Der Rastatt Tunnel ist das größte vom Bundesverkehrsministerium initialisierte BIM-Pilotprojekt. Erste Erfahrungen der Deutschen Bahn zeigen Vorteile aber auch heutige Grenzen von BIM.
Bis 2020 müssen alle geförderten Großprojekte der DB Netz AG mit BIM geplant und gesteuert werden. Im Bereich der Bahnhofsbauten wird BIM bereits seit Anfang des Jahres verbindlich eingesetzt. Bei Infrastrukturprojekten der DB Netz AG kommen BIM-Methoden seit 2015 zum Einsatz. Die bisherigen Piloterfahrungen, vor allem beim Rastatter Tunnel, zeigen schon viele positive Erfahrungen, aber auch die Grenzen der heutigen Werkzeuge. Vor allem sind die Erweiterung der Softwareprodukte sowie die Normierung von Modellierungsobjekten und Schnittstellen gefordert.
2012 hatte die DB Netz AG analysiert, dass interne Großprojekte eine „unbefriedigende Kosten- und Terminstabilität“ zeigten. Dafür wurden eine Reihe externer Ursachen wie etwa wechselnde Finanzierung oder fehlende gesellschaftliche Akzeptanz ausgemacht, aber auch interne Organisation und Prozesse innerhalb der Projekte. Die DB AG erwartet von BIM eine höhere Planungsqualität, z.B. durch Kollisionsprüfungen bereits in frühen Projektphasen oder Vollständigkeitskontrollen, vermehrte Variantenstudien sowie frühere Klärung der Ausführbarkeit. Auch die Kostenbetrachtung, insbesondere bei Basiskosten rund um die Mengenermittlung, soll optimiert werden.
Neue Bahntechnik wie hier die Oberleitung Re 330 im Katzenbergtunnel werden bei dem derzeit im Bau befindlichen Rastätter Tunnel (ebenfalls Strecke Karlsruhe/Basel) im BIM-Modell abgebildet. Bild: Deutsche Bahn AG / Frank Kniestedt
Im Zuge von kürzeren Durchlaufzeiten und geringeren Fehlleistungskosten erwartet die DB Netz auch eine Verringerung der Gesamtkosten um zehn Prozent. Außerdem soll BIM die Arbeitgeber-Attraktivität steigern, ein erklärtes Ziel der Unternehmensvision der Deutschen Bahn. Die DB Netz hat für die Umsetzung der BIM-Vision bis 2020 drei strategische Schritte festgelegt: Einmal sollte das Thema mit zwei Pilotprojekten initialisiert werden. Diese sind der 4,2 Kilometer lange Tunnel Rastatt (Spatenstich 2016) und die Filstal-Brücke. Der zweite Schritt umfasst die Ausweitung von BIM auf insgesamt 13 Pilotprojekte, bei denen BIM in unterschiedlichsten Leistungsphasen erprobt wird. Dieser Schritt soll bis Ende 2018 abgeschlossen sein. Im dritten Schritt sollen dann die BIM-Prozesse in der gesamten Organisation professionalisiert werden.
„Alle Verantwortlichen waren sich schnell einig, dass es sich dabei nicht um ein IT-Projekt, sondern um einen komplexen Veränderungsprozess handelt, der an alle Mitarbeiter heran- und von diesen mitgetragen werden muss“, sagt Heinz Ehrbar, Leiter Management Großprojekte bei der DB Netz AG. Sprich, learning by doing ist angesagt. Denn trotz des profunden Vorwissens bei der Schwester DB Station und Service musste die DB Netz mit ihren mehrheitlich linearen Infrastrukturprojekten weitestgehend Neuland beschreiten. „Vor allem war auch die nationale Normung noch nicht weit fortgeschritten“, so Ehrbar. Vor diesem Hintergrund wurden sechs Handlungsfelder für BIM festgelegt: Strategie, BIM-Anwendung, Prozesse/Richtlinien, Informationen und Daten, IT-Infrastruktur und Menschen.
