Dabei läuft der BIM-Prozess Gefahr, wie Web 2.0 und Industrie 4.0 als Buzzword abgetan zu werden und erfolglos zu verschwinden. Leider scheint die Branche der TGA daran nicht ganz unbeteiligt, da sie falsche Vorstellungen propagiert hat. Aber BIM ist:
Die 3D Modellierung am Computer lässt sich bis in die 1950er-Jahre zurückverfolgen und kann wohl kaum als neu bezeichnet werden. Ganz im Gegenteil, im wirklichen BIM-Prozess verliert das 3D Modell mehr und mehr an Bedeutung und bleibt nur noch im Hintergrund für die Software, die Zeichnung verschwindet sogar gänzlich.
Auch Kollisionsplanung und Durchbrüche waren schon mit Beginn moderner Planung möglich, früher noch von Hand am von unten beleuchteten Zeichentisch.
Vielleicht ist es daher an der Zeit, alte Zöpfe abzuschneiden, statt zwanghaft zu versuchen, die Leistungsbilder des § 55 HOIA auf das Level of Detail (LoD) Konzept des BIM-Prozesses abzubilden.
Komplexität beherrschen mittels durchgängig digitaler Prozesse
Diese Inkompatibilität resultiert aus einem Grundsatz von BIM – "ganz oder gar nicht". Im BIM-Prozess zieht jeder Beteiligte mit oder der Nutzen verschwindet. Nur die TGA-Planung mittels BIM zu erstellen, wird kaum Vorteile bringen, manchmal entsteht dadurch sogar ein kostspieliger Mehraufwand. Für ein Gebäude bedeutet dies, dass bereits bei dem ersten Gespräch zwischen Unternehmer und Bauherr BIM startet und von jedem Beteiligten genutzt werden muss, auch in der Buchhaltung, dem Facility Management bis hin zum Rückbau des Objekts in der Zukunft.
So lief es früher ab
Aber einen Schritt zurück – in den Leistungsphasen der HOIA plant der Architekt das Objekt bis zur Einreichungsreife für die entsprechenden behördlichen Genehmigungen. Das war früher auch einfacher. Er musste lediglich auswählen zwischen Gas oder Öl, ggf. war noch Fernwärme verfügbar. Feldbussysteme waren, wenn überhaupt, im Zweckbau von Bedeutung und dort auch eigentlich nur KNX. Den Entwässerungsplan hat der Bauzeichner im Unternehmen gleich noch mit übernommen. In LP 5 konnte ein Planungsbüro dann problemlos den SHKL-Bereich in Ein-Strich-Zeichnungen erstellen. Die Elektrofachplanung musste sogar nur rudimentär gestaltet werden. Der Elektrikermeister hat dann auf der Baustelle entschieden, wo noch Platz für seine Leitungsverlegung ist.
Ob dieses strikte System der linearen Problemverschiebung ("rückwirkungsfreie Planung") jemals zielführend war, sei dahingestellt. Selbst wenn, so einfach ist es schon lange nicht mehr. Die Komplexität der TGA ist explodiert, nicht nur bei Luxusanwendungen, sondern auch bei dem Versuch, möglichst effiziente und nachhaltige Technik zu verbauen. Dazu kommen zunehmende Schwierigkeiten mit Lieferketten und Fachkräften. Diese Trilogie der Herausforderungen – Logistik, Planung, Fachkräfte – macht ein Umdenken zwingend notwendig.
Der BIM Prozess setzt hier an. Der Architekt verliert seine exponierte Stellung. Stattdessen beginnt das Projekt mit dem BIM-Manager, dessen Aufgabe darin besteht, Architektur, Statik und TGA als Symphonie gleich wichtiger Bestandteile zu dirigieren.
Was steckt hinter dem open BIM Konzept?
Dabei setzten viele auf die "eierlegende Wollmilchsau" und möchten eine Softwarelösung, die alles abbildet (closed BIM). Als weitsichtiger scheint sich aber das open BIM Konzept zu erweisen.
Im Common Data Environment (CDE) z.B. hat dabei jedes Team Zugriff auf versionierte und in Entwicklung befindliche Stände des Projekts. Der Austausch zwischen den Teams erfolgt über internationale Standards (z.B. ifc für 3D Modelle, csv für Materiallisten usw.) und Arbeitspakete.
