BIM - Jetzt auch in der Landschaftsplanung?

Abb. 1: Erweiterung der bestehenden Fachmodelle durch das Fachmodell Landschaft_Freianlage (ARGE Havellandautobahn A10/A24).Abbildung: Remy, Brückner

Bereits ab Ende 2020 soll BIM für Projekte des Infrastrukturbaus verpflichtend werden. Wie durch die Integration der Landschafts- und Umweltplanung bei mit der BIM-Methode umgesetzten Straßenbau-Projekten ein Mehrwert entstehen kann, wird beispielhaft für die landschaftspflegerische Ausführungsplanung am BIM-Pilotprojekt Verfügbarkeitsmodell A10/A24 gezeigt.

Laut Stufenplan des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) soll zukünftig die Planungsmethode Building Information Modeling (BIM) bei neu zu planenden Projekten Anwendung finden. Projektbeteiligte sollen verpflichtend Leistungsergebnisse in digitaler Form übergeben und an Kooperationsprozessen unter Verwendung digitaler Daten mitwirken. Längerfristiges Ziel ist es, Bauprojekte von der Grundlagenermittlung über die Fertigstellung und den Betrieb bis hin zum Rückbau ganzheitlich mit BIM umzusetzen [¹]. Die Landschafts- und Umweltplanung wird dabei bisher nur am Rande berücksichtigt, gerät jedoch momentan bei aktuellen Projekten zunehmend in den Fokus, wie beispielsweise bei der 2. Stammstrecke in München (DB Netz AG) [²] oder dem Autobahndreieck Funkturm Berlin (DEGES) [³].

Vorteile der kooperativen Planungsmethode BIM werden vor allem in der Möglichkeit gesehen, die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Gewerken zu optimieren, um Bauprojekte in höherer Qualität, zu geringeren Kosten und in verlässlichen Bauzeiten zu errichten. In verknüpften Planungsprozessen arbeiten Verkehrs- und Landschaftsplanung gemeinsam an einer bestmöglichen Lösung zur Realisierung und zum Betrieb von Verkehrswegen. Ein optimaler Informationsfluss zwischen den Akteuren der Fachplanungsgebiete ist eine notwendige Voraussetzung, um hochwertige, interdisziplinäre Planungsergebnisse zu erreichen. Die Integration der Landschafts- und Umweltplanung in BIM-Prozesse des Infrastrukturbaus scheint daher geboten.

Abb. 2: Modellstruktur des Fachmodells Landschaft_Freianlage.Abbildung: Remy, Brückner

Die Auseinandersetzung mit BIM findet in der Landschaftsarchitektur bisher schwerpunktmäßig im Bereich der Objektplanung statt und erste Workflows wurden entwickelt [4]. BIM in der Landschafts- und Umweltplanung ist dagegen wenig erprobt. Diese Problematik wurde im Forschungssemester des Masters Landschaftsarchitektur der Hochschule Osnabrück aufgegriffen. Ziel war es, eine Methode zu entwickeln, um landschaftspflegerische Planungen in BIM-Prozesse bei Straßenbau-Projekten zu integrieren [5]. Dies wurde am Beispiel des BIM-Pilotprojektes Verfügbarkeitsmodell A10/A24 in Kooperation mit der Arbeitsgemeinschaft ARGE A10/A24 Havellandautobahn umgesetzt, die als Teil des Auftragnehmer-Konsortiums für den Bereich Planung und Bau zuständig ist.

