BIM in der Landschaftsarchitektur – Mehrwert versus Mehraufwand

Der Masterplan Bundesbauten adressiert Liegenschaften und Bauten für den Hochbau [3]. Im Masterplan Bundesfernstraßen [2] werden explizit die Fachmodelle "Umwelt" und "Landschaftsbau" als Bestandteile des BIM-Prozesses definiert. Beide Masterpläne sind nicht nur relevant für den Bund, sondern geben darüber hinaus Orientierung für Bauvorhaben der Länder und Kommunen sowie nichtöffentlicher Bauherren.

BIM – Anforderungen

BIM (Building Information Modeling) basiert auf der IFC-Datenstruktur und erfordert eine 3D-Modellierung der Fachmodelle. Die Anreicherung mit Sachdaten, die Anwendungsfälle über den gesamten Lebenszyklus widerspiegeln, ermöglicht vielfältige Auswertungen. Ziel ist die Zusammenführung der Fachmodelle in einem sogenannten Koordinationsmodell. Dies erfordert die Einhaltung von Standards zur Strukturierung der Einzelmodelle sowie klarer Regeln für die Georeferenzierung (Abb. 1). Wie Potentiale genutzt werden können, damit Mehrwerte gegenüber Mehraufwänden überwiegen, soll anhand der folgenden Projekte aufgezeigt werden.

BIM-basierter Bauantrag Freiraum

Die Bauverwaltungen versprechen sich Effizienzgewinne durch eine weitere Digitalisierung der Bauantragsverfahren auf Basis von BIM-Modellen, die teilautomatisiert prüfbar sind [9]. Wie dies für Freianlagen umgesetzt werden kann, wurde mit der Stadt Hamburg und weiteren Partnern untersucht (Abb. 2).

Während für die baurechtliche Genehmigung für Gebäude klare Regeln existieren, werden Aspekte der wohnungsnahen Erholungsflächen, der Klimaanpassung, des Überflutungsschutzes, des Bodenschutzes und des Baum- und Artenschutzes oft nur am Rande behandelt und/oder unterliegen unterschiedlichen Zuständigkeiten. Als Lösung empfiehlt der Bund Deutscher Landschaftsarchitek:innen (bdla) die flächendeckende Anwendung des qualifizierten Freiflächengestaltungsplans (FGP) als Bestandteil des Bauantrags [1]. Dieses Vorgehen würde auch die im Sinne der BIM-basierten Bauanträge geforderte Standardisierung und damit die angestrebte Beschleunigung der Bauantragsverfahren unterstützen.

Auf Basis der Anforderungen der Musterbauordnung, der Bauvorlagenverordnung der Stadt Hamburg, den konkreten Anforderungen vorliegender Bebauungspläne sowie des FGP wurden Freiraumobjekte und zugehörige Merkmale abgeleitet. Gemäß Masterplan für Bundesbauten soll das Modell am Ende der Entwurfsplanung (LPH 3-4 gem. HOAI) die Informationen (Merkmale) enthalten, die für den Entwurf sowie die Baugenehmigung erforderlich sind. Geometrische und semantische Anforderungen sowie die Klassifizierung der Modellobjekte im Sinne eines neutralen und offenen Datenstandards nach IFC wurden in einer Modellierungsrichtlinie festgehalten [5].

Die Erstellung eines BIM-Fachmodells der Freiräume auf Basis der erarbeiteten Modellierungsrichtlinie wurde in zwei Beispielprojekten erfolgreich umgesetzt. Die erstellte Modellierungsrichtlinie ist softwareübergreifend nutzbar. Die Workflows sind beispielhaft für Autodesk Revit dokumentiert. Die Verwendbarkeit für alternative CAD-BIM Autorenprogramme wurde in ergänzenden Modellierungen überprüft (AchiCAD/Graphisoft, Vectorworks Landschaft/Computerworks). Konstruktive Bestandteile der Planung sind in der Regel effizient realisierbar. Für Modellierungen auf der Basis von und mit Gelände sind häufig Weiterentwicklungen wünschenswert. Ansätze bieten unter anderem Tools wie Environment/Arch-Intelligence für Revit, das Gefällenetz von Dataflor BIMXpert oder das 3D-Drain-Tool von Landcad mit Bricscad BIM.

