Karina Breitwieser (TU Wien), Mario Kubista (Wienerberger Österreich GmbH)

Produktinformationen für Ziegelmauerwerk und der digitale Bauprozess am Anwendungsfall Statik

Die Bedeutung von BIM und dem digitalen Bauprozess haben in den letzten Jahren zugenommen. Immer mehr weitet sich das Bild von BIM von einer digitalen Planungsmethode zu einem den ganzen Lebenszyklus des Objektes durchdringenden, digitalen Managementtool von Informationen.

1. BIM und Bauteilinformationen

Treiber dafür sind verschiedene Trends – auf der einen Seite gesellschaftspolitische Tendenzen wie die zunehmende Digitalisierung unser Kommunikation und Kaufverhaltens, der Wichtigkeit von Nachhaltigkeit, bis zur Bedeutung von digitalen Informationen und dem Einsatz von Künstlicher Intelligenz zur Nutzung dieser. Auf der anderen Seite erkennt auch die Baubranche immer mehr den Wert von digital verfügbaren Informationen und das Potential von digitaler Zusammenarbeit in einem gemeinsam genutzten Datenraum. Trotz aller zusätzlicher Arbeitsschritte ist eine Steigerung der Effizienz zu erwarten.

Wesentlich dabei ist eine zunehmende Digitalisierung der Arbeitsweise aller am Bauprojekt beteiligten Stakeholder. Daraus ergibt sich zum einen ein erhöhter Bedarf an digitaler Kollaboration, wie er in einer BIM-Umgebung (inkl. Modellierung und Common Data Environment – CDE) verwirklicht werden kann. Zum anderen aber ein erhöhter Bedarf an digitalen Informationen, welche als Basis für digital gesteuerte Workflows in Form von interoperablen Datenketten den gesamten Objektlebenszyklus verbinden.

Diese Digitalisierung betrifft auch die Märkte von Bauprodukten, immer mehr erfolgt die Präsentation des Produktangebotes oder die Abwicklung des Zukaufsprozesses in einem digitalen Umfeld.

Das hat einen unmittelbaren Einfluss auf Bauprodukte. Erforderlich sind nicht nur diverse Transaktionsdaten in digitaler Form, sondern immer mehr auch digitale Informationen, auf Basis deren eine Planung in einer BIM-Umgebung oder eine Bewertung von Nachhaltigkeit unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus erfolgen kann.

Damit kann das physische Bauprodukt nicht mehr losgelöst von den es kennzeichnenden Daten betrachtet werden. Das vom Bauprojekt gebrauchte Bauprodukt ist als eine Kombination aus realem Produkt und virtuellen Informationen zu sehen. Der Bedarf an digitalen Produktinformationen ist daher im Steigen. Denn betrachtet man die verschiedenen Ebenen eines digitalen Bauprojektes (siehe »1), stehen Bauteilinformationen im Kern der Bearbeitungsprozesse.

Informationen können als Attribute oder Merkmale in einer BIM-Software den Bauteilen zugeordnet werden oder mit Datenbankanawendungen verknüpft sein. Je nach Projektphase werden dafür generische Kennwerte oder produktspezifische Informationen gebraucht.

Die Komplexität wird dadurch erhöht, dass Planer in Systemen denken, die sie zur Lösung einer Bauaufgabe brauchen. Systemdaten sind auch deswegen so wichtig, weil manche Informationen nur dem Bauteil zuordenbar sind und nicht einfach nur die Summe der Einzelinformationen sind. Manche Eigenschaften wie Akustik oder Feuerwiderstand haben nur für Bauteile eine Aussagekraft.

