Optimierungspotenziale bei der durchgängigen Modellentwicklung

Bedarfsplanung aufstellen

Um einzelne Schritte der TGA-Planung in frühen Phasen zu verdeutlichen, wird im praktischen Beispiel ein Bürogebäude aufgezeigt, das mit 50 Arbeitsplätzen auszustatten ist. Es sollen mehrere Besprechungsräume, eine Cafeteria und in den oberen Etagen jeweils ein Aufenthaltsbereich mit Teeküche vorgesehen werden. Aus den Anforderungen des Bauherrn und den baurechtlichen Randbedingungen wird eine erste tabellarische Bedarfsplanung erstellt. Für das vorgesehene Grundstück ist ein Baufenster von ca. 40 m x 20 m mit einer dreigeschossigen Bauweise vorgesehen. Auf Basis dieser Randbedingungen werden Funktionsbereiche für Büro, Meeting, WC-Anlagen, Lager/Technik und Verkehrsflächen definiert. Für jede Art der Funktionsbereiche wird der Flächenbedarf für jede Etage festgelegt. Des Weiteren können in dieser Phase bereits spezifische Lasten für Heizen sowie Kühlen, die grundlegende Anforderungen an die Luftqualität, die Belegungsdichte von Personen und die Anzahl an Sanitärzapfstellen angeben werden (Tabelle 1).

Annäherung zum Funktions- und Trassenkonzept

Aus der Bedarfsplanung soll ein Funktionskonzept abgeleitet werden, in welchem die Funktionsbereiche in einem architektonischen Konzeptkörper verortet und ein Energie- sowie Anlagenkonzept skizziert sind. Die Positionen der einzelnen Funktionsbereiche und die Wahl der Anlagentechnik haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Größe der Versorgungstrassen. Aus diesem Grund erfolgt die Erstellung des Funktionskonzepts in mehreren Iterationsschritten. Hierfür wird zwischen den Planungsbeteiligten durch wiederholten Austausch und Anpassung der Konzeptvorschläge eine schrittweise Annäherung an eine optimale Lösung erarbeitet. In dem Anlagenkonzept wird u. a. die Art des Heizungs- und Kälteübergabesystems (Heizkörper, Flächenheizung usw.) festgelegt. Aus dieser Angabe leiten sich weitere Randbedingungen, z. B. die Systemtemperaturen und die Spreizung für die Heizungs- und Kälteanlage, ab. Aus den Informationen der Bedarfsplanung lassen sich nun für jeden Funktionsbereich Lasten (Heizen, Kühlen) und Volumenströme (Lüftung, Sanitär) ermitteln. Zusammen mit den Randbedingungen des Energie- und Anlagenkonzepts können Rohrdimensionen ermittelt werden, die wiederum für die Dimensionierung von Schächten und Trassen benötigt werden.

Im ersten Schritt des Funktionskonzepts werden mit einem Konzeptkörper die Gebäudeumrisse festgelegt und die Funktionsbereiche in jeder Etage am Bauraster verteilt, sodass in etwa die vorgegebenen Flächen der Funktionsbereiche eingehalten werden und die Beziehungen der Funktionsbereiche zueinander optimal abgestimmt sind. Mit diesem Funktionskonzept wird in einem ersten Trassenkonzept die Größe der Technikzentralen festgelegt und wieder mit dem Funktionskonzept abgeglichen. Die für die Technikräume vorgesehenen Funktionsflächen werden an den geschätzten Platzbedarf angepasst, was im Gegenzug wieder Auswirkungen auf die Gestaltung der anderen Funktionsflächen hat. Im nächsten Schritt werden die Positionen und die benötigten Schachtdimensionen ermittelt und erneut mit dem Funktionskonzept abgeglichen. Wenn die Positionen der Technikzentralen und Schächte gut mit dem Funktionskonzept harmonisieren, wird das Trassenkonzept erweitert, wobei im folgenden Planungsschritt die einzelnen Funktionsbereiche in den Geschossen über Trassen an die Schächte angebunden werden sollen. Auch hier können mehrere Schritte erforderlich sein, bis eine optimierte Lösung für das Funktionskonzept sowie für die Positionen und Dimensionen der Schächte und Trassen gefunden ist.