Am Beispiel "Elbtower" ging es, basierend auf einer vorliegenden 2D-Bauantragsplanung des Büros Vogt Landschaft/Berlin, allein um die Realisierung des Fachmodells Freiraum. Dagegen stand beim "Pilotprojekt HH Hafen" die Einbindung diverser Bestandsdaten sowie die Zusammenführung mit dem Fachmodell des Hochbaus im Zentrum. Zur Verortung/Georeferenzierung werden festgelegt:

• das Koordinatensystem mit Referenzsystem Lage (z. B. ETRS89/UTM (L310)) und Referenzsystem Höhe (z. B. DHHN2016 (HS170)) und EPSG-Code;
• ein Nullpunktkörper als Projektbasispunkt mit in der Planungsumgebung auffindbarer Position (hier Eckpunkt vorhandenes Gebäude);
• für die Georeferenzierung ein Vermessungspunkt und weitere Referenzierungspunkte.

Deutlich wird die unbedingte Notwendigkeit, das verwendete Koordinatensystem mit vollständiger Beschreibung und gemeinsame Koordinationspunkte bereits vor Projektbeginn festzulegen und zu dokumentieren. Nur so wird ein problemloser und fehlerfreier Workflow gewährleistet. Entsprechende verbindliche Festsetzungen für alle Gewerke in Modellierungsanleitungen als Bestanteil der AIA (Auftraggeber-Informationsanforderungen) werden zukünftig insbesondere auch der Landschaftsarchitektur nützen.

Am Beispiel "BIM-Pilotprojekt HH Hafen" zeigt sich die Komplexität, sämtliche den Freiraum betreffenden Anforderungen aus dem Bebauungsplan (Anteil der Begrünung, Kinderspielflächen, Anzahl Gehölze, durchwurzelbares Substrat) auf dem räumlich eng begrenzten Grundstück in Konkurrenz zu Feuerwehrflächen und Tiefgarageneinfahrt zu verwirklichen. So wurde die Einfahrt in die Tiefgarage auf die Straßenseite verlegt und Feuerwehrflächen mehrfach angepasst. Das BIM-Koordinationsmodell erwies sich dabei als geeignetes Werkzeug für den Variantenvergleich (Abb. 3).

Die Nutzung eines BIM-Modells im Baugenehmigungsverfahren hat das Potenzial, zeitaufwendige Prüfverfahren von Bauvorschriften zu automatisieren und zu vereinfachen. Zum Einsatz kommt spezielle BIM-Managementsoftware (in diesem Fall Desite BIM md pro), an die das zu prüfende Modell in der Regel als IFC-Modell übergeben wird. Mit Hilfe von in der Software zu formulierenden Regeln lässt sich die Einhaltung numerischer Werte (Substratstärke, maximale Neigung barrierefreie Rampe u. v. m.) effizient überprüfen. Weitere Auswertungen sind für qualitative Merkmale (z. B. mittels Einfärbung), sowie auf Basis geometrischer Prüfungen (Hochwasserschutz) und Kollisionsprüfungen (keine Außenmöblierung in Feuerwehrräumen) möglich (Abb. 4).

Auch Planende könnten profitieren, indem sie die Qualität ihrer Bauantragspläne mit Hilfe von Regelprüfungen bereits vor Einreichung optimieren und so zu einem beschleunigten Verfahrensablauf beitragen. Die Bauantragsprüfung vollständig zu automatisieren ist allerdings nicht das Ziel. Stattdessen ist besonders bei Prüfpunkten mit Ermessens spielraum weiterhin das menschliche Urteilsvermögen gefordert.

Die für den BIM-basierten Bauantrag erarbeiteten BIM-Klassen und Merkmale wurden in eine cloudbasierte Datenbank (BIMQ/AEC Deutschland) eingepflegt. Auf dieser Basis stehen sie auch für Folgeprojekte zur Verfügung. Die Datenübernahme ist aber abhängig von den zur Verfügung gestellten Schnittstellen. Für die hier geprüften CAD-GIS-Softwares reichte dies von "beinah automatisiert möglich" bis zu "bisher nicht vorgesehen".

