Laborgebäude intelligent planen Digitale Laborplanung: Zwillingsbau im virtuellen Raum

Beim Neu- und Umbau von Laborgebäuden helfen digitale Gebäudemodelle. Sie erleichtern nicht nur Planung und Bau, sondern auch den späteren Betrieb. TÜV Süd erläutert, wie sich Projekte mithilfe von Building Information Modelling (BIM) wirtschaftlicher und verlässlicher umsetzen lassen.

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Der Bau eines Gebäudes ist immer eine Herausforderung. Besonders anspruchsvoll wird es, wenn moderne Laboratorien entstehen sollen – kommen doch zu den verschiedenen Ansprüchen der Laborleiter und Mitarbeiter noch diverse Bauvorschriften hinzu, die alle miteinander vereinbart werden müssen. Um auch große und technisch anspruchsvolle Bauvorhaben effizient und strukturiert durchzuführen, eignet sich das Building Information Modelling, kurz BIM.

Die mit Informationen bestückten Modelle ermöglichen es, Anforderungen der Fachplaner und des Facilitymanagements (FM) bereits in der Planungsphase einzubeziehen und so bösen Überraschungen während des laufenden Projektes vorzubeugen. Als baubegleitende Qualitätskontrolle helfen sie, Konstruktionsfehler zu vermeiden, die sonst erst auf der Baustelle zu Tage treten und dann ad hoc behoben werden müssen. Nicht zuletzt bietet das Gebäudeinformationsmodell eine Datenplattform, auf die alle Beteiligten zugreifen können. Das erleichtert die Zusammenarbeit bspw. verschiedener Gewerke und beschleunigt die Prüfung der Bauplanung. Statt rund vier Wochen gelingt die Planungsprüfung eines Laborgebäudes heute dank BIM in nur zwei Tagen und mit weniger Personal. Bei großen Bauwerken fällt das besonders ins Gewicht, weil die langfristigen Auswirkungen von Material-, Auslegungs- und Flächenparametern bereits in der Planung absehbar sind.

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Herausforderung Reinraum...

Zu den anspruchsvollsten Aufgaben beim Laborbau zählt die Planung und Verwirklichung von Reinräumen. Egal ob im medizinischen oder technischen Bereich, ob in der Forschung oder der Produktion: Reinräume müssen den Anforderungen entsprechen, die in der Planung mit der Reinraumklasse festgelegt werden. Dazu müssen Sachverständige die Räume mitsamt der installierten Technik prüfen und zertifizieren. In der Praxis gelingt dies nicht immer im ersten Anlauf. Oft müssen die Reinräume und die technische Gebäudeausrüstung nachträglich und mit viel Aufwand angepasst werden, um die definierten Anforderungen zu erfüllen.

Dabei sind die Vorgaben für die Ausgestaltung und die Prüfung in internationalen Normen festgelegt – etwa der ISO 14644 „Reinräume und zugehörige Raumbereiche“ oder der weiterführenden VDI 2083 „Reinraumtechnik“. Der Betreiber erhält das Zertifikat über die Reinraumklasse jedoch erst, wenn er die entscheidenden Parameter am fertigen Reinraum nachweisen kann. Entscheidend sind hier u.a. die Dichtheit der Filter, die Partikeldichte in der Luft, Luftgeschwindigkeit, -temperatur, -feuchtigkeit und -druck aber auch die Beleuchtung und die Akustik.

...bewältigt mit Modellen

All die Vorgaben sind leichter zu erfüllen, wenn man die Anforderungen bereits bei der Planung berücksichtigt. Das schließt auch den Betrieb ein: Reinigung, Wartung und Instandhaltung der Räume lassen sich optimieren, wenn die dafür nötigen Arbeitsschritte von Anfang an mitgedacht werden. Die BIM-Experten von TÜV Süd Advimo entwickeln dazu eigene Modellchecker für die Reinraumanalyse und -vorzertifizierung. Anhand dieser Informationsmodelle können sie schon früh und zuverlässig am digitalen Prototypen prüfen, ob alle Kriterien für die Zertifizierung erfüllt sind. Fehlplanungen lassen sich damit rechtzeitig ausschließen.

Die Prüfung und Zertifizierung wird so optimal vorbereitet und läuft später schneller, einfacher und vor allem erfolgreich ab. Denn Fachplaner kennen nicht nur die formalen Anforderungen an die Raumtechnik, sondern auch die Prüfverfahren. Mithilfe der Modellierung können sie die Anlagen daher leicht so gestalten, dass beispielsweise technische Geräte für die Prüfung gut zugänglich sind. Das erleichtert meist auch die Reinigung, Wartung und Reparatur im späteren Betrieb.

Digitale Kopie des Labors

Auch weitere betriebs- und sicherheitsrelevante Faktoren können Laborbauer mithilfe von Modellcheckern optimieren. Mit Modellen für Wartungsräume und Bewegungsflächen gewährleisten die BIM-Experten, dass alle technisch relevanten Anlagen und Flächen für das Wartungspersonal frei zugänglich sind. So können sie beispielsweise die Sperrflächen vor wartungs- und sicherheitskritischen Anlangen genau im Modell definieren. Dies erleichtert den Austausch von defekten Bauteilen.