Eine besonders enge Verzahnung zu BIM-Prozessen des Infrastrukturbaus gibt es bei der landschaftspflegerischen Begleitplanung (LBP) sowie der landschaftspflegerischen Ausführungplanung (LAP). Grundlage für die BIM-Methode sind Planungen der Fachplaner, sogenannte Fachmodelle, die in einem 3D-Koordinationsmodell zusammengeführt und auf Konsistenz überprüft werden. Das erfolgt auf Basis der internationalen, herstellerneutralen Schnittstelle IFC (Industry Foundation Classes) zur digitalen Beschreibung von Bauwerksmodellen, die auf 3D-Modellen (Bauteilen, Volumina) beruht. Die IFC-Schnittstelle sichert den Open-BIM-Prozess. Das heißt, dass alle Fachplaner in ihrer gewohnten fachspezifischen Software arbeiten können. Im Idealfall liegt der aktuelle Planungsstand für alle transparent vor, in der Regel auf einer cloudbasierten Plattform (Common Data Environment CDE). Die digitalen Bauwerksmodelle können so als Informationsdatenbanken und verlässliche Quellen für Entscheidungen während des gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks dienen. Das Koordinationsmodell des BIM-Pilotprojekts A10/A24 umfasst zurzeit 3D-Fachmodelle für Gelände, Baugrund, Strecke, Tank- und Rastanlage sowie Ingenieurbauwerke (siehe Abb. 1). Fachpläne der Landschaft werden von den zuständigen Landschafts- und Umweltplanern nach der konventionellen Planungsmethode als 2D-CAD-Pläne erstellt und können daher in das gemeinsame Koordinationsmodell nicht integriert werden. Schwächen in der Kommunikation zwischen den Landschafts- und Umweltplanern und weiteren Projektbeteiligten als Folge der unterschiedlichen Planungsmethoden scheinen absehbar.

Standardisierung für BIM

Für die erfolgreiche Durchführung von Projekten mit BIM ist eine stärkere Strukturierung und Standardisierung der Abläufe erforderlich, insbesondere zum Datenaustausch (Wer liefert Was Wann an Wen und in Welcher Tiefe). Notwendige Standards sind zurzeit noch in der Entwicklung. Das gilt für die Erweiterung der Schnittstelle IFC um Objekte des Infrastrukturbaus (IFC Road, IFC Rail, etc.), die zum Teil auch für die Landschaftsarchitektur relevant sind. Fehlende Standards für geforderte Sachinformationen auf nationaler Ebene führen dazu, dass viele Insellösungen parallel entwickelt werden.

Einen ersten Betrag zur (Vor-)Standardisierung leistet der kürzlich veröffentlichte Katalog "BIM-Klassen der Verkehrswege" der buildingSMART-Fachgruppe BIM-Verkehrswege. Dieser wurde von der Fachgruppe BIM in der Landschaftsarchitektur um Klassen der Landschaft und des Freiraums ergänzt, um zukünftig ebenfalls die Belange der Umwelt im BIM-Modell abbilden zu können. An der Weiterentwicklung dieser ersten Version um Merkmale u. a. wird gearbeitet [6].

Um die Ziele des Stufenplans zu erreichen, wurden im Rahmen des inzwischen abgeschlossenen Projektes BIM4Infra2020 eine Reihe von BIM-Pilotprojekten durchgeführt und wissenschaftlich begleitet. Um die Vorhabenträger, aber auch alle anderen Projektbeteiligten, beim Einsatz von BIM in der Praxis zu unterstützen, wurden Ergebnisse und Erkenntnisse in zehn Handreichungen zusammengefasst, die frei erhältlich sind und auch für Landschaftsarchitekten einen ersten Orientierungsrahmen zur Strukturierung von BIM-Projekten, BIM-Anwendungsfälle, Inhalte und Aufbau der Auftraggeber-Informationsanforderungen (AIA) und BIM-Abwicklungsplänen (BAP) etc. geben können [7]. Die Arbeiten sollen zukünftig im neu gegründeten Zentrum für die Digitalisierung im Bauwesen "BIM Deutschland" für Hoch- und Infrastrukturbau gemeinsam weiterentwickelt werden [8].

Abb. 3: Landschaftsklasse Pflanze.Abbildung: Remy, Brückner

BIM Pilotprojekt Verfügbarkeitsmodell A10/A24

Das Verfügbarkeitsmodell A10/A24 wurde von der DEGES Deutsche Einheit Fernstraßenplanungs- und -bau GmbH in einem Streckenabschnitt von 5,5 km als BIM-Pilotprojekt ausgeschrieben und vergeben. Es werden vielfältige BIM-Anwendungsfälle von der BIM-Koordination auf Basis der Fachmodelle über Visualisierungen bis zur Nutzung des BIM-Modells für Betrieb und Erhaltung zunächst prototypisch erprobt und anschließend in die Praxis überführt [9].