Landschafts-/Umweltplanung in BIM-Projekten des Infrastrukturbaus

Ausgelöst durch den Masterplan Bundesfernstraßen gibt es das Ziel, auch die Landschafts- und Umweltplanung in die BIM-Prozesse des Infrastrukturbaus zu integrieren. Vorteile ergeben sich, wenn Belange der Landschaftsplanung während der Bauprozesse jederzeit für alle Baubeteiligten transparent sind und so zukünftig besser berücksichtig werden, beispielsweise für eine abgestimmte Ablaufplanung. Das wäre auch eine Unterstützung für die Umweltbaubegleitung. Ziel ist die medienbruchfreie Übergabe naturschutzrelevanter Informationen aus der LBP bis zum Betreiben. Dabei sichert eine einheitliche Datenstruktur bereits in der Vorplanung die verlustfreie Übergabe natur- und umweltrelevanter Informationen sowie die Analyse und Vergleichbarkeit von Prozessen in unterschiedlichen Verfahren.

In Projekten des Infrastrukturbaus entstehen komplexe BIM-Koordinationsmodelle. Dies erfordert eine einheitliche Benennung der Bauteile und Objekte (BIM-Klassen) sowie der Stukturierung der Daten in den einzelnen Fachmodellen. Aus dieser Erkenntnis heraus wurde gewerkübergreifend der Katalog 'BIM-Klassen der Verkehrswege' von den Fachgruppen Verkehrswege und Landschaftsarchitektur der buildingSMART Deutschland gemeinsam entwickelt [4]. Das Fachmodell Landschaft definiert Klassen und Merkmale zu LBP, LAP, Landschaftsbau und Betreiben und sichert über eine Struktur nach Schutzgütern die Erweiterbarkeit auf vorgelagerte Planungsphasen. BIM-Klassen und Merkmale wurden auf Basis einer vorliegenden LBP/LAP für des BIM-Pilotprojekt A10/A24 der DEGES abgeleitet [6] (Abb. 5). Parallel wurde ein Workflow zur Erstellung des 3D-Fachmodells mit entsprechenden Klassifizierungen und Merkmalen auf Basis von Civil 3D als CAD-BIM-Software und Desite BIM md pro entwickelt und prototypisch umgesetzt [6].

Die Anwendbarkeit der Klassen- und Datenstruktur im Rahmen der GIS-gestützten Erstellung des LBP wurde auf Basis der vorhanden Planung zum Projekt S-Bahn-Stammstrecke München nachgewiesen [7]. Zur vollen BIM-GIS-Integration sind jedoch weitere Entwicklungen erforderlich.

Dynamische Baummodelle

Ein Thema, das vielfach diskutiert wird, ist die Einbindung von Vegetation in BIM. Bei Bäumen wird der Vorteil gesehen, sowohl die Kollision der Krone mit der umgebenden Bebauung als auch der Wurzel mit Leitungen im Untergrund aufzudecken. BIM-Managementsysteme bieten die erforderlichen Werkzeuge. Aktuell verfügbare CAD-BIM-Softwares liefern nur eine geringe Auswahl an Vegetationsobjekten, in der Regel als reine Geometrien, statisch, ohne Sachdaten und gegebenenfalls primär auf die 3D-Visualisierung ausgerichtet. Ziel ist daher die Entwicklung einer Methode zur Generierung dynamischer, parametergesteuerter 3D-Baummodelle (Abb. 6). Zu berücksichtigen sind insbesondere Entwicklungen des Kronen- und Wurzelwachstums [8] sowie die Anbindung erforderlicher Informationen für unterschiedliche BIM-Anwendungsfälle. Die Ableitung der Baummodellstruktur beruht auf einer sorgfältigen Analyse und Auswertung einschlägiger Fachliteratur, Richtlinien und Baumschulkataloge. Zur Geometriebeschreibung wurden drei Baummodell-Typen als Volumenmodelle unterschiedlicher Abstraktionsstufen entwickelt. Das einfache "Kugelmodell" ist gedacht für frühe Projektphasen ("Entwurfsmodell"). Für das "Ausführungsmodell" wurden fünf typische Kronenformen und drei Wurzelformen zu insgesamt 15 Baummodell-Prototypen kombiniert. Die Annahme eines linearen Wachstumsverlaufs ermöglicht eine näherungsweise Abschätzung der Baumgrößen in Abhängigkeit vom Alter. Ausschließlich für den Anwendungsfall Visualisierung sind hochwertig ausdifferenzierte Baumobjekte sinnvoll. Ein Problem liegt insbesondere in der Verfügbarkeit valider Daten für das Wurzelwachstum und dessen Einflussfaktoren. Hier wäre weitere Grundlagenforschung erforderlich. Zur Erweiterung des Baumsortiments wäre eine digitale Verknüpfung mit dem BaumschulKatalogStamm (BKS) des Bundes Deutscher Baumschulen (BdB) sowie den Baumschulkatalogen der Hersteller sinnvoll, um die automatisierten Übernahme der Merkmale zu ermöglichen.