Pilotprojekt Tunnel Rastatt
Dem Tunnel Rastatt kommt eine besondere Bedeutung zu, denn es steht nicht nur am Beginn, es ist auch das größte der Pilotprojekte. Im nördlichsten Streckenabschnitt der Ausbau-/Neubaustrecke Karlsruhe/Basel zwischen Karlsruhe und Rastatt Süd unterquert der Tunnel auf 4.270 Metern ein Siedlungsgebiet. Die Bauarbeiten begannen 2013, die Inbetriebnahme ist für 2022 geplant. Zum Einsatz kamen unterschiedliche Softwareprodukte (RIB iTWO-5D, Autodesk Revit, FusionLive sowie WorldInsight). Nach der BIM-Initialisierung hat die DB Netz für die abgeschlossene Entwurfsplanung zunächst ein Visualisierungsmodell erstellt. Dies wurde von der DB System GmbH mit der DB-eigenen Software WorldInsight umgesetzt. Die Software basiert auf einer Graphic-Engine und ist in der Lage, auch Großprojekte performant in 3D und Echtzeit darzustellen. Die Echtzeitnavigation in dem 3D-Entwurfsmodell ist dadurch möglich. Dieses Modell dient sowohl der Öffentlichkeitsarbeit als auch der verbesserten Kommunikation innerhalb des Projekts.
Die komplexen Gebäudestrukturen an den Tunnelportalen konnten so innerhalb von einer Woche als Oberflächenmodelle inklusive Texturen abgebildet werden. Diese erhielten in diesem Fall keine zusätzlichen Attribute oder Sachinformationen. Auch wenn diese 3D-Visualisierung in diesem Fall nicht weiter eingesetzt wurde, wertet die Bahn den Einsatz aufgrund der effizienten Visualisierung als sehr hilfreich.
Die eigentliche BIM-Modellierung in 3D erfolgte derzeit in Autodesk Revit (Bauwerksmodelle). Bei der Modellierung von Standardbauteilen wurde auf die Revit-Standard- Objekte zurückgegriffen, es wurde aber auch die Möglichkeit genutzt, eigene Projektfamilien zu erstellen. Dieses ist besonders im Umfeld von Bahnhofsbauwerken sehr hilfreich. Ebenso nutzte die Bahn einen Bauteilekatalog, der Revit-kompatibel ist und unter anderem die für den Tunnelbau notwendigen Bauteile beinhaltet. Dieser Katalog, den es auch für Bahnhofsobjekte gibt, besitzt neben den Attributen zu den Bauteilen auch Modellierungsregeln. Automatisierte oder teilautomatisierte Modellierungen anhand von Objektfamilien stellen für zukünftige BIM-Projekte einen großen Optimierungshebel dar. Daher hat die DB bereits begonnen, einen eigenen Bauteilekatalog zu erstellen, der permanent erweitert wird. Aber bei der Modellierung zeigten sich für die DB auch die Grenzen des bisher Machbaren. Da Autodesk Revit aus dem Hochbau stammt, musste noch mit Behelfslösungen gearbeitet werden. „Nach heutigem Kenntnisstand gibt es derzeit noch keine Softwareprodukte, mit denen Tief- und Massivbauwerke für komplexe Eisenbahnprojekte vollumfänglich modelliert werden können“, sagt Ehrbar. Daher erwarte das Unternehmen von den Softwareanbietern die notwendigen Weiterentwicklungen.