Der BIM-Manager prüft, ob jedes Arbeitspaket erledigt wurde, bevor eine Version als abgeschlossen gilt und zum nächsten Schritt, dem nächsten LoD übergegangen werden kann. Wie dabei intern in den Teams gearbeitet wird, ist weniger wichtig. Oft wird, gerade in der TGA, einfach "losgezeichnet" mit hohem Detailgrad.
Wichtig ist jedoch der Kaskadeneffekt im Prozess: Der Architekt passt Fenster an, Heiz-/Kühllasten und Luftwechsel werden neu berechnet, MSR wird geprüft, Kalkulation und Budgetplan werden angepasst. Erst danach kann die Freigabe durch die TGA-Fachplanung erfolgen und erst dann kann der neue Planungsstand (mit den neuen Fenstern) durch den BIM-Manager mit einer Versionsnummer versehen werden.
Einstieg in BIM über die Elektrofachplanung – Raumbücher und die VDI 3814
Auch im Zweckbau ist manchmal ansprechendes Design gefordert – z.B. die repräsentative, freistehende Rezeption ohne dicke Brüstungskanäle mit Schalterbatterien. Nicht immer stehen abgehängte Decken oder Kanäle im Boden zur Verfügung. "Einfach eine NI2XY-5x1.5 Leitung im Fußboden einplanen" ist keine Lösung. Gebäudesteuerung kann nachträglich vielleicht noch über einen Funkbus realisiert werden. Spätestens im Bereich der ITK ist dieses Aufschieben der Planung zum Scheitern verurteilt: Computer, IP-Telefon, Kartenleser, Multifunktionsdrucker wollen alle einen eigenen Netzwerkanschluss; pro Arbeitsplatz (der Switch unter dem Tisch ist nicht immer eine Lösung, u.a. aus Gründen der Sicherheit und Verfügbarkeit).
Aber auch andere Nacharbeiten werden durch dieses Aufschieben des endgültigen Detailgrads erschwert oder schlicht sogar unmöglich:
Wie kann jedoch ein Anfang gelingen?
Dazu dient, wie erwähnt, der Deming Kreis im BIM-Prozess. Der Architekt entwickelt einen ersten Entwurf, einen nicht finalen Grundriss, und der Elektrofachplaner klärt daran vollständig ein LoD 200. Hier geht es noch nicht um das Fabrikat der Steckdose, aber z.B. die Platzierung. Es ergeben sich bereits die ersten Rückwirkungen: z.B. 300 Leitungen (Wechselstrom, Netzwerk, Feldbusse) für Nutzeinheit = Bedarf von drei Feldverteilern = Platzbedarf, Brandschutz, Durchbrüche.
Beteiligte Planer, in diesem Fall insbesondere Statiker und Brandschutzplaner, haben sofort eine Idee, wo sie ihre eigene Planung erweitern müssen. Aber auch der Architekt passt seinen Grundriss an, möglicherweise mit einem größeren Technikraum:
Auch der Architekt plant zu Beginn "einfach drauf los" und konkretisiert seine Entwürfe zusammen mit den anderen Fachplanern zum baureifen digitalen Zwilling.
An dieser Stelle kann man erstmalig erahnen, warum die Zeichnung komplett verschwindet. Sind die Raumbücher geschrieben, können daraus zum einen Funktionen und Szenen der Gebäudesteuerung abgeleitet werden. Zum anderen steht fest, wie das Gebäude geplant werden muss. Installationsorte ergeben sich aus den Installationszonen (DIN 18015-3) und der Anzahl an Betriebsmitteln, z.B.:
Leitungsverlegung ergibt sich ebenfalls, z.B.: rechtwinklig über Rohfußboden, kürzester Weg zur Tür ohne Kreuzungen (immer: Leitung von kürzester Strecke, ganz außen nach längste, ganz innen)
Kleinstmögliche Arbeitspakete
Gerade in Zeiten angespannter Personallage ist diese Modularisierung unabdingbar. Ungelernte Hilfskräfte kommen nicht mehr nur wegen der Kosten wo immer möglich zum Einsatz. Raumweise Skalierbarkeit sowie das Verschieben der Komplexität in Planung und modulare Vorfertigung verhindern menschliche Fehler im Objekt.
Personal vor Ort muss nur noch zählen können
Betriebsmittel sind raumweise sortiert (Betriebsmittelkennzeichnung lesbar) und bereits parametriert; Verteiler bis zur Klemme fertig. Stehen fünf Elektriker zur Verfügung, werden fünf Räume gleichzeitig installiert – ohne lange Einweisung.
