Naturgefahren-Prävention mit der BIM-Methode

Building Information Modeling (BIM) setzt sich in der Planungs- und Baubranche durch und wird diese grundlegend verändern. Dank optimierter Prozesse und neuen Technologien kann die BIM-Methode auch das naturgefahrensichere Bauen fördern – so die Erkenntnis eines neuen Forschungsprojekts. Architekten und Gesamtplaner profitieren von der zentralen, klar strukturierten Datenhaltung im digitalen Bauwerksmodell. Dieses widerspiegelt dank vernetzten Datenquellen und der interdisziplinären Zusammenarbeit mit Fachplanern und Spezialisten stets den aktuellsten Planungsstand als «single source of truth» und unterstützt die Verständigung im Planungsteam sowie das Lösen von Zielkonflikten und Planungsfehlern. Mit der entsprechenden Logik verknüpft, hilft das digitale Bauwerksmodell an wichtige Abklärungen zu denken und auch bei komplexen Projekten den Durchblick zu behalten.

Planen und Bauen mit Naturgefahren

Die Datengrundlagen, Normen und Planungshilfen für das naturgefahrensichere Bauen sind vorhanden und grundsätzlich auch ohne BIM erfolgreich einsetzbar. Leider werden Naturgefahren oft zu spät erkannt, sodass Schutzmassnahmen nachträglich in bereits fortgeschrittene Bauprojekte hinzugefügt werden müssen. Solche Planungsänderungen verursachen Mehrkosten und sind bezüglich Gestaltung und Zuverlässigkeit meist unbefriedigend. Denn ein schlecht konzipierter Entwurf lässt sich nicht schönrechnen. Entscheidend ist der frühzeitige Einbezug der Naturgefahren in die ersten Entwürfe, damit der Gebäudeschutz gut und günstig ins Gesamtkonzept einfliessen kann. Geschieht dies zu spät, besteht kaum noch Spielraum für einfache, planerische Lösungen. Niveauanpassungen für den Hochwasserschutz der Tiefgarage oder Sperrzonen für Erdbebenwände plant man folglich am besten schon ab dem frühen Entwurf laufend mit. Im Idealfall sind Gebäude dank guter Konzeption und baulichen Schutzvorkehrungen so permanent und ohne menschliches Zutun zuverlässig geschützt. Wo dies nicht möglich ist, braucht es in Ergänzung eine gute Notfallorganisation und mobile Schutzvorkehrungen, um eine der Nutzung angemessene Schutzfunktion zu erzielen: Dies erfordert klar geregelte Verantwortlichkeiten, Schulung und regelmässige Übungen sowie Wartung und Unterhalt der Schutzsysteme – und bedeutet zusätzlichen Aufwand im Betrieb.

Potential von Building Information Modeling im Umgang mit Naturgefahren

Ein kürzlich abgeschlossenes Forschungsprojekt «Optimierter Gebäudeschutz vor Naturgefahren mit BIM» hat das Potential der BIM-Methode (auch virtual design and construction VDC genannt) für den Gebäudeschutz vor Naturgefahren in methodischer und technischer Hinsicht untersucht:

  • Wie funktionieren die Prozesse einer risikooptimierten Planung bei Anwendung der BIM-Methode?
  • Welche technischen Hilfsmittel können das naturgefahrengerechte Planen und Bauen unterstützen?
  • Wo sind die Grenzen automatischer Modellprüfungen und wie könnten Simulationen mit digitalen Bauwerksmodellen verknüpft werden?
Schema für die automatische Abfrage der Gefährdung am Standort und den Transfer in das Datenaustauschformat IFC zur Integration in das digitale Bauwerksmodell.

Dabei wurden optimale Prozessabläufe am Beispiel der Naturgefahren Hagel, Hochwasser, Erdbeben und Steinschlag identifiziert und in Prozessdiagrammen beschrieben. Zudem wurden Prototypen entwickelt für den Transfer von Gefahreninformation aus GIS-Systemen in BIM-Modelle sowie für planungsunterstützende Qualitätsprüfungen am digitalen Bauwerksmodell.

