BIM : Gebäudesimulation als Instrument moderner BIM-Planungsprozesse

Nach der Definition von buildingsmart.org versteht man unter BIM (Building Information Modeling, dt. Bauwerksdatenmodellierung) eine digitale Repräsentation der physikalischen und funktionalen Charakteristika eines Gebäudes. Vor dem realen Bauen wird also ein virtuelles Gebäude am Computer modelliert.

D.h. BIM erfordert die integrale Planung von Architektur und Nutzung unter Berücksichtigung des Facility Management, zusammen mit der Technischen Gebäudeausrüstung (Heizung/Klima/Lüftung, sowie von einzusetzenden Technologien der Erneuerbaren Energie, SmartBuilding und Informations- und Kommunikationstechnik).

Eine wichtige Motivation für BIM ist die zunehmende Komplexität von Planungsprozessen und das Risiko von kostspieligen Änderungen während der Bauausführung.

Dr. Günther Ofner, Vorstandsvorsitzender der Flughafen Wien AG, erklärte in einem Vortrag am PlanningDay 2016 in Velden: Die gelernten Lektionen aus dem SKYLINK-Projekt seien: Die Komplexität richtig einschätzen, für die Planung ausreichend Zeit vorsehen, ein besonders kritischer Teil ist die Haustechnik, Kein Baubeginn vor Abschluss der Planung, Keine Planänderung nach Baubeginn

Die letztgenannten Forderungen, für viele provokant, erscheinen jedoch mit Hilfe von BIM-orientierten Planungsprozessen realisierbar. Als ein gelungenes Beispiel kann das EnergiePlus-Haus LISI, entwickelt an der TU Wien (Website: www.solardecathlon.at) gelten: Dieses Gebäude, welches mehr Strom erzeugt als verbraucht, gewann beim SolarDecathlon-Wettbewerb 2013 in den USA den ersten Preis. Die wichtigsten technischen Daten sind auf der Website des amerikanischen Energieministeriums (DoE) veröffentlicht und wurden hier zu Demozwecken für eine Computer-Rekonstruktion des LISI Hauses verwendet. Fehlende Detailangaben wurden dabei durch zusätzliche Annahmen ergänzt, um Gebäudesimulationen durchführen zu können.

Im Gegensatz zur TU Wien, wo mehrere Softwarepakete für Simulationen verwendet wurden, wurden bei der vorliegenden Rekonstruktion alle Simulationsergebnisse mit einem einzigen Softwarepaket erzielt: EnergyPlus.Das Gebäude mit ca 80m² Grundfläche (BGF) verwendet für Heizung/Kühlung und Warmwasser zwei Luft-Wasser-Wärmepumpen, fängt Solarwärme durch große Glasflächen ein, wobei die Temperaturen auch durch gesteuerte Beschattung (Vorhänge) und natürliche Belüftung im Sollbereich von 20-27°C gehalten werden. 35 PV-Flächen erzeugen einen Großteil des benötigten Stroms. Für die Demo-Simulation des rekonstruierten Gebäudes wurde ferner ein Batteriespeicher von 5 kWh angenommen.

Die Simulationsergebnisse sind ähnlich zu jenen an der TU Wien erzielten, Abweichungen waren jedoch aufgrund unterschiedlicher Datenbasis infolge nicht zugänglicher Detaildaten zu erwarten: unterschiedliche Annahmen zu COP- und Kapazitätskurven der Wärme-pumpen, zum Einsatz elektrischer Geräte, zum Warmwasserverbrauch; andere Wetterdaten, sowie Abweichungen bei Algorithmen der Steuerung von Beschattung und natürlicher Belüftung.

Die Simulationen für verschiedene Standorte produzieren ein großes Volumen an Ergebnisdaten. Beispielsweise ist zu ersehen, dass in Irvine/Kalifornien die Raumtemperatur im Wohnzimmer fast ganzjährig um ca. 24°C pendelt, während die Raumtemperatur-Unterschiede zwischen Sommer und Winter in Wien und Klagenfurt stärker ausgeprägt sind. Die Photovoltaik erzeugt von Frühjahr bis Herbst Stromüberschüsse (siehe Bild für Klagenfurt), Strom wird primär im Winter vom EVU bezogen.

Beim Aufbau eines Simulationsmodells für ein virtuelles Gebäude wird sehr früh transparent, welche Informationen und Daten aus verschiedenen Fachdisziplininen einzuholen sind, die überdies konsistent gehalten werden müssen, damit die technischen Teilsysteme optimal zusammenarbeiten. BIM-Software und Simulations-software unterstützen dabei das Organisieren und Nutzen gemeinsamer Datendefinitionen, Datenformate, und Datenpools für die Zusammenarbeit interdisziplinärer Planungsteams.

Die Vielzahl der Planungsaspekte ist in der abschließenden grafischen Übersicht zusammengefasst.

Prädestiniert für BIM-Planungsprozesse mit dynamischen Simulationen sind Projekte hoher Komplexität und mit hohem Energie-Umsatz, wie Einkaufszentren, Spitäler, Flughäfen, Hotelanlagen, Schulen, Rechenzentren, Bürogebäude, komplexe Sanierungen und innovative Projekte mit Green Technologies.

Die energetische und bauphysikalische Gebäude-Performance kann in der Phase der Ideen- und Variantenentwicklung besser visualisiert, mit dem Bauherrn kommuniziert und evaluiert werden

Auswirkungen von Maßnahmen in bezug auf bauliche Veränderungen, Ersatz technischer Systeme oder von Änderungen in der Nutzung können quantifiziert veranschaulicht werden

Energiekonzepte können in bezug auf die geplante Nutzung im Tages- und jahreszeitlichen Ablauf bereits virtuell getestet werden

Die Simulationssoftware unterstützt bei der Spezifizierung technischer Anforderungen, der Einholung technischer Daten von Herstellern, bei der Dimensionierung technischer Systeme und deren Optimierung

Gebäudesimulationsmodelle können auch für Entwickler technischer Systeme nützlich sein, um die Effekte in Gebäuden besser zu beurteilen und im Marketing den Nutzen überzeugender darzustellen

*Otmar Mak ist Technischer Mathematiker, hat seit 2014 verschiedene Softwarepakete zur energetischen und bauphysikalischen Gebäudesimulation getestet und Erfahrung beim Aufbau von Simulationsmodellen gesammelt.