BIM in der Planung von Abwasserbehandlungsanlagen

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Die Integration von MagiCAD in BIM-Workflows für die Modernisierung von Kläranlagen stellt einen signifikanten Qualitätssprung in der Planung nachhaltiger Infrastrukturen dar. Die Fallstudie Ginosa demonstriert, wie der gezielte Einsatz von MagiCAD für die Modellierung und Dimensionierung der Absaugnetze zur Kontrolle von Geruchsemissionen sich effektiv in die umfassenderen BIM-Prozesse integrieren lässt und zu technisch präzisen und umweltverträglichen Lösungen beiträgt.

Die Einführung von BIM in der Planung von Abwasserbehandlungsanlagen bietet konkrete Vorteile hinsichtlich der Planungseffizienz und Fehlerreduzierung – Aspekte, die für komplexe Infrastrukturprojekte wie Kläranlagen besonders relevant sind. Die spezifischen technischen Herausforderungen in diesem Bereich erfordern jedoch spezialisierte Ansätze, die weit über die konventionellen BIM-Praktiken im Hochbau hinausgehen.

Technische Herausforderungen bei der BIM-Modellierung von Kläranlagen

Kläranlagen stellen einzigartige Modellierungsherausforderungen dar, die sie von konventionellen Hochbauprojekten unterscheiden. Im Gegensatz zu Standard-TGA-Systemen im Hochbau arbeiten Abwasserleitungen unter Schwerkraftverhältnissen, bei denen unterdimensionierte Querschnitte Entwässerungsprobleme verursachen, während überdimensionierte Querschnitte die Sedimentbildung und fortschreitende Verstopfung begünstigen.

Revit bietet nativ Standard-TGA-Funktionalitäten, aber für komplexe Anwendungen wie Kläranlagen sind zusätzliche Werkzeuge unverzichtbar, die die Modellierung der Anlagennetzwerke optimieren und die Koordination zwischen den verschiedenen Fachdisziplinen erleichtern.

Eine integrierte Lösung für nachhaltige Planung

MagiCAD erleichtert die nachhaltige Sanierung von Abwasserbehandlungsanlagen durch tiefe Integration in BIM-Prozesse und ermöglicht präzise Planung, Berechnung und Optimierung der TGA-Systeme, die direkt zu Umweltzielen wie Wasserwiederverwendung und Emissionskontrolle beitragen.
Der Sanierungsprozess beginnt mit Vorbereitungsarbeiten und umfassenden Bestandsaufnahmen, die georeferenzierte luftphotogrammetrische Vermessungen mit Drohnen und Laserscanning mit tragbaren Geräten umfassen. Diese Vermessungen erzeugen eine Punktwolke, die für die Erstellung eines Scan-to-BIM-Modells des Bestandszustands der Anlage grundlegend ist.
Anschließend wird ein gemeinsames Planungsmodell erstellt, das alle vorgesehenen neuen Maßnahmen enthält, wobei die Bestandsleitungen visuell von den neuen Planungsleitungen unterschieden werden, um eine klare Darstellung zu gewährleisten.
MagiCAD arbeitet als vollständig in Revit integrierte Software und garantiert vollständige Kompatibilität sowie einen durchgängigen und effizienten BIM-Planungsworkflow, der es den Anwendern ermöglicht, in derselben Arbeitsumgebung für alle Projektphasen zu verbleiben.

Fallstudie: Sanierung einer Kläranlage in Ginosa (Apulien) – Astra Engineering

Die im vorgestellte Fallstudie, entwickelt von Astra Engineering S.r.l., betrifft die Erweiterung und Modernisierung einer kommunalen Abwasserbehandlungsanlage in der Gemeinde Ginosa (Apulien). Die Modernisierungsmaßnahme wurde auf Ebene der technisch-wirtschaftlichen Machbarkeit für ein integriertes Vergabeverfahren geplant und erfüllt mehrere Anforderungen:

• Erhöhung der Anlagenkapazität: Erhöhung von ca. 22.206 auf 25.900 Einwohnerwerte (EW)
• Normative Anpassung: Konformität mit der Regionalverordnung Nr. 13/2017 der Region Apulien für die Primärstufen (Vorbehandlung und Ausgleichsbecken)
• Umweltverträglichkeit: Implementierung der landwirtschaftlichen Wiederverwendung des behandelten Abwassers gemäß DM 185/2003
• Emissionseindämmung und -kontrolle: Erfassung und Behandlung von Geruchsemissionen mittels Biotrickling
• Anpassung des Regenwassernetzes: Verstärkung des Sammel- und Entwässerungsnetzes mit Einbau von Schächten, Rohrleitungen und Straßenabläufen
• Personalschutz: Überwachung der Exposition gegenüber chemischen Stoffen für Mitarbeiter in geschlossenen Räumen

Planungsherausforderungen und räumliche Randbedingungen

Die Anlage wies verschiedene spezifische Problemstellungen auf, die einen integrierten Ansatz erforderten:

• Landschaftsschutzauflagen: Die Gemeinde Ginosa unterliegt landschaftlichen Schutzauflagen aufgrund der Nähe zu einer Schlucht
• Hydrogeologische Auflagen: Lage im Fluss-/Hügelgebiet, die eine Genehmigung der Einzugsgebietsbehörden erfordert
• Umweltverträglichkeitsprüfung: Erforderliche Prüfung der UVP-Pflicht für Kläranlagen mit einer Kapazität über 10.000 EW
• Integration in den Bestand: Erweiterung im derzeit stillgelegten östlichen Bereich, der modernisiert wird
  

Implementierte Lösung

Der integrierte BIM-Ansatz ermöglichte es, alle Phasen systematisch anzugehen. Insbesondere wurde MagiCAD gezielt für die Modellierung der Druck- und Freispiegelleitungen sowie für die Dimensionierung der Absaugleitungen zur Behandlung von Geruchsemissionen eingesetzt und demonstrierte damit die Leistungsfähigkeit der Software bei der Verwaltung komplexer Anlagennetzwerke innerhalb des gesamten BIM-Workflows.

Operativer Prozess für die nachhaltige Sanierung

Vorbereitungsarbeiten und Datenerfassung (Bestandsaufnahme)

Der Prozess begann mit einer präzisen Erfassung der vorhandenen Daten durch mehrere integrierte Aktivitäten:

• Kontextanalyse: Prüfung der städtebaulichen Zonierung und der regionalen Landschaftsschutzauflagen
• Prüfung der UVP-Pflicht: Erforderlich für Kläranlagen mit Kapazität über 10.000 EW
• Beschaffung der vom Auftraggeber verfügbaren technischen Dokumentation
• Georeferenzierte luftphotogrammetrische Vermessung mittels Drohnen (DJI Mavic)
• Laserscanning mit tragbaren Geräten (Leica BLK2GO) für präzise Kartierung
• Bestandsaufnahme der Anlage und Erfassung der Typenschilder der vorhandenen Ausrüstungen
• Umweltmessungen (Lärm, Emissionen, Landschaft) und geotechnische Charakterisierung
• Strukturelle Charakterisierung der vorhandenen Becken und olfaktometrische Untersuchung zur Charakterisierung der Geruchsemissionsquellen

Durch die Interpolation der topographischen Vermessungen und Laserscans konnte eine Punktwolke generiert werden, die für die Erstellung eines Scan-to-BIM-Modells des Anlagenbestands grundlegend war.

2. Scan to BIM und Erstellung des Ausgangsmodells

Nach der Festlegung des BIM-Abwicklungsplans (BAP) und des Detaillierungsgrads (LoD) gemäß UNI 11337-4 wurde die aus den Vermessungen generierte Punktwolke verwendet, um ein vollständiges Modell mittels Scan to BIM zu erstellen. Basierend auf diesem Modell wurde mit der Erstellung des Tragwerksmodells und des TGA-Modells der Anlage in der Bestandskonfiguration fortgefahren.

Dank der Verwendung von MagiCAD wurden alle vorhandenen Anlagenverläufe im BIM-Modell rekonstruiert, kategorisiert nach Verwendungszweck:

• Wasserleitung (Abwasserbehandlungsprozess)
• Bypass-Leitungen für Ableitung
• Schlammleitung
• Entwässerungsleitungen
• Druckluftleitung
• Regenwasserleitung

3. Generierung des gemeinsamen Planungsmodells

Die drei Fachdisziplinen (Architektur, Tragwerk und TGA), kombiniert mit den lokalen Modellen der verschiedenen Gewerke, ermöglichten die Erstellung eines gemeinsamen Planungsmodells, in das alle für die Anpassung und Erweiterung der Anlage vorgesehenen neuen Maßnahmen implementiert wurden. Die neuen Planungsleitungen wurden im Grundriss und im dreidimensionalen Modell visuell von den Bestandsleitungen unterschieden. Diese BIM-Methodik ermöglichte eine effektive Koordination zwischen allen am Projekt beteiligten Fachdisziplinen.