Die Vertragsstrecke zwischen dem Autobahndreieck Pankow und der Anschlussstelle Neuruppin umfasst insgesamt 64,2 km, zählt zu den meistbefahrenen Strecken in der Hauptstadtregion und wird in weniger als 5 Jahren im laufenden Betrieb ausgebaut beziehungsweise erneuert. Dabei hat der Auftragnehmer die unterschiedlichen Baumaßnahmen über die Vertragslaufzeit von 30 Jahren zu planen, zu bauen, zu erhalten und teilweise zu finanzieren.

Für die modellbasierte Zusammenarbeit der Projektbeteiligten im BIM-Koordinationsmodell wurde von der ARGE A10/A24 Havellandautobahn GmbH eine übergeordnete Struktur für alle Fachmodelle entwickelt. Demnach untergliedern sich die Fachmodelle in weitere Teilmodelle, Bauteilgruppen und Modellelemente. Die Informationen innerhalb eines Fachmodells werden hierarchisch weitervererbt. So kennt ein Modellelement die Informationen der übergeordneten Bauteilgruppe, des Teilmodells und des Fachmodells. Die gewählte Projektstruktur bietet den Projektbeteiligten eine benutzerfreundliche Navigation im Koordinationsmodell und sichert den Zugriff auf die jeweils erforderlichen Informationen.

BIM-Fachmodell Landschaft_Freianlage

Ergänzend wird das Fachmodell Landschaft_Freianlage erarbeitet, um die Belange der Landschafts- und Umweltplanung in das BIM-Modell des Projektes Verfügbarkeitsmodell A10/A24 zu integrieren (Abb. 1). Dazu wurden die Inhalte des landschaftspflegerischen Ausführungsplanes entsprechend der vorgegebenen Struktur im Fachmodell Landschaft_Freianlage organisiert. Die verwendete Fachterminologie wurde zum Großteil aus der Vorstandardisierungsarbeit "BIM-Klassen der Verkehrswege" [6] entnommen. Die Abbildung 2 veranschaulicht die erarbeitete Modellstruktur für das Fachmodell Landschaft_Freianlage. Dieses gliedert sich in zwei Teilmodelle. Diese Einteilung orientiert sich an einem hessischen Konzept der landschaftspflegerischen Ausführungsplanung (LAP). Ziel dieses Konzeptes ist eine baustellengerechte Aufbereitung der oft komplexen Darstellungen, Vorgaben und Maßnahmen des landschaftspflegerischen Begleitplanes (LBP). Zur Konkretisierung der Maßnahmen wurde der LAP in zwei Teile gegliedert [¹0].

Mit dem Teilmodell "Umweltbelange während der gesamten Bauphase" (UwbB) werden vor allem landschafts- und umweltpflegerische Vermeidungsmaßnahmen modelliert. Als Modellelemente werden beispielsweise Schutzgebiete, Schutzobjekte, Lager-, Arbeits- oder Einschlagsplätze, schützenswerte Pflanzen oder zu fällende Bäume in das BIM-Koordinationsmodell des Projektes Verfügbarkeitsmodell A10/A24 integriert. Inhaltlich richtet sich dieses Teilmodell an alle Projektbeteiligten und soll unterstützend zur Umweltbaubegleitung wirken.

Die Inhalte des Teilmodells "Ausgleichs- und Gestaltungsmaßnahmen" (AuG) richten sich in erster Linie an den ausführenden Landschaftsbau. Modelliert werden in diesem Teilmodell beispielsweise die Ausgleichspflanzungen sowie landschaftspflegerische Ausstattungsgegenstände wie Greifvogelstangen oder Verbissschutzzäune. Auch Informationen zur Fertigstellungs-, Entwicklungs- und Erhaltungspflege können mit diesem Teilmodell verknüpft werden.

