Aus dem Unterricht zum Thema digitale Fabrikation mit BIM (Building Information Modell) im Rahmen des CAS Digital Real Estate mit Patrick Suter, ERNE AG Holzbau, berichtet Andreas Hitz:

Nachdem der Morgen bei FSP Architekten ganz im Zeichen von BIM bzw. digitaler Planung stand, war der Nachmittag für einen Realitätscheck reserviert. Angekommen bei ERNE in Stein wurden wir nicht enttäuscht. Von der virtuellen Welt kommen wir direkt in die Realität der Produktion.

Wer an digitale Fabrikation im Bauwesen denkt, muss sich unweigerlich mit Holzbau beschäftigen. Heute sprechen alle im Hochbau von BIM und digitaler Planung. Doch im Holzbau sind viele dieser Anwendungen schon seit Jahren etabliert und erfolgreich im Einsatz. Die digitale Planung wurde hier aufgrund der Komplexität der Elemente schon vor Jahrzehnten eingeführt, denn nur so kann eine nahtlose Übergabe der Daten auf die Produktionsstraßen sichergestellt werden. Und nur so lassen sich Effizienzgewinne realisieren, die nötig sind, da die Ressource Holz hochwertig und deshalb auch kostspielig ist (Holz kostet rund CHF 600.- / m3, Beton dagengen „nur“ CHF 100.- / m3).

Modulares Bauen

Grundlage für die digitale Fabrikation im Holzbau bildet der Gedanke, modular zu bauen. Dieser Gedanke ist nicht neu. Schon die Römer haben mit dem Backstein ein bis Heute stark verbreitetes Modul für den Hochbau entwickelt. Das modulare Bauen lässt sich grob in drei Teilbereiche gliedern:

Abb. 1 Einordnung System- / Modulbauweise, Quelle: Präsentation ERNE AG Holzbau, Patrick Suter

Abb. 1 Einordnung System- / Modulbauweise, Quelle: Präsentation ERNE AG Holzbau, Patrick Suter

  1. Bausteine (z.B. Backstein, Steko Holz-Bausystem)
  2. Flächige Elemente (z.B. ganze Fassadenelemente, vorfabrizierte Decken)
  3. Raumsysteme / Raumzellen (z.B. ganze Operationssäle, Provisorien)

Ein System- bzw. Modulbau mit Bausteinen funktioniert im Grunde wie Bauen mit LEGO. Standardisierte Elemente werden in verschiedensten Kombinationen zusammengefügt, sodass man damit der Individualität einer Immobilie vollständig gerecht werden kann. Meist erfolgt die Montage und das zusammenführen auf der Baustelle.

Flächige Elemente werden vorwiegend im Bereich Decken und Fassaden eingesetzt. Hier werden ganze Bauteilelemente vorgefertigt, und auf der Baustelle erfolgt die Endmontage. Die Bauzeit vor Ort wird damit deutlich reduziert.

Von Raumsystemen bzw. Raumzellen wird in der Regel gesprochen, wenn ganze Gebäudeteile, teilweise bis auf die Oberflächen ausgebaut, in der Produktionshalle vorgefertigt werden. Diese Raummodule werden dann fertig auf die Baustelle angeliefert und die Montagezeit reduziert sich in Abhängigkeit des Projektes auf wenige Tage. Hier steigt jedoch oftmals die Komplexität der Transportlogistik.

Digitales Planen – digitales Bauen

Digitales Bauen setzt digitale Planung voraus. Und da sind wir wieder beim Schlagwort des Morgens: BIM. Patrick Suter erklärt, dass die ERNE AG mit über 25 Jahren 3D Planungs- und Produktionserfahrung wohl ein Stück weit „little BIM“ umsetzt. Was nun doch etwas erstaunt. Aber was versteht er darunter? Stuhlmacher hat 2014 vier BIM-Level geprägt:

  • Level 0: Pre-BIM, unkoordiniertes CAD, wahrscheinlich 2D
  • Level 1: Objektbasierte Modellierung, koordiniertes CAD, im 2D- oder 3D-Format
  • Level 2: Modellbasierte Modellierung, koordinierte 3D-Umgebung, aufgeteilt in separate mit Daten angereicherte BIM-Fachmodelle
  • Level 3: Netzwerk basierte Modellierung, Prozess und Datenintegration vollständig offen
Abb. 2 Die BIM Level, Quelle: Stuhlmacher 2014, Präsentation ERNE AG Holzbau, Patrick Suter

Abb. 2 Die BIM Level, Quelle: Stuhlmacher 2014, Präsentation ERNE AG Holzbau, Patrick Suter

Unter „little BIM“ wird in der Regel Level 1 bis 2 verstanden. Es existiert ein Werkzeug für die gemeinsame Arbeit in einem Datenmodell. Zudem werden auch standardisierte Datenformate und Strukturen verwendet. Es hat aber noch keine Integration aller Daten mit Schnittstellen stattgefunden. Von „Big BIM“ würde gesprochen, wenn sämtliche Prozess- und Datenintegrationen offen und über zugängliche Datenserver abgewickelt würden.