4. Fachplanung mit MagiCAD: Fokus auf Geruchsemissionen

Der Beitrag von MagiCAD im Projekt gliederte sich in zwei Hauptphasen:

• Rekonstruktion der vorhandenen Anlagenverläufe im BIM-Modell
• Modellierung der neuen Anlagenleitungen und Dimensionierung der Absaugleitungen zur Behandlung von Geruchsemissionen

Für letzteren Aspekt, der den Hauptfokus der Sanierung darstellt, folgte der Prozess den folgenden Arbeitsschritten:

Phase 1: Projektvorbereitung und Datensatz

• Konfiguration der Berechnungsmethoden und Kriterien (Dimensionierung mit konstanter oder steigender Geschwindigkeit)
• Festlegung der Projektparameter für die automatische Netzwerksauslegung
• Import der Methoden in das aktuelle Projekt über die Planungsdatentabelle

Phase 2: Festlegung der Komponenten und Serien

• Erstellung von Luftkanal- und Rohrleitungsserien (Edelstahl für oberirdische Verlegung, PE100 für erdverlegte)
• Festlegung von Durchmessern und zugehörigen Formstücken für automatisches Einfügen
• Auswahl von Komponenten aus der TGA-Bibliothek von MagiCAD (der umfangreichsten in Europa, mit von den Herstellern selbst geprüften TGA-Objekten)

Phase 3: Erstellung und Konfiguration der Systeme

• Zuweisung einer formellen Identität für die zu planenden Netze
• Erstellung von Anlagensystemen (Zuluft, Absaugung, Abwasser)
• Zuweisung wesentlicher Eigenschaften: Bezeichnung, Material, Berechnungsart, charakteristische Farbe

Phase 4: Netzwerkmodellierung

• Operative Modellierung mittels integrierter MagiCAD-Tools zur Gewährleistung der Planungskonsistenz
• Installation von Endgeräten (Absaugeinrichtungen), die mit den Kanalenden verbunden und mit den jeweiligen Planungsvolumenströmen beaufschlagt werden
• Modellierung von Lüftungs- und Leitungsnetzen, unterschieden nach Typ, Farbe und Status

Phase 5: Berechnung, Abgleich und Analyse

• Verwendung der MagiCAD-Berechnungskerne zur Netzauslegung und Funktionsprüfung mit Kriterium konstanter Geschwindigkeit (im Projekt verwendeter Wert: 7 m/s)
• Identifikation ungünstigster Strecken (z.B. zwischen zwei Absaugpunkten) für gezielte Durchmesseranpassungen bei konstanter Geschwindigkeit
• Ergebnisanalyse in Tabellenform mit finalen Abmessungen, Volumenströmen, Strömungsgeschwindigkeiten, Druckverlusten und Einstellungen der Klappenjustierung für jedes Element
• Prüfung und Optimierung durch Kontrolle von Warnmeldungen, Identifikation ungünstigster Kreise und Durchführung notwendiger Änderungen

Erweiterte Planungs- und Optimierungsmöglichkeiten

Integrierte hydraulische Berechnungen für TGA-Netze

Im Gegensatz zu Revit allein integriert MagiCAD die Betriebskennlinien der Komponenten in seine Berechnungen und ermöglicht eine vollständige Dimensionierung und hydraulischen Abgleich der Anlagennetze. Im konkreten Fall des Projekts Ginosa ermöglichte dies die Identifikation der „ungünstigsten Wege“ innerhalb der Absaugnetze und gezielte Eingriffe zur Optimierung der Leistung des Emissionsbehandlungssystems.