Abb. 4: Teilmodell UwbB im BIM-Koordninationsmodell.Abbildung: Remy, Brückner


Insgesamt wird die Einteilung der Vermeidungs-, Ausgleichs- und Gestaltungsmaßnahmen in zwei Teilmodelle als sinnvoll erachtet, da zum einen die Inhalte des Teilmodells UwbB in der Regel zu einem viel früheren Zeitpunkt während der Bauphase abgefragt werden als Inhalte des Teilmodells AuG. Zum anderen können die Planinhalte auf diese Weise verständlicher und weniger komplex vermittelt werden.

Exemplarisch wurde das Teilmodell UwbB für einen 2 km Abschnitt des insgesamt 5,5 km langen BIM-Vertragsabschnittes modelliert und in das BIM-Koordinationsmodell des Projektes Verfügbarkeitsmodell A10/A24 integriert. Alle erforderlichen fachlichen Informationen wurden den zum Projekt A10/A24 vorliegenden LBP und LAP entnommen. Da es bisher keine vordefinierten Landschaftsklassen gibt, müssen diese generisch erzeugt und mittels benutzerspezifischer Merkmale semantisch beschrieben werden.

3D-Modell in der CAD-BIM-Software

Dafür wurde Autodesk Civil 3D gewählt, das für BIM-Projekte im Infrastrukturbau vielfach als Modellierungssoftware eingesetzt wird, gegebenfalls ergänzt durch eine Fachschale für den Straßenbau. Autodesk Civil 3D wird auch im Projekt A10/A24 von den Straßenplanern verwendet, sodass ein medienbruchfreier Datenaustausch möglich wurde. Autodesk Civil 3D verfügt über die für den BIM-Datenaustausch erforderliche IFC-Schnittstelle. Es bietet, aufbauend auf der Funktionspalette von Autodesk AutoCAD, umfassende 3D-Werkzeuge für die Tiefbau- und Infrastrukturplanung sowie die Geländemodellierung und -bearbeitung. Letzteres war für die Erstellung des Teilmodells UwbB elementar, denn dem digitalen Geländemodell (DGM), welches im BIM-Koordinationsmodell den Streckenkörper umgibt, sollten unterschiedliche Flächenwidmungen zugewiesen werden.

Entsprechend wurden Teilbereiche des DGMs beispielsweise als Schutzgebiete oder Lager- und Arbeitsflächen in Baustellennähe deklariert. Dafür wurden die spezifischen Gebiete aus dem DGM geschnitten und mit gleichbleibenden Koordinaten als neues DGM exportiert. Die exportierten DGMs konnten anschließend in einer neuen Datei wieder aneinandergefügt werden. Innerhalb der Software Autodesk Civil 3D wurden den so erzeugten Gebieten mit der Funktion "Eigenschaftssätze definieren" unterschiedliche Flächenwidmungen und Markmale zugewiesen. Im Bereich der definierten Arbeitsflächen wurde das DGM außerdem in Volumenkörper umgewandelt, sodass abzutragende Erdmassen bereits im BIM-Modell automatisiert berechnet werden können. Des Weiteren wurden zur Modellierung des Teilmodells UwbB Punktobjekte wie zum Beispiel Einzelpflanzen oder Linienobjekte wie Zäune oder Oberbodenmieten als 3D-Volumenkörper extrahiert und mit spezifischen Merkmalen verknüpft. In Abbildung 3 wird das am Beispiel der Landschaftsklasse Pflanze verdeutlicht. Da keine realistische Visualisierung gefordert ist, ist die Verwendung eines abstrakten 3D-Baummodells ausreichend.

Hier war also viel Handarbeit erforderlich. Bibliotheken, die Landschafts-Objekte zur Verfügung stellen aber auch Tools, die die Modellierung unterstützen, sind erforderlich, um zukünftig ein effizienteres Arbeiten zu ermöglichen.

BIM-Koordinationsmodell in der BIM-Management-Software

Um einzelne Fachmodelle in einem Koordinationsmodell zusammenzuführen, ist eine BIM-Management-Software erforderlich. Verwendet wurde die Software Desite BIM md pro. Der Datenaustausch basiert auf IFC.