Lebenszyklusbetrachtung und Optimierung des Gebäudebetriebs

Analog zum nachhaltigen Bauen steht bei Anwendung der BIM-Methode der gesamte Lebenszyklus eines Bauwerks im Fokus, inklusive des meist jahrzehntelangen Betriebs bis hin zum Rückbau. Denn speziell für die Optimierung der Prozesse im Betrieb und die Förderung der Kreislaufwirtschaft bietet BIM enormes Potential. Über die Lebensdauer eines Gebäudes betrachtet, dominieren die im Betrieb anfallenden Kosten die Aufwände für die Planung und Realisierung um ein Vielfaches. Deshalb sind gerade die neuen Möglichkeiten für die datengestützte Betriebsoptimierung für Investoren und Bauherrschaften ein ausschlaggebendes Argument, um BIM zu bestellen. Bauherren nehmen dabei eine aktive und wichtige Rolle ein, denn sie müssen bereits zu Projektbeginn die Ziele und Leistungsmerkmale des Gebäudes im angestrebten Endzustand genau beschreiben können. Zu dieser vermehrt geforderten «Bestellerkompetenz» gehört insbesondere die Definition der Informationsanforderungen an das Gebäude und an dessen «digitalen Zwilling» (engl. «digital twin»). – Welche Entscheidungen und Weichenstellungen sind beim naturgefahrensicheren Bauen besonders wichtig? Und welche Informationen braucht es, um den Gebäudeschutz vor Naturgefahren langfristig gewährleisten zu können?

Neue Chancen für den «Risiko-Dialog»

Zusammenarbeit bei der Planung von Neu- und Umbauten mit modernen Arbeitsmethoden und Technologien

Der Fokus auf die Bewirtschaftung gibt auch Risiken mehr Gewicht, welche über die Lebensdauer eines Gebäudes zu einer Personengefährdung oder einem Betriebsunterbruch führen könnten. So werden seltene, 300-jährliche Naturereignisse offensichtlich zu einem betriebsrelevanten Thema, denn bereits im Zeitraum von 50 Jahren erhöht sich die effektive Eintrittswahrscheinlichkeit eines solchen Naturereignisses auf immerhin 15 %. Bei der Planung mit BIM könnte sich der von Naturgefahrenexperten seit langem geforderte «Risikodialog» endlich in der Praxis etablieren. Dabei entscheiden Bauherrschaft und Planer unter Einbezug sämtlicher Risikoträger in der strategischen Planung oder den Vorstudien, ob die Schutzziele gemäss den Normen SIA 261 und SIA 261/1 ausreichend sind oder ob diese für die beabsichtige Nutzung angepasst werden müssen. Hat beispielsweise ein Betriebsunterbruch grosse Konsequenzen, können höhere Schutzziele sinnvoll sein. Letztlich sind für die Betriebsphase optimierte Lösungen gesucht, welche den Anforderungen und Möglichkeiten der Gebäudenutzer und ‑Betreiber bestmöglich entsprechen und zugleich die Risiken für Eigentümer und Investoren minimieren. Unterstützt wird der Risikodialog durch die tendenziell interdisziplinärer zusammengesetzten Planungsteams und die vermehrt datenbasierte Vorgehensweise beim Planen von Neu- und Umbauten.

Integrierte Planung am digitalen Zwilling

Gute planerische Lösungen beruhen auf guten Entscheidungen. Für gute Entscheidungen wiederum braucht es solide Daten. Hier kommt das digitale Bauwerksmodell (DBM) ins Spiel, das verknüpft mit der nötigen Intelligenz den Planungsprozess unterstützt. Das digitale Bauwerksmodell ist weit mehr als ein dreidimensionales Abbild des Gebäudes, die entscheidenden Qualitäten von BIM liegen im «I»: Sämtliche Informationen betreffend Risiken, Schutzzielen und Schutzmassnahmen können zentral im digitalen Bauwerksmodell festgehalten und mit externen Daten vernetzt werden. So sind planungs- und betriebsrelevante Informationen nicht nur zentral gespeichert und direkt mit den Geometrien von Gebäudeteilen, Räumen sowie einzelnen Bauteilen verknüpfbar, die strukturierte Datenhaltung macht diese Informationen auch maschinell auswertbar. Ergänzt mit der Logik sogenannter Prüfregeln, kann das Bauwerksmodell auf verschiedenste Sachverhalte überprüft werden – auch hinsichtlich Naturgefahren. Um die besonders relevante Gefährdungsinformation bereits zu Projektbeginn greifbar zu haben, wurde im Forschungsprojekt ein Prototyp entwickelt zur Übertragung dieser Information aus GIS-Daten in das IFC-Format.

