BIM-Anwendungsfall „Digitale Bau- und Inbetriebnahmeakte“

BIM-Modell der Eisenbahnüberführung Neckarbrücke in Bad Cannstatt mit der Schnittstelle zum Straßenbauprojekt Rosensteintunnel

Mit Stuttgart 21 und der Neubaustrecke (NBS) nach Ulm realisiert die Deutsche Bahn AG in Baden-Württemberg eines der größten Infrastrukturprojekte Europas. Für die Planung und technische Umsetzung dieses hochkomplexen Projekts wurde am 1. September 2013 eine eigenständige Projektgesellschaft mit Hauptsitz in Stuttgart gegründet, die DB Projekt Stuttgart-Ulm GmbH (DB PSU).

Rückblick BIM bei der PSU

Die DB PSU hat bereits drei Teilprojekte mit Hilfe der BIM-Methodik erfolgreich ausgeführt. Beginnend von Stuttgart ist die Neckarbrücke im Planfeststellungsabschnitt (PFA) 1.5 das erste BIM-Projekt. Auf der Fahrt Richtung Ulm passiert die neue Strecke zunächst den Albvorlandtunnel im PFA 2.1 und überquert anschließend das Filstal über den dritten Piloten, die Filstalbrücke, im PFA 2.2.

Die Neckarbrücke ist Bestandteil der Neuordnung des Bahnknotens Stuttgart und befindet sich im PFA 1.5. Die 345 m lange und 15 m hohe Stahlsegelbrücke überquert den Neckar und die Bundesstraße (B 10) in Bad Cannstatt nördlich der bestehenden Bahnbrücke. Ein 3D-Modell bildet die Grundlage zur Anwendung der BIM-Methode und durch die Verknüpfung mit einem entsprechenden Terminplan entsteht das 4D-Modell. In diesem ist die gesamte Baumaßnahme konstruiert und visuell dargestellt. Mithilfe der 3D-Kollisionsprüfung konnten Planungs- und Bauausführungskonflikte sowie Fehlplanungen frühzeitig erkannt und vermieden werden.

BIM-Modell des Albvorlandtunnels in Wendlingen inklusive Überlagerung der 2D Pläne mit dem Modell

Direkt im Anschluss an S21 beginnt der im Dezember 2022 in Betrieb genommene westlichste Projektabschnitt der NBS, der Planfeststellungsabschnitt (PFA) 2.1 „Albvorland“. Eines der markantesten Bauwerke des Abschnittes ist der zweiröhrige Albvorlandtunnel mit einer Länge von ca. 8,2 km und einem Durchmesser von rund 11 Metern. Eine 3D-Modellierung des Bereichs mit allen notwendigen Geometrien und Objekten, inklusive deren zugeordneten Attributen, wurde im Rahmen der Bau- und Planungsbesprechung als Kommunikationsgrundlage zur Verbesserung des Verständnisses aller Beteiligten genutzt. Dabei hat das Modell zum Aufzeigen der möglichen Planvarianten und Kollisionen gedient. Die Terminpläne dienten als Grundlage für ein 4D-Modell. Daraus sind Simulationen, Visualisierungen, Analysen sowie Optimierungen der terminlichen Machbarkeit des Projektes erstellt und durchgeführt worden. Darüber hinaus fand eine modellbasierte Mengenermittlung zur Plausibilitätsprüfung von Terminplanressourcen bzw. LV-Positionen statt.

BIM-Modell der Filstalbrücke, inklusive der Darstellung der Baubehelfe.

Die Filstalbrücke ist wie der Albvorlandtunnel Bestandteil der NBS Wendlingen-Ulm. Als Verbindung zwischen zwei Tunneln, Boßler- und Steinbühltunnel, erstreckt sich die Brücke mit einer Länge von 485 m über das Filstal. Die Brücke war eines der BIM-Pilotprojekte in Deutschland, die vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV ehem. BMVI) begleitet wurden. Im 4D-Bauablauf können einzelne Bauwerke, Hilfsgerüste, Baugruben und Baustraßen mit dem zugehörigen Bauzeitenplan gefiltert werden. Eine modellbasierte Abrechnung wurde parallel zum klassischen Verfahren erprobt, um die abzurechnenden Leistungen zu plausibilisieren.