Schritte im Beispielprojekt

In dem Beispielgebäude sieht das Energie- und Anlagenkonzept vor, dass die Zentralen für Heizung, Kälte und Sanitär im Erdgeschoss und die Lüftungszentrale auf dem Dach positioniert werden sollen. Des Weiteren ist vorgesehen, die Räume mit Deckensegeln zu heizen und zu kühlen. In Bild 2 sind die Funktionsbereiche des Erdgeschosses im Konzeptkörper dargestellt. Durch den Import der Bedarfsplanung werden die Informationen an die Funktionsbereiche übertragen und können um die Informationen des Anlagenkonzepts erweitert werden. Mit den Informationen an den Funktionsbereichen kann zum einen ein Abgleich zwischen den geplanten Flächen aus der Bedarfsplanung und den tatsächlichen Flächen im Modell erfolgen. Des Weiteren können mit den Informationen die Lastabschätzungen durchgeführt werden, die für die Trassen und Schachtdimensionierung zum Einsatz kommen. Am Gewerk Lüftung wird dieses einmal verdeutlicht. In der Bedarfsplanung sind Personendichte und Luftqualitätsanforderung (Kategorie) für die Funktionsbereiche festgelegt worden. Mit den Werten des festgelegten Gebäudetyps zur Verdünnung von Emissionen (Schadstoffbelastung) kann für jeden Funktionsbereich ein Volumenstrom nach den Regeln der DIN EN 16798-1 ermittelt werden. Für die Sanitärräume werden die Regeln der Arbeitsstättenrichtlinie angewendet, die sich an der Anzahl der WCs und Urinale orientiert, die ebenfalls in der Bedarfsplanung festgelegt wurden.

Um mit der Dimensionierung von Schächten und Trassen durch die Summierung der Volumenströme zu beginnen, sollte vorher mithilfe des Anlagenkonzepts bei jedem Funktionsbereich festgelegt werden, von welcher Anlage diese versorgt wird. So können in dieser Phase schon mehrere Anlagen an ggf. unterschiedlichen Orten im Gebäude oder separater Trassenführung in der Planung berücksichtigt werden. Das Anlagenkonzept in dem Beispiel sieht vor, dass alle Räume von einer Anlage mit Zu- und Abluft versorgt werden, somit ist keine separate Summenbildung pro Anlage erforderlich. In Tabelle 2 ist die Auswertung und Summation der Volumenströme im Modell dargestellt. Da die Anlage auf dem Dach verortet ist, werden die Dimensionen der Leitungen für den Schacht im Erdgeschoss aus der Summe der Volumenströme aller Funktionsbereiche im Erdgeschoss ermittelt. Der Schacht im 1. Obergeschoss wird aus der Summe der Bereiche im Erd- und 1. Obergeschoss und im 2. Obergeschoss aus allen Funktionsbereichen gebildet. Im Modell werden entsprechende Trassenkörper an den Stellen positioniert, an denen die Schächte vorgesehen sind. An den Trassenkörpern wird definiert, welche Leitungstypen durchgeführt werden (Zu-/Abluft, Vorlauf Heizung usw.). Mit den summierten Lasten und Volumenströmen werden für alle Gewerke die Dimensionen der Leitungen der Trassenkörper bestimmt. Für den Lüftungsschacht im Erdgeschoss werden für die Zu- und Abluftkanäle mit dem summierten Volumenstrom von 2.732 m³/h und der gewählten maximalen Geschwindigkeit von 5 m/s die Kanalabmessungen von 450 mm x 350 mm gewählt. Durch die Definition von Trassenquerschnitten mit der Positionierung der Leitungen und Festlegung der Abstände zwischen den Leitungen ergibt sich für die Trassenkörper eine Dimension, die in das Modell übertragen wird. Die positionierten und dimensionierten Schächte werden mit dem Funktionskonzept abgeglichen. Nach mehreren Iterationen wird eine Lösung gefunden, die alle Anforderungen erfüllt. Nun kann anschließend auf dieser Basis die Positionierung und Dimensionierung der Trassen in den Geschossen von den Schächten zu den Funktionsbereichen erfolgen. In Bild 1 ist das optimierte Trassenkonzept mit den Technikzentralen des Beispielgebäudes dargestellt. Von den Technikräumen im Erdgeschoss verteilt das grüne Trassensystem die Gewerke Heizung, Kälte und Sanitär zu den einzelnen Funktionsbereichen. Die Lüftung wird durch das gelbe Trassensystem getrennt im Gebäude geführt.