Vor allem zu Beginn der Entwurfsphase denken Planer nicht unbedingt in Produkten, sondern es gibt eine Entwurfsaufgabe, die gelöst werden muss. Angenommen, die Entwurfsaufgabe besteht darin, einen Außenwandtyp zu definieren, der bestimmte Leistungswerte oder geometrische Beschränkungen erfüllt, dann sucht der Architekt nach passenden Wandsystemen. Für ein solches Wandsystem müssen verschiedene Produkte kombiniert werden. Es kann z.B. aus Ziegeln, Mörtel, Dämmung, Innenputz, einem Hohlraum und einer Schicht aus Verblendsteinen bestehen. Eine solche sehr spezifische Kombination von Produkten hat Eigenschaften, die sich von den Eigenschaften der einzelnen Schichten unterscheiden können und sich zum Teil nicht einfach durch Aufsummieren der Eigenschaften der einzelnen Produkte ergeben. Gerade bauphysikalische Leistungswerte hängen sehr stark von der Kombination der Elemente ab. Und der spezifische Wert kann sogar vom einzelnen Produkt abhängen, wenn es sich nicht um ein Standardprodukt handelt, das von allen Herstellern nach der gleichen Spezifikation hergestellt wird. Einige Eigenschaften können unter Berücksichtigung der tatsächlichen Situation berechnet werden, bestimmte akustische Eigenschaften müssen jedoch sogar an einem Prototyp getestet und zertifiziert werden.

2. Übersicht Produktinformationen

Es gibt eine breite Palette an dem Produkt zuordenbare Informationen. Das ‚Produkt‘ kann dabei ein kleinteiliges Element wie der Ziegel sein, das als Stückware auf die Baustelle geliefert und direkt eingebaut wird. Denkt man an Fertigteile, kann es aber auch zu Bauteilen in einem Vorfertigungsprozess in industrieller Fabriksumgebung oder direkt auf der Baustelle zusammengesetzt werden, bevor es an seinem Einbauort montiert wird.

Abbildung 2 gibt einen Überblick über die Dimensionen dieser Informationen und führt beispielhaft Inhalte an. Eine mögliche Strukturierung erfolgt nach Kategorien wie ‚technische Planung‘, ‚Business Transaktionen‘, ‚as-produced & as-built‘ und ‚Identifizierung & Klassifizierung‘. Daten zur tatsächlichen Produktion und Informationen, die auf den Einbauzustand auf der Baustelle verweisen, werden im Kontext der Nachhaltigkeit und der Nutzung eines digitalen Zwillings für den Betrieb des Objektes ein immer wichtigerer Bestandteil der Baudokumentation.

Die Vielzahl an unterschiedlichen Produkt- oder Bauteilinformationen für unterschiedliche Anwendungsfälle erschwert dabei eine Standardisierung und eine effiziente Datenhaltung in den PIM (Product Information Management) - Systemen der Hersteller.

Eine Möglichkeit zur Fokussierung auf erforderliche Daten ist es die unterschiedlichen Anwendungsfälle genauer zu betrachten.

 

3. Produktinformationen in den Phasen des Bauprozesses

Es gibt verschiedene Berührungspunkte mit dem Bauprozess, an dem Produktinformationen erforderlich sind.

Im Großen und Ganzen gibt es drei Schwerpunkte:

technische Informationen für den Planungsprozess

kommerzielle Informationen für den Angebots- und Beschaffungsprozess

Logistik und ‚As-produced‘ / ‚As-built’ Informationen für die Ausführung und die Schlussdokumentation

In der »3 Touchpoints PIM - BIM sind überblicksmäßig die einzelnen Punkte, für die Produktinformationen erforderlich sein können, diesen Phasen zugeordnet.

In der Planungsphase können je nach Detaillierungsgrad oder Aufgabe unterschiedliche Informationen erforderlich sein. Bis zur Kalkulation bzw. der Ausschreibung der ausführenden Firmen sind aber in den meisten Fällen generische Informationen in den BIM – Modellen enthalten. Trotzdem können gerade auch in frühen Phasen sehr spezifische Informationen wie Oberflächenqualität, Nachhaltigkeitsmerkmale oder technische Details als Basis der Entwurfsarbeit oder für die Entwicklung neuartiger, technischer Lösung hilfreich sein. Auch für Spezialaufgaben wie statische Berechnungen können sehr detaillierte, produktspezifische Parameter zur Eingabe in Berechnungssoftware notwendig werden.

In der Ausschreibungs- und Beschaffungsphase sind neben der präzisen technischen Spezifikation vor allem auch Informationen zu Preis und Verfügbarkeit gefordert. Aus Sicht der Projektarbeit ist auch eine einfache Vergleichbarkeit von Produkten unterschiedlicher Hersteller von Vorteil.