Planungsunterstützende Modellprüfungen und Simulationen

Speziell in den frühen Planungsphasen und beim Übergang zwischen den Phasen können Modellprüfungen auf wichtige Fragen und Abklärungen aufmerksam machen, die Vollständigkeit und Konsistenz von Informationen prüfen und auf Schwachstellen hinweisen. Solche formalen Prüfungen fragen beispielsweise nach der Aktualität von Gefahreninformation, ob und welche Schutzziele definiert sind und ob ein Schutzkonzept vorliegt. Im erwähnten Forschungsprojekt wurden ausgehend von den wichtigen Entscheidungen im Planungsprozess auch weiterführende Prüfregeln fachlich beschrieben, anschliessend in einer systemneutralen Form in Prüfalgorithmen übersetzt und letztlich die Implementierbarkeit mit der Modellprüfungssoftware «Solibri» erprobt. Dieser letzte Schritt wurde für die Naturgefahren Hagel und Hochwasser durchgeführt, wie das folgende Video zeigt.

Prüfregeln für die modellbasierte Planung bezüglich Hagel und Hochwasser

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In Zusammenarbeit mit der Firma IDC AG wurden anhand eines fiktiven Beispiels Prüfregeln bezüglich Hagel und Hochwasser mit der Modellprüfungssoftware Solibri erprobt.

Hagelschutz modellbasiert überprüfen

Für den Schutz vor Hagel müssen alle aussenliegenden Elemente von Dach und Fassade entsprechend robust ausgestaltet und die Storen im Ereignisfall hochgezogen sein. Zur Überprüfung des Hagelwiderstands eines Bauteils können über die Eigenschaft «IsExternal» die aussenliegenden Elemente am Gebäude selektiert (Objektselektion) und anschliessend entweder der Materialtyp oder der ebenfalls als Eigenschaft hinterlegte Hagelwiderstand ausgewertet werden. Damit der Hagelwiderstand von Bauprodukten möglichst einfach und in der richtigen Struktur im digitalen Bauwerksmodell hinterlegt wird, bietet sich eine Vernetzung des Hagelregisters mit Bauteilkatalogen wie Buildup an. Wählt man in der Autorensoftware ein entsprechendes, hagelgeprüftes Produkt aus diesem Katalog, z.B. eine Lichtkuppel, ein Solarpanel oder eine Dämmplatte, wird der Hagelwiderstand als semantische Produktinformation direkt in das BIM-Modell übernommen.

Dieses Beispiel zeigt, wie wichtig die Standardisierung ist, um Leistungsmerkmale von Bauteilen im digitalen Bauwerksmodell abbilden und maschinell auswerten zu können. Damit beim Aufbau des Bauwerksmodells möglichst wenig Zusatzinformation manuell hinzufügt werden muss, sind bereits vorhandene Standards und Schnittstellen zu nutzen. Diesbezüglich besonders relevant sind das Datenaustauschformat Industry Foundation Classes (IFC 4.x, SN EN ISO 16739) sowie für die Zuordnung von Begriffen und Wertebereichen den buildingSMART Data Dictionary (bsDD gemäss SN EN ISO 12006‑3).

