27. August 2021

„PTB“ – ein BIM-Pilotprojekt des Bundes: Neubau für feinste Messungen rund um tiefe Temperaturen und Quantentechnologie

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) erstellt derzeit einen Forschungsneubau für feinste Messungen rund um tiefe Temperaturen und Quantentechnologie. Für das Gebäude sind über 32000 TGA-Komponenten geplant. Dazu gibt es neben Technikzentralen einen durch das gesamte Gebäude geführten und begehbaren vertikalen Ver- und Entsorgungsschacht, in dem mehr als 80 Brandschutzklappen regelmäßig zu warten sind. Höchste TGA-Anforderungen somit für Lüftung, Klima und Kälte sowie eine spannende Pionierarbeit für die Projektbeteiligten am gewerkeübergreifenden Koordinierungsmodell, für das Building Information Modeling (BIM) eingesetzt wurde. Das Ziel: Erfahrungen sammeln und den Planungsablauf effizient sowie nachhaltig abzuwickeln.

Walther Meißner, der Pionier der Tieftemperaturforschung, ist der Namenspatron des neuen Gebäudes, das auf dem historischen Gelände der PTB in Berlin-Charlottenburg entsteht. Er war einer der großen Physiker: Walther Meißner nahm bereits 1927 auf demselben Areal, auf dem jetzt der Neubau entsteht, ein Tieftemperaturlaboratorium in Betrieb. Damals gehörte das Ganze noch zur direkten Vorgängerin der PTB, der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR). Meißner machte dort bahnbrechende Entdeckungen: Er fand neue supraleitende Elemente und erforschte deren Verhalten. Zwar wurde das Laboratorium im 2. Weltkrieg zerstört, aber der Grundstein war gelegt für einen Forschungsschwerpunkt, bei dem die heutige PTB zur Weltspitze gehört: Seit den 1980er-Jahren ist die Entwicklung und Herstellung von höchstempfindlichen supraleitenden Quanteninterferenz-Detektoren („SQUIDs“) hier ein großes Thema. Diese „SQUIDs“ dienen als Sensoren zur Messung von unvorstellbar kleinen Magnetfeldern, etwa des menschlichen Herzens oder Gehirns. Mit ihnen sowie ihren teilweise weltweit einzigartigen Apparaten und magnetisch geschirmten Räumen ist die PTB international führend bei der Entwicklung neuer Diagnoseverfahren für Herz- und Hirnaktivität, aber auch in der physikalischen Grundlagenforschung wie etwa der Untersuchung von Eigenschaften magnetischer Nanoteilchen. Aber auch auf anderen Forschungsgebieten bietet der neue Walther-Meißner-Bau einmalige Umgebungsbedingungen: etwa für die Kryostaten-Systeme zur Thermometrie, die ebenfalls weltweit herausragend sind. Mit ihnen kann die PTB der überwiegend mittelständisch geprägten deutschen Thermometer-Industrie die Kalibrierung ihrer Produkte über einen sehr weiten Temperaturbereich aus einer Hand gewährleisten.

Außerdem wird die PTB in dem Gebäude das „neue“ Kelvin bereitstellen: Seit dem 20. Mai des Jahres 2020 wird die SI-Basiseinheit der Temperatur, das Kelvin, nicht mehr über den Tripelpunkt von Wasser, sondern über eine Konstante der Natur, die Boltzmann-Konstante, definiert. In dem Neubau wird die PTB das „neue“ Kelvin quasi „machen“ – wissenschaftlich exakter: Sie wird es direkt darstellen. Dazu dient ein sogenanntes Rauschthermometer, ein quantengestütztes Temperaturnormal. Mit ihm misst die PTB das Kelvin, indem sie eine Spannung direkt rückführbar auf ein Josephson-Normal misst. So kann die PTB ihre Spitzenstellung auch auf dem Gebiet der Primärthermometrie weiter ausbauen.

Zudem wird in dem neuen Gebäude die Entwicklung innovativer Präzisionselektronik für metrologische Anwendungen weitergeführt. Auch werden in den Laboratorien zukünftig Forschungsarbeiten zur optischen Einzelphotonen-Radiometrie, als ein Teil des neuen Quantentechnologie-Zentrums der PTB durchgeführt werden.