Kleinstmögliche Berechnungseinheiten – BIM im Anlagenbau
Im Bereich des Anlagenbaus wird dies etwas deutlicher. Selbst in einem Einfamilienhaus, das auch ein Ein-Mann-Elektrofachbetrieb ausstatten kann, ist der Aufwand für die Heiz- und Klimalösung schon erheblich größer.
Während sich bei einem Planungsfehler ein KNX-Schaltaktor noch "umklemmen" lässt, so sind erhebliche Planungsfehler bei einer bereits im fertigen Estrich verlegten Fußbodenheizung final. Modularisierung und Vorfertigung einer Heizungsanlage wirken auf den ersten Blick vielleicht schwieriger als Steckdosen und Taster in Kisten zu sortieren.
Aber analog zu anderen Fachbereichen verschiebt der BIM-Prozess die Komplexität vom Feld in die Planung. Statt mittels "Dicke-Daumen-Regel" erst einen ungefähren Bedarf zu bestimmen, dann die Wärmeerzeuger auszulegen und letztlich die Heizflächen, wird genau andersherum geplant. Dabei wird anschaulicher, was es bedeutet, wenn die Zeichnung entfällt. Nur noch die Randzone (z.B. eine lange Fensterfront), da diese anders behandelt werden muss, ist als Eingabe durch den Planer notwendig. Die Software legt anhand maximaler Druckverluste, Fließgeschwindigkeiten und Rohrlängen die Heiz- und Kühlflächen automatisch aus und führt alles auf den vorgesehenen Verteiler. Es entsteht ein Heiz-/Kühlkreis, ein "Modul", mit definierten Eigenschaften; in der Ausführung müssen lediglich die geplanten Verlegearten und Abstände auf die Noppenplatten abgebildet werden – "der Techniker muss nur noch zählen können".
Die Berechnung setzt sich auf diese Weise fort: Heizkreisverteiler werden zu Heizkreisen zusammengeführt, Tertiär-, Sekundärkreise zum Primärkreis und dieser zu den Erzeugeranlagen.
Anmerkung: Die Modularisierung von großen Anlagen ermöglicht auch eine recht zügige Abwägung von verschiedenen Optionen. Z.B. lässt sich für eine Anlage schnell die Akustik überprüfen. Werden Grenzwerte der Fließgeschwindigkeit überschritten und damit Fließgeräusche hörbar, lassen sich die Fälle Rohrdurchmesser, Rohrtyp und Isolierung nebeneinanderstellen. Durchbruchsplanung und Kollisionsprüfung klären auch gleich: Passt das überhaupt? Im 7D-BIM-Prozess geben die Materiallisten auch direkt Antwort auf die Frage: Wie passt das ins Budget?
Beispiel eines Drei Parteien-Mehrfamilienhauses
Verdeutlicht sei das in einem Drei-Parteien-Haus: Die drei Pumpengruppen bzw. Heizkreise (Einspritzschaltungen) können über die Bypässe gegeneinander abgeglichen werden, der Primärkreis wird unter dem Verteilerbalken mit einer Weiche entkoppelt.
Für die Berechnung gibt es je Kreis einen Wärmebedarf, eine Umwälzpumpe und ein Rohrnetz mit Druckverlust. Ein eigentlich bekanntes und bewährtes Konzept, das leider dennoch immer wieder vernachlässigt wird. Statt, wie eben beschrieben, in der Planungsphase die Anlage auszulegen, wird die Komplexität der Anlage auf die Ausführung verschoben und dann mit vorhandenen Gegebenheiten "mehr oder weniger" abgestimmt.
Auch eine einfache technische Zeichnung der Anlage aus LP 5 HOIA (inkl. Heizlastberechnung), nur weil sie als 3D Modell erstellt wurde, bedeutet nicht die Umsetzung des BIM-Prozesses. Im BIM-Prozess werden noch in der Ausführung der digitale Zwilling und der Stand im Feld abgeglichen und neue Eingaben durch alle Berechnungsschritte geführt. Da keine Zeichnung mehr existiert, ist die TGA-Planung auch nicht hinfällig, bzw. teilweise ungültig. Jedes von Nachfolgetätigkeiten betroffene Team oder Subunternehmen kann den neuen Stand sofort einsehen und entsprechend abarbeiten, z.B. Verlegeabstände der Fußbodenheizung. Zu diesen Tätigkeiten gehören im 7D-BIM-Prozess auch ganz explizit die betriebswirtschaftlichen Überlegungen zum Betrieb des Gebäudes. Gerade im Zweckbau ist es unabdingbar, in jeder Phase des Projekts über alle Kennzahlen (z.B. spätere Betriebskosten) informiert zu bleiben.