Die Auslegung der Flächen und Räume sowie die konkrete Anordnung von Anlagen lassen sich sogar soweit optimieren, dass störende Einflüsse durch Wartungsarbeiten auf den laufenden Betrieb weitestgehend ausgeschlossen sind. Zudem lassen sich Durchgänge ausreichend groß gestalten, damit Techniker später Geräte und die Laboreinrichtung problemlos installieren, warten oder austauschen können.

Die Bauverantwortlichen können die digitalen Prototypen des Labors in der Bauphase in Echtzeit validieren, stets anpassen und verbessern. Mittels Lasermessungen werden die „As-Planned“-Modelle dazu mit den tatsächlichen Gebäudestrukturen verglichen. Analog zum Gebäude entsteht so ein „As-Built“-Modell, das den realen Gebäudestatus detailliert abbildet – sozusagen ein digitaler Zwilling. Die Bauleitung hat damit stets den aktuellen Stand im Blick und kann Planabweichungen unmittelbar korrigieren. Die Bauherren wiederum erhalten Gewissheit darüber, dass der Bau wie geplant umgesetzt wurde.

Erfolgreiche Beispielprojekte

Bei einem eigenen Bauprojekt profitierte TÜV Süd von der internen BIM-Expertise: Mit den 600 Mitarbeitern der Niederlassung Singapur bezieht der Prüfdienstleister 2020 ein neues, integriertes Labor- und Bürogebäude. Rund 18.900 Quadratmeter Nutzfläche und ein Projektvolumen von umgerechnet etwa 65 Mio. Euro galt es zu stemmen. Mit Modellcheckern konnten die Planer u.a. den Brandschutz, Fluchtwege, die Verschattung, die WLAN-Signaloptimierung wie auch Sperrflächen anpassen und optimieren. Durch regelmäßige Prüfungen der Modelle wurden Planungsmängel rechtzeitig erkannt und behoben. So fallen beispielsweise unvollständige Bauteillisten sofort auf und die fehlenden Teile können rechtzeitig nachgeordert werden. Auch das hilft, einen reibungslosen Bauprozess sicherzustellen. Durch eine effiziente Planung der Lüftungs- und Klimatechnik, der Wasser und Abwasserversorgung und der elektrischen Installation konnte das interne BIM Consulting die Investitionsausgaben und Betriebskosten deutlich reduzieren.

TÜV Süd erweiterte außerdem die lokalen BIM-Standards, um die Facilitymanagement-Prozesse im späteren Betrieb zu optimieren. Zu diesem Zweck wurde auch ein Datenstandard für CAFM-Anwendungen (computergestütztes Facilitymanagement) integriert. Die jeweiligen Facility Manager können so auf einheitliche Informationen der Fachplaner zurückgreifen, anstatt die für sie wichtigen Daten erst selbst ermitteln und manuell übertragen zu müssen.

Erfahrung mit Laborgebäuden hatte TÜV Süd bereits davor gesammelt: Beim Neubau des New South Glasgow Hospitals mit 25.000 Quadratmetern Laborfläche. Ziel der Bauherren war es, den Energieverbrauch gegenüber den Bestandsgebäuden um 25 Prozent zu senken. Mithilfe der BIM-basierten Planung unterbot das Projekt diese Vorgabe noch um weitere 25 Prozent. Dies gelang, weil Material, Auslegung und Flächen im Vorfeld simuliert und in der virtuellen Planung optimiert wurden.

Mehrwert schaffen mit BIM

Die virtuelle Konstruktion von Gebäuden macht es möglich, Bau und Betrieb schon im Zuge der Planung risikofrei zu optimieren. Der effektive Einsatz von BIM erfordert jedoch qualifizierte BIM-Koordinatoren und -Manager sowie eine umfassende Datengrundlage. Für eine nachhaltige Wirkung dürfen Bauherren BIM nicht als zeitlich abgeschlossenes Projekt begreifen. Wird das digitale Gebäudemodell über die Inbetriebnahme hinaus aktuell gehalten, kann es den gesamten Lebenszyklus bis hin zum Rückbau begleiten und unterstützen.

So lassen sich Wartungs- und Instandhaltungskosten noch effizienter reduzieren, wenn das Facility Management von Beginn an in das BIM-Modell integriert wird. Umgekehrt müssen aber auch die Informationen aus Planung und Bau – z.B. zu Wartungsempfehlungen – an das Facility Management weitergegeben werden. TÜV Süd erstellt dafür spezielle BIM2CAFM-Lastenhefte. Diese Verzahnung von Bau und Betrieb macht die Gebäudeverwaltung wesentlich wirtschaftlicher.

Mit der Unterstützung von erfahrenen Expertenteams vermeiden Bauherren Planungsfehler, optimieren Bau- und Betriebsprozesse, setzen Anpassung schneller um und erleichtern Prüfungen. So spart der Einsatz von BIM Zeit und Kosten und sichert die Bauqualität.

* E. Aberger, E. Mandat, TÜV Süd Advimo GmbH, 81675 München

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