimieren den Arbeits- <strong>und</strong> Zeitaufwand erheblich.<br />
Räumliche Tragwerksplanung<br />
Die computergestützte, ebene Berechnung hat sich als konventionelle, strukturierte <strong>und</strong><br />
qualitative Arbeitsweise in der Tragwerksplanung bewährt. Belastung <strong>und</strong> Belastbarkeit sind<br />
aber keine flächigen, sondern räumlich auftretende Erscheinungen. Immer komplexere<br />
Systeme bei maximaler Kostenoptimierung können durch eine ebene Berechnung, mit dem<br />
bloßen menschlichen räumlichen Verständnis, nur sehr schwer erfasst werden. Ermöglicht<br />
durch hochentwickelte Technologien, ist eine computerbasierende räumliche Berechnung als<br />
realitätsgetreue Abbildung <strong>und</strong> damit verb<strong>und</strong>enen Darstellung tatsächlicher Lastverläufe<br />
realisierbar. Die räumliche Tragwerksplanung ist dabei unter bestimmten<br />
Rahmenbedingungen, wie änderungs- <strong>und</strong> umbauintensiven Bauwerken, als effektive<br />
Arbeitsweise zu bewerten. Die gesamte Trag<strong>konstruktion</strong> <strong>und</strong> alle Abhängigkeiten, wie<br />
Lastweiterleitung, werden in einem Gesamtmodell realitätsnah abgebildet. Diese erste<br />
Generierung nimmt einen hohen Zeitaufwand <strong>und</strong> hohe Rechenleistung in Anspruch, die<br />
Komplexität des Vorgehens wächst. Jedoch sind im Zuge von Umbaumaßnahmen alle
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erforderlichen Daten vorbereitet <strong>und</strong> lediglich die zusätzlichen Lasten <strong>und</strong> Tragelemente in<br />
das Gesamtmodell zu integrieren, die Lastweiterleitung <strong>und</strong> Auswirkungen auf angrenzende<br />
Bauteile erfolgt programmintern, was den Zeitaufwand erheblich reduziert. Durch die<br />
Direktimportfunktion besteht zu dem die Möglichkeit, im Sinne des BIM das Gr<strong>und</strong>modell aus<br />
der Datenbasis zu importieren, die Geometriedaten von Standardprofilen werden<br />
automatisch in Stabelemente gewandelt, die Ergänzung von Auflagern <strong>und</strong> Gelenken erfolgt<br />
abschließend manuell. Die Tragwerksplanung erfolgt also nicht länger an ebenen<br />
Teilauszügen in Regelbereichen, sondern am räumlichen Gesamtmodell.<br />
Mit Hilfe von Dlubal RFEM folgt eine Demonstration eines möglichen Vorgehens zur<br />
Entwicklung eines räumlichen Stabwerkmodells <strong>und</strong> der Vorstellung daraus resultierender<br />
Ergebnisse. Ob es sich um eine in der Praxis anwendbare <strong>und</strong> effektive<br />
Berechnungsmethode handelt <strong>und</strong> welcher Mehrwert sich ergeben kann wird im Abschluss<br />
bewertet.<br />
Abbildung 1: Räumliches Gesamtmodell in der Tragwerksplanung<br />
Zur Minimierung des Arbeitsaufwands, besonders im schwankenden Stadium der<br />
Entscheidungsfindung <strong>und</strong> Entwurfsplanung, geprägt von sprunghaften Änderungen <strong>und</strong><br />
Ergänzungen, leistet das räumliche Gesamtmodell als Tragwerksplanungs- <strong>und</strong><br />
Konstruktionsmodell einen wertvollen Beitrag.
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Abbildung 2: Graphische Ergebnisdarstellung der Spannungen <strong>und</strong> Ausnutzung<br />
Die farbig abgestufte Darstellung, als Visualisierung des Ausnutzungsgrades, erleichtert<br />
fachfremden Projektbeteiligten die Nachvollziehbarkeit, welche Bereiche bei einer späteren<br />
Umstrukturierung nicht weiter belastet werden dürfen bzw. welche Bereiche genügend<br />
Potential für Lasterhöhungen bieten.<br />
Die Effektivität der räumlichen Tragwerksplanung ist stark vom Einsatzbereich abhängig.<br />
Dies soll in nachfolgendem Diagramm zusammengefasst werden.<br />
Abbildung 3: Entscheidungskriterien ebener <strong>und</strong> räumlicher Berechnungsmethoden
5<br />
Räumliche Konstruktion<br />
Die Anwendung der räumlichen Konstruktion wird besonders im Stahlbau bei der Planung<br />
komplexer Industriehallen zunehmend bevorzugt. Die räumliche Darstellung erleichtert dem<br />
Anwender <strong>und</strong> besonders dem fachfremden Bauherrn die geistige Vorstellung des<br />
Vorhabens. Detailpunkte können realitätsgetreu entwickelt <strong>und</strong> Problemstellen frühzeitig<br />
erkannt <strong>und</strong> gelöst werden. Aus dem räumlichen Modell werden Gr<strong>und</strong>risse, Schnitte <strong>und</strong><br />
Ansichten automatisch erzeugt. Die parametrische Gebäudedatenmodellierung <strong>und</strong> die<br />
damit verb<strong>und</strong>ene Anpassung aller Darstellungsfenster bei Änderungen von Informationen in<br />
einer Ansicht optimieren den Zeitaufwand <strong>und</strong> reduzieren die Häufigkeit von<br />
Übertragungsfehlern. Ein außerdem erheblicher Zusatznutzen besteht darin, anhand des<br />
generierten Gesamtmodells dynamische Bauablaufprozesse zu entwickeln <strong>und</strong><br />
realitätsgetreu zu durchlaufen. Dies führt zur Früherkennung <strong>und</strong> Beseitigung von<br />
eventuellen Interferenzen. Dadurch lässt sich der Bauablauf im Vorfeld durchspielen <strong>und</strong><br />
optimieren, um bei darauf folgender Ausführung einen reibungsfreien Ablauf zu erzielen.<br />
Es handelt sich nicht länger um stupide, zwei- oder dreidimensionale Linien ohne<br />
Informationsgehalt, sondern um intelligente Bauteile mit einem ersten<br />
Gr<strong>und</strong>informationsgehalt, der durch weitere Informationen, wie beispielsweise Angaben zur<br />
Position, zu Lasten <strong>und</strong> Auflagern, vervollständigt werden kann. Durch die Integration<br />
relevanter Zeitfaktoren, kann daraus resultierend eine visualisierte 4D-Bauablaufplanung<br />
generiert werden. Zum Einen ergibt sich somit die Möglichkeit den Bauzeitenplan unter<br />
Verwendung verschiedener Farben im Soll- <strong>und</strong> Ist-Zustand anzuzeigen <strong>und</strong> verschiedene,<br />
optimierte Bauablaufvarianten zu durchlaufen, zum Anderen besteht die Möglichkeit<br />
innerhalb eines definierten Zeitraums zu fertigende <strong>und</strong> zu montierende Teile zu<br />
identifizieren <strong>und</strong> die Organisation von der Herstellung bis zur Montage übersichtlich<br />
durchzuführen.