PTB - ein BIM-Pilotprojekt des Bundes

NEUBAU FÜR FEINSTE MESSUNGEN RUND UM TIEFE TEMPERATUREN UND QUANTENTECHNOLOGIE
Er war einer der großen Physiker: Walther Meißner nahm bereits 1927 auf demselben Areal, auf dem jetzt der Forschungsneubau 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 2D-taugliche 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:

-    Architekten
-    Statiker
-    TGA (PGMM)
-    Laborplanung (PGMM)

Die PGMM arbeitete 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 konnte die südliche Grundrisszonierung aus dem Wettbewerbsentwurf nahezu bestätigt werden.

Zur Andienung der mittleren innenliegenden Laborzone wurde in allen Geschossen über die komplette Länge der Laborrückwände ein zusätzlicher begehbarer Schacht erforderlich. 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.

Abbildung 2 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 6 000 m³ beantragt hat. Die modellbasierte Ausführungsplanung desselben Bereichs im Lüftungsschacht (Abbildung 3) zeigt sehr eindrücklich, 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.