In der Ausführungsphase sind neben einem durchgehend digitalisierten Informationsaustausch zu Logistikzwecken vor allem auch die Eigenschaften des tatsächlich produzierten bzw. eingebauten Produktes wünschenswert. Sind in einem Asset-Informationsmodell sämtliche Bestandsinformationen zusammengeführt, verfügen Eigentümer und Facility Manager über alle Produktdetails, die für die Nutzung, den Betrieb, einen eventuellen Umbau und letztlich den Abbruch und ein nachhaltiges Recycling des Objektes hilfreich sind.

 

4. Anwendungsfälle

In einem weiteren Detaillierungsschritt können zugehörige Anwendungsfälle (Use Cases) ausdefiniert werden. Allein schon für die Planung können sich eine Vielzahl an Anwendungsfällen ergeben – angefangen von Visualisierung der Oberflächen bis zu Automatisierung der Ausschreibungen. Anwendungsfälle können auch schrittweise und den jeweilig auftretenden Erfordernissen angepasst, ausgearbeitet werden. Wichtig ist es einmal zu starten und für Anwendungsfälle in Zusammenarbeit zwischen Herstellern und Projektpartnern zugehörige, minimal erforderliche Merkmale (Property Sets) zu definieren. Dabei ist zu bedenken, dass auch der Hersteller selbst für die Steuerung der internen Produktions- und Verkaufsprozesse Produktinformationen brauchen wird, die aber im Bauprojekt nicht weiter erforderlich sind.

Diese spezifischen Property Sets können schrittweise erstellt und Standards für Definition, Grenzwerte, Einheiten, etc. abgestimmt und über Normung allgemein bekannt gemacht oder zum Beispiel im Data Dictionary von buildingSMART zur Verfügung gestellt werden.

5. Use Case Statik: Projekt „DDMas“

Das Forschungsprojekt

Im kooperativen Forschungsprojekt „DDMaS“ (Digitizing the Design of Masonry Structures) forschte ein gemischt zusammengesetztes Team aus Wissenschaft, Ziegelindustrie und Software-Entwicklung drei Jahre lang (2018 bis 2021) gemeinsam an der Entwicklung einer realitätsnahen digitalen Modellierung von Mauerwerksstrukturen. Ziel des Projektes war die Entwicklung einer softwaretechnischen Lösung für die Bemessung von Mauerwerksbauten unter Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Dimensionierung von Mauerwerksbauten soll damit ähnlich realistisch, wirtschaftlich und benutzerfreundlich erfolgen, wie in Softwarelösungen für den Stahlbeton- oder Holzbau. Die Herausforderung bestand in der Konzeption eines zuverlässigen Berechnungsmodells, mit dem das charakteristische Verhalten von Mauerwerks-Konstruktionen realitätsnah abgebildet werden kann.

Mauerwerk, bestehend aus Mauersteinen und Mörtelfugen, weist in verschiedene Richtungen unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Das im Rahmen des Projektes ausgewählte Materialmodell wurde von Paulo B. Lourenço 1996 in seiner Dissertation an der TU Delft publiziert. Es setzt sich aus zwei Teilfächen (Hill und Rankine) zusammen, die jeweils einen Teilbereich der Versagensmechanismen abdecken. Dieser Modellansatz stellt eine gute Abbildung des Mauerwerks dar. Vergleichsrechnungen mit dokumentierten Schubwandversuchen zeigten die Leistungsfähigkeit dieses in der Software implementierten Materialmodells.

Im Rahmen des Projektes wurde eine Schnittstelle geschaffen, welche es ermöglichte, für die in Österreich aktuell verbreiteten Ziegelprodukte die Fließflächenparameter derart anzupassen, dass es zu einer sehr guten Übereinstimmung mit den normativen Vorgaben kommt.

Die Software

Die Statik-Software RFEM ist eine 3D-FEM-Software zur statischen Berechnung und Bemessung von räumlichen Tragwerks-Strukturen sowie für dynamische Analysen. Es ist die Basis einer modular aufgebauten Programmfamilie des Software-Unternehmens Dlubal. Das Hauptprogramm RFEM dient zur Definition der Struktur, Materialien und Einwirkungen ebener und räumlicher Tragwerke. Dank des modularen Softwarekonzepts kann das Basisprogramm RFEM mit zusätzlichen Add-ons (Stahlbeton, Stahl, Holz usw. und seit Oktober 2021 neu: Mauerwerk) ausgestattet werden und so auf individuelle Anforderungen angepasst werden. Und ganz wichtig: RFEM verfügt über diverse Schnittstellen für den Datenaustausch im Rahmen eines BIM-Prozesses.