Übergang in den Modellentwurf

Auf Basis des Funktions- und Trassenkonzepts wird ein detaillierteres Architekturmodell entwickelt, das ausreichenden Platzbedarf für eine effiziente Leitungsführung bereitstellt. Die Funktionsbereiche werden nun im Modell in einzelne Räume aufgeteilt. Das Modell wird um weitere Informationen angereichert, sodass detaillierte Lastberechnungen (z. B. Heiz- und Kühllastberechnungen) möglich sind. An den ermittelten Lasten der Räume lässt sich eine große Stärke dieser Arbeitsweise verdeutlichen, nämlich die Durchgängigkeit der Informationen über die einzelnen Schritte: Begonnen wurde in der Grundlagenermittlung mit einer geschätzten spezifischen Heizlast. Die spezifische Leistung wurde im Funktions- und Trassenkonzept genutzt, um die Leitungsdimensionen und damit auch die Dimensionen der Trassen festzulegen. Die nun im Modellentwurf vorliegenden detaillierten Lasten pro Raum können jetzt wieder auf die entsprechenden Funktionsbereiche summiert werden, sodass diesen Lasten für eine erneute Optimierung des Trassenkonzepts genutzt werden können. Allgemein zusammengefasst, werden im Planungsprozess immer mehr Informationen im Modell gesammelt bzw. weiter detailliert und jeder Schritt baut auf den Informationen des vorherigen Schritts auf. Die Erhöhung der Informationsdichte geschieht verlustfrei, sodass die Informationen aus vorhergehenden Planungsschritten jederzeit genutzt werden können, um sich iterativ einer optimalen Planung zu nähern. In dem Beispielgebäude werden, nach der eben beschriebenen Optimierung des Trassenkonzepts, die Leitungen der Trassen generiert, die Verbraucher in den Räumen platziert und angeschlossen (Bild 3).

Die Trassenkörper werden weiter als leichtgewichtiges Koordinationsmodell für die Kollisionsprüfung genutzt. Sie entsprechen hierbei reservierten Raumbedarfen, die mit den anderen Planungsbeteiligten abgestimmt wurden. Wird diese Unterteilung der Zuständigkeitsbereiche strikt verfolgt, müssen aufwendige Abstimmungen mit anderen Planungsbeteiligten nur erfolgen, wenn die reservierten Bereiche durchdrungen werden, wenn bspw. nicht genügend Platz für die Modellierung einer Ausfädelung vorgesehen wurde. In diesem Fall können die kritischen Bereiche gezielt mit anderen Planungsbeteiligten abgestimmt werden.

Ausblick

Die an dem Beispiel verdeutlichte integrale Planungsmethodik kann heute bereits so mit den „Linear Solutions für Revit“ umgesetzt werden. In einer kommenden Weiterentwicklung soll die Ermittlung der Leitungsdimensionen in den Trassen allerdings noch weiter vereinfacht werden. Methodisch wird dies möglich, indem wir uns einer Analogie bedienen, in der wir Technikräume als Erzeuger und Funktionsbereiche als Verbraucher ansehen, die über Schächte und Trassen miteinander kommunizieren. Neben der Platzierung der Trassenkörper wird es dann nur noch erforderlich sein, die Übergabepunkte und Deckungsanteile der Medien in den Technikzentralen und Funktionsbereichen zu definieren. Auf Basis dieser Informationen kann aus einem Trassenkonzept eine Systemtopologie abgeleitet werden und – unter Einbeziehung technischer Randbedingungen (z. B. Gleichzeitigkeiten) – können jedem Trassensegment automatisch korrekt dimensionierte Leitungen zugeordnet werden. Die Leitungsdimensionen sind dann – wie gehabt – die Grundlage für die Querschnittsplanung und die Abstimmung von Platzbedarfen für technische Medien. Das berechenbare Trassenkonzept ermöglicht es Anwendern perspektivisch noch einfacher, die frühen Phasen mitzugestalten und intuitive Annahmen seitens der Bauwerksverantwortlichen schnell zu überprüfen. Auch werden Mengenermittlungen auf Basis von Raumbuch- und Trasseninformationen deutlich vereinfacht, sodass ohne großen Aufwand Bewertungen über Kosten und Nachhaltigkeit der verwendeten Materialien angestellt werden können.