Das Gebäude als White Box in BIM
Immer von Änderungen betroffene Teilbereiche der TGA sind die Bereiche der MSR und ferner die Systemintegratoren und Techniker der Gebäudeautomation.
Hinweis: Wie mächtig gute Regelungstechnik ist, zeigt das Beispiel Messeturm Basel. Mittels prädiktiver Regelung (Upgrade von Effizienzklasse B nach Effizienzklasse A, DIN 15232) konnten ohne Änderung an Hardware erheblich Nebenkosten gespart werden laut Entwickler (Sauter Building Control Schweiz AG, 2012):
Besonders im Bereich der SHKL-Anlagentechnik sind die Unterschiede und Möglichkeiten, wie eine Einbindung in die Gebäudeleittechnik stattfindet, je nach Hersteller und teilweise Produkt erheblich. Zwar sind oft KNX, Modbus oder BACnet irgendwie vorhanden, aber was welche Anlage über welchen Feldbus kommunizieren kann, ist schlicht mit dem Wort "Chaos" zu beschreiben. Diesem Chaos begegnet BIM aus beiden Richtungen. Durch die Rückwirkung in der Planung sind jederzeit noch Anpassungen möglich, zum anderen ist über die Lebenszeit des Objekts bekannt, wie dieses sich insb. thermisch verhalten wird (Lastgänge für Heiz- und Kühlbedarf) – das Gebäude wird zu einer White Box (im Gegenteil zu einer Black Box, über die man nichts weiß und über die ersten Jahre das Verhalten ausloten muss).
Energieeffizientere Planung und Anlagenführung
In Deutschland gibt es derzeit ca. 21 Millionen Gebäude und je nach Studie liegt deren Anteil am Energiebedarf der Bundesrepublik zw. 30 % und 50 %. Hier gilt es, effizienter zu werden. Die genannten Kenndaten und Lastgänge aus der White Box sind in diesem Aspekt ein wichtiger Schritt.
Die Wärmebedarfsführung eines Gebäudes nutzt nun unter anderem genau diese Daten. Mit den oben beschriebenen Modulen (hydraulisch entkoppelte Heiz- und Kühlkreise) wird im bisherigen Gebäudebestand die altbewährte P + PI Reglerkaskade (Vorlauftemperatur + Einzelraumregelung) umgesetzt. Die vom Gesetzgeber geforderten zwei Führungsgrößen werden durch die Außentemperatur abhängige Heizkurve und eine Nachtabsenkung abgebildet. Eine Heizkreis-spezifische Einstellung der Heizkurve auf die Gegebenheiten, z.B. in einem Penthouse eines Mehrfamilienhauses, ist leider oft bereits das höchste der Gefühle. Andere, aktiv nutzbare Führungsgrößen sind in der Abbildung auf der nächsten Seite beschrieben.
In moderner Gebäudeleittechnik lassen sich diese einfach auswerten. Auch hier findet das Prinzip der Kaskade Anwendung. Letztlich "weiß" ein Raum, welchen Wärme- oder Kältebedarf er gehabt hat, derzeit hat und vermutlich haben wird. Der bisherige Bedarf lässt zusammen mit der Wettervorhersage den zukünftigen errechnen. Das Beispiel des Basler Messeturm zeigt auch die Zuverlässigkeit dieser Methode. Der Raum erhält den Zustand: Wärmebedarf, Kältebedarf oder Umwälzen. Eine, aus Sicht der Thermik sinnvolle, Nutzeinheit kumuliert die Zustände ihrer Räume und gibt diesen Bedarf an die nächstgrößere Einheit weiter, bis ein Bedarf für die Erzeugeranlagen feststeht. Abhängig von deren Modulationsverhalten wird z.B. Wärme bzw. Kälte erzeugt oder ein Speicher ent- oder geladen.