Behandlung von Geruchsemissionen: Anwendungsschwerpunkt

Einer der bedeutendsten Aspekte des Projekts war die Verwendung von MagiCAD für die Modellierung und Dimensionierung der Absaugleitungen zur Behandlung von Geruchsemissionen. Dieser Prozess umfasste:

Berechnung der zu behandelnden Luftvolumenströme

MagiCAD berechnete die zu behandelnden Luftvolumenströme auf Grundlage folgender Eingabeparameter:

• Begehbare Bauwerke/Gebäude: 5-facher Luftwechsel bei gelegentlicher Anwesenheit von Personal, 8-facher Luftwechsel bei ständiger Anwesenheit
• Becken mit bündigen Abdeckungen: 2-facher Luftwechsel bei freiem Raum zwischen Abdeckungsunterseite und Flüssigkeitsoberfläche < 1m, 1-facher Luftwechsel bei freiem Raum > 1m

Vordimensionierung der Komponenten

• Absauggitter für Gebäude und Regulierklappen für direkte Absaugung aus Becken
• Gitter für Außenlufteintritt für Umluft
• Rohrleitungsmaterialien

Systemdimensionierung

• 2 Filter mit Biotrickling-Technologie: 9.000 m³/h Nennvolumenstrom sowie 5.000 m³/h
• Puffer für potenzielle Behandlungserweiterungen
• Anzahl und Größe der Gitter pro Station vordimensioniert entsprechend dem abzusaugenden Luftvolumenstrom

Diese präzise Berechnung ist entscheidend für eine effektive Luftbehandlung und zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen des Personals.

Echtzeitoptimierung

Die Software ermöglichte es, die Projektelemente in Echtzeit automatisch zu ändern (Abmessungen von Rohren oder Kanälen) basierend auf den Berechnungsergebnissen, wodurch schnelle Simulationen und eine iterative Optimierung zur Findung der besten Lösung möglich waren.

Ressourcen und technischer Support

Umfassende TGA-Bibliothek

MagiCAD bietet Zugang zur größten TGA-Bibliothek Europas mit über einer Million realen Objekten von mehr als 300 Herstellern sowie generischen Objekten, die vom Anwender modifiziert oder erstellt werden können, und gewährleistet eine präzise Modellierung mit realen Komponenten.

Lokalisierung und Standards

Die Software ist mit italienischen und internationalen Berechnungsstandards lokalisiert und eignet sich für nationale und internationale Projekte in allen Phasen, von der Vorplanung bis zum As-built.

Schulung und technischer Support

MagiCAD bietet umfassende Unterstützung zur Maximierung der Software-Effektivität:

• Spezialisierte Schulung: Kurse für Erstanwender und Aufbaukurse für erfahrene Nutzer, konzipiert für sofortige operative Wirksamkeit
• Qualifizierter technischer Support: Support-Team aus TGA-Fachleuten mit umfangreicher Branchenerfahrung
• Webinare und Online-Ressourcen: Regelmäßiges Programm technischer Webinare und Zugang zu E-Learning-Inhalten für eigenständige Vertiefung
• Lokalisierte Templates: Spezifische Revit-Projektvorlagen, sofort einsatzbereit zur Beschleunigung des Projektstarts

Fazit

Die Integration von MagiCAD in BIM-Workflows für die Modernisierung von Kläranlagen stellt einen signifikanten Qualitätssprung in der Planung nachhaltiger Infrastrukturen dar. Die Fallstudie Ginosa demonstriert, wie der gezielte Einsatz von MagiCAD für die Modellierung und Dimensionierung der Absaugnetze zur Kontrolle von Geruchsemissionen sich effektiv in die umfassenderen BIM-Prozesse integrieren lässt und zu technisch präzisen und umweltverträglichen Lösungen beiträgt.

Die Fähigkeit der Software, präzise geometrische Modellierung, erweiterte hydraulische Berechnungen und Echtzeitoptimierung für TGA-Netze zu vereinen, überwindet die traditionellen Limitierungen paralleler Workflows. Der spezifische Beitrag von MagiCAD bei der Dimensionierung der Absaugnetze gewährleistete hohe Produktivität, Präzision und Kontrolle – fundamentale Elemente zur Erreichung der Ziele der Umweltverträglichkeit und Verbesserung der Arbeitsbedingungen.

Dieser Ansatz repräsentiert die Zukunft der Planung von Wasserinfrastrukturen, wo die Präzision in der Modellierung der TGA-Netzwerke sich mit fortschrittlichen BIM-Methodologien verbindet, um technisch exzellente und umweltverantwortliche Lösungen zu schaffen.