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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 />

1


2<br />

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


3<br />

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.


4<br />

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.

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