Die vorgestellte Struktur für Geometrie und Sachdaten ist zunächst völlig softwareunabhängig und könnte potentiell mit unterschiedlicher Software realisiert werden. In diesem Projekt erfolgte die Umsetzung mit Autodesk Revit, der Programmierschnittstelle Dynamo für visuelle Programmierung und Excel als externe Datenbank.

Durch die entwickelten dynamischen Baummodelle werden Vorteile der BIM-Methode wie Kollisionsprüfungen und andere unterstützt. Dies kann dazu beitragen, die Projektkommunikation mit anderen Fachplanenden zu erleichtern. Potenziell können so Fehler in der Planung frühzeitig erkannt und in der Bauausführung vermieden werden. Das Vorliegen relevanter Informationen in der Planungsphase kann eine standortgerechte Planung und die Lebenszyklus-Betrachtung unterstützen.

Diskussion und Fazit

Entscheidende Faktoren zur Generierungung von Mehrwerten durch BIM in effizienten Workflows sind leistungsfähige Modellierungstools sowie standardisierte Sachdaten. Die Umstellung auf die objektbasierte 3D-Modellierung bedeutet, insbesondere in der Einführungsphase, einen erheblichen Mehraufwand. Qualitative und zeitliche Vorteile ergeben sich in den nachgelagerten Prozessen sowie durch eine verbesserte Koordination und werden erst in der Routine nachfolgender BIM-Projekte wirksam. In Büros, die mit BIM-Projekten befasst sind, werden bereits bürointerne Lösungen entwickelt. Es existieren jedoch noch wenig etablierte allgemein zugängliche Workflows. Großer Wert wurde daher in den durchgeführten Untersuchungen auf die Überprüfung von Verfahren in Autorensoftwares unterschiedlicher Hersteller sowie die Dokumentation der erarbeiteten Workflows gelegt [5], [6]. Diese können Planenden wichtige Hinweise für die praktische Umsetzung wie den Aufbau einer BIM-gerechten Projektstruktur geben.

Als limiterender Faktor wird häufig die Software genannt. Modellierungen mit diversen CAD-BIM-Autorensoftwares haben jedoch gezeigt, dass hier bereits Weiterentwicklung stattgefunden haben. Weitere angepasste Lösungen unterschiedlicher Softwarehersteller sind, bei steigender Nachfrage, zeitnah zu erwarten. Erforderlich sind passende Schnittstellen. Für IFC sind Verbesserungen auf Basis der im ISO-Abstimmungsprozess befindlichen Version 4.3 absehbar. Diese umfasst Erweiterungen für den Infrastrukturbereich, unter anderem Klassen für Bäume und Vegetationsflächen.

Bei der Attributierung von BIM-Modellen unterstützen standardisierte Sachdaten. Wichtig ist es, bereits vorliegende Datenkataloge einzubeziehen. Beispielhaft wurde der Objektkatalog Freianlagen der FLL (OK-Frei), der für viele Kommunen die Datenbasis für das Grünflächenmanagement ist, in eine BIM-kompatible Datenstruktur überführt [10]. Das als Bestandteil des Katalogs "BIM-Klassen der Verkehrswege" entwickelte Fachmodell Landschaft wird bereits in Standards der Autobahngesellschaft sowie der Deutschen Bahn integriert. Die notwendige Weiterentwicklung muss in enger Abstimmung mit Büros und Behörden anhand von Praxis-Pilotprojekten erfolgen. Für die Objektplanung entwickelt der BIM-Arbeitskreis der FLL einen Klassen- und Merkmalskatalog. Ziel ist ein abgestimmtes integriertes Fachmodell Landschaft_Freianlage, das einen Vorschlag für die Datenstruktur wichtiger Anwendungsfälle gibt, die dann projektspezifsch anzupassen sind. Datenkataloge sollten zukünftig benutzerfreundlich verfügbar sein. Prädestiniert sind cloudbasierte Plattformen wie die im Aufbau befindlichen Merkmalserver der BuildingSMART und BIM Deutschlands.