Das im Rahmen des Forschungsprojektes DDMaS entwickelte RFEM-Add-On Mauerwerksbemessung ermöglicht die Bemessung von Mauerwerk mittels Finite-Elemente-Methode. Das Materialmodell bildet hierbei das nichtlineare Verhalten der Mauerziegel-Mörtelkombination in Form einer Makromodellierung ab. Dadurch ist es möglich, komplexe Mauerwerksstrukturen abzubilden und die statische und dynamische Berechnung durchzuführen. Die Eingabe und Modellierung der Struktur erfolgt direkt in der Basis-Software RFEM.

Das Materialmodell Mauerwerk kann mit allen üblichen RFEM-Add-Ons kombiniert werden. Dadurch wird eine Bemessung von Gesamtgebäudemodellen in Verbindung mit Mauerwerk ermöglicht. Die Berechnung erfolgt unter Einhaltung des nichtlinear-plastischen Materialgesetztes. Ist die Belastung in einem Punkt höher als die mögliche aufzunehmende Last, so erfolgt eine Umlagerung innerhalb des Systems, um das Kräftegleichgewicht wiederherzustellen. Mit erfolgreichem Berechnungsende ist der Nachweis der Standsicherheit erbracht.

Nach der Bemessung werden die maximalen Spannungen der Mauerwerksflächen ausgegeben. Eine detaillierte Ergebnisdarstellung ist in jedem FE-Netzpunkt möglich. Zudem lassen sich Schnitte einfügen, um eine detaillierte Auswertung einzelner Bereiche vorzunehmen. Über die Darstellung der plastizierten Bereiche wird eine Rissabschätzung im Mauerwerk ermöglicht.

Die Mauerwerks-Datenbank

Auf Basis der ÖNORM EN ISO 12006-2:2020 (Organisiation des Austausches von Informationen über die Durchführung von Hoch- und Tiefbauten) wurde eine Datenbank mit Produkt- (Mauerziegel, Mauermörtel bzw. Mauerkleber und Beton) und Bauteileigenschaften (Mauerwerk) für die statische Berechnung erstellt. Darin sind alle Mauerziegel der österreichischen Ziegelindustrie sowie die üblichen Mauerziegel-Mörtelkombination für den Einsatz im tragenden Mauwerwerk erfasst. Diese Mauerwerksdatenbank ist Bestandteil der Software und ermöglicht dem Anwender eine komfortable Materialauswahl. Im Fachbuch „PIM for BIM“ aus der buildingSMART-Serie BIM-Basics wurde im September 2021 erstmals über diese Mauerwerks-Datenbank publiziert.

Im Austrian Standards Institute (ASI) wird, unter Mitarbeit vom Austrian Institute of Technology (AIT) und „Digital findet Stadt“, seit Jahresbeginn 2021 innerhalb der Arbeitsgruppe AG 011.09 der ASI-Merkmalserver überarbeitet. Es handelt sich hier um eine Datenbank, in der die Datenstruktur von Materialien und Bauelementen beschrieben ist. Die Datenstruktur der Mauerwerksdatenbank, die in dem konkreten Anwendungsfall „Statik“ entstanden ist, soll dort übernommen werden.