In der dahinterstehenden Mathematik tauchen dabei besonders zwei Konzepte auf:
Die Königsklasse – Model Predictive Control
Die prädiktive Regelung lässt sich leider nicht so zügig abhandeln; sie ist noch ein aktives Forschungsfeld der Mathematik. Daher auch lediglich ein kurzer Blick auf die MPC. Formell sieht diese vor, dass für jeden Regler beliebig viele Zeitschritte nach jedem Zeitschritt in die Zukunft berechnet werden. In der Realität ist das kaum praktikabel und man weicht die Struktur auf.
Im einfachen Fall, z.B. einem Altbau mit schlechter Dämmung, aber hoher Wärmekapazität, kann das System den Anwender informieren, schlicht alle Fenster zu öffnen und durchzulüften, sollte der Wetterbericht geeignetes Wetter ankündigen. Die Heizkörper bleiben bereits morgens aus, und man akzeptiert zum Energiesparen statt 20 °C lediglich 19 °C bei geöffneten Fenstern, bis es mittags warm wird.
Das "Schlupf"- Konzept
Dies ist auch der wichtigste Aspekt, um die MPC-Regelung für den Menschen nutzbar zu machen: das Konzept des "Schlupfs". Der Anwender darf festlegen, wie viel Komfort zur Einsparung verloren gehen darf. Sind 1 K Abweichung vom Raum-Soll akzeptabel, wenn dafür der Heizkreis den Tag komplett abgeschaltet werden kann?
Technisch abgebildet, wird es in der Reglerkaskade aus P- und PI-Regler erhalten bleiben. Die Gebäudeleitsoftware verschiebt lediglich im Hintergrund die Ist-Soll-Abweichung nach vorgegebenen Kriterien und beeinflusst damit das Verhalten der Regler, bzw. schaltet entsprechend die Erzeuger (oder auch Mischer) Zustände (Nachtabsenkung, Party, Warmwasser) nach Bedarf automatisch.
Hier sei anzumerken, dass Menschen Gewohnheitstiere sind. Dies kann sich eine MPC ebenfalls zunutze machen. Ein Bewohner, der die letzten vier Wochen von Montag bis Donnerstag von 8:00 Uhr bis 16:00 Uhr nicht in seinem Arbeitszimmer war, wird auch die darauffolgende Woche vermutlich zu den gleichen Zeiten nicht dort sein. Das System darf also eine Absenkung der Temperatur zum Energiesparen vornehmen.
Man macht sich hier ein Konzept aus der technischen Informatik zu eigen, der cache miss penalty. Meist wird das System wie auch der Wetterbericht richtig liegen. Es geht lediglich darum zu klären, welche "Strafe" gezahlt werden muss, sollte das System falsch liegen, z.B. durch schnelleres Hochheizen oder Überheizen.
Ein Fazit – am Ende hängt alles zusammen
Gerade die Wärmebedarfsführung benötigt scheinbar alles. Zwar ist es immer möglich die einfachen Thermostate gegen einen Heizungsaktor zu ersetzen, aber damit besteht noch kein Zugriff auf die Heizkurve oder die Arbeitspunkte der Anlage und somit die P-Regelung. Und selbst wenn dies mittels Feldbus Gateway in der Anlage nachgerüstet werden kann, so bleiben eine unspezifische Hydraulik und fehlende Informationen zu den Lastgängen. Dazu summieren sich die kleinen Probleme auf. Und letztlich führt dann eine falsch ausgeführte, da falsch geplante und beauftrage Isolierung dazu, dass eine Klimaanlage nicht die notwendige Kühlkurve ohne Tauwasser erreichen kann.
Als TGA-Fachplaner und Projektleiter ist man oft bis in den Betrieb eines Gebäudes am Projekt beteiligt. Mit der rigiden Struktur der HOIA verlässt man leider zu oft Projekte mit dem Gefühl, kein modernes, effizientes Gebäude gebaut zu haben, sondern eine teure Bastelei, die viele Ideen aus der Planungsphase schlicht nie umsetzen wird. Ein Zustand, der sowohl aus ökonomischer Sicht als Unternehmer oder Bauherr und aus ökologischer Sicht mit dem Ziel des klimaneutralen Gebäudebestands bis 2050 eigentlich bereits seit Jahren undenkbar erscheinen sollte.
Der Artikel ist auch in Ausgabe 1.2023 der Fachzeitschrift TI – Technische Isolierung (Februar 2023) erschienen.