Modellierungen
Alle abgeschlossenen 3D-Teilmodelle wurden dann in ein konsolidiertes Gesamtmodell für den Tunnelrohbau übertragen und einer Kollisionsprüfung unterzogen. Da dies zunächst nur den Rohbau betraf, wurden wenige Kollisionen festgestellt, gemeinsam mit der Ausführungsplanung besprochen und in den konventionellen Planungen bereinigt. Doch der DB Netz ist bereits klar, welches Potential hier liegt. Von hohem Interesse sind die Kollisionsprüfungen in früheren Leistungsphasen. Im Rastatter Pilotprojekt wurden in der nächsten Phase aus den 3D-Teilmodellen 4D-Teilmodelle entwickelt, die den Bauablaufplan in zeitlicher Abfolge visualisieren. Diese sollen dann in der Ausführungsphase jederzeit Soll-/Ist-Vergleiche auf Basis des aktuellen Baufortschritts ermöglichen. Dies erfolgte in Autodesk Navisworks, um neben der RIB Software iTWO 5D noch eine weitere Anwendung zu pilotieren. Hier zeigte sich, dass bei der Modellierung ein besonderes Augenmerk auf die Synchronisierung der geometrischen Objekte und deren zeitlichen Verläufe gefordert ist. Als wichtig hat sich eine einheitliche Projektstruktur (Work Break Down Structure) erwiesen, um so die Verknüpfungen von Objekt-ID (3D-Modell) und Ablauf-ID (Bauablaufplan) zu dokumentieren. „Dies sollte in der Entwicklung der Modellstruktur in BIM-Projekten schon frühzeitig festgelegt und im PAP festgeschrieben werden“, so Ehrbar.
Der letzte Schritt der Modellierung war die 5D-Erstellung in der Software iTWO 5D. Für diese Phase wurden die 3D-Teilmodelle mit dem Leistungsverzeichnis verknüpft und mit den Vorgängen im Bauablaufplan über das sogenannte Vorgangsmodell verknüpft. Dabei zeigte sich, dass die Positionen des Leistungsverzeichnisses neu gegliedert werden mussten, um BIM-fähig zu werden. Die DB beabsichtigt, dafür eine einheitliche Struktur zu entwickeln, um die 5D-Prozesse innerhalb von BIM durchgängig und einzelne Projekte miteinander vergleichbar zu machen. Dazu sollen die Leistungsverzeichnisse direkt aus dem BIM-Modell erstellt werden, so dass der Bezug zwischen Modellobjekten und Leistungspositionen von vorneherein gegeben ist.
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Beim Tunnel Rastatt existieren derzeit 35.000 Modellelemente, die mit 3.000 Aktivitäten des Bauablaufplans und rund 3.500 Positionen des Leistungsverzeichnisses verbunden sind. Eine komplexe Situation, die auch dafür verantwortlich ist, dass es in dem Projekt nicht gelungen ist, die 4D- und 5D-Teilmodelle konsolidiert in einem einheitlichen 5D-Modell darzustellen. „Die Gesamtdarstellung gibt es derzeit lediglich bei der Geometrie der 3D-Modellierung“, beschreibt Ehrbar das Manko. Die Ursache liege in der fehlenden Abstimmung der Prozesse, die zum Teil aus der Parallelität der konventionellen und der BIM-Planung herrühre. Daher musste die DB auch einige alternative Zwischenlösungen etablieren, die in Zukunft jedoch vermieden werden sollen. Gleichzeitig hat die DB aber auch weitere Optimierungshebel in dem Projekt definiert, etwa im Bereich der Steuerung der Vortriebe beim Tunnelbohren. Dafür soll das Baugrundmodell mit dem 3D-Modell verknüpft werden, um Deformationsprognosen an der Oberfläche, die abhängig von der Bohrung entstehen, zu realisieren. Auch dies soll zukünftig zum BIM-Standard der DB Netz gehören.
Kein Ersatz für Risikomanagement
Klar war der DB Netz schon im Vorfeld, dass die Grenzen von BIM nicht beliebig ingenieurstechnisch erweitert werden können. „Trotz der hohen Erwartungen muss klar formuliert werden, dass BIM kein Allheilmittel ist, mit dem alle Herausforderungen der Projektsteuerung mit einem Schlag gelöst sind“, sagt Heinz Ehrbar. Da, wo mathematisch nicht genau modellierbare Sachverhalte auftreten, sei nach wie vor kreativer Ingenieursgeist zur Risikobewertung oder auch zur Nutzung von Chancen gefragt. BIM könne dafür sorgen, dass dafür in Projekten wieder mehr Zeit und Raum zur Verfügung steht.