Der Projektabschluss

Nachdem von Juli bis September 2021 die Beta-Version der Software erfolgreich getestet wurde, fand am 13. September im Rahmen einer Hybrid-Veranstaltung in Marchtrenk die Projekt-Abschluss-Präsentation vor den Mitgliedern der Industriepartner statt. Der Verkaufsstart der Software als RFEM 6+Mauerwerksmodul erfolgte am 4. Oktober 2021. Die ersten Präsentationen der Software fanden noch im Herbst 2021 statt:

in Österreich am 4. November auf der Wienerberger-Veranstaltung FUTURE BRICK DAYS – Digitale Bauewelten - im MAK Wien: Dr. Anton Pech präsentierte unter dem Titel „Future of masonry design: die Zukunft der Mauerwerksbemessung“ die Eleganz der Mauerwerksbemessung im RFEM 6.

in Deutschland am 23. November auf der BIMWORLD Munich 2021: auf der Congress Stage 1 – BIM4Materials – wurde im Experten Panel von Wienerberger im Rahmen der Präsentation „PIM for BIM – Wechselwirkung von Produktinformationsmanagement und Bauwerksdatenmodellierung“ die Mauerwerksdatenbank im RFEM 6 vorgestellt.

Wissenschaftliche Arbeiten

In den Jahren 2020 und 2021 wurden zwei Masterarbeiten unter Einbeziehung der Software RFEM + Mauerwerksmodul durchgeführt. Andreas J. Petermann schrieb seine Arbeit an der Technischen Universität Graz und überprüfte darin die Einsatzmöglichkeit eines neuartigen Ziegelbausystems für ein achtgeschossiges Wohngebäude. Florian Treiber behandelte in seiner Arbeit an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg die Adaptierung des Systems auf die deutschen Verhältnisse.

Für das Jahr 2022 sind Diplomarbeiten an zwei bis drei technischen Mittelschulen in Österreich geplant, die in Form von Gruppenarbeiten durchgeführt werden. Erstgespräche dazu gab es bereits mit der HTL Pinkafeld und der HTL Mödling.

Die Schulungen

Mit der zt akademie gmbh, der Bildungseinrichtung der Kammer der ZiviltechnikerInnen, wurde eine Kooperationsvereinbarung über die Abhaltung einer Vortragsreihe zum Thema „Bemessung von Mauerwerksbauten“ abgeschlossen. Die inhaltliche Ausgestaltung der Webinarreihe wurde von den DDMaS-Projektpartnern, die Organisation von der zt akademie übernommen. Die Teilnahme am „Teaser“-webinar ist kostenlos, die vier tiefergehenden Module der Webinarreihe kosten zusammen je Teilnehmer EUR 240,- (exklusive USt.). Zu empfehlen ist auf jeden Fall die Teilnahme an allen vier webinar-Modulen. Nachfolgend das Programm (die Termine werden auch auf der website www.ztakademie.at veröffentlicht und können sich eventuell geringfüg verschieben):

Teaser: Einführung in die Software RFEM 6 + Mauerwerksmodul

Donnerstag, 24. Jänner 2022, 17:00 – 18:30 Uhr

Modul 1: Theorie

Donnerstag, 3. März 2022, 14:00 – 16:30 Uhr

Modul 2: Bauteilmodell

Mittwoch, 10. März 2022, 14:00 – 16:30 Uhr

Modul 3: Programmbedienung

Donnerstag, 17. März 2021, 14:00 – 16:30 Uhr

Modul 4: Validierungsbeispiele

Mittwoch, 24. März, 14:00 – 16:30 Uhr

Literatur
Breitwieser, K.; Nawrocka, M.; Platil, J.: PIM for BIM. Product and Building Information Management in the Digital Environment, Berlin, 2021
Breitwieser, K.; Kubista, M.: PIM for BIM – Wechselwirkung von Produktinformationsmanagement und Bauwerksdatenmodellierung, Präsentation auf der BIMWORLD Munich 2021, München, 23.11.2021
Pech, A.: Future of masonry design: die Zukunft der Mauerwerksbemessung, Präsentation auf den Wienerberger FUTURE BRICK DAYS, Wien, 4.11.2021
Leitner, S.: Zeitgemäße Bemessung von Ziegelmauerwerk. Edifidgement – Zeitschrift für ganzheitliches Bauen, Ausgabe 08/2020
Petermann, A. J.: Innovatives Ziegelmauerwerk für 8-geschossige Gebäude – statische und bauphysikalische Untersuchungen. Masterarbeit an der TU Graz, 2020Dlubal: Mauerwerksbemessung für RFEM 6, https://www.dlubal.com/de/produkte/add-ons-fuer-rfem-6-und-rstab-9/bemessung/mauerwerksbemessung (abgerufen am 22.12.2021
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