Hochwasserschutz: modellgestützte Überprüfung von Schwachstellen

Zum Schutz vor Hochwasser und Oberflächenabfluss ist es essentiell zu wissen, bis auf welche Höhe das Gebäude geschützt werden muss. Diese Information kann man aus Fliesstiefenkarten ableiten, wobei auch Höhenzuschläge je nach Bauwerksklasse und Anströmung am Gebäude zu berücksichtigen sind (siehe «Wirkungshöhe» gemäss Norm SIA 261/1 und Wegleitung SIA 4002). Um direkt am digitalen Bauwerksmodell potentielle Eintrittsstellen von Wasser identifizieren zu können, wurde der Überschwemmungsbereich als Volumenkörper in das IFC-Format transformiert. Mit dieser einfachen Massnahme kann der Überflutungsbereich direkt im virtuellen Abbild des Gebäudes dargestellt werden, was die Kommunikation und das Eruieren von Lösungsvarianten vereinfacht. Zudem lässt sich mit einem geometrischen Verschnitt überprüfen, welche Bauteile im Überflutungsbereich liegen und ob auch Öffnungen wie z.B. Türen, Fenster, Lichtschächte oder Lüftungsöffnungen betroffen sind. In einer idealen Planung könnten solche Prüfungen laufend für verschiedene Varianten automatisch durchgeführt werden, wodurch sich Bestvarianten einfacher erkennen lassen.

Möglichkeiten und Grenzen von Modellprüfungen und Simulationen

In der Theorie kennen Modellprüfungen und datengestützte Optimierungen von Gebäuden und Infrastrukturbauten kaum Grenzen. Sie beschränken sich auch nicht auf die Planung, sondern sind in der Realisierung und während der Bewirtschaftung ebenso nützlich. Beim Übergang von einfachen Kollisionsprüfungen, der Aggregierung von Kennzahlen oder dem Vergleich verschiedener Eigenschaften von Bauteilen und Raumstrukturen hin zu dynamischen Betrachtungen nimmt die Komplexität jedoch stark zu.

Weil auch die Form des Gebäudes und insbesondere die Umgebungsgestaltung den Überflutungsbereich mitbeeinflussen, sollten die ausgesprochen präziseren Geometriedaten aus BIM-Modellen auch in Überflutungssimulationen einfliessen. Im Vergleich zu den üblicherweise in GIS-Software verwendeten Höhenmodellen sind solche auf Vektordaten basierende Geometrien wesentlich genauer. So liesse sich einerseits die Wirkungshöhe am Gebäude und andererseits auch eine allfällige Mehrgefährdung benachbarter Grundstücke besser quantifizieren.

Standards und Modellierungsrichtlinien für den bidirektionalen Datenaustausch

Die umfangreichen Geometrie- und Sachdaten ermöglichen auch den Einbezug von Simulationen für die Planung und Nachweisführung. Sind die Eingangs- und Ausgangsdaten solcher Simulationen über definierte Schnittstellen und in klar strukturierter Form austauschbar, werden auch komplexe Modellierungen zu einem höheren Grad automatisierbar und können somit direkter an den Planungsprozess angebunden werden. Voraussetzung für solche direkt an ein BIM-Modell gekoppelten Hochwassersimulationen ist ein standardisierter und somit möglichst automatisierbarer Datenaustausch zwischen der BIM-Welt und der entsprechenden Fachsoftware. In diesem Bereich besteht eindeutig weiterer Forschungsbedarf. Dass die Daten in standardisierter Form vorliegen und sich die Prüfregeln flexibel an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen lassen, ist für die Umsetzbarkeit von Modellprüfungen entscheidend.

Forschungsprojekt «Optimierter Gebäudeschutz vor Naturgefahren mit BIM» (2019-2021)

Wie BIM den Gebäudeschutz vor Naturgefahren verbessern kann, wurde in einem Forschungsprojekt der Präventionsstiftung der Kantonalen Gebäudeversicherungen und unter der Leitung des Instituts Digitales Bauen der FHNW untersucht. Weiter beteiligt waren die Hochschule für Technik und Architektur Freiburg, das Institut für Facility Management der ZHAW sowie Experten aus der Privatwirtschaft. Aktuell wird die Thematik im Rahmen des Innosuisse-Projekts «GEOL_BIM» weiter vertieft.

Referat in der Session GEOL_BIM am GEOSummit vom 23. Juni 2021

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