Kooperation im offenen System

Die intensive Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten am gewerkeübergreifenden Koordinierungsmodell war eine spannende Pionierarbeit. Der Gesamtprojektleiter hatte keine Erfahrungen, wie sich seine Strukturvorgaben auf die Datenübergabe im Projektkommunikationssystem auswirken würden. Bewährte 2Dtaugliche Strukturen konnten nicht einfach übertragen werden; so greift schon die gängige Kennzeichnung nach Geschossen bei IFC-Dateien nicht, da diese immer das gesamte Modell ebenenübergreifend beinhalten.

Auch wenn jeder Planer für sich bereits Modellerfahrung hatte, musste sich die Arbeit im „big open BIM“ mit dem Informationsaustausch unter den Planungsbeteiligten erst etablieren:

Die Planung der gesamten Gebäude erfolgte nach der BIM-Methode. Die TGA- und Laborplanung wurde von der Planungsgruppe MM AG (PGMM) erstellt. Dazu arbeitete die PGMM mit dem Softwareprodukt „liNear“. Die Auswahl für eine unternehmensweite Einführung erfolgte anhand einer Anforderungsmatrix. Es wurden verschiedene Softwaretools u. a. mittels nachfolgender Kriterien getestet und bewertet:

• 3D und BIM-Fähigkeit,
• zu erwartende Entwicklung der Software,
• Berechnungstool für alle mechanischen Gewerke,
• offene Schnittstellen.

Potenziale im modellbasierten Planungsprozess

Die ersten Überlegungen zur optimalen Positionierung der Hauptschächte und der Technikzentralen erfolgten im Projekt mit 2D-Grundrissdarstellungen, in welche Anlagensymbole eingefügt waren. Im gebäudeprägenden Reinraumbereich im 2. Obergeschoss wurden zur Vermeidung von Partikelbelastungen in den Halbleiterverarbeitungsbereichen Laminarfloweinheiten im Umluftbetrieb vorgesehen. Mit der Entscheidung für eine energie- und wartungseffiziente Zuluftführung mittels Druckplenum aus dem darüberliegenden Technikbereich wurde die Grundrisszonierung umgesetzt.

Zur Versorgung der mittleren innen liegenden Laborzone wurde in allen Geschossen über die komplette Länge der Laborrückwände ein zusätzlicher begehbarer Schacht erforderlich (Bild 1). Zur regelmäßigen Wartung der dortigen mehr als 80 Brandschutzklappen waren die vorgeschriebenen Wartungsgänge als Lichtraumprofil freizuhalten.

Dieser große Zentralschacht machte eine Verbreiterung des gesamten Gebäudes um mehr als 3 m erforderlich. Hier konnten bereits in der Vorplanung die Vorteile einer modellbasierten Planung mit BIM genutzt werden, um die für den Ausbau mit all seinen Leitungsquerungen erforderliche Schachtkubatur zu ermitteln, welche man früher mit der herkömmlichen Kollisionsplanung oft erst zu spät erkannte. „Build it twice“ bezeichnet diesen mit BIM simulierten Baubetrieb, durch den das Risiko auf der Baustelle reduziert wird.

Bild 3 zeigt die Entwurfsplanung der Lüftungskanäle mit den groben Kubaturen und funktionalen Elementen wie Klappen und Schalldämpfern. Die Darstellung erweckt durch die 3D-Grafik nicht mehr den skizzenhaften Eindruck eines annähernden Entwurfs. Sie enthält die entscheidungsrelevanten Elemente, auf deren Basis die Projektleitung vor der Verifizierung der Realisierungskosten eine Erhöhung des umbauten Raums (BRI) um mehr als 6000 m³ beantragt hat. Die modellbasierte Ausführungsplanung desselben Bereichs im Lüftungsschacht (Bild 4) zeigt sehr prägnant, wie sich der Detaillierungsgrad bis zur Leistungsphase 5 entwickelt hat.

Vor Abschluss der Ausführungsplanung der ersten Gewerke wurde der erreichte Planungsstand in einem gemeinsamen 3D-Workshop den zukünftigen Nutzern vorgestellt.