Als Fazit ist festzuhalten, dass die Anwendungsfälle die kooperative Zusammenarbeit aller Beteiligten fördert und die konstruktive und terminliche Kostenzusammenhänge transparent darstellen. Die Visualisierung der Zusammenhänge im Modell trägt zu einem gemeinsamen Verständnis bei, so dass auf dieser Grundlage Steuerungsmaßnahmen entwickelt werden können. (BG Bau, 2018)

BIM-Modell der unterirdischen Personenverkehrsanlage am Flughafen Stuttgart mit Umgebungsmodell.

BIM-Strategie der Deutschen Bahn AG und der BIM-Anwendungsfall „Digitale Bau- und Inbetriebnahmeakte“

Bei der Inbetriebnahme des Teilprojekts NBS Stuttgart-Ulm am 11. Dezember 2022 wurde deutlich, dass die Einführung von Innovationen in Form einer digitalen Dokumentation während der Planungs- und Ausführungsphase die Qualität und Vollständigkeit der Dokumentation für die spätere Inbetriebnahmephase eines Projekts verbessern würde. Die BIM-Methodik erkennt und unterstützt diese Vorteile mit dem Anwendungsfall "Digitale Bau- und Inbetriebnahmeakte". Allein für den Albvorlandtunnel waren im Rohbau 25.000 Einzeldokumente aus zwölf verschiedenen Prozessen und von mehr als sechs Projektpartnern, vom Planer über den Genehmiger bis hin zum Bauüberwacher und Projektkontrolleur, erforderlich, um ein Inbetriebnahmedossier des Tunnels gemäß den Genehmigungsverfahren der Eisenbahn Inbetriebnahme Genehmigung Verordnung (EIGV) erfolgreich abzuschließen.  Ein "Umdenken" und eine Überarbeitung der Bahn- und Projektprozesse für die Inbetriebnahme im Hinblick auf die BIM-Methodik und deren Aufnahme in die "Auftraggeber-Informations-Anforderungen" zusammen mit dem semantischen Objektmodell¹ als Ausschreibungs-unterlagen sollte daher für zukünftige Projekte, bei denen die Dokumentation für die Inbetriebnahme komplex, umfangreich und mit vielen Schnittstellen verbunden ist, in Betracht gezogen werden.

Dieses Ziel hat sich auch das Vorstandsressort Infrastruktur der Deutsche Bahn AG mit der ersten Fortschreibung der „BIM-Strategie“ gesetzt. Zunächst wird darin ein Resümee der bisherigen BIM-Fähigkeiten gezogen und ein Einblick auf die weiteren Schritte zur Implementierung der BIM-Methodik gegeben. Dabei wird der Schwerpunkt vor allem auf die Standardisierung und Einbindung der bisherigen Erfahrungen der BIM-Anwendungen in der Planungsphase gelegt. Für die Übergabe der Daten und Informationen aus dem Projektmanagement an das Anlagenmanagement werden Prozesse entwickelt und pilotiert. Im Zusammenhang damit wurde von der Abteilung „Grundsätze und Entwicklung BIM“ für die gesamtheitliche BIM-Anwendung während der Bauausführung das Programm BIM2Build gegründet. Zu den Tätigkeiten gehören die Weiterentwicklung der BIM-Standards unter Berücksichtigung der aufkommenden Erkenntnisse und die Unterstützung der Pilotprojekte. (BIM-Strategie – Implementierung von Building Information Modeling (BIM) im Vorstandsressort Infrastruktur der Deutschen Bahn AG, 02/2022)