„Little BIM“ in der Realität

Nach dieser kleinen Einführung holt uns Patrick Suter zurück in die Realität. „BIM wird nicht für ein schönes Modell betrieben, das Ziel ist LEAN„. Und damit leitet er über zur Praxis. Er erklärt die Vorteile und die Notwendigkeit einer solchen Planung aus der Perspektive eines Totalunternehmers.

Sind die Modelle erst einmal intelligent genug aufgebaut, lässt sich damit die ganze Planung überprüfen und optimieren. Hier hilft z.B. SOLIBRI – ein Tool zur Prüfung von Modellen auf „Kollisionen“. Zudem können die verschiedenen Gewerke (Heizung, Lüftung, Elektro, Sanitär) abgeglichen und koordiniert werden.

Vom BIM-Modell in die Produktion und auf die Baustelle

Aus einem solchen BIM-Modell werden danach die „Hüllkörper“ für den Holzbau generiert. Unter den „Hüllkörpern“ ist z.B. das modellierte Wandelement mit Fensterausschnitten zu verstehen. Diese Daten fließen jetzt direkt in den Produktionsablauf ein. Und hier zeigt sich exemplarisch, warum der Holzbau in diesem Bereich eine Vorreiterrolle einnimmt: Eine einzelne Wand kann aus hunderten Holzelementen bestehen. Diese werden softwaregestützt verarbeitet und daraus CNC-Daten für die Bestellungen generiert. Das Ergebnis: Abgebundene, einzeln etikettierte Elemente werden ohne einen manuellen Planaustausch direkt vom Lieferanten in die Fabrikhallen geliefert.

Und hier beginnt nun die Magie. Ob halbautonom in einer Kombination zwischen Mensch und Maschine oder auf der vollautonomen Fabrikationsstrasse, welche bei ERNE die grösste Europas ist: Die einzelnen Teile, jeder Nagel und jede Niete findet, auf Basis der BIM-Modelle, ihren Platz im fertigen Element. Die einzelnen Elemente werden dann auf die Baustelle geliefert, oder aber im Werk zu kompletten Raumzellen montiert.

Abb. 3 Produktionsstrasse von ERNE, Quelle: Foto des Autoren anlässlich der Besichtigung vom 13.11.2018

Zukunft – einfach heute

Zum Schluss bringt uns Patrick Suter noch einige „Leuchtturm“ Projekte näher. So berichtet er vom parametrischen Bauen am Beispiel des Arch_Tec_Lab. Hier wurden ohne jeglichen manuellen Planaustausch parameterbasiert 120 Träger à 14.75m sowie 48 Träger à 3m aus 45’000 Einzelstäben mit 820’000 Nägeln in 65’000 Knoten zusammengesetzt. Ein Mensch hätte sich dieser Aufgabe nicht mehr annehmen können.

Nicht minder eindrücklich die ersten Wohnhochhäuser in Holzelementbauweise, welche auf dem Areal der Suurstoffi in Rotkreuz entstanden oder gerade am Entstehen sind. Mitunter für solche Projekte hat ERNE ein eigenes Holzbeton-Verbundsystem im Deckenbereich entwickelt, das die ökologischen Vorteile des Baustoffes Holz mit den Vorteilen von Beton verbindet (dadurch ca. 50% weniger CO2 Verbrauch als herkömmlich).

Und als „Zückerchen“ noch ein letzter spannender Gedanke von Patrick Suter: „Warum drehen wir die Idee einer detaillierten BIM Planung nicht um?“ Statt jeden Lichtschalter im Raum zu platzieren und darauf Bestellungen, Kosten, etc. auszurichten, würde es doch im Grunde genügen, Räume zu platzieren die wissen, mit welchen Details sie ausgestattet sind. So lassen sich z.B. schon in einem sehr frühen Projektstadium relativ genaue Kosten und auch Energieberechnungen durchführen. Getreu dem Motto: „Soviel als nötig, so wenig als möglich“.

Fazit

Für mich persönlich war dieser Nachmittag „Big BIM“. Ich habe zum ersten mal in der Realität gesehen, was für Fortschritte mit digitaler Planung in Kombination mit digitaler Fabrikation möglich sind und in Zukunft möglich sein werden. Eindrücklich ist auch, wie sich mit einem integralen Ansatz die Qualität verbessern lässt und die Termine eingehalten werden. Schließlich stellt sich nur die Frage, warum der übrige Hochbau noch heute über Vor- und Nachteile von BIM-Planung nachdenken muss – liegen diese doch auf der Hand.