Die konsistente Modellqualität ermöglichte über die IFC-Schnittstelle eine Durchführung verschiedener Simulationen durch beteiligte Fachplaner, obwohl diese wie der Baudynamiker oder der Bauphysiker nicht an der Datenintegration zum Gesamtmodell beteiligt waren. Die hohen baudynamischen Erschütterungsanforderungen, insbesondere für die Reinraumebene, ergaben spezifische Grenzwertdefinitionen für die Steifigkeit und Eigenfrequenz des Bauwerks. Dies konnte nur in Ortbetonbauweise mit einem hohen Bewehrungsgrad der 30er-Betonwände bei rigider Schlitz- und Durchbruchsplanung realisiert werden. Mithilfe der 3D-Kollisionsprüfung wurde bei der Trassierung die Lage der Durchbrüche frühzeitig abgestimmt. Im Vergleich zum herkömmlichen Planungsprozess fanden dabei Leistungsverschiebungen in die frühen Phasen statt.

TGA als Hauptakteur im BIM

Anhand der Anzahl der in der Planung verwendeten BIM-Objekte sowie der Datengröße des jeweiligen Fachmodells wurde deutlich, dass die TGA-Planer in der BIM-Anwendung zu den Hauptakteuren zählen. Eine Analyse der Objektdaten zeigt Bild 5.

Für die verstärkte interdisziplinäre Zusammenarbeit haben die Software-Anbieter vielfältige Instrumente entwickelt. Zur Modellprüfung, Kommunikation und Auswertung gibt es verschiedenste Protokollsysteme. Und als Annäherung an die idealisierte Wunschvorstellung einer vollautomatisierten Kollisionsprüfung stehen bereits komfortable Viewer-Funktionen zur Verfügung, die grafisch effizient aufbereitet Kollisionen verorten und sogar das Vorkommen der Kollisionsart im Gebäude räumlich übersichtlich in einer Synopse aus überlagerten Grundriss-Isometrien darstellen.

Nachgefragt

IKZ-FACHPLANER: Herr Dux, Projekte dieser Art erfordern viel Brainstorming und Abstimmung in den Planer-Teams. Statt Präsenztreffen wird dies heute überwiegend digital durchgeführt. Worauf sollte man dabei achten, damit das digitale Arbeiten und der Austausch von den Projetbeteiligten zum Erfolgt führt?

Eberhard Dux: Allzu menschlich ist dabei die Gefahr, dass beim digitalen Austausch von Informationen mittels Eingabemasken der persönliche Kontakt im Planungsteam leidet, die Kommunikation zu eingleisig digital geführt wird. Dies bedingt manchmal, dass die Identifikation mit dem gemeinsamen Werk über andere Wege aufrechterhalten werden muss. Und letztlich sollten aber auch persönliche Treffen in einem bestimmten Rhythmus stattfinden.

IKZ-FACHPLANER: Welche Ergebnisse verzeichnet das BIM-Projekt?

Eberhard Dux: Durch das BIM-Pilotprojekt des Bundes „Neubau Walther-Meißner-Bau“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin haben wir mit dem Objektplaner, dem Tragwerksplaner und den Fachplanern an einem in der Kubatur überschaubaren, aber hochspezialisierten Wissenschaftsbau digitalisierte Planungsprozesse im big open BIM (Level 2) auf den Weg gebracht. Vom Entwurf bis zur Ausführungsplanung dieses Forschungsgebäudes konnte durch die modellgestützte Bearbeitung erheblich präziser auf die Anforderungen des Forschungsbetriebs reagiert werden. Dieser Mehrwert des BIM-Prozesses wird bis in die tägliche metrologische Arbeit der PTB spürbar bleiben.

IKZ-FACHPLANER: Welche Vorteile ergeben sich durch den BIM-Einsatz konkret für den Betrieb der TGA-Anlagen zukünftig? Geben Sie uns hierzu bitte zwei/drei Beispiele.

Eberhard Dux: Als Beispiel können die Technikflächen herangezogen werden. Wartungs- und Revisionsflächen lassen sich schon in einem frühen Planungsstadium darstellen, um ausreichenden Platz für diese notwendigen Tätigkeiten zu erhalten. Dies war auch beim PTB Projekt so, sodass das Gebäude schon in einer frühen Planungsphase um eine Achse vergrößert wurde. Dies wäre ohne BIM erst in der Bauumsetzung aufgefallen, dann allerdings mit den bekannten Folgen.

Autor: Eberhard Dux, Senior Berater und Partner der Planungsgruppe M+M AG

www.pgmm.com