Wie am Beispiel der dynamischen Baummodelle demonstriert, bieten BIM-Modelle vielfältige Potentiale, komplexe Eigenschaften in Relationen und Rechenmodellen zu verknüpfen. Diese Ansätze können zur Bewertung der Nachhaltigkeit von Gebäuden mit Dach- und Fassadenbegrünung, zur Entwässerungsplanung, sowie der Bewertung von Baustoffen und Leistungen von Pflanzen als CO2 -Binder genutzt werden. Entsprechende Anwendungsfälle und Tools wären zukünftig zu entwickeln. Auf diese Weise könnte die Implementierung von BIM in der Landschaftsarchitektur verstärkt Aufwind bekommen. Fachmodelle der Landschaftsarchitektur sollten zukünftig in BIM-Prozesse des Hoch- und Infrastrukturbaus von Beginn an integriert werden. Gerade bei öffentlichen Bauten, bei denen BIM bereits gefordert wird, wäre dies die entscheidende Voraussetzung für integrale Nachhaltigkeit und klimaresiliente Planungen in Stadt und Landschaft.

Literatur

[1] BDLA (2022): Der qualifizierte Freiflächengestaltungsplan. Fachliche Handreichung für Planende und Bauende sowie Empfehlung für Städte und Gemeinden. https://www.bdla.de/de/dokumente/bun-desverband/freiraumplanung-und-staedtebau/1406-bdla-broschuere-fgp-stand-juli-2022/file

[2] BMDV (2022): Masterplan für die Digitalisierung im Bundesfernstraßenbau. https://bmdv.bund.de/SharedDocs/DE/Artikel/StB/masterplan-bim-bundesfernstrassen.html

[3] BMI (2022): Masterplan Building Information Modeling (BIM) für Bundesbauten. https://www.fib-bund.de/Inhalt/Themen/BIM_fuer_Bundesbauten/

[4] buildingSMART-Fachgruppen BIM-Verkehrswege und Landschaftsarchitektur (2022): BIM-Klassen der Verkehrswege. Berlin: bSD Verlag. bSD Schriftenreihe Heft 2, Mitwirkung Fachmodell Landschaft https://buildingsmart-verlag.de/produkt/bim-klassen-der-verkehrswege-2-0/

[5] Brückner, I., Remy, M. (2021): Entwicklung einer Modellierungsrichtlinie für Objekte des Freiraums für den BIM-basierten Bauantrag am Beispiel der Außenanlagenplanung des Bauvorhabens ,Elbtower‘ in Hamburg. Endbericht. https://opus.hs-osnabrueck.de/frontdoor/index/index/docId/2591

[6] Brückner, I., Remy, M., Schönfeld, M. (2022): Entwicklung einer Methode zur Integration der landschaftspflegerischen Planung bei mit der BIM-Methode umgesetzten Straßenbau-Projekten am Beispiel des BIM-Pilotprojektes A10/A24. https://opus.hs-osnabrueck.de/home

[7] Gnädinger, J. (2023) Standardization of Landscape and Environmental Planning for 3D/4D BIM and LIM Projects. JoDLA, Wichmann Verlag. https://gispoint.de/fileadmin/user_upload/paper_gis_open/DLA_2023/537740017.pdf

[8] Haverland, R. (2022): Vegetation im Kontext von Building Information Modeling – Entwicklung eines Datenmodells für ausgewählte Baumarten. https://opus.hs-osnabrueck.de/home, Video: https://www.youtube.com/watch?v=Azx3mPMu3Ng

[9] König, M. et al. (2023): Digitalisierung der Musterbauordnung (MBO): Aufbereitung für BIM-basierte Prüfwerkzeuge. Veröffentlichung in Vorbereitung https://www.inf.bi.ruhr-uni-bochum.de/iib/forschung/projekte/mbo2bim.html.de

[10] Zastrow, A. (2022): Verwendung des Objektkatalog Freianlagen (OK-Frei) im Anwendungsfall Betreiben in BIM (Forschungskolloquium MLB). unveröffentlicht.