Das in Autodesk Civil 3D modellierte Teilmodell UwbB wurde also in IFC übergeben und konnte anschließend erfolgreich in das BIM-Koordinationsmodell des Projektes Verfügbarkeitsmodell A10/A24 importiert werden, d. h. alle Geometrien standen inklusive der bereits angelegten Sachinformationen zur Verfügung.

Abb. 5: 4D-Visualisierung Teilmodell UwbB.Abbildung: Remy, Brückner

Mit Hilfe der BIM-Management-Software lässt sich die hierarchische Datenstruktur des BIM-Gesamtmodells und der Fachmodelle umsetzen (siehe Abb. 1 und 2). Auch die Anlage umfangreicher Sachdaten (Eigenschaften und Werte) ist benutzerfreundlicher möglich als in der CAD-BIM-Software selbst. Eine wichtige Aufgabe ist die Überprüfung der Qualität der Teilmodelle der einzelnen Gewerke aber auch der Konsistenz des Gesamtmodells. Die Modellprüfung erfolgt regelbasiert mit vielfältigen Filterabfragen. Zur Überprüfung der Geometrien dient die Kollisionskontrolle. Eine zusätzliche weitere Funktion ist die Mengenermittlung. Ein 3D-Viewer dient zum Betrachten und Bewegen im 3D-Gesamtmodell. Im durchgeführten Projekt wurden vor allem die Möglichkeiten der BIM-Management-Software zur Datenstrukturierung sowie zur Terminplanung genutzt.

Die Klassifizierung der Teilflächen wird in Abb. 4 sichtbar, so erscheinen alle Schutzgebiete im BIM-Modell in einem hellen Grün, die Arbeitsflächen entlang der Strecke in einem hellen Braun und die Lagerflächen für Oberboden in einem Olivgrün. Zudem wird am Beispiel des gelb markierten Schutzgebietes deutlich, dass die Landschaftsklassen im BIM-Modell mit Informationen verknüpft sind. Beispielsweise kann durch die Bauteilcodes (BTC) die bereits dargestellte Modellstruktur für die jeweilige Klasse nachvollzogen werden. Dadurch wird die Koordination der verschiedenen Fachmodelle und eine gute Zusammenarbeit der Fachplaner im BIM-Koordinationsmodell sichergestellt. Klassenspezifische Merkmale, die bereits in Autodesk Civil 3D angelegt wurden, sind unter der Rubrik Landschaftsplanung (LAP) sichtbar.

Auf Basis des integrierten Teilmodells UwbB können zu berücksichtigende Umweltbelange während der Bauphase weiteren Projektbeteiligten innerhalb des BIM-Koordinationsmodells leicht verständlich vermittelt werden. Das bietet die Chance, den Schutz der umliegenden Landschaft während der Bauarbeiten zu verbessern.

4D-Terminplanung

Ein weiterer Vorteil der BIM-Anwendung zeigt sich bei der sogenannten 4D-Planung. Dazu werden die jeweiligen Landschaftsklassen des Teilmodells UwbB mit einem Terminplan verknüpft. Auf dieser Basis kann in dem BIM-Koordinationsmodell eine 4D-Bauablauf-Visualisierung erstellt werden. So werden die an das Baufeld angrenzenden Flächen im zeitlichen Verlauf mit ihrem jeweilige Schutzstatus dargestellt, ebenso Schutzzäune, die errichtet und wieder abgebaut werden, die Einrichtung der Arbeits- und Lagerflächen und die Baufeldfreimachung. Die Darstellung erfolgt als tabellarische Übersicht sowie als Diagramm und wird besonders anschaulich duch die Visualisierung als Animation der Veränderungen im 3D-Modell (Abb. 5).

Auf Grundlage dieser 4D-Visualisierung können potenzielle zeitliche Konflikte zwischen dem geplanten Bauablauf und spezifischen Umweltbelangen bereits im BIM-Modell leicht erkannt und gelöst werden. So werden weitere Fachplaner wie Streckenplaner und Bauingenieure unterstützt, die Bauablaufplanung der verschiedenen Bauwerke der Infrastrukturplanung im Sinne des Landschafts- und Naturschutzes umzusetzen.