Einer der entwickelten BIM-Anwendungsfälle für die Schnittstelle zwischen Bauen, Inbetriebnahmegenehmigung und Betrieb ist bei der DB Netz die „Digitale Bau- und Inbetriebnahmeakte“. Die digitale Akte baut sich aus allen relevanten Daten und Dokumente auf, die in den bisherigen Leistungsphasen der Planung und Ausführung sowie Genehmigung entstanden sind und wird mit zusätzlichen Informationen, die für den Betrieb, Wartung und Instandhaltung notwendig sind, erweitert. Die Unterlagen werden mit den zugehörigen Modellelementen in dem „As-built Modell“ verknüpft. Dabei sind vom Auftraggeber geeignete Strukturen des Ablagesystems vorzugeben unter Berücksichtigung der anzuwendenden Richtlinien.

Bei der DB Station&Service AG wurden die Vorgaben in zwei Anwendungsfälle unterschieden – „Digitale Übergabe von Bauteilinformationen in den Betrieb“ sowie „Digitale Übergabe der Projektdokumentationen in den Betrieb“. Die Anwendungsfälle differenzieren zwischen Informationen, die als anlagenspezifische Eigenschaft im Modell ergänzt werden und den notwendigen Dokumenten gemäß der Ablagestruktur für Eisenbahn-Infrastrukturunternehmen (EIU). Dabei ist zu berücksichtigen, dass nicht alle betriebsrelevanten Informationen und Unterlagen auch für die Dokumentation der Inbetriebnahme notwendig sind.

Anwendung der BIM-Methodik im PFA 1.3a - Flughafenanbindung 

Im Zuge des Großprojekts Stuttgart 21 wird im Abschnitt der Flughafenanbindung ein neuer unterirdischer Fern- und Regionalbahnhof geplant. Der Planungsumfang beinhaltet ein zentrales Empfangsgebäude mit einem nach unten führenden zylindrischen Zugangsschacht zu der Bahnsteigebene und dem Zugang Ost zur Anbindung der umliegenden Bürogebäude, Parkhäuser und den neuen Stuttgart Airport Busterminals. Die Bahnsteigebene befindet sich in zwei separaten Tunnelröhren, die mit Querschlägen als Verbindungstunnel miteinander verbunden sind. Um im Brandfall die Entrauchung der Bahnsteigröhren zu gewährleisten, wird ein zusätzliches Entrauchungsbauwerk geplant.

Prozess Prüfung Baustoffzulassungen der verwendeten Bauprodukte

Für den Ausbau der unterirdischen Personenverkehrsanlage wurden die Leistungsphasen der Entwurfs- und Genehmigungsplanung als traditionelle 2D-Planung umgesetzt. Bei dem Projekt handelt es sich um einen komplexen und umfangreichen Abschnitt mit vielen Schnittstellen zu Projektbeteiligten. Daher entschied man sich zum Start der Ausführungsplanung die Vorteile der Anwendung der BIM-Methodik zu nutzen und die bisherige Planung in ein BIM-Modell zu überführen.

Abbildung: Struktur der Modell-Informationen

Durch die Anwendung der BIM-Methodik wird die Qualität der Planung erhöht, mithilfe einer präzisen Kollisionsprüfung werden Behinderungen in der Bauphase frühzeitig erkannt und vermieden. Ebenso verbessert sich die partnerschaftliche Projektabwicklung, da die Projektbeteiligten enger miteinander vernetzt werden und die Planung transparent veranschaulicht wird. Im Projekt sollen nun im nächsten Schritt die BIM-Anwendungsfälle für die Bauausführung und die Übergabe in den Betrieb projektspezifisch umgesetzt werden. Dabei erleichtert das modellbasierte Arbeiten die einzelnen Prozesse bis zur Inbetriebnahme. Die jeweiligen Prozessschritte sind auf der Projektplattform (auch Common Data Environment – CDE) mit Workflows veranschaulicht, sodass alle Projekt- bzw. Prozessbeteiligte eine transparente Übersicht erhalten. Dokumente und Informationen, die im Laufe solcher Prozesse entstehen, erhalten eine Verknüpfung zur dazugehörigen Anlage im Modell. Für die Erstellung der Inbetriebnahmeakte erleichtern die Verknüpfungen das Auffinden der Dokumente. Als kurzes Beispiel wird die Umsetzung des Prozesses der Baustoffzulassung im Folgenden beschrieben:

Bei Infrastrukturprojekten dürfen lediglich Bauprodukte verwendet werden, die zuvor vom Eisenbahn-Bundesamt zugelassen worden sind. Falls davon abgewichen wird, müssen verschiedene Nachweise erbracht und vom Bauvorlageberechtigten (BVB) bestätigt werden. Dies können beispielsweise Übereinstimmungszeichen, CE-Zeichen, Zulassungen des Deutschen Institut für Bautechnik (DIBT) oder durch das Eisenbahninfrastrukturunternehmen zur Anwendung freigegebene Produkte sein. [VV BAU §38 – Ausgabe 2019/I] Der Prozess zur Prüfung der Baustoffzulassung wird in seinen Einzelschritten und den Verantwortlichkeiten abgebildet. Zunächst werden die zur Verwendung kommenden Bauprodukte auf Übereinstimmung mit dem Leistungsverzeichnis abgeglichen und die Unterlagen auf Gültigkeit geprüft. Zusätzlich können sich aus der Prüfung weitere Hinweise oder Auflagen für die bauausführende Firma bzw. die Planer ergeben. Das Dokument mit den Ergebnissen der Prüfung wird dann an das jeweilige Bauteil im Modell verknüpft und die Auflagen im Aufgabenmanagementsystem weiterverfolgt. Am Ende ergibt sich eine transparente Übersicht der freigegebenen Materialien und die Nachverfolgung des Prozesses verbessert sich.

Neben Verknüpfungen sind vor allem die Informationen im Modell von höher Bedeutung. Für Projekte der DB Station&Service AG gliedern sich die Informationen zunächst mit den übergreifenden Projekt-Stammdaten auf, anschließend folgen die Stammdaten je Anlage weiter bis hin zu den einzelnen bauteilspezifischen Informationen. Relevante Attribute können projektspezifisch gewählt werden und je nach Leistungsphase an die jeweiligen Interessen angepasst werden. Die Eigenschaften unterscheiden sich zwischen betriebsrelevante und planungs- bzw. projektrelevante Attribute. Eine grobe Struktur ist der folgenden Abbildung zu entnehmen:

Die Problematik ist, dass dadurch eine Vielzahl an Eigenschaften angelegt und im Verlauf des Projekts ergänzt werden. Objekte aus Bauteilbibliotheken besitzen meist schon voreingestellte Attribute, die im Verlauf der Planung erweitert werden, jedoch für die bauausführende Firma oder den Betrieb nicht von Relevanz sind. Ebenso ergeht es den weiteren Projektbeteiligten und die Menge an Eigenschaften führt zu einer unübersichtlichen Darstellung. Eine Hilfestellung bietet daher das semantische Objektmodell¹, welches ein Bestandteil der Modellierungsvorgaben ist. Mit der allgemeinen Vorlage wird der Anpassungsaufwand in den einzelnen Projekten stark reduziert und es stehen projektübergreifend konsistente Daten und einheitliche Verknüpfungen zur Verfügung. Mit den einheitlichen Informationen lassen sich übergreifende Auswertungen ermöglichen und einheitliche Standards der Bestandsdaten schaffen.

Notwendige Schritte aus Sicht des Auftraggebers für die Umsetzung

Bevor der Auftraggeber bzw. Bauherr das Erstellen einer digitalen Inbetriebnahmeakte vom Auftragnehmer fordert, ist es notwendig, dass alle Inbetriebnahmeprozesse mit den dazugehörigen Unterlagen und Verantwortlichen bekannt sind. Für die Erstellung der jeweiligen Inbetriebnahme-dokumente lassen sich viele Einzelschritte digitalisieren, allerdings ist immer projektspezifisch zu entscheiden, inwieweit die digitale Umsetzung wirtschaftlich ist. Der zu leistende Aufwand sollte dem gewünschten Ergebnis entsprechen. Als Beispiel ist hier die Auflistung der anzuwendenden Regelwerke zu nennen. Ein Abschnitt in der Inbetriebnahmedossier umfasst eine Auflistung aller Normen, Richtlinien und weiteren Vorgaben. Diese werden aus den Angaben in den Prüfberichten der Planprüfer übertragen. Für diesen Prozess lässt sich eine digitale Datenbank erstellen, aus dieser dann die entsprechenden Regelwerke ausgewählt werden. Allerdings stellt die Auflistung der Regelwerke lediglich einen geringen Teil des Inbetriebnahmedossier dar und hätte somit nur einen geringen Mehrwert.

Die beschriebenen Anwendungsfälle richten sich auf die grundlegenden Voraussetzungen für die weitere Verwendung der Informationen. Für jedes Projekt ist dann zu entscheiden, wie die Daten digital für die Inbetriebnahmeakte bereitgestellt und ggf. mit dem Modell verknüpft werden. Für das Projekt der Station am Stuttgarter Flughafen sind dafür Checklisten, Aufgaben und Vorlagen geplant. Diese sollen die Prozesse für z.B. bautechnische Prüfberichte, Freigabeschreiben, Zustandsfeststellungen und Abnahmen unterstützen. Ebenso werden Mängel und Auflagen besser verfolgt und die Zuständigkeiten verdeutlicht.

Oft wird bei BIM von einer kollaborativen Zusammenarbeit der Projektbeteiligten gesprochen, diese hört dann allerdings meist bei der Frage nach der vertraglichen Regelung auf, denn BIM wird noch oft als Mehraufwand gesehen und der Nutzen nur schwer erkannt. Aus Bauherrensicht ist es wichtig sich bei der Beauftragung auf die wesentlichen digitalen Prozesse zu konzentrieren, auch wenn in den kommenden Jahren eine höhere Akzeptanz der digitalen Informationsübergabe zu erwarten ist.

¹ Semantisches Objektmodell: eine Sammlung fachlicher Objekte zur Planung und Realisierung von Infrastrukturmaßnahmen sowie zu den Objekten zugehörige Attribute. Neben den Objekt- und Attributnamen gibt das Modell auch die Formate und Wertebereiche sowie Definitionen der Attribute vor.

Zur Person:

Mark Beament MBA. M. Sc., Senior Projekt-Ingenieur DB-PSU

Mark Beament ist Bauingenieur und verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung im Projektmanagement von Bahn- und öffentlichen Versorgungsprojekten, die er im Vereinigten Königreich und seit kurzem auch in Deutschland gesammelt hat. Er erwarb 2013 seinen MBA an der Chester University Business School und hat ein starkes Interesse daran, Effizienz und Innovation im Management von Projekten in Bezug auf Informationen zu fördern. Bei der Deutschen Bahn PSU ist er als Senior Project Engineer u.a. für die Koordination der Inbetriebnahmedokumentation in der Abschnitt PFA 2.1 verantwortlich.

Diana Grenz M. Eng., technische Projektingenieurin DB PSU

Bereits während ihres Masterabschlusses als Bau- und Umweltingenieurin an der TH Deggendorf 2021, arbeitete sie als Werkstudentin bei der DB Projekt Stuttgart-Ulm GmbH und befasst sich mit der Umsetzung der BIM-Methodik im PFA 1.3a. Seit zwei Jahren übernimmt sie die Aufgaben als BIM-Managerin und ist BIM-Partnerin bei den Multiplikatoren der DB Netz AG. Dabei unterstützt und berät sie Infrastrukturprojekte der Deutschen Bahn.

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