In einem nächsten Schritt wäre das zweite Teilmodell "Ausgleichs- und Gestaltungsmaßnahmen" (AuG) entsprechend der vorgestellten Methode zu realisieren. Zu erwarten ist, dass die Koordination der verschiedenen Bauabläufe mittels der 4D-Visualisierung auch hier ein Gewinn ist. Entscheiden für das Teilmodell AuG wäre, die Informationsanforderungen der Phase des Betreibens zu berücksichtigen.

Fazit - BIM auch für die Landschaftsplanung

Zukünftig sollte die Phase "Erhaltung und Betrieb" verstärkt in den Fokus rücken, da hier gerade für den grünen Bereich die gößten Wertschöpfungspotentiale liegen. Dabei könnte eine zunehmende Integration von BIM und GIS einen wichtigen Beitrag leisten.

Die Umstellung auf die vorgestellte 3D-Planung bedeutet für Landschafts- und Umweltplanung, insbesondere in der Einführungsphase einen erheblichen Mehraufwand. Die Teilnahme an BIM kann kein Selbstzweck sein, sondern ist nur zu rechtfertigen durch signifikante Verbesserungen im Projektablauf. Das erfordert eine eindeutige Definition der angestrebten BIM-Ziele. Für die definierten Anwendungsfälle UwbB und AuG im Rahmen der landschaftspflegerischen Ausführungsplanung wurden am Beispiel des BIM-Pilotprojektes A10/A24 die Vorteile der Integration der Landschaft- und Umweltplanung in die vorhandenen BIM-Prozesse deutlich. Durch die zentrale Speicherung des Fachmodells Landschaft_Freianlage im BIM-Koordinationsmodell ist besonders die Kommunikation mit anderen Projektbeteiligten direkter, schneller und verständlicher. Dadurch besteht die Chance, dass der Aspekt Landschaft mit der BIM-Methode bei der Bauablaufplanung an Stellenwert gewinnt und der Landschafts- und Umweltschutz während der Bauphase verbessert werden kann.

Literatur

[1] BMVI Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (2015): Stufenplan Digitales Planen und Bauen.www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Publikationen/DG/stufenplan-digitales-bauen.pdf.

[2] Otto, Kilian (2019): 2. Stammstrecke München. Das digitale Infrastruktur - Großprojekt für München und die Region - BIM/GIS Integration - Anwendungen bei der 2. Stammstrecke München. DB-Netz. BIM-World. München, 26.11.2019. www.bim-world.de/wp-content/uploads/2019/12/DBNetz-KillianOtto.pdf.

[3] Berger, M., Arup(2020): BIM & GIS Integration. BIM & GIS für Hochbau und Infrastruktur. buildingSMART Webinar 25.06.20.

[4] Brückner, I. et al. (2018): Platz-Modellierung und Abrechnung mit BIM - von 3D bis 5D. Neue Landschaft 12/2018, 34-39.

[5] Remy, M. (2020): Entwicklung einer Methode zur Integration der landschaftspflegerischen Planung bei mit der BIM-Methode umgesetzten Straßenbau-Projekten. Studienarbeit Forschungssemester.

[6] buildingSMART-Fachgruppe BIM-Verkehrswege (2020): BIM-Klassen der Verkehrswege. Berlin: bSD Verlag. bSD Schriftenreihe Heft 1.01.

[7] BIM4INFRA2020 (2019): Leitfäden, Muster und Handreichungen. bim4infra.de/handreichungen/

[8] BIM Deutschland - Zentrum für die Digitalisierung des Bauwesens. bimdeutschland.de

[9] Tschickardt, Thomas; Krause, Daniel (2019): BIM im Verkehrswegebau am Beispielprojekt "Verfügbarkeitsmodell A 10/A 24". In: Bautechnik 96 (3), S. 259-268.

[10] Berneburg, Reinhard (2000): Landschaftspflegerischer Ausführungsplan Teil 1: Erdbau- und Ingenieurbauwerke. Kassel.

Ausgewählte Unternehmen

Die Anbieterprofile sind ein